POLITECHNIKA GDAŃSKA

Transkrypt

1 POLITECHNIKA GDAŃSKA SEMINARIUM Z WYBRANYCH ZAGADNIEŃ Z WYMIANY CIEPŁA I MASY. Temat 4: Elektrohydrodynamiczna intensyfikacja wymiany ciepła Opracował: Daniel Piotrowski sem. VIII SUCHiKL rok ak. 2007/08

2 1. WIADOMOŚCI PODSTAWOWE Elektrohydrodynamiczna wymiana ciepła i masy jest to metoda uznawana za najnowocześniejszą, lecz zarazem najmniej zbadaną, wykorzystującą pole elektryczne w celu zwiększenia intensyfikacji, czyli wzmoŝenia wymiany ciepła. Na samym początku rodzi się pytanie, jaki jest powód poszukiwania skuteczniejszych metod poprawy wymiany ciepła w urządzeniach chłodniczych i pompach ciepła? Jak wiadomo od urządzeń chłodniczych i pomp ciepła wymaga się wysokich wartości współczynnika efektywności energetycznej i ich pracy. A co to jest ten współczynnik efektywności? W przypadku urządzeń chłodniczych jest to współczynnik wydajności chłodniczej gdzie: Q wydajność chłodnicza P moc napędowa urządzenia. COP r =Q/P Dla pompy ciepła: COP= 1+COP r Współczynnik ten jest tym wyŝszy, im niŝsza jest róŝnica temperatur między źródłami ciepła, górnym a dolnym. Ta róŝnica temperatur wynika z zadanych warunków pracy instalacji i osoba projektująca urządzenie nie ma na nią Ŝadnego wpływu. Konstruktor ma jednak wpływ na róŝnicę temperatur między temperaturą skraplania i parowania (między t k i t o ). Współczynnik wydajności COP dla pseudo - idealnego obiegu Carnota moŝna obliczyć: COP =q o /l ob gdzie: q o jednostkowa wydajność chłodnicza, l ob = q k -q o - praca obiegu, q k jednostkowa wydajność cieplna skraplacza. Z tego wynika, Ŝe maksymalna wartość współczynnika opartego na temperaturach czynnika wynosi: gdzie: T o temperatura parowania, T k temperatura skraplania. COP= T o /T k -T o. Aby wartość współczynnika COP była jak największa, konstruktor musi zaprojektować urządzenie w taki spsób aby róŝnica tych temperatur była jak najmniejsza. Jednak wartości tych temperatur zaleŝą od warunków wymiany ciepła w parowniku i skraplaczu. W celu poprawy wymiany ciepła, cały czas prowadzone są badania między innymi dotyczące elektrohydrodynamicznej intensyfikacji wymiany ciepła. Konstruktor musi jednak dopilnować aby został spełniony waŝny warunek, a mianowicie temperatura skraplania T k musi być wyŝsza od temperatury otoczenia T s, natomiast temperatura parowania T o musi być niŝsza od temperatury otoczenia T a, co widać na rysunku 1. 2

3 Rysunek 2 przedstawia zaleŝność współczynnika COP dla teoretycznego obiegu pompy ciepła pracującej z czynnikiem R 134a w funkcji temperatur skraplania i parowania. Rys 2. ZaleŜność COP dla teoretycznego obiegu pompy ciepła pracującej z czynnikiem R 134a w funkcji temperatur skraplania t k oraz parowania t o. Z rysunku tego wynika, Ŝe współczynnik COP jest czuły zarówno na zmiany temperatury skraplania, jak równieŝ i temperatury parowania. Im wyŝsza jest róŝnica temperatur między otoczeniem, a skraplaczem, tym współczynnika COP jest niŝszy. Podobnie dzieje się z temperaturą parowania, im róŝnica między temperaturą ośrodka od którego ciepło jest pobierane, a temperaturą parowania jest wyŝsza, tym analizowany współczynnik jest niŝszy. Podsumowując poprawa warunków wymiany ciepła w parowniku i skraplaczu jest niezwykle efektywną metodą na podwyŝszenie efektywności energetycznej urządzenia. 2. KLASYFIKACJA METOD INTENSYFIKACJI WYMIANY CIEPŁA WYKONANA WG. BERGLESA 1) metody pasywne: podawanie powierzchni wymiany ciepła obróbce chemicznej lub cieplnej, zwiększenie chropowatości powierzchni wymiany ciepła, rozwijanie powierzchni wymiany ciepła, zastosowanie przestawnych elementów wzmacniających wymianę ciepła, zastosowywanie zawirowywaczy, zastosowanie rur zwiniętych np. w postaci węŝownicy, zastosowanie elementów wspomagających wymianę ciepła drogą wykorzystania sił napięcia powierzchniowego, 3

4 stosowanie dodatków poprawiających własności termokinetyczne płynów; 2) metody aktywne: wspomaganie mechaniczne, drgania powierzchni wymiany ciepła, drgania płynu uczestniczącego w procesie wymiany ciepła, pole elektryczne, ssanie lub tłoczenie płynu, stosowanie napływu strugowego na powierzchnie wymiany ciepła; 3) metoda kombinowana np. zastosowanie chropowatości powierzchni oraz wkładki turbulizującej. Wszystkie wymienione metody róŝnią się między sobą zarówno pod względem ekonomicznym jak i złoŝonością technologiczną. Elektrohydrodynamiczna intensyfikacja wymiany ciepła wykorzystuje pole elektryczne, zatem zaliczana jest do metod aktywnych i jak wspomniano jest procesem dość złoŝonym. 3. INTENSYFIKACJA JEDNOFAZOWEJ WYMIANY CIEPŁA PORZEZ ZASTOSOWANIE POLA ELEKTRYCZNEGO Dla płynów jednofazowych moŝemy się spotkać z trzema podstawowymi moŝliwymi intensyfikacjami wymiany ciepła, a mianowicie: 1) wyładowanie koronowe stosowane do intensyfikacji wymiany ciepła w gazach. Jest ono rodzajem wyładowania elektrycznego, czyli przepływu prądu elektrycznego w środowisku gazowym, zachodzi wówczas gdy natęŝenie pola elektrycznego na powierzchni przewodnika jest wystarczająco duŝe i dochodzi do jonizacji gazu. W celu uzyskania wyładowania koronowego stosuje się elementy zawierające ostrze, gdyŝ w otoczeniu ostrza natęŝenie pola elektrycznego jest największe. Niestety jest to jedna z najbardziej energochłonnych metod intensyfikacji, poniewaŝ nakład energii nawet przy zapewnieniu optymalnego układu elektrod moŝe osiągnąć 30% mocy cieplnej wymiennika; 2) elektroforeza zjawisko to polega na ruchu ładunków elektrycznych pod wpływem pola elektrycznego. Zachodzi ono wówczas gdy płyn stosowany w technice chłodniczej posiada zanieczyszczenia, poniewaŝ czysty płyn jest dielektrykiem i nie przewodzi prądu; 3) dielektroforeza jest to zjawisko polegające na wywołaniu ruchu ośrodka dielektrycznego na skutek niejednorodności pola elektrycznego. 4. ELEKTROHYDRODYNAMICZNA INTENSYFIKACJA WNIKANIA CIEPŁA PODCZAS PROCESU SKRAPLANIA Redukując grubość warstwy skroplin moŝemy poprawić proces wnikania ciepła. Proces skraplania moŝna zintensyfikować przez : zwiększenie powierzchni wymiany ciepła, oddziaływanie na skropliny polem elektrycznym, po przez stworzenie warunków do wystąpienia skraplania kroplowego, 4

5 mechaniczne oddziaływanie na powierzchnię poprzez drgania. Najprostszym sposobem intensyfikacji wymiany ciepła jest rozwinięcie powierzchni rur zarówno po stronie wody chłodzącej, jak i po stronie skraplającej się pary. Jednak najbardziej efektywnym sposobem jest zastosowanie pola elektrycznego. Tutaj moŝna przytoczyć pewien przykład: W skraplaczu płaszczowo rurowym pionowym o wydajności cieplej 60 kw zastosowanym w obiegu pompy ciepła pracującej z czynnikiem C 6 F 14, moc pobierana na wytworzenie pola elektrycznego wynosi zaledwie 1,4 W, jednak współczynnik wnikania ciepła wzrósł trzy krotnie. Rodzi się pytanie, co na to ma wpływ? Wyjaśnienia tego zjawiska naleŝy poszukać, analizując zaleŝności na siłę elektrohydrodynamiczną w powiązaniu z siłami grawitacji, napięcia powierzchniowego, bezwładności i tarcia. Jak wiadomo, wszystkie czynniki chłodnicze są dielektrykami, wyjątek moŝe stanowić jedynie amoniak, lecz jest on płynem polarnym. Bezpośrednią przyczyną oddziaływania dielektryka niepolarnego, czyli czynnika chłodniczego z polem jest fakt istnienia powierzchni rozdziału fazy ciekłej i parowej. Rozwój tej metody jest moŝliwy jedynie dzięki badaniom naukowym. Przykład wyników badań pokazano na rysunku 3: Rys 3. Obliczone numerycznie rozkłady natęŝenia pola elektrycznego dla układu: rura pozioma Ф 18 mm i elektroda prętowa Ф 5 mm umieszczona w odległości 5 mm pod dolną tworzącą rury. PrzyłoŜone napięcie 4 kv, u spodu rury znajduje się kropla o przewodności względnej ε f =2 Rysunek ten przedstawia przekrój rury i spływającej po niej kropli czynnika roboczego. Jak łatwo zauwaŝyć na powierzchni kropli natęŝenie pola elektrycznego ulega gwałtownej zmianie, a szczególnie w pobliŝu jej dolnej części. Proces ten skutkuje powstaniem siły elektrohydrodynamicznej, która wspomaga spływ tej kropli. Siła ta powoduje równieŝ zmianę kształtu kropli, co widać na rysunku 4. Rys 4. Fotografie spływu kropli z poziomej rury oŝebrowanej: a) brak pola elektrycznego, b) róŝnica potencjałów pomiędzy rurą i elektrodą prętową (widoczną od dołu) wynosi 7,5 kv 5

6 W wyniku oddziaływania natęŝenia pola elektrycznego powstaje siła elektrohydrodynamiczna, za pośrednictwem której kropla przyjmuje kształt tzw. stoŝka Taylora. Oddziaływując na skropliny siłą pola elektrycznego, automatycznie następuje wzmoŝony ich spływ z powierzchni wymiany ciepła, co skutkuje jednoznaczną poprawę warunków wnikania ciepła przy skraplaniu. Jako pierwsi badania nad tym sposobem intensyfikacji wymiany ciepła rozpoczęli Velkoff i Miller. Uzyskali oni wzrost współczynnika wnikania ciepła na poziomie %. Badania te kontynuowali Choi, Holmes, Chapman, Seth i Lee. Według aktualnych informacji dostępnych w literaturze, maksymalny współczynnik wnikania ciepła i to aŝ 20-sto krotnie zwiększony uzyskali Didkovsky i Biologa. Naukowcy szczególną uwagę poświęcają badaniu pionowych płyt lub rur, natomiast ilość badań dla poziomych płyt i rur jest nieznaczna. Cooper sformułował tezę, Ŝe intensyfikacja wymiany ciepła uzyskana dla rur gładkich jest niŝsza niŝ intensyfikacja dla przypadku rur oŝebrowanych. Teza ta została potwierdzona przez niego wynikami badań doświadczalnych. Rys 5. Wartość współczynnika wnikania ciepła dla elektrohydrodynamicznej intensyfikacji skraplania czynnika R 12 na poziomej rurze gładkiej w porównaniu z poziomą rurą gęstoŝebrowaną bez pola elektrycznego w funkcji róŝnicy temperatur pary i ścianki, według badań Coopera Jak widać na rysunku 5 rura gęsto Ŝebrowana bez pola elektrycznego ma o wiele wyŝszy współczynnik wnikania ciepła niŝ rury gładkie z polem elektrycznym. Na podstawie tego wykresu moŝna stwierdzić, Ŝe zwiększenie natęŝenia pola elektrycznego powoduje wzrost zwiększenie współczynnika wnikania ciepła. Intensyfikacja procesu skraplania uzyskana dla rury poziomej i pionowej o tej samej geometrii i w tych samych warunkach jest praktycznie jednakowa. Wyniki badań potwierdzające tą tezę potwierdza rysunek 6. Rys 6. Wartość stosunku współczynnika wnikania ciepła dla elektrohydrodynamicznej intensyfikacji skraplania czynnika R 114 na poziomej oraz pionowej rurze gładkiej (róŝnica temperatur pary i ścianki rury T k = 25, temperatura nasycenia + 90 o C) 6

7 Zaletą stosowania pola elektrycznego jest zahamowanie niekorzystnego efektu, jakim jest wpływ gazów inertnych, których obecność jest przyczyną obniŝenia wartości współczynnika wnikania ciepła. Kolejną zaletą jest fakt, Ŝe polaryzacja pola oraz jego zmienność nie wpływają na osiąganą intensyfikację procesu wymiany ciepła. Badania przeprowadzone przez Coopera i Allena dowiodły, Ŝe im wyŝsza jest temperatura nasycenia, tym wyŝszy uzyskuje się poziom intensyfikacji wymiany ciepła. Ci sami naukowcy w swoich badaniach wyróŝnili trzy stopnie intensyfikacji: 1) dla niskich napięć intensyfikacja wnikania ciepła jest nieznaczna lub nie ma jej wcale; 2) powyŝej pewnego napięcia mamy do czynienia z gwałtownym wzrostem wartości współczynnika wnikania ciepła w funkcji napięcia; 3) ten stopień związany jest z zahamowaniem procesu intensyfikacji, a nawet z pogorszeniem warunków wnikania ciepła. Wpływ na intensyfikację ma kształt oraz konfiguracja elektrod. Wielu badaczy twierdzi, Ŝe elektrody powinny być tak rozmieszczone, aby siły elektryczne wspomagały siły hydrodynamiczne w redukcji warstwy skroplin spływających po ściankach rur skraplacza. Równie waŝne jest umiejscowienie elektrod np. w przypadku skraplania wewnątrz rury za najbardziej optymalne połoŝenie elektrody moŝna uznać oś rury, co jest pokazane na rysunku 7. Rys 7. Zastosowanie elektrody centralnej przy intensyfikacji skraplania w przepływie wewnątrz rury. Na rysunku tym elektroda obdarzona jest znacznym potencjałem. Jak widać, natęŝenie pola elektrycznego jest największe w pobliŝu elektrody, a najmniejsze w pobliŝu ścianki rury, skutkuje to tym, Ŝe skropliny kierowane będą w kierunku elektrody. A w efekcie osiągnie się poprawę procesu skraplania. Jednak naukowcy interesują się głównie skraplaniem pionowym na zewnątrz rury. I tutaj rozróŝniamy róŝne rodzaje elektrod, a mianowicie: elektrodę siatkową, elektrodę w postaci prętów wzdłuŝnych, elektrodę pierścieniową, elektrodę helikoidalną. Wszystkie przykłady tych elektrod zostały pokazane na rysunku 8. 7

8 Rys 8. Przykładowe konfiguracje elektrod przy intensyfikacji skraplania na zewnątrz rury pionowej Rozmieszczenie elektrod dla rur poziomych moŝe być róŝne. Poszczególne przykłady pokazano na rysunku 9 jednak naleŝy pamiętać, Ŝe najbardziej poŝądana jest taka konfiguracja elektrod, aby wytworzone pole elektryczne było moŝliwie zbliŝone do osiowo symetrycznego. Rys 9. Przykładowe konfiguracje elektrod przy intensyfikacji skraplania na zewnątrz rury poziomej Rys 10. Rozkłady linii pola elektrycznego dla poziomej rury gładkiej z układem elektrod prętowych oraz elektrodą siatkową Badania są prowadzone dla duŝej liczby rur z zastosowaniem róŝnych elektrod. I tak na przykład wyniki dla rury gładkiej z zastosowaniem elektrody helikoidalnej dla trzech róŝnych odległości od powierzchni rury przedstawiono na rysunku 11. 8

9 Rys 11. Intensyfikacja wnikania ciepła przy skraplaniu R 134a na poziomej rurze gładkiej Analizując dane na tym wykresie, moŝna na ich podstawie wysnuć następujące wnioski: a) ze wzrostem przyłoŝonego napięcia poprawie ulega wymiana ciepła b) im bliŝej rury znajduje się elektroda, tym wyŝsze jest prawdopodobieństwo, Ŝe przy mniejszych napięciach wystąpi wyładowanie. 5. ELEKTROHYDRODYNAMICZNA INTENSYFIKACJA WNIKANIA CIEPŁA PRZY WRZENIU W przypadku wrzenia najwięcej badań przeprowadza się na płytach lub rurach o duŝej objętości. Rys 12. ZaleŜność gęstości strumienia ciepła od przegrzania ścianki przy wrzeniu w duŝej objętości Rysunek 12 przedstawia zaleŝność gęstości strumienia ciepła od przegrzania ścianki podczas wrzenia w duŝej objętości. Krzywa A-B -D-E przedstawia wrzenie pęcherzykowe. Wzrostowi tego przegrzania towarzyszy dość gwałtowny wzrost gęstości strumienia ciepła. Punkt E jest nazywany punktem pierwszego kryzysu wrzenia lub punktem krytycznej gęstości strumienia ciepła. Za tym punktem pomimo wzrostu przegrzania ścianki, następuje spadek gęstości, wówczas mamy do czynienia z wrzeniem przejściowym. Kolejny punkt F określa z kolei początek wrzenia błonowego. Ten rodzaj przegrzania występuje tylko wtedy, gdy mamy do czynienia z wysokim przegrzaniem ścianki i towarzyszy mu wzrost gęstości. W procesie 9

10 wrzenia pęcherzykowego występuje zjawisko histerezy. JeŜeli następuje zwiększenie przegrzania, wówczas przebieg procesu odwzorowuje krzywa B-C-D. Przy dostatecznie wysokich przegrzaniach uzyskuje się rozwinięte wrzenie pęcherzykowe. JeŜeli po osiągnięciu punktu D nastąpi spadek przegrzania ścianki, to wówczas przebieg procesu będzie odwzorowywała linia D-B -A. MoŜna zatem stwierdzić, Ŝe przebieg procesu jest uzaleŝniony od kierunku zmian przegrzania ścianki. Wspomniani wcześniej dwaj naukowców Allen i Cooper zaczęli badać zjawisko histerezy i co się z nim dzieje po przyłoŝeniu pola elektrycznego. W swoim wniosku końcowym stwierdzili, Ŝe wprowadzenie pola elektrycznego powoduje zlikwidowanie zjawiska histerezy wrzenia. Nawet chwilowe przyłoŝenie pola elektrycznego, ale o dość wysokim natęŝeniu moŝe spowodować przeskok z dolnej charakterystyki w górną. Bardzo waŝnym wnioskiem jest równieŝ to, Ŝe poprzez zastosowanie pola elektrycznego moŝna w zasadniczy sposób zmniejszyć wymagane przegrzanie do zapoczątkowania procesu wrzenia pęcherzykowego. W przypadku wrzenia na rurach poziomych o powierzchni oŝebrowanej w obecności pola elektrycznego, para kierowana jest w kierunku od wierzchołka Ŝeber ku ich podstawom. Dzieje się to dlatego, Ŝe para charakteryzuje się mniejszą wartością przenikalności elektrycznej, i z tej racji kierowana jest w kierunku obszaru o mniejszym natęŝenia pola elektrycznego. Na rysunku 13 przedstawiono rozkład pola elektrycznego na poziomej rurze oŝebrowanej. Rys 13. Rozkład pola elektrycznego w pobliŝu Ŝebra oraz tworzenie się pęcherzy pary w przestrzeniach międzyŝebrowych. Intensyfikacja wrzenia na rurach oŝebrowanych z Ŝebrami o profilu trapezowym jest niŝsza w porównaniu do rur o oŝebrowaniu specjalnym np. typu Gewa-T lub Thermoecxel-C. Największą wartość współczynnika wnikania ciepła osiąga się u podstaw Ŝeber, gdyŝ obecność pęcherzyków pary prowadzi tam do intensyfikacji procesów mieszania się i turbulencji cieczy. Działanie pola elektrycznego przy wrzeniu na poziomej rurze gładkiej okazuje się mniej intensywne. Taki efekt tłumaczy się tym, Ŝe siły pola elektrycznego działają w kierunku odprowadzania pary promieniowo do rury, a to wiąŝe się ze zminimalizowaniem procesów turbolizowania warstwy przyściennej. PoniŜej zamieszczono obraz tworzenia się oraz ruch pęcherzy podczas wrzenia na poziomej rurze gładkiej i na rurze oŝebrowanej (rys 14 i 15): 10

11 Rys 14. Ruch pęcherzy parowych podczas wrzenia na powierzchni rury gładkiej. 6. PODSUMOWANIE Rys 15. Tworzenie się i ruch pęcherzy parowych na rurze oŝebrowanej w warunkach pola elektrycznego. Intensyfikacja wymiany ciepła uzyskana drogą zastosowania pola elektrycznego jest jedną z najnowocześniejszych i zarazem najbardziej obiecujących metod. Dla pewnych konfiguracji elektrod dochodzi do niekorzystnych efektów, polegających na działaniu siły elektrohydrodynamicznej w kierunku przeciwnym do siły grawitacji, co utrudnia drenaŝ skroplin. W przypadku rur oŝebrowanych uzyskuje się bardzo niewielką poprawę wnikania ciepła. Problem konfiguracji, jak i kształtu elektrod dla poziomego układu rur naleŝy traktować jako otwarty. LITERATURA: [1] Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna nr Elektrohydrodynamiczna intensyfikacja wymiany ciepła cz.1 dr inŝ. Dariusz Butrymowicz [2] Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna nr Elektrohydrodynamiczna intensyfikacja wymiany ciepła cz.2 dr inŝ. Dariusz Butrymowicz [3] Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna nr Elektrohydrodynamiczna intensyfikacja procesu skraplania błonowego na rurach dr inŝ. Dariusz Butrymowicz, prof. dr hab. inŝ. Marian Trela oraz mgr Jarosław Karwacki 11