POLITECHNIKA GDAŃSKA

Transkrypt

1 POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY Katedra Techniki Cieplnej Wybrane zagadnienia wymiany ciepła i masy Przejmowanie ciepła podczas skraplania czynników niskowrzących w skraplaczach chłodzonych powietrzem Wykonał: Kosiński Mariusz SMiUE Gdańsk 2008

2 Skraplanie lub kondensacja zjawisko zmiany stanu skupienia, przejście substancji z fazy gazowej w fazę ciekłą. Skraplanie moŝe zachodzić przy odpowiednim ciśnieniu i w temperaturze niŝszej od temperatury krytycznej. Skraplacz urządzenie którego zadaniem jest zamiana gazów w ciecze, czyli skraplanie. Jest zwykle elementem składowym większych instalacji technologicznych lub energetycznych. Skraplacze mają róŝną postać, sposób chłodzenia (ciecz, powietrze itp.), sposób montaŝu. Najczęściej spotykanym typem skraplaczy są skraplacze chłodzone powietrzem. Wprowadzenie tego typu skraplaczy miało na celu wyeliminowanie starszego typu skraplaczy chłodzonych cieczą, przykładowo skraplaczy płaszczowo rurowych. Pozwoliło to na zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych o około 30%, oraz wyeliminowanie zuŝycia wody o 70-90%. Typowym skraplaczem chłodzonym powietrzem jest skraplacz w postaci oŝebrowanego bloku. Zbudowany najczęściej z poziomych rur połączonych kolankami, tworzących w ten sposób węŝownice rurowe. Pokrywane one są cienkimi Ŝebrami w postaci płyt (lameli), lub nawijaną od strony powietrza śrubową taśmą. W bloku najczęściej znajduję się kilka równolegle połączonych węŝownic, które zasilane są kolektorowo, dlatego powaŝnym problemem jest równomierność pracy węŝownic. Podczas pracy takiego skraplacza występują problemy z samoczynnym odprowadzaniem kondensatu, w porównaniu ze skraplaczami z rurami poziomymi, gdzie ten problem jest znikomy. Rys.1. budowa skraplacza chłodzonego powietrzem (rysunek z lewej), połączenia kolankami (rysunek z prawej) 1 1 1

3 Zakres pracy skraplaczy chłodzonych powietrzem na przykładzie pary wodnej - temperatura skraplania t= +20 do 50 C (mała róŝnica temperatury względem powietrza chłodzącego (/\T=10-25K), - gęstość strumienia ciepła w skraplaczach chłodniczych q= W/m2 - gęstość strumienia masy skraplającego się czynnika wynosi co najwyŝej kilkaset kg/m2s (para wodna 2000 kg/m2s). Praca skraplacza polega na przemianie spręŝonej pary przegrzanej w ciekły czynnik chłodniczy, podczas tej przemiany występują trzy charakterystyczne strefy: 1. Strefa odbioru ciepła przegrzania (stosunek ilości ciepła przegrzania do ilości ciepła skraplania właściwego, moŝe sięgać nawet 25% całego procesu, strefa jednofazowa), 2. Strefa skraplania właściwego (dopływa para nasycona o temperaturze nasycenia wyŝszej od temperatury ścianki rury a odpływa ciecz nasycona, strefa dwufazowa), 3. Strefa dochładzania (ilość ciepła dochłodzenia stanowi zwykle kilka % ciepła skraplania właściwego, strefa jednofazowa). Rys.2. Przykładowy rozkład temperatury podczas skraplania freonu R22 wewnątrz poziomej rury skraplacza 2 W skraplaczach chłodniczych najczęstszym rodzajem skraplania jest skraplanie błonowe, powstający film cieczy na powierzchni dobrze zwilŝa powierzchnie rury. Występuję 2 Dr inŝ. T. Bohdan, mgr inŝ. H. Charun, doc. Dr inŝ. M. Czapp, artykuł przejmowanie ciepła podczas skraplania czynników chłodniczych w skraplaczach chłodzonych powietrzem część 1; Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna nr. 9/1999, str

4 takŝe skraplanie kropelkowe lub mieszane, w przypadku skraplania cieczy o duŝej gęstości. ZwilŜenie powierzchni jest ograniczone oraz następuje zmniejszenie odprowadzania ciepła. Ruch cieczy w rurce jest ograniczony w przypadku skraplania cieczy o duŝych gęstościach, moŝe on mieć charakter laminarny lub turbulentny. Obliczenia dla skraplaczy chłodzonych powietrzem przeprowadza się oddzielnie dla kaŝdej ze stref pokazanych na rys.1., wynikiem obliczeń będzie określenie pola wymiany ciepła a takŝe głównym celem obliczeń jest wyznaczenie współczynnika przejmowania ciepła dla danego skraplacza. Badacze stosując zasady analizy wymiarowej i teorii podobieństwa opracowali korelację dla obliczenia współczynnika przejmowania ciepła, która ma postać: W Zakładzie Termomechaniki i Chłodnictwa Politechniki Koszalińskiej, przeprowadzone zostały badania teoretyczne i eksperymentalne w zakresie charakterystyk 3

5 cieplno-przepływowych skraplaczy chłodzonych powietrzem. Przeprowadzone badania miały na celu określenie zaleŝności długości węŝownicy od współczynnika przejmowania ciepła. Przeprowadzone zostały dla freonów R12, R22 i czynników proekologicznych R134a i R404A. Zmieniając liczbę poziomych prostek, uzyskano róŝne długości węŝownicy badanego skraplacza: Symbol skraplacza Całkowita długość węŝownicy [m] a 11,4 b 15,2 c 19,0 d 22,8 e 26,6 Tabela.1. Rodzaj skraplacza 3 (Badania przeprowadzone zostały przy parametrach t=20-40 C, q= w/m2, (wp)= kg/m2s) Dzięki stanowisku badań znajdującemu się w Zakładzie Termomechaniki i Chłodnictwa Politechniki Koszalińskiej moŝna było przeprowadzić: - wykonanie badań aerodynamicznych skraplacza, - badanie rozkładu temperatury czynnika w przepływie w węŝownicach rurowych, - pomiar natęŝenia przepływu powietrza i czynnika chłodniczego dwoma niezaleŝnymi metodami, - pomiar parametrów termodynamicznych powietrza, czynnika chłodniczego i otoczenia. Stanowisko pomiarowe składa się z: 1 izolowana komora badawcza, 2 badany skraplacz lamelowy, 3 agregat spręŝarkowy na R134a, 4 chłodnica wentylatorowa, 5 pomieszczenie chłodzone, 6 układ pomiaru natęŝenia przepływu czynnika, 3 Dr inŝ. T. Bohdan, mgr inŝ. H. Charun, doc. Dr inŝ. M. Czapp, artykuł przejmowanie ciepła podczas skraplania czynników chłodniczych w skraplaczach chłodzonych powietrzem część 2; Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna nr. 1/2000, str. 5. 4

6 7 filtr odwadniacz, 8 układ stabilizacji parametrów powietrza, T pomiar temperatury, P pomiar ciśnienia, PWC presostat wysokiego ciśnienia, PNC presostat niskiego ciśnienia, Rys.3. Schemat ideowy stanowiska pomiarowego 4 Przeprowadzone badania pozwoliły na określenie przydatności korelacji jaką wyznaczono dla współczynnika przejmowania ciepła k, uzyskane wyniki były zadowalające zgodne z obliczeniami, na poziomie błędu 20%. Na rys.4. moŝemy zauwaŝyć jak bliskie są obliczenia co do wyników eksperymentalnych. Rys.4. Wyniki badań, obliczenia 5 4 Dr inŝ. T. Bohdan, mgr inŝ. H. Charun, doc. Dr inŝ. M. Czapp, artykuł przejmowanie ciepła podczas skraplania czynników chłodniczych w skraplaczach chłodzonych powietrzem część 2; Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna nr. 1/2000, str Dr inŝ. T. Bohdan, mgr inŝ. H. Charun, doc. Dr inŝ. M. Czapp, artykuł przejmowanie ciepła podczas skraplania czynników chłodniczych w skraplaczach chłodzonych powietrzem część 2; Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna nr. 1/2000, str. 6. 5

7 Zastosowanie skraplaczy lamelowych, oŝebrowanych chłodzonych powietrzem, oraz wprowadzenie proekologicznych płynów chłodniczych zastępujących dotychczasowe freony zmusza nas do przeprowadzania skrupulatnych badań eksperymentalnych. Skraplanie w rurach poziomych i węŝownicach róŝni się, dlatego naleŝy przeprowadzać badania dla kaŝdego nowego rodzaju skraplaczy, nie pozostając przy jednej stałej korelacji. Analiza wykazała, Ŝe wielkość współczynnika przejmowania ciepła jest zaleŝna od długości podczas skraplania w węŝownicach, wpływ na to ma utrudnione odprowadzanie kondensatu zalegającego na końcach odcinków rur. Na prostym poziomym odcinku rury nie moŝna zauwaŝyć zmiany współczynnika przejmowania ciepła przy zmianie długości odcinka. Dalsze badania procesów skraplania w skraplaczach chłodzonych powietrzem mogą doprowadzić do uzyskania korelacji o charakterze ogólnym, uniwersalnym dla róŝnych czynników chłodniczych. 6

8 Bibliografia: 1. Dr inŝ. T. Bohdal, mgr inŝ. H. Charun, doc. Dr inŝ. M. Czapp, artykuł przejmowanie ciepła podczas skraplania czynników chłodniczych w skraplaczach chłodzonych powietrzem część ; Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna nr. 9/1999, 2. Dr inŝ. T. Bohdal, mgr inŝ. H. Charun, doc. Dr inŝ. M. Czapp, artykuł przejmowanie ciepła podczas skraplania czynników chłodniczych w skraplaczach chłodzonych powietrzem część 2; Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna nr. 1/2000, 3. Dr hab. inŝ. T. Bohdal, Dr inŝ. H. Charun, mgr inŝ. R. Matysko, artykuł charakterystyki wewnętrzne skraplacza węŝownicowego i ich zastosowanie, Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna nr. 9/2006 7