THE DIABATIC THROTTLING PROCESS - SELECTION OF THE CA- PILLARY TUBE-SUCTION LINĘ HEAT EXCHANGER GEOMETRY

Transkrypt

1 Mgr inż. RAFAŁ FLOREK Prof. dr hab. inż. ZBIGNIEW KRÓLICKI Diabatyczność procesu dławienia Dobór geometrii układu rurka kapilarna - przewód ssawny sprężarki Zakład Chłodnictwa i Systemów Klimatyzacyjnych, Politechnika Wrocławska W artykule analizie poddano wpływ diabatyczności procesu dławienia na podstawowe parametry pracy układu rurka kapilarna-przewód ssawny sprężarki. Przedstawiono rozwiązania konstrukcyjne doziębiaczy stosowanych w sprężarkowych urządzeniach ziębniczych małej i średniej mocy. Podjęto próbę oceny wpływu wymiany ciepła w doziębiaczu oraz geometrii układu rurka kapilarna-przewód ssawny na możliwość występowania warunków przepływu krytycznego, powstawania warunków przepływu metastabilnego oraz na akustykę pracy rurki kapilarnej. THE DIABATIC THROTTLING PROCESS - SELECTION OF THE CA- PILLARY TUBE-SUCTION LINĘ HEAT EXCHANGER GEOMETRY The paper shows results of theoretical analysis of the effect of heat exchange during the throttling process on real working parameters of the capillary tube-suction linę heat exchanger. The constructional solutions of the heat exchangers used in household refrigerators and freezers arę presented. The meaning of the heat exchange as well as the capillary tube-suction linę heat exchanger geometry on the possibility of critical flow occurence, formation of the metastable flow phenomenon and on acoustics of the capillary tubę working is noticed. OZNACZENIA: A - pole przekroju poprzecznego, m 2, a - prędkość dźwięku, m/s, D - średnica wewnętrzna, mm, L - długość, m, - strumień substancji ziębnika, kg/ s, kg/h, /A -- gęstość strumienia substancji, kg/s-m 2, p, P - ciśnienie, Pa, Re - liczba Reynoldsa, t, T- temperatura, C, K, v - objętość właściwa substancji, m 3 /kg, p - gęstość substancji, kg/m 3. Indeksy: (doz) - dotyczy doziębiacza, (d) - dochłodzenie ziębnika na wlocie do kapilary, (in) - wlot do rurki kapilarnej, (K) - dotyczy skraplania, (kryf) - wartość krytyczna, (0) - dotyczy odparowania, (/?) - ziębnik, (s) - entropia właściwa, kj/ kg K, (ss) - dotyczy przewodu ssawnego, (sai) - termodynamiczny stan nasycenia, (vap) - początek odparowania w warunkach przepływu metastabilnego. Wprowadzenie Problem obliczania i doboru elementu dławiącego - rurki kapilarnej do sprężarkowych urządzeń ziębniczych, klimatyzacyjnych i pomp ciepła, stał się ponownie aktualny [2, 3, 4]. Związane to jest z problemami eksploatacyjnymi, które pojawiają się po zastąpieniu ziębników chlorowcopochodnych proekologicznymi zamiennikami. Problemy te stają się szczególnie widoczne w przypadkach, w których wymiana ziębnika na nowy, np. mieszaninę zeotropową, odbywa się przy niezmienionych rozwiązaniach konstrukcyjnych urządzenia ziębniczego. Większość działań mających na celu poprawę funkcjonowania takich urządzeń ukierunkowana jest na analizę budowy oraz parametrów pracy sprężarek i wymienników ciepła. Stosunkowo mało uwagi poświęca się elementowi dławiącemu. Większość sprężarkowych systemów chłodniczych i klimatyzacyjnych małej i średniej mocy, a także pomp ciepła, wyposażona jest w rurkę kapilarną - element, który wymaga bardzo precyzyjnego doboru, w szczególności gdy kapilara współdziała termicznie z przewodem ssawnym sprężarki, tworząc rekuperacyjny wymiennik ciepła - doziębiacz [6, 7]. TJ wielu producentów sprzętu chłodniczego doziębiacza nie oblicza się, nie projektuje i nie dobiera żadnym specjalnym algorytmem. Również dobór rurki kapilarnej, jak i rozwiązanie konstrukcyjne doziębiacza, wynikają bardziej z tradycji technicznej, doświadczenia producentów czy linii produkcyjnej agregatów, niż z analiz teoretycznych, stosownych modeli przepływowych czy proponowanych w literaturze metod obliczeniowych [4, 5, 9]. W warunkach wprowadzania nowych ziębników, nowych konstrukcji energooszczędnych agregatów, konkurencyjności, dążenia 22

2 do komfortu i niezawodności eksploatacji nie jest to wystarczające. W tych nowych okolicznościach innego wymiaru i znaczenia nabierają ponownie analizy diabatyczności procesu dławienia oraz geometrii układu rurka kapilarna - przewód ssawny sprężarki [2, 4, 6]. Rozwiązania konstrukcyjne doziębiaczy Rzeczywisty proces dławienia dwufazowego ziębnika w rurce kapilarnej przebiega zawsze w warunkach wymiany ciepła, przy czym może to być wymiana ciepła z otoczeniem lub celowe oddziaływanie termiczne w specjalnie utworzonym przeciwprądowym wymienniku ciepła doziebiaczu. Tworzy go rurka kapilarna wprowadzona na pewnej swej długości do przewodu ssawnego sprężarki. Zachodzi wtedy termiczne współdziałanie dławionego ziębnika z parą płynącą przeciwprądowo z parowacza. Ciepło nie jest zatem odbierane przed rozpoczęciem procesu dławienia, tak jak w klasycznym wymienniku rekuperacyjnym, lecz od dławionego ziębnika w trakcie trwania procesu dławienia [6, 7, 8]. W sprężarkowych systemach ziębniczych z rurką kapilarną konstrukcja doziębiacza poddawana była różnym modyfikacjom. Zmieniał się nie tylko sposób połączenia rurki kapilarnej z przewodem ssawnym sprężarki, lecz również miejsce usytuowania doziębiacza na długości kapilary. Poszczególne wersje były przedmiotem badań i analiz, a wnioski służyły opracowywaniu kolejnych rozwiązań konstrukcyjnych [5, 9]. W pierwszych konstrukcjach sprężarkowych chłodziarek domowych (rys. 1), rurką kapilarną owijano bezpośrednio przewód ssawny, bez stosowania dodatko- wych, trwałych połączeń (rys. la). W kolejnych latach doziębiacz tworzyła kapilara przylutowana do rurociągu ssawnego (rys. l b) i dodatkowo okryta materiałem izolacyjnym. Jednak najszersze zastosowanie od wielu lat ma doziębiacz utworzony przez wprowadzenie części rurki kapilarnej bezpośrednio do przewodu ssawnego sprężarki (rys. l c). Takie rozwiązanie konstrukcyjne zapewnia najlepsze warunki wymiany ciepła pomiędzy dławionym wewnątrz kapilary dwufazowym ziębnikiem a płynącą w przeciwprądzie z parowacza parą ziębnika [6, 9]. Doziębianiu poddawano stopniowo wszystkie części rurki kapilarnej (rys. 2), a o wyborze miejsca decydowały przede wszystkim względy technologiczne. Początkowo doziębiano część wstępną kapilary, Część adiabatyczi Część diabatyczn. 2. Możliwe strefy wymiany ciepła w układzie rurka kapilarna-przewód ssawny sprężarki: l - część wlotowa, 2 - część środkowa, 3 - część wylotowa rurki kapilarnej w której odbywał się przepływ jednofazowy. Trudności technologiczne spowodowały, że w kolejnych konstrukcjach doziębianiu poddawano odcinek środkowy rurki kapilarnej, pozostawiając część wstępną i końcową na oddziaływanie otoczenia. Z chwilą, gdy rurkę kapilarną wprowadzono do przewodu ssawnego, doziębianie objęło całą część wylotową kapilary. Rozwiązanie to pociągnęło za sobą konieczność zmiany konstrukcji wlotu rurki kapilarnej do parowacza (rys. 3.). Wlot rurki kapilarnej do przewodu ssawnego sprężarki pokazano na rysunku Konstrukcja wlotu rurki kapilarnej do parowacza: l - parowacz, 2 - rurka kapilarna, 3 - przewód ssawny sprężarki 4. Wlot rurki kapilarnej do przewodu ssawnego sprężarki: l - przewód ssawny, 2 - rurka kapilarna, 3 - wlot rurki kapilarnej do przewodu ssawnego Długość wymiennika ciepła - zdeterminowana długością przewodu ssawnego oraz zwartością konstrukcji danego urządzenia - jest różna i w zależności od rozwiązania wynosi od 0,7 do 1,5 m. 1. Sposoby łączenia rurki kapilarnej z przewodem ssawnym sprężarki: l - przewód ssawny, 2 - rurka kapilarna Rys. 5. Sposób prowadzenia rurki kapilarnej w rzeczywistym urządzeniu ziębniczym: l - rurka kapilarna, 2 - przewód ssawny sprężarki, 3 - filtr odwilżacz, 4 - wlot rurki kapilarnej do przewodu ssawnego sprężarki PPH COOL" tel , , fax kom cool@cool.pl 23

3 Obecnie najczęściej spotyka się połączenie dwóch sposobów rozwiązania konstrukcji doziębiacza, mianowicie środkowa część rurki kapilarnej owijana jest na przewodzie ssawnym sprężarki, część końcowa zaś wprowadzana jest do wnętrza przewodu (rys. 5). Wynika to jednak przede wszystkim ze względów technologicznych - zważywszy na fakt, iż od urządzeń ziębniczych wymaga się dużej zwartości konstrukcji, a długość rurki kapilarnej wynosi zazwyczaj około 3 -H 3,5 m, logicznym rozwiązaniem wydaje się takie właśnie wykonanie doziębiacza [9]. Diabatyczność procesu dławienia Na rysunku 6 przedstawiony jest jakościowy przebieg procesu obniżania ciśnienia ziębnika w rurce kapilarnej bez wymiany ciepła i z wymianą ciepła w doziębiaczu, uzyskany wielokrotnie eksperymentalnie [5, 7, 8]. P Pl P 3 - P y 6.5 padek ciśnienia w rurce kapilarnej: w wakach adiabatycznych, 1-3' - w warunkach dia- run batycznych Wskutek pokonywania oporów przepływu ciśnienie ziębnika w rurce kapilarnej stopniowo się obniża i w chwili osiągnięcia wartości odpowiadającej temperaturze nasycenia ziębnik zaczyna odparowywać. W wyniku gwałtownego wzrostu objętości ziębnika w układzie dwufazowym wzrasta prędkość przepływu, a zatem rosną też opory. Na wykresie widać, że w warunkach adiabatycznych temperatura (ciśnienie) ciekłego ziębnika jest praktycznie stała, parowanie zaś rozpoczyna się w punkcie 2. Całkowity spadek ciśnienia w rurce wynosi więc A/?/? 1 p 3. Natomiast w przypadku, gdy ciecz płynąca w rurce kapilarnej jest doziębiana za pomocą par, jej odparowanie rozpoczyna się w punkcie 2', który jest przesunięty w stosunku do punktu 2 w kierunku wylotu z rurki kapilarnej, przy L zym ciśnienie końcowe wynosi p 3 '. Całkowity spadek ciśnienia w warunkach diabatycznych wynosi więc A/?' /? 1 /? 3 ' i jest mniejszy niż w adiabatycznym procesie dławienia. Przykładowy wpływ doziębiania na wartość strumienia masy dławionego ziębnika w zależności od stopnia dochłodzenia i różnicy ciśnień skraplania i odparowania przedstawiony został na rysunku 7 [7]. 0,65 0,7 0,75 Ap [MPa] 7. Zmiana wartości strumienia masy dławionego ziębnika w zależności od różnicy ciśnień skraplania i parowania A p oraz stopnia dochłodzenia AT d (d mm, L 2,9 m) Podobnie można zaobserwować wpływ doziębiania na przyrost temperatury par ziębnika na ssaniu w zależności od temperatury parowania oraz długości rurki kapilarnej (rys. 8) [7]. AT SS [K] 9 8. Przyrost temperatury ziębnika na ssaniu sprężarki A T ss w warunkach doziębiania (Ar o 2,0 K, AT 0 6,0 K) w zależności od temperatury parowania T 0 (długość doziębiacza L dol 1,5 m) Z wielu prac teoretycznych i badawczych [5, 6, 8] wynika, że zastosowanie doziębiania powoduje: zmniejszenie spadku ciśnienia w elemencie dławiącym, wzrost temperatury ziębnika na wylocie z kapilary, zmniejszenie stopnia suchości ziębnika dopływającego do parowacza, nieznaczny wzrost temperatury parowania i skraplania, znaczny wzrost temperatury par ziębnika na ssaniu sprężarki oraz temperatury końca tłoczenia. Nie bez znaczenia jest jednak umiejscowienie doziębiacza na długości rurki kapilarnej, geometria układu rurka kapilarna-przewód ssawny sprężarki oraz intensywność procesu wymiany ciepła, które wpływają na: powstawanie warunków przepływu krytycznego, akustykę pracy rurki kapilarnej i doziębiacza, powstawanie przepływu metastabilnego. Warunki przepływu krytycznego W procesie dławienia całkowity spadek ciśnienia w rurce kapilarnej powinien w przybliżeniu odpowiadać różnicy ciśnień pomiędzy ciśnieniem skraplania i parowania. Poza wymaganym spadkiem ciśnienia ważnym zadaniem - stawianym przed elementem dławiącym - jest zapewnienie doprowadzenia odpowiedniej ilości ziębnika do parowacza, tzn. odpowiedniej przepustowości rurki kapilarnej. Zadania te są jednak zadaniami przeciwstawnymi, tzn. zbyt duży wzrost oporów przepływu powoduje wyraźny spadek ciśnienia ziębnika, ale jednocześnie maleje przepustowość rurki kapilarnej, czyli ilość czynnika dopływająca do parowacza [5, 6]. Z przepustowością rurki kapilarnej związane jest bezpośrednio zjawisko tzw. kryzysu przepływu. To niekorzystne, z punktu widzenia przepływowego, zjawisko ogranicza zakres parametrów pracy rurki kapilarnej i powoduje występowanie tzw. efektu zatykania elementu dławiącego - tzn. zwiększanie strumienia masy ziębnika na wlocie do elementu dławiącego nie powoduje dalszego obniżenia temperatury wylotowej ani wzrostu strumienia ziębnika na wylocie. W konsekwencji zjawisko to prowadzi do utraty zdolności regulacyjnych. Może też powodować znaczne efekty akustyczne, stając się źródłem hałasu [9]. Pojawienie się warunków przepływu krytycznego uniemożliwia więc osiągnięcie dowolnie niskich ciśnień i temperatury wylotowej dwufazowej mieszaniny przy zadanych wartościach 24

4 strumienia masy ziębnika i średnicy kapilary. Jest to szczególnie istotne z uwagi na fakt, że obecnie rozwój sprzętu chłodniczego idzie w kierunku osiągania stosunkowo dużej wydajności ziębienia przy niższych, niż dotychczas stosowane, temperaturach odparowującego ziębnika. Wiąże się to z koniecznością zasilania parowaczy dużą ilością ziębnika i tym samym zagwarantowania odpowiedniej przepustowości elementu dławiącego [5, 9]. Krytyczną wartość strumienia masy ziębnika określić można z zależności lub -AT 1 (D (2) Wartość średnicy krytycznej rurki kapilarnej, przy której może przepłynąć zadana ilość ziębnika o ustalonych parametrach początkowych, określa zależność D kryt dp (3) lub zależność na wartość krytycznego strumienia masy ziębnika, jaki może przepłynąć przy zadanej średnicy kapilary -n 2 D 2 16 (4) Powyższe zależności wiążą ze sobą średnicę rurki kapilarnej i strumień masy dławionego ziębnika. Dla prawidłowo zaprojektowanej kapilary powinien być spełniony warunek D ^ D kryt lub ^ m kryt, co wiąże się bezpośrednio z możliwością uzyskiwania niskich temperatur wylotowych oraz wysokich wartości strumienia masy dławionego ziębnika [6]. na drodze do jej dowolnego zwiększania zależność D ( L >,22 (5) będąca wynikiem analiz danych literaturowych, wyników prowadzonych eksperymentów oraz modelowania matematycznego. Z zależności tej wynika, że zwiększenie średnicy kapilary z mm do np. 0,94 mm, czyli o 0,20 mm, wymaga zwiększenia długości elementu dławiącego prawie trzykrotnie, co - obok trudności natury konstrukcyjnej i technologicznej - powoduje znaczny wzrost kosztów inwestycyjnych [5, 6, 9]. Z analizy porównawczej procesu dławienia w warunkach adiabatycznych i diabatycznych wynika, że zastosowanie doziębiania, szczególnie w końcowym odcinku rurki kapilarnej, wpływa w istotny sposób na wartości parametrów krytycznych na wylocie z kapilary. Doziębianie opóźnia proces odparowania ziębnika wewnątrz elementu dławiącego, hamując również jego intensywność. Korzystniejsze wydaje się doziębianie wcześniejszych części kapilary, jeszcze przed odparowaniem ziębnika, niż części końcowej - gdy ziębnik intensywnie odparowuje pod wpływem silnego spadku ciśnienia. Do parowacza może dopłynąć dzięki temu zabiegowi więcej ziębnika o mniejszym stopniu suchości. Maleją opory przepływu przez rurkę kapilarną oraz całkowity spadek ciśnienia. Wzrasta ciśnienie i temperatura wylotowa ziębnika z kapilary. Są to dodatkowe argumenty przemawiające za celowością stosowania rekuperacji ciepła w sprężarkowych systemach ziębniczych wyposażonych w rurkę kapilarną. Warunki przepływu metastabilnego Zjawisko przepływu metastabilnego, czyli opóźnienie odparowania dławionego ziębnika (ang. underpressure of vapońzation), wynika z nierównowagi termodynamicznej i mechanicznej dwufazowego ziębnika [l, 4], powodując m.in.: przesunięcie punktu początku odparowania ziębnika w kierunku wylotu z elementu dławiącego, zmniejszenie spadku ciśnienia w rurce kapilarnej, zmniejszenie stopnia suchości i wzrost temperatury mieszaniny dwufazowej opuszczającej kapilarę oraz zmianę przepustowości elementu dławiącego. Zjawisko przepływu metastabilnego zostało szerzej omówione w pracach [2, 3, 4]. Warto jeszcze raz zaznaczyć, że przepływ metastabilny, którego przyczyny i warunki powstawania pozostają nadal niewyjaśnione dla czynników jednorodnych, może mieć również zdecydowany wpływ na parametry pracy i wydajność zarówno kapilary, jak i całego systemu ziębniczego w przypadku mieszanin azeoi zeotropowych. Analizując charakter przebiegu zmian temperatury i ciśnienia podczas dławienia w końcowym odcinku rurki kapilarnej, w którym następuje największy spadek ciśnienia, można zauważyć, że stan termodynamicznej równowagi między fazami nie zostanie osiągnięty nawet na wylocie z kapilary (rys. 9), ale dopiero w sa- 318,15 - DOCHŁODZONY CIEKŁY ZIĘBNIK PRZEGRZANY" ZIĘBNIK L [mm] 9. Zmiany temperatury dławionego ziębnika w rurce kapilarnej (z uwzględnieniem strefy przepływu metastabilnego) dla klimatyzatora okiennego, gdy: /A 7073,6 kg/s- m 2 Konstruktorzy i projektanci sprzętu chłodniczego uważają często, że dobór rurki kapilarnej to przede wszystkim obliczenie jej długości, że te same parametry wylotowe dwufazowej mieszaniny można uzyskać zmieniając w dowolny sposób średnicę i długość kapilary. Z analizy teoretycznej wynika tymczasem, że zależność ta jest ograniczona pewnymi warunkami. Na drodze do dowolnego zmniejszania średnicy rurki kapilarnej stoją krytyczne warunki przepływu i krytyczna średnica rurki, zaś Skrót wyników doświadczalnych dla ziębnika R12 [3] Średnica rurki kapilarnej mm 1,17 mm Podciśnienie odparowania" (Underpressure of vaporization) Obszar zasadniczy 0,3 -- 0,8 bar (1,5-4-4,0 K) OJ --0,35 bar (0,5 -r- 1,6 K) Wartość maksymalna 1,11 bar (5,4 K) 0,47 bar (2,0 K) TABELA l Długość metastabilnego przepływu jednofazowej cieczy Obszar zasadniczy 0,20-^0,40 m 0,08 --0,30 m Wartość maksymalna 0,88 m 0,39 m PPH COOL" tel , , fax kom cool@cool.pl 25

5 mym parowaczu, co może znacząco wpłynąć na jego wydajność oraz funkcjonowanie całego systemu sprężarkowego [2, 4]. Długość strefy przepływu metastabilnego może osiągać znaczne rozmiary. Wyniki badań eksperymentalnych przedstawia tabela 1. Wraz ze wzrostem strumienia masy ziębnika wzrasta opóźnienie odparowania, przy czym wzrost ten jest gwałtowniejszy dla elementów dławiących o mniejszych średnicach stosowanych najczęściej w urządzeniach małej mocy [3]. W tabeli 2 przedstawiono wyniki obliczeń wartości opóźnienia początku odparowania dla różnych ziębników oraz typowych parametrów geometrycznych i przepływowych rurki kapilarnej [4]. TABELA 2 Wartości opóźnienia początku odparowania (tzw. podciśnienie odparowania) dla T K 323,15 K, T in 317,15 K, AT d 6,0 K, R c [4] Rodzaj ziębnika R 12 R 134a R407C Propan-izobutan (40/60) Propan-nbutan (40/60) Średnica rurki kapilarnej [mm] Podciśnienie odparowania AP P sa,-p tap [bar] 0,516 0,355 0,515 0,354 0,534 0,362 0,536 0,366 0,524 0,360 Wpływ warunków pracy oraz geometrii uładu rurka kapilarna-prze wód ssawny sprężarki na wydajność doziębiacza Dalej przedstawiono analizę wpływu dochłodzenia ciekłego ziębnika, średnicy rurki kapilarnej, długości oraz umiejscowienia doziębiacza na strumień masy oraz temperaturę wylotową dławionego ziębnika R134a [8]. Proces dławienia rozpoczyna się zazwyczaj w stanie cieczy dochłodzonej ziębnika. Rysunek 10 przedstawia przebieg krzywych temperatury dla dwóch różnych poziomów dochłodzenia dławionego ziębnika. Doziębianiu poddawany jest początkowy odcinek rurki kapilarnej, a długość doziębiacza wynosi L doz 1,0 m. Można zaobserwować, że niezależnie od wartości dochłodzenia kształt krzywych oraz położenie punktu początku odparowania pozostają praktycznie identyczne. Dla dochłodzenia zmieniającego się o 5,1 K (z poziomu 5,2 K do wartości 10,3 K) wylotowa temperatura par ziębnika w przewodzie ssawnym wzrasta o 2,5 K, natomiast strumień masy ziębnika wewnątrz kapilary wzrasta o 0,35 kg/h. [8]. Rozkład temperatury ziębnika wewnątrz rurki kapilarnej oraz temperatury par ziębnika powracających przewodem ssawnym z parowacza, dla dwóch różnych wartości średnicy kapilary, przedstawia rysunek 11. Doziębiacz o długości L doz 2,20 m znajduje się w początkowej części kapilary. Jak można zauważyć, kształt krzywych temperatury ziębnika w kapilarze i przewodzie ssawnym oraz położenie punktu początku odparowania praktycznie nie zależą od średnicy wewnętrznej kapilary. Jednak przy zwiększeniu średnicy z wartości 0,61 do 0,83 mm gwałtownie wzrasta wartość strumienia masy ziębnika 0 4,66 kg/h (od 3,26 do 7,92 kg/h) [8]. Wpływ długości doziębiacza na parametry pracy rurki kapilarnej przedstawiono na kolejnym rysunku (rys. 12). Położenie punktu początku odparowania znajduje się przy wylocie z rurki kapilarnej. Strumień masy ziębnika pozostaje na zbliżonym poziomie dla obu długości doziębiacza. Jednak długość doziębiacza ma znaczący wpływ na temperaturę wylotową par ziębnika w przewodzie ssawnym 1 przy zwiększeniu długości doziębiacza z l do 2,2 m temperatura wylotowa wzrasta o 7,8 K (od wartości 11,1 C do 18,9 C) [8]. Z punktu widzenia termodynamicznego, najciekawszy jest przebieg procesu dławienia przy różnym usytuowaniu doziębiacza (rys. 13). Pomimo, że przy zmianie długości adiabatycznej części wlotowej od wartości 0,5 do 1,5 m (długość doziębiacza L doz 1,40 m) strumień masy ziębnika zmienia się w niewielkim stopniu - od 3,19 do 3,02 kg/h - to położenie doziębiacza ma zdecydowany wpływ na kształt rozkładu temperatury ziębnika wewnątrz rurki kapilarnej [8]. Gdy doziębiacz znajduje się w początkowej części kapilary, wówczas niemal cała długość rurki kapilarnej wypełniona jest cieczą dławionego ziębnika a odparowanie ma miejsce na samym końcu i można je wyraźnie zaobserwować jako charakterystyczny punkt załamania się krzywej temperatury. Natomiast w przypadku, gdy doziębiacz umiejscowiony jest w końcowej części kapilary, wówczas odparowanie rozpoczyna się wewnątrz W literaturze brak jest szczegółowych analiz dotyczących wpływu wymiany ciepła na występowanie i wielkość zjawiska przepływu metastabilnego. Wpływ obliczonych i dobranych parametrów geometrycznych układu rurka kapilarna-przewód ssawny sprężarki na pracę rurki kapilarnej można wzmacniać lub redukować intensywnością wymiany ciepła w rekuperatorze. Można zatem wnioskować, że diabatyczność procesu dławienia stanowić może swoisty modyfikator" zjawiska przepływu metastabilnego, przy czym podobnie jak w przypadku przepływu krytycznego, bardziej celowe wydaje się umiejscowienie doziębiacza w środkowej lub nawet początkowej części rurki kapilarnej. 10. Wpływ wielkości dochłodzenia ciekłego ziębniku R134 a na temperaturę w>lotową z rurki kapilarne (D 0,83 mm. L 3,0 m. L doz 1,0 m, (1) - P in - 9,0 bar, &T d 10,3 K. r o -3,l C, m K 5,84 kg/h; (2) - P, 9,0 bar A7 d 5,2K,7 0-23,1 "C. 5,49 kg/h) Rurka kapilarna (1) Rurka kapilarna (2) o Przewód ssawny (1) n Przewód ssawny (2) 0,5 1,5 2 Długość [m] 26

6 Rurka kapilarna (1) Rurka kapilarna (2) o Przewód ssawny (1) Q Przewód ssawny (2) obszaru przepływu diabatycznego i nie może być dokładnie sprecyzowane położenie punktu początku odparowania ,5 2 Długość [m] Rurka kapilarna (1) Rurka kapilarna (2) o Przewód ssawny (1) D Przewód ssawny (2) kapilarna (1) ^Przewód ssawny (1) D Przewód ssawny (2) j 1,5 2 Długość [m] 11. Wpływ średnicy wewnętrznej rurki kapilarnej na temperaturę wylotową ziębnika R134a z kapilary - (1) D 0,61 mm, L 3,0 m, Z) ss 7,86 mm, L dk 2,20 m, P, 14,0 bar, AT;10,2 K, r 0-23,o c, 3,26 kg/h; (2) Z) 0,83 mm, L 3,0 m, D ss 7,86 mm, L ioz 2,20 m, P in 14,0 bar, A7 (i 10,lK,r o -22,8 C, 7,92 kg/h 12. Wpływ długości doziębiacza na temperaturę wylotową ziębnika R134 a z rurki kapilarnej - (1) D 0,61 mm, L 3,0 m, D ss 7,86 mm, L do! 1,0 m, P ia 14,0 bar, A 7, 7,9 K, T 0-23,2 C, m K 2,93 kg/h; (2) D 0,61 mm, L 3,0 m, D ss 7,86 mm, L io, 2,20 m, />,. 14,0bar, A7 d 8,2K, T 0-23,0 C, 3,06 kg/h 13. Wpływ usytuowania doziębiacza na długości rurki kapilarnej na temperaturę wylotową ziębnika R134 a z kapilary - (1) D 0,61 mm, L - 3,0 m, Z) vs 7,86 mm, L do, l,40m,p in 14,Obar, AT; 5,4 K, TO -23,2 C, 3,l9 kg/h; (2) D 0,61mm,L 3,Om,D ss 7,86 mm, L ioz 1,40 m, />, 14,0 bar, Ar, 5,7 K, T 0-23,1 C, 3,02 kg/h Wnioski Konstrukcja, budowa i rozmieszczenie poszczególnych elementów agregatu sprężarkowego przemawiają za doziębianiem końcowej części rurki kapilarnej. O takim rozwiązaniu decydują jednak przede wszystkim względy ekonomiczne technologii wykonania. Podczas seryjnego montażu agregatów można przygotować wcześniej cały podzespół, wyeliminować przynajmniej dwa procesy skomplikowanego spawania rurek cienkościennych i dwa stanowiska na linii montażowej. Jest to szczególnie ważne przy tak delikatnym oraz wrażliwym na zatykanie i uszkodzenia elemencie jakim jest rurka kapilarna. Analizując przebieg zmian temperatury dławionego ziębnika oraz temperatury par na ssaniu w takim rozwiązaniu doziębiacza można zauważyć, że doziębianie końcowej części rurki kapilarnej jest niekorzystne zarówno ze względów przepływowych, jak i temperaturowych. Z punktu widzenia termodynamicznego, najkorzystniejsze wydaje się stosowanie doziębiania początkowej i środkowej części rurki kapilarnej. Przy takim rozwiązaniu doziębiacza niemal cała kapilara wypełniona jest ciekłym ziębnikiem, co zapewnia wymaganą przepustowość i odpowiednie zasilanie parowacza. Punkt początku odparowania przesunięty jest w kierunku wylotu z kapilary, a początek odparowania można wyraźnie zaobserwować jako charakterystyczne załamanie się krzywej temperatury. Nie obserwuje się też wyraźnej strefy przepływu metastabilnego. Za takim rozwiązaniem doziębiania przemawiać mogą również względy eksploatacyjne związane z efektami akustycznymi towarzyszącymi pracy źle dobranej rurki kapilarnej. Procesowi dławienia, który przebiega na znacznej długości kapilary w warunkach przepływu krytycznego, towarzyszy silny hałas. Usytuowanie doziębiacza w początkowej i środkowej części kapilary może zdecydowanie ograniczyć efekt tego zjawiska, przez zmniejszenie spadku ciśnienia i przesunięcie punktu początku odparowania dławionego ziębnika wyraźnie w kierunku wylotu z rurki kapilarnej. tel , , fax kom cool@cool.pl CooL 27

7 ZopraszomK w amuw 30 maka-2 kwietnia Pawilonie 3A, ; ;i - ; v ": l r;:;-:es.... / -,3!glotech.i Analiza dostępnych danych eksperymentalnych i obliczeniowych wskazuje, że dobór odpowiedniej geometrii doziebiacza i zaprojektowanie całego procesu wymiany ciepła jest sprawą złożoną i trudną, ale możliwą do teoretycznego zamodelowania, eksperymentalnej weryfikacji a w przyszłości do praktycznej realizacji. LITERATURA [1] BILICKIZ.: Thermodynamic nonequilibrium in the two-phase system - a continuum with internal structure. Archives of Thermodynamics 17, 1996, str [2] BUTRYMOWICZ D., BONCA Z.: Problematyka doboru rurki kapilarnej jako elementu dławiącego dla nowych czynników chłodniczych. Chłodnictwo 7/1997. [3] CHEN Z. H., LI R.Y., LIN S., CHEN Z. Y.: A correlation for metastable flow of refrigerant 12 through capillary tubes, ASHRAE Trans., Vol. 96, Part l, str [4] FLOREK R., KRÓLICKI Z.: Wpływ zjawiska przepływu metastabilnego na parametry pracy i dobór rurki kapilarnej - cz. l i 2. Chłodnictwo & Klimatyzacja. 1-2 i 3/2003. [5] KRÓLICKI Z.: Dławienie dwufazowych czynników chłodniczych. Prace Naukowe ITCiMP Politechniki Wrocławskiej 42, Serie 20. Monografie, Wyd. Poi. Wrocł., [6] KRÓLICKI Z.: Diabatyczność przepływu a wartości parametrów krytycznych w procesie dławienia czynnika dwufazowego, Politechnika Wrocławska, Raport serii PREPRINTY nr 18/98, X Sympozjum Wymiany Ciepła i Masy, Świeradów Zdrój 98. [7] KRÓLICKI Z., BIAŁKO B.: Eksperymentalna analiza wymiany ciepła w rekuperatorze chłodziarki domowej. Politechnika Wrocławska, Raport serii PREPRINTY nr 17/98, X Sympozjum Wymiany Ciepła i Masy, Świeradów Zdrój '98. [8] MELO C., ZANGARI J. M., FERREIRA R. T. S., PEREIRA R.H.: Experimental studies on non-adiabatic flow of HFC-134a through capillary tubes. 8th International Refrigeration Conference at Purdue University, West Lafayette, USA, My [9] STEFANICKI A., KRÓLICKI Z., IAROSIŃ- SKI W.: Ustalenie przyczyn i podanie sposobu zmniejszenia hałasu w chłodziarko-zamrażarkach typu CA 320. Politechnika Wrocławska, Raport serii SPRAWOZDANIA nr 18/99. 28