Badanie początku skraplania czynnika chłodniczego

Transkrypt

1 Badanie początku skraplania czynnika chłodniczego Wstęp W wielu skraplaczach stosowanych w energetyce występuje w ich króćcu dopływowym para przegrzana czynnika. Wśród nich wyróżniają się skraplacze czynników chłodniczych, w których para opuszczająca sprężarkę jest zwykle znacznie przegrzana. Silne przegrzanie pary dopływającej do skraplacza ma istotny wpływ na wymianę ciepła w tym wymienniku. Zagadnienie to jest jeszcze słabo rozpoznane i zazwyczaj pomijane w analizach wymiany ciepła skraplaczy chłodniczych i pomp ciepła. W literaturze dostępne są modele teoretyczne oraz korelacje opisujące średnią, bądź lokalną wielkość współczynnika przejmowania ciepła podczas skraplania w przepływie wwnątrz wężownicy rurowej, jednak nie pozwalają one na pełną ocenę wpływu silnego przegrzania pary. Ocenia się, że stosunek ciepła odprowadzonego w jednofazowym procesie chłodzenia pary przegrzanej do ciepła przemiany dwufazowej skraplania właściwego może wynosić nawet ponad 25%. Istnieje zatem potrzeba oceny wpływu przegrzania pary doprowadzanej do skraplacza na realizowaną w nim wymianę ciepła. Istotnym zagadnieniem jest opracowanie kryterium, które pozwoli, z dostateczną z technicznego punktu widzenia dokładnością, określić początek skraplania czynnika chłodniczego w kanale przepływowym skraplacza. Początek przemiany fazowej skraplania W przemianie fazowej skraplania następuje zamiana fazy lotnej w fazę ciekłą, o ile zostaną spełnione ściśle określone warunki. Warunkami tymi są: istnienie gradientu temperatury na ściance kanału (temperatura powierzchni ścianki powinna być niższa od temperatury nasycenia) oraz zarodków cieczy. W skraplaczu urządzenia chłodniczego mogą występować trzy charakterystyczne strefy wymiany ciepła, to znaczy: strefa schładzania pary przegrzanej, skraplania właściwego (dwufazowa) oraz dochłodzenia skroplin. Na rysunku 1 pokazano schemat rozkładu temperatury w przepływie czynnika w skraplaczu chłodniczym, z uwzględnieniem wymienionych stref wymiany ciepła. Strefa schładzania pary występuje jedynie w warunkach odpowiednio dużego jej przegrzania. Z punktu widzenia wymiany ciepła występowanie tej strefy należy traktować jako zjawisko niekorzystne, bowiem wartość współczynnika przejmowania ciepła jest tutaj relatywnie mała. Oznacza to konieczność przeznaczenia odpowiednio dużego, dyspozycyjnego pola powierzchni wymiany ciepła do realizacji tego procesu. Z kolei strefa dochłodzenia cieczy (również mało korzystna, z uwagi na niewielkie wartości współczynnika przejmowania ciepła) może wystąpić przy stosunkowo dużym polu powierzchni wymiany ciepła, zapewniającym w danych warunkach całkowite dochłodzenie. Wystąpienie strefy dochłodzenia zależne jest również od warunków i sposobu chłodzenia skraplacza oraz temperatury skraplania.

2 Rys. 1. Rozkład temperatury czynnika chłodniczego i płynu chłodzącego (woda, powietrze) w skraplaczu wzdłuż długości drogi przepływu L. T- temperatura pary przegrzanej, 7 - temperatura dochłodzenia, Ts - temperatura skraplania, Tw1 - temperatura płynu chłodzącego na wlocie, Tw2 - temperatura płynu chłodzącego na wylocie, Izobaryczne schłodzenie pary przegrzanej może zajść łącznie z procesem skraplania, bądź mogą zaistnieć warunki, w których (z uwagi na wysokie przegrzanie pary) w ogóle nie jest możliwy proces skraplania w określonym obszarze wymiennika. Należy jednak podkreślić, że zasadniczo problem obliczenia współczynnika przejmowania ciepła podczas skraplania pary przegrzanej należy do zagadnień otwartych i pomimo faktu, że taki przypadek należy do najczęściej spotykanych w technice chłodniczej, w dostępnej literaturze przedmiotu nie poświęcono mu należytej uwagi. Nieliczne prace dotyczące skraplania pary przegrzanej ujmują zasadniczo przypadek skraplania wewnątrz rur i podane są w nich uproszczone metody obliczeń. Jeżeli do skraplacza czynnika chłodniczego dopływa jego para przegrzana, to aby wystąpiła jej kondensacja musi ona zostać schłodzona do temperatury niższej od temperatury nasycenia. Schłodzenie może mieć charakter lokalny lub następować w całej masie pary. W praktyce, w początkowej fazie skraplania występuje lokalne schłodzenie pary w pobliżu zimnej" ścianki, a w rdzeniu przepływu w kanale występuje jeszcze para przegrzana. Warunkiem koniecznym tego zjawiska jest, aby temperatura ścianki Tw była niższa od temperatury nasycenia r (to znaczy Twtym przypadku lokalnie (w warstwie przyściennej na ściance), w parze przechłodzonej rozpocznie się proces skraplania. Równocześnie przegrzana para w rdzeniu przepływu będzie ulegała stopniowemu schłodzeniu. Wielkość strumienia ciepła przekazywanego do chłodzonej ścianki kanału można podzielić na dwie składowe. Pierwsza z nich określa odbiór ciepła przegrzania od schładzanej pary od temperatury T do temperatury nasycenia r, druga zaś charakteryzuje przekazywanie ciepła podczas skraplania pary o temperaturze Ts, w warunkach dwufazowych podczas właściwej przemiany fazowej skraplania. Na rysunku 2 przedstawiono zmianę wielkości opisujących proces wymiany ciepła podczas inicjacji procesu skraplania czynnika chłodniczego w kanale rurowym, do którego dopływa para przegrzana o temperaturze T. Początkowo wzdłuż drogi przepływu czynnika chłodniczego jego temperatura obniża się, spada też gęstość strumienia ciepła q (na skutek zmniejszania się różnicy temperatury czynnika chłodniczego i płynu chłodzącego), a współczynnik przejmowania ciepła a zachowuje praktycznie stałą wartość. Proces ten dotyczy obszaru schładzania pary przegrzanej. Po osiągnięciu odpowiednio dużego przechłodzenia pary przy ściance kanału, rozpoczyna się proces skraplania (PPS - punkt początku skraplania), który objawia się wzrostem wartości współczynnika przejmowania ciepła a przy dalszym spadku temperatury czynnika chłodniczego do wartości temperatury nasycenia. Następnie proces przechodzi w skraplanie nasycone w parze mokrej.

3 Rys. 2. Rozkład lokalnych wartości temperatury czynnika chłodniczego T, współczynnika przejmowania ciepła a i gęstości strumienia ciepła q wzdłuż drogi przepływu czynnika chłodniczego R 404A w kanale rurowym skraplacza podczas początku skraplania (PPS - punkt początku skraplania) Badania eksperymentalne Badania eksperymentalne zrealizowano na stanowisku pomiarowym, którego schemat ideowy przedstawiono na rysunku 3. Stanowisko to umożliwiało wykonanie pomiarów eksperymentalnych modelowego skraplacza chłodzonego wodą i zasilanego czynnikiem chłodniczym R404A. Rys. 3. Schemat ideowy stanowiska badawczego: 1 - sekcja skraplacza, 2 - kolanko rurowe, 3 - pomiar natężenia przepływu czynnika chłodniczego, 4 - zbiornik cieczy R 404A, 5 - wentylatorowa chłodnica powietrza, 6 - [SPR) agregat sprężarkowy typu 4P-10.2Yfirmy Bitzer, 7 - odolejacz, 8 - komputerowy układ akwizycji danych, 9 - element systemu regulacji obciążenia cieplnego w komorze, 10 - izolowana komora chłodnicza, 11 - osłona pomieszczenia pomiarowego skraplacza; T,P - układy czujników do pomiaru temperatury i ciśnienia w wybranych węzłach układu czynnika i wody, PWC - presostat wysokiego ciśnienia, PNC - presostat niskiego ciśnienia, TIR - termostatyczny zawór rozprężny, Pt - manometr ciśnienia tłoczenia, Ps -manometr ciśnienia ssania, m - masowe natężenie

4 przepływu czynnika chłodniczego, mw - masowe natężenie przepływu wody Przedmiotowy skraplacz zbudowany był w postaci sekcji wymienników ciepła typu rura w rurze" (o średnicy rury zewnętrznej (-) 35/31 mm oraz wewnętrznej (-) 15/13 mm) i długości 1000 mm każdy, połączonych za pomocą kolanek rurowych. Para czynnika chłodniczego skraplała się w przepływie wewnątrz rury miedzianej o średnicy wewnętrznej cf> 13 mm, wskutek chłodzenia wodą doprowadzaną do przestrzeni międzyrurowej. Od zewnątrz rury skraplacza zaizolowano warstwą izolacji poliuretanowej. Badany skraplacz modelowy włączono do laboratoryjnej sprężarkowej instalacji chłodniczej. Zmianę obciążenia cieplnego skraplacza uzyskiwano przez zmianę obciążenia cieplnego w izolowanej komorze chłodniczej 10, w której umieszczono wentylatorową chłodnicę powietrza (z oprzyrządowaniem). Para czynnika chłodniczego zasysana przez sprężarkę była kierowana po sprężeniu do skraplacza i dalej po skropleniu do zbiornika cieczy 4. Pomiar temperatury wykonano za pomocą czujników termoelektrycznych typu K (NiCr-Ni) o średnicy termoelektrod 0 0,2 mm. Do pomiaru ciśnienia zastosowano czujniki tensometryczne typu Pr-5101M/2,5MPa oraz kontrolne manometry sprężynowe klasy 0,4. Wszystkie czujniki pomiarowe temperatury i ciśnienia uprzednio przecechowano i sporządzono indywidualne ich charakterystyki. Zastosowano komputerowe karty pomiarowe odpowiednio typu PCI 1710Hg i PCL 818HG, włączone do komputerowego systemu akwizycji danych 8. Do tego systemu włączony był również elektroniczny przepływomierz czynnika chłodniczego typu Massflo firmy Danfoss. Natężenie przepływu czynnika chłodniczego sprawdzano okresowo za pomocą dwóch metod. Masowe natężenie przepływu wody mierzono przepływomierzem elektronicznym tej samej firmy, zaś poziom regulacji ustalano za pomocą przecechowanego rotametru laboratoryjnego. Badania procesu skraplania prowadzono w warunkach ustalonych. W celu dokładniejszego określenia początku skraplania czynnika chłodniczego w przepływie, jeden z poziomych odcinków wężownicy rurowej wyposażono dodatkowo w zespół czujników do pomiaru temperatury czynnika chłodniczego i wody. Temperatury te mierzono w przekrojach poprzecznych oddalonych od siebie o 0,1 m na długości odcinka pomiarowego, uzyskując formę eksperymentalną dyskretyzacji" procesu. Schemat rozmieszczenia czujników przedstawiono na rysunku 4. Rys. 4. Schemat ideowy odcinka pomiarowego; p-odpowiednio ciśnienie na dopływie i wypływie czynnika chłodniczego z kanału pomiarowego, pomiar lokalnej wartości temperatury czynnika w kanale pomiarowym Na rysunkach 5 i 6 przedstawiono interpretację graficzną wybranych wyników badań. Bez względu na wartość gęstości strumienia masy (wp) i temperatury nasycenia Ts, charakter przebiegu zmian wielkości charakterystycznych jest podobny. W rozkładzie temperatury lokalnej czynnika Tx(L) następuje wyraźny spadek wartości temperatury w strefie odbioru ciepła przegrzania pary oraz w strefie dochłodzenia skroplin. W zakresie dwufazowym skraplania właściwego czynnika chłodniczego utrzymuje się prawie stały poziom temperatury czynnika z tendencją do minimalnego spadku (spowodowanego oporami przepływu i oddziaływaniem poślizgu temperaturowego). Na podstawie

5 analizy prezentowanych wyników można stwierdzić, że w obszarze pary przegrzanej następuje stopniowy wzrost wartości współczynnika przejmowania ciepła ttz, co świadczy o rozpoczęciu lokalnego skraplania czynnika chłodniczego. Rys. 5. Eksperymentalny rozkład lokalnych wartości temperatury T, współczynnika przejmowania ciepła a i gęstości strumienia ciepła q wzdłuż drogi przepływu czynnika chłodniczego R 404A w wężownicy skraplacza modelowego; wyniki badań dla {wp) = 111 kg/(m2s), T = 28,6 C Rys. 6. Eksperymentalny rozkład lokalnych wartości temperatury T, współczynnika przejmowania ciepła a i gęstości strumienia ciepła q wzdłuż drogi przepływu czynnika chłodniczego R 404A w wężownicy skraplacza modelowego; wyniki badań dla (w/>) = 161 kg/(m2s), r = 28,8 C Dla obszaru, w którym ma miejsce początek procesu skraplania wykonano badania szczegółowe na długości 1 m, co dodatkowo podano na rysunkach 7 i 8. Widać wyraźnie, że temperatura czynnika chłodniczego wzdłuż drogi przepływu początkowo spada, a następnie ulega stabilizacji. Wartość lokalnego współczynnika przejmowania ciepła a zaczyna rosnąć wcześniej niż następuje stabilizacja temperatury. Świadczy to o tym, że lokalnie w parze przegrzanej na zimnej" ściance rozpoczyna się proces skraplania, co dodatkowo intensyfikuje wymianę ciepła.

6 Rys. 7. Eksperymentalny rozkład lokalnych wartości temperatury T, współczynnika przejmowania ciepła a i gęstości strumienia ciepła q wzdłuż drogi przepływu czynnika chłodniczego R 404A w odcinku pomiarowym o długości 1 m; (wp) = 377,45 kg/ (m2xs) Rys. 8. Eksperymentalny rozkład lokalnych wartości temperatury T, współczynnika przejmowania ciepła a i gęstości strumienia ciepła q wzdłuż drogi przepływu czynnika chłodniczego R 404A w odcinku pomiarowym o długości 1 m; (wp) = 204,45 kg/ (m2xs) Analiza wyników badań Przeprowadzone badania eksperymentalne dotyczyły wyznaczenia początku skraplania w przepływie czynnika chłodniczego R 404A w kanale rurowym o średnicy wewnętrznej rury cf> 13 mm. Celem badań było określenie warunków, przy których wystąpi lokalna kondensacja czynnika chłodniczego w zakresie jego pary przegrzanej. Należy mieć na uwadze, że przemiana fazowa skraplania zachodzi wtedy, gdy spełnione są dwa podstawowe warunki, to znaczy: istnieje gradient temperatury na ściance kanału (temperatura powierzchni ścianki jest niższa od temperatury nasycenia czynnika) oraz występują zarodki nowej fazy (cieczy). Jak już podano, w większości przypadków do skraplacza dopływa para przegrzana. W początkowym etapie następuje lokalne jej schłodzenie w pobliżu zimnej" powierzchni ścianki, natomiast w rdzeniu przepływu występuje jeszcze para przegrzana. Zatem lokalnie, w warstwie

7 przyściennej rozpoczyna się wykraplanie cieczy w przechłodzonej parze. Mówimy wtedy o istnieniu obszaru częściowego skraplania w zakresie pary przegrzanej. Para przegrzana w rdzeniu przepływu będzie ulegała ciągłemu schłodzeniu, a po osiągnięciu (w warunkach stabilnych) stanu pary nasyconej suchej (o stopniu suchości x=l) rozpoczyna się proces skraplania właściwego. Na rysunku 9 przedstawiono rozkład temperatury czynnika chłodniczego w przekroju poprzecznym kanału rurowego, wewnątrz którego lokalnie rozpoczyna się proces skraplania pary przegrzanej; Ts oznacza temperaturę nasycenia, Tn jest temperaturą przechłodzonej pary na ściance kanału, a T opisuje wartość temperatury pary przegrzanej w rdzeniu przepływu. Rys. 9. Rozkład temperatury czynnika chłodniczego w przekroju poprzecznym kanału rurowego podczas lokalnego skraplania pary przegrzanej Poszukując kryterium p zwalającego określić początek skraplania czynnika chłodniczego w przepływie przyjęto, że istnieje analogia między procesem wrzenia i skraplania, to znaczy założono istnienie w uproszczeniu symetrii tych procesów. Wykorzystano, więc niektóre elementy analizy przeprowadzonej przez autora pracy dla określenia kryterium początku wrzenia w kanale rurowym. W analizie wyników badań założył on, że wrzenie pęcherzykowe rozpoczyna się w kanale rurowym, jako wrzenie powierzchniowe przechłodzone. Oznacza to, że temperatura cieczy TF przepływającej w rdzeniu przepływu jest niższa od temperatury nasycenia Ts, której wartość wynika z aktualnego ciśnienia absolutnego p w procesie wrzenia. Istnieje lokalne niedogrzanie cieczy do temperatury nasycenia określone różnicą temperatury A7 Uzyskane wyniki badań wykazały, że inicjacja procesu wrzenia powierzchniowego zależy od wielkości niedogrzania cieczy ATn w rdzeniu przepływu i od przegrzania cieczy przy ściance kanału ATw (ATw = T^-Tj). W przywołanej pracy wprowadzono pojęcie bezwymiarowego współczynnika B zdefiniowanego związkiem: który pozwala z zadawalającą dokładnością określić parametry punktu początku wrzenia w przepływie. W odniesieniu do stanu początkowego skraplania w przepływie, autorzy niniejszej pracy proponują wprowadzenie współczynnika C, który stanowi stosunek przechłodzenia cieczy przy ściance kanału ATw (ATw = r - TJ do przegrzania pary w rdzeniu przepływu (AT = T - Ts- oznaczenia według rysunku 7): (1) Wykorzystując wyniki przeprowadzonych badań eksperymentalnych wykonano obliczenia współczynnika bezwymiarowego C opisanego wzorem (2), a na rysunku 10 przedstawiono ich (2)

8 graficzną interpretację. Średnia wartość tego współczynnika wynosi C= 1,55 ±20%. Rys. 10. Wyniki obliczeń współczynnika C określonego wzorem (2) dla R 404A Rysunek 11 prezentuje dane statystyczne dotyczące wyznaczenia współczynnika C, z których wynika, że 85% wyników obliczeń zawiera się w przedziale ±10%, co należy uznać za wynik zadawalający. Rys. 11. Rozkład procentowy wartości współczynnika C określony na podstawie wyników badań eksperymentalnych Wnioski W skraplaczach stosowanych w parowych, sprężarkowych obiegach chłodniczych występuje niekorzystna pod względem wymiany ciepła strefa schładzania pary przegrzanej. W niektórych warunkach pojawia się zjawisko skraplania pary czynnika, inicjowane lokalnie w obszarze strefy pary przegrzanej. Liczba publikacji prezentujących ten problem jest znikomo mała. W obszarze pary przegrzanej następuje stopniowy wzrost wartości współczynnika przejmowania ciepła Ux, co świadczy o początku lokalnego skraplania czynnika chłodniczego. Przedstawiona w pracy analiza wymiany ciepła daje możliwość określenia punktu początku skraplania PPS w obszarze kondensacyjnym strefy schładzania pary przegrzanej w skraplaczu. Przedstawiona przez autorów metodyka identyfikacji początku skraplania w strefie kondensacyjnej obszaru pary przegrzanej, zweryfikowana badaniami eksperymentalnymi, może być stosowana w obliczeniach wymiarów skraplaczy (lub tzw. przedskraplaczy) wykorzystywanych w układach chłodniczych. Prowadzone są dalsze badania w tym zakresie. Autor: prof. dr hab. inż. Tadeusz Bohdal mgr inż. Magdalena Florianowicz Źródło:

9 KONTAKT MASTA WWW: Tel: Fax: Adres: Budowlanych Gdańsk