WPŁYW STRUKTUR POROWATYCH ORAZ CIECZY ROBOCZYCH NA SPRAWNOŚĆ RUR CIEPLNYCH W WENTYLACJI I KLIMATYZACJI

Transkrypt

1 WPŁYW STRUKTUR POROWATYCH ORAZ CIECZY ROBOCZYCH NA SPRAWNOŚĆ RUR CIEPLNYCH W WENTYLACJI I KLIMATYZACJI Adrej JEDLIKOWSKI, Maciej SKRZYCKI, Maciej BESLER Wydiał IŜyierii Środowiska, Politechika Wrocławska, ul. Norwida /6, 50-7 Wrocław Stresceie W artykule redstawioo wływ struktur orowatych stosowaych w rurach cielych oiomych ora cyików robocych a ich wydajość cielą. Oisao odstawy teoretyce wiąae diałaiem tych urądeń. Predstawioo modele matematyce oisujące ich racę. Słowa klucowe odysk eergii, wymiaa eergii, wymieiki cieła, rury ciele.. Wrowadeie Rura ciela staowi samowystarcaly, całkowicie scely układ, w którym obrae od otoceia cieło owoduje wreie i odarowaie ciecy w jedym jego ukcie, atomiast oddae cieło do otoceia w iym, owoduje skralaie ar ciecy i owrót do strefy odarowaia (Schlüder i i. 98). Oisując agadieie rur cielych warto rograicyć ich termiologię a dwa w asadie odrębe urądeia rurę cielą ioową, waą otocie rówieŝ termosyfoem dwufaowym ora rurę cielą oiomą, waą takŝe kailarą rurą cielą. Oba tyy urądeń wae wsólie rurami cielymi diałają w oarciu o remiaę dwufaową cyika robocego. Zasadę diałaia urądeń oisao oiŝej. rur cielych odstawową wadą tego rowiąaia jest koiecość sytuowaia w urądeiu wetylacyjym rewodów ciełego owietra w dolej cęści, rewodów chłodiejsego owietra atomiast w górej rewodów chłodicego owietra. W wiąku owyŝsym, odysk eergii moŝliwy jest jedyie w okresie ciełym lub imym, be moŝliwości okresowej miay fukcjoowaia układu. Wygląd ora asadę diałaia termosyfoów dwufaowych redstawioo a rys. (ASHRAE, 008)... Zasada diałaia rur cielych Termosyfo dwufaowy staowią scele, oróŝioe ora aśleioe odciki rur ewą ilością ośika cieła. W termosyfoach w dolej ich cęści odarowuje ciec kostem obraego od omywającego tą cęść rury ciełego owietra. Ciec wra akumulowaym w iej ciełem a skutek wystąieia gradietu ciśieia odarowuje ora jest trasortowaa do górej cęści rury, gdie astęuje roces skralaia ciecy (oddawaie cieła) a skutek omywającego tą cęść rury chłodiejsego owietra. Nastęie ary ciecy sływają grawitacyjie do dolej cęści rury. Wajeme ołoŝeie strefy odarowaia ora skralaia owio umoŝliwiać grawitacyjy sływ kodesatu do strefy odarowaia. W termosyfoach wystęująca róŝica temeratur ora siły grawitacji są iebędymi elemetami do rawidłowej cyrkulacji cyika w obrębie stref odarowaia ora skralaia. W ryadku ioowych Rys.. Wygląd ora asada diałaia rury cielej ioowej termosyfou dwufaowego (ASHRAE, 008) W ryadku oiomych rur cielych roces rebiega odobie, ackolwiek ewymi róŝicami. W rurach cielych oiomych ciec trasortowaa jest omiędy strefą odarowaia i skralaia a skutek diałaia sił kailarych. W urądeiach tych odobie, jak w oredim ryadku elemetem składowym są aśleioe, oróŝioe i ewą ilością cyika Autor odowiedialy a koresodecję. maciej.skrycki@wr.wroc.l

2 Civil ad Evirometal Egieerig / Budowictwo i IŜyieria Środowiska (00) -8 robocego rury. Zasadica róŝica olega a astosowaiu rur róŝego rodaju wewętrymi wytłoceiami ora elemetami umoŝliwiającymi trasort ciecy ora ar ciecy omiędy strefami odarowaia ora skralaia. W rurach cielych oiomych wymiaa cieła cęsto roatrywaa jest, jako iotermica, jedakŝe mimo to moŝe wystąić mały osiowy sadek temeratury re ściakę rury, ore wyełieie orowate cy teŝ w ciecy robocej. Premiaa iotermica moŝe achodić tylko w obrębie strefy odarowaia, atomiast w obrębie strefy skralaia mogą ojawiać się wartości ieco odbiegające od owyŝsego ałoŝeia, wyikające faktu, iŝ oorości obydwu stref róŝią się międy sobą. W urądeiach wystęuje jawisko ograicoej dolości reikaia cieła, a który wływ mają takie cyiki, jak struktura wyełieia rury, średica rury, rodaj ciecy robocej ora orietacja rury (odchyleie od oiomu). Zasadę diałaia rur cielych oiomych redstawioo a rys. (ASHRAE, 008). Rys.. Wygląd ora asada diałaia rury cielej oiomej kailarej rury cieła (ASHRAE, 008) Zarówo w ioowych, jak oiomych rurach cielych roces realioway jest cyklicie i będie rebiegać tak długo, jak długo istieć będie róŝica temeratur a co a tym idie, rówieŝ ciśień. Rys.. Srawość odysku cieła w aleŝości od kąta wychyleia rucy cielej oiomej (Naho i i., 009) Na rys. redstawioo orietacyjie srawość odysku cieła w kailarej rurce cieła w aleŝości od kąta achyleia (Naho i i., 009). Zmiaa kąta achyleia rury od oiomu owala a kotrolowaie ilości wymieiaego cieła omiędy strumieiami owietra. Zmieiając achyleie strefy odarowaia w stosuku do oiomu wływa się a umoŝliwieie (lub ahamowaie) sływu kodesatu e strefy skralaia do strefy arowaia. Tego tyu diałaie wykorystuje się do (ASHRAE, 008) miay cyklu ogrewaia owietra a cykl ochładaia omiędy okresami imym a ciełym; róŝicowaia efektywości w celu utrymaia Ŝądaej temeratury owietra awiewaego; miejseia skutecości odysku w celu aobiegaia owstawaiu srou ry iskich temeraturach owietra ewętrego. Aby rura ciela diałała rawidłowo ciśieie aujące wewątr rury musi mieć więksą wartość od całkowitego sadku ciśieia a rure, który ualeŝioy jest od astęujących elemetów (Abd El Baky i Mohamed, 007; Reay i Kew, 006) sadku ciśieia odcas reływu skroloych ar ciecy e strefy skralaia do strefy odarowaia; sadku ciśieia iebędego do wywołaia reływu ciecy e strefy odarowaia do strefy skralaia; sadku ciśieia w wiąku wajemym usytuowaiem strefy odarowaia wględem strefy skralaia, ry cym wartość ta moŝe wyosić ero, moŝe mieć wartość dodatią lub teŝ ujemą. śeby rura ciela diałała rawidłowo, musi być sełioa aleŝość () c, max + + JeŜeli aleŝość określoa re ierówość () ie ostaie dotrymaa ora obsar rury w obrębie strefy odarowaia ulegie osuseiu, rura ciela ie będie diałać rawidłowo. Podcas racy rur cielych iektórymi cyikami robocymi ry wysokich temeraturach moŝe dochodić do jawiska owstawaia ieoŝądaego dźwięku ry reływie cyika wewątr rury. Pry graicych rędkościach, ry których wystęuje owstawaie dźwięku jawisko ściśliwości musi być brae od uwagę ry wyacaiu sadku ciśieia cyika. Pry iskich temeraturach owietra, ciśieie w obrębie strefy odarowaia jest stosukowo iskie, w wiąku tym owstająca róŝica ciśieia omiędy strefą odarowaia a skralaia jest iewystarcająca do okoaia sił lekości ora grawitacji, co objawia się akłóceiem rawidłowego diałaia urądeia. Pry wysokich strumieiach rekaywaego cieła owstaje ryyko wysokich rędkości cyika wewątr rury, które mogą wływać asadico a orywaie cyika reływającego do strefy odarowaia, co ostatecie rówieŝ wływa a orawe diałaie urądeia. Strumień ciely w strefie odarowaia jest wywoływay re owstającą róŝicę temeratur, która osiągając dolą wartość graicą, ry której jesce utrymuje się warstewka cyika a owierchi rury w strefie odarowaia, owodując owstaie admierej róŝicy temeratur (Abd El Baky i Mohamed, 007; Reay i Kew, 006).

3 Adrej JEDLIKOWSKI, Maciej SKRZYCKI, Maciej BESLER. Struktury kailare ora ciece roboce w rurach cielych Zarówo struktury kailare (dla rur cielych oiomych) ora astosowaa ciec roboca determiują eksloatacyje właściwości tych urądeń (Rys. ). Jedym ajwaŝiejsych agadień jest arówo wybór materiału rury, rodaj astosowaej struktury kailarej ora jej komatybilość wybraą ciecą robocą (Kreith i i., 000)... Struktury kailare rur cielych (kailarych) Wybór odowiediej struktury kailarej do rur cielych aleŝy od seregu cyików. Podstawowym wymagaiem jest koiecość wytworeia odowiediego ciśieia kailarego, dięki cemu moŝliwy jest beroblemowy reływ cyika od strefy skralaia do ar cyika do strefy odarowaia. Struktura kailara musi rówieŝ umoŝliwiać w miarę rówomiere rorowadeie cyika w obrębie strefy odarowaia w celu rawidłowego odbioru cieła od omywającego tą cęść rury ciełego owietra. Q max σ ρc g( l siα + d cosα ) r l = () µ µ c + Kρ C A ρ C A d c f w f gdie µ jest wsółcyikiem lekości dyamicej, A w jest rekrojem orecym wyełieia kailarego, A jest rekrojem orecym dla reływu ar cyika, d jest średicą hydraulicą dla reływu ar cyika, K jest reuscalością wyełieia kailarego, d jest średicą rury cielej, α jest kątem odchyleia od oiomu, l jest długością rury cielej, C f jest ciełem utajoym remiay faowej... Wybór łyu robocego ora jego wływ a wydajość rury cielej Wybór właściwej ciecy robocej ma asadicy wływ a długotermiowe i rawidłowe diałaie rury cielej. Zastosowaa ciec owia charakteryować się wysokim ciełem utajoym odarowaia, wysokim aięciem owierchiowym, małą lekością ora owia być termostabila w całym akresie stosowalości. Zachodąca reakcja chemica wewątr rury ry rokładie ciecy moŝe owodować owstawaie iekodesujących gaów, które mogą ogarsać wydajość rury. W ryadku rydatości róŝych wiąków chemicych wykorystywaych, jako cyiki roboce w rurach cielych, istotym będie wrowadeie termiu wsółcyika trasortowego, który oisuje dolość ciecy do rekaywaia cieła. Wsółcyik te defiiuje się, jako stosuek aięcia owierchiowego ora cieła utajoego do lekości dyamicej, co moŝa redstawić a omocą oiŝsej aleŝości (Maurkiewic i i., 977) N f δρ f r = () η f Rys.. Prykłady struktur kailarych dla oiomych rur cielych (Reay i Kew, 006) Preuscalość struktury kailarej jest koleją wymagaą cechą, która rośie wra e wrostem romiarów orów (kaalików) struktury. Koleją cechą jest odowiedia grubość kaalików wyełieia, ry cym wymiaa cieła rośie wra grubością kaalików. Ią waŝą cechą struktury kailarej jest jej wsółraca astosowaą ciecą robocą i dobra wilŝalość swojej owierchi ciecą. Jak oisao owyŝej istieją ewe ograiceia eksloatacyje rur cielych. Dotycy to scególie rur cielych wyełieiem kailarym. Maksymaly strumień ciely moŝe być defiioway odowiedio a omocą oiŝsej aleŝości W aleŝości od wymagaego rediału temeratur moŝa stosować róŝe substacje, które dają się dorowadić do fay ciekłej od skroloych gaów do metali. MoŜe to być. hel (od -7ºC do +69ºC), amoiak (od -60ºC do +00ºC), aceto (od 0ºC do 0ºC), freo (od 0ºC do 0ºC), woda (od 0ºC do 00ºC), rtęć (od 50ºC do 6500ºC), sód (od 600ºC do 000ºC), srebro (od 800ºC do 000ºC). Moc ciela rury cielej jest roorcjoala do wartości owyŝsego wsółcyika N f, określoego aleŝością (). Najwięksymi wartościami wsółcyika trasortowego charakteryują się amoiak, metaol, aceto, chlorek etylowy, eter etylowy. Na rys. 5 i rys. 6 redstawioo aleŝości temeratury racy ora róŝicy omiędy średią temeraturą ściaki arowaca a średią temeraturą ściaki skralaca dla rur cielych ioowych (termosyfoów dwufaowych). Na rys. 7 i rys. 8 redstawioo te same aleŝości aalogicie dla rur cielych oiomych. Zastosowaymi ciecami 5

4 Civil ad Evirometal Egieerig / Budowictwo i IŜyieria Środowiska (00) -8 robocymi były aceto, metaol, eter etylowy ora chlorek etylowy Rys. 5. ZaleŜość Q = f(t) dla ioowej rury cielej ry ośikach cieła - aceto, - metaol, - eter etylowy, - chlorek etylowy T, 0 ºC T, ºC Rys. 6. ZaleŜość Q = f( t) dla ioowej rury cielej ry ośikach cieła - aceto, - metaol, - eter etylowy, - chlorek etylowy Rys. 7. ZaleŜość Q = f(t) dla oiomej rury cielej ry ośikach cieła - aceto, - metaol, - eter etylowy, - chlorek etylowy T, ºC T, ºC 50 T, ºC T, ºC Rys. 8. ZaleŜość Q = f( t) dla oiomej rury cielej ry ośikach cieła - aceto, - metaol, - eter etylowy, - chlorek etylowy Na odstawie aaliy owyŝsych wykresów moŝa sformułować astęujące wioski wydajość ciela rur cielych ioowych (termosyfoów dwufaowych) wykauje około 5-8 ray więksą wydajość od rur cielych kailarych, racującej w tej samej temerature; sośród owyŝsych cyików robocych astosowaie dwóch, a kokretie acetou ora metaolu owala a osiągaie rurom cielym ajwyŝsych wydajości; ry odysku cieła wymagaa wydajość ciela rur cielych owia wyosić W, ry cym bardo waŝe jest rekaywaie cieła ry jak ajmiejsych róŝicach temeratur i tego wględu ajodowiediejse wydają się chlorek etylowy ora eter etylowy. Podsumowując owyŝse rowaŝaie cyik robocy wykorystyway w rurach cielych musi charakteryować się wysokim aięciem owierchiowym ora dobrym wilŝeiem; małym tarciem wewętrym; wysokim utajoym ciełem odarowaia; wysoką rewodością cielą; uktami wreia ora amaraia oa akresem diałaia urądeia; wysoką gęstością; stabilością chemicą.. Modele matematyce \Wśród dostęych w literature modeli matematycych wymiay cieła aleźć moŝa wiele oisujących racę rur cielych. W raktyce korysta się astęujących modeli, baujących a rówaiach Reyoldsa; warstwy ryścieej; jedowymiarowego reoseia cieła (-NTU); logarytmicej róŝicy temeratur. 6

5 Adrej JEDLIKOWSKI, Maciej SKRZYCKI, Maciej BESLER W ryadku ajomości temeratur, arówo a ocie do wymieika, jak i wylocie korysta się metody temeratur logarytmicych. Temeratury te moŝa rówieŝ wyacyć a odstawie bilasu eergetycego. W ryadku, gdy temeratury te oostają iewiadomymi metoda temeratur logarytmicych wymaga astosowaia rocedur iteracyjych. W celu wyaceia efektywości wymieików cieła, ojawia się koiecość wrowadeia ojęcia maksymalego strumieia cielego, który moŝe być wymieioy, tj. o ieskońcoej długości. W reciwym ryadku aleŝy osiłkować się metodą licb jedostek reikaia cieła, tw. metodą NTU (NTU Number of Trasfer Uits)... Model matematycy wymiay cieła Do redstawieia oiŝsych modeli wykorystao ałoŝeie, iŝ strumieie ciełego ora imego owietra reływają kryŝowo w stosuku do ciecy robocej wewątr rury cielej. JedakŜe brao od uwagę, iŝ rurach cielych wymiaa cieła cęsto roatrywaa jest jako iotermica, w wiąku tym cieło właściwe owietra C ora ojemość ciela C L juŝ defiicji dąŝą do ieskońcoości, co w reultacie daje aleŝość C c /C L = C /C L = 0. Zatem dla jedorędowej rury cielej model -NTU redstawić moŝa astęująco (Noie, 006) Dla sekcji odarowaia ( NTU ) skr o = ex () Dla sekcji kodesacji ( NTU ) k = ex (5) gdie licba jedostek reikaia cieła NTU dla sekcji odarowaia ora skralaia ryjmuje astęujące wartości ( ) ( UA) c NTU c = (6) Cc gdie ojemość ciela dla strumieia owietra ciełego C c = ( mc ) (7) c ( ) ( UA) NTU = (8) C gdie ojemość ciela dla strumieia owietra imego C = ( mc ) (9) Dla rurek cielych -rędami rurek godie kierukiem reływu strumiei owietra aleŝości a NTU redstawioo, jako - dla strefy arowaia = Cc c (0) Cc c Cc c c dla strefy skralaia C L C c = () C C CL C WyraŜeia c C = 0 ora CL CL = 0 moŝa redukować do astęującej ostaci ( ) c = c () ora ( ) = () Ogóla srawość rury cielej defiiowaa jest, jako gdy sełioy jest waruek C c > C C Cc t = + () c - gdy sełioy jest waruek C c < C Cc C = + t c (5) Temeratury owietra a wylocie rury cielej wyosą ( mc ) ( mc ) ( t t ) mi t wyl = t t, (6) c ( mc ) ( mc ) ( t t ) mi t, wyl = t, t, (7) 7

6 Civil ad Evirometal Egieerig / Budowictwo i IŜyieria Środowiska (00) -8 Gdy straty cieła wymieika do otoceia są omijalie małe, wydajość wymieika jest redstawiaa, jako jego srawość, która defiiowaa jest, jako stosuek ilości rekaaego cieła do maksymalej ilości rekaywaego cieła omiędy strumieiami owietra (Noie, 006) q = (8) q max W ryadku, gdy C c > C t, wyl t, t = (9) t t, atomiast, gdy C c < C t t wyl t = (0) t t, Literatura Abd El Baky M. A., Mohamed M. M. (007). Heat ie exchager for heat recovery i air coditioig. Alied Thermal Egieerig, Vol. 7, No., ASHRAE (008). HVAC Systems ad Equimets (SI Editio) Kreith F. i i. (000). The CRC hadbook of thermal egieerig, CRC Press LLC. Maurkiewic W., ŚieŜyk R., Wiecorek M. (977). Badaia termowodów dla klimatyacji. Prace Naukowe Istytutu IŜyierii Chemicej i Urądeń Cielych Politechiki Wrocławskiej, Zesyt r 5. Naho P., Thogkum D., Assadamogkol P. (009). Heat ie efficiecy ehacemet with refrigerat-aoarticles mixtures, Eergy Coversio ad Maagemet, Vol. 50, No., Noie S. H. (006). Iveatigatio oh thermal erformace of a air-to-air thermosyho heat exchager usig -NTU method. Alied Thermal Egieerig, Vol. 6, No. 5-6, Reay D., Kew P. (006). Heat ies, theory, desig ad alicatios, Butterworth Heiema, Elsevier, Burligto. Schlüder E. U. i i. (98). Heat exchager desig hadbook. Schlüder E.U. ed., Hemishere Publishig Cororatio, New York. AN INFLUENCE OF WICK STRUCTURES AND WORKING FACTORS ON HEAT PIPE CAPACITY Abstract The aer icludes theoretical exlaatios for the basic heomea ad rocess dealt with i heat recovery with use of heat ies. The theoretical basics for thermosyhos ad caillary heat ies were described. The most commoly used caillary wick structures with work formula ad were described. O the basis of charts work characteristics for differet factors used i thermosyhos ad caillary heat ies were reseted. The mathematical models for heat trasfer i heat ies were reseted, model has bee roosed o the basis of NTU model. 8