POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY. mgr inż. Artur Fiuk

POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY mgr nż. Arur Fuk BADANIA WPŁYWU PARAMETRÓW GEOMETRYCZNYCH I TERMOFIZYCZNYCH NA DZIAŁANIE DWUFAZOWEGO TERMOSYFONOWEGO WYMIENNIKA CIEPŁA Rozrawa dokorska Promoor rof. dr hab. nż. Janusz Tadeusz Ceślńsk GDAŃSK 2008

Najukochańszym mom - żone Aleksandrze córce Izabel - race nnejszą ośwęcam

Auor składa serdeczne odzękowana: Promoorow nnejszej racy Panu rof. dr. hab. nż. Januszow T. Ceślńskemu za omysł emau, cenne uwag, nezwykłe zaangażowane rzy owsawanu nnejszej racy, a akże za cerlwość wyrozumałość dla jej auora Frme SECESPOL S. z o.o., kóra w znaczącym sonu rzyczynła sę do owsana nnejszej racy Komeow Badań Naukowych, za wsarce fnansowe badań ekserymenalnych

Ss reśc ZESTAWIENIE WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ I SKRÓTÓW... 3 WPROWADZENIE... 5 1 DWUFAZOWE, TERMOSYFONOWE WYMIENNIKI CIEPŁA (DTWC)... 6 1.1 KLASYFIKACJA DTWC... 6 1.2 TERMOSYFONY RUROWE (PROSTE)... 9 1.3 TERMOSYFONY PĘTLOWE... 14 1.4 TERMOSYFONY RUROWO-PĘTLOWE... 17 2 POWIERZCHNIE INTENSYFIKUJĄCE WRZENIE I SKRAPLANIE... 19 3 TEZY PRACY... 21 4 CEL I ZAKRES PRACY... 22 5 STANOWISKO BADAWCZE... 25 5.1 PROTOTYPOWY DTWC... 26 5.2 BADANE RURKI... 28 5.3 OBIEG WODY GRZEJNEJ... 30 5.4 UKŁAD CHŁODZENIA... 30 5.5 UKŁAD AKWIZYCJI DANYCH POMIAROWYCH... 30 5.6 PROCEDURA POMIAROWA... 31 6 OPRACOWANIE WYNIKÓW BADAŃ... 35 6.1 GĘSTOŚĆ STRUMIENIA CIEPŁA W PAROWNIKU... 35 6.2 TEMPERATURA ZEWNĘTRZNEJ POWIERZCHNI RUR... 35 6.3 WSPÓŁCZYNNIK PRZEJMOWANIA CIEPŁA... 36 6.4 WSPÓŁCZYNNIK PRZENIKANIA CIEPŁA... 37 6.5 OSZACOWANIE NIEDOKŁADNOŚCI POMIARÓW... 39 7 ANALIZA I UOGÓLNIENIE WYNIKÓW BADAŃ... 49 7.1 WPŁYW RODZAJU POWIERZCHNI RUR PAROWNIKA... 49 7.2 WPŁYW PODZIAŁKI RUR... 56 7.3 WPŁYW RODZAJU CIECZY ROBOCZEJ... 59 7.4 WPŁYW WYSOKOŚCI ZALANIA PĘKU RUR... 62 7.5 WPŁYW CIŚNIENIA... 63 7.6 WYNIKI BADAŃ WIZUALIZACYJNYCH... 65 7.7 WŁASNE RÓWNANIE OBLICZENIOWE... 68 7.7.1 Wynk esowana korelacj do oblczeń wsółczynnka rzejmowana ceła dla konwekcj jednofazowej w rurze karbowanej... 72 7.7.2 Wynk esowana korelacj do oblczeń wsółczynnka rzejmowana ceła rzy wrzenu w ęku rur gładkch... 73 7.7.3 Wynk esowana korelacj do oblczeń wsółczynnka rzejmowana ceła rzy wrzenu w ęku rur z owłoką orowaą... 77 7.7.4 Wynk esowana korelacj do oblczeń wsółczynnka rzejmowana ceła rzy skralanu w ęku rur gładkch... 78 7.7.5 Wynk esowana zmodyfkowanego równana Peclea... 80 8 ZASTOSOWANIA PROTOTYPOWEGO DTWC... 83 9 ZALECENIA DO PROJEKTOWANIA... 86 9.1 ZALECENIA KONSTRUKCYJNE... 86 9.2 ZALECENIA EKSPLOATACYJNE... 87 9.3 ZALECANE KORELACJE DO OBLICZEŃ DTWC... 87

10 PODSUMOWANIE I WNIOSKI... 89 11 KIERUNKI DALSZYCH PRAC... 91 BIBLIOGRAFIA... 92 ZAŁĄCZNIKI... 98 ZAŁĄCZNIK 1. ZBIORNIK ODPOWIETRZAJĄCY I FILTROODMULNIK... 99 ZAŁĄCZNIK 2. WYNIKI WZORCOWANIA PRZETWORNIKÓW TEMPERATURY... 100 ZAŁĄCZNIK 3. WYNIKI WZORCOWANIA PRZETWORNIKA CIŚNIENIA... 101 ZAŁĄCZNIK 4. WŁASNOŚCI FIZYKOCHEMICZNE CIECZY ROBOCZYCH... 104 ZAŁĄCZNIK 5. TABLICE WIELKOŚCI ZMIERZONYCH I OBLICZONYCH... 107 ZAŁĄCZNIK 6. WPŁYW PODZIAŁKI RUR PAROWNIKA KRZYWE WRZENIA... 129 ZAŁĄCZNIK 7. WPŁYW PODZIAŁKI RUR PAROWNIKA NA WSPÓŁCZYNNIK PRZENIKANIA CIEPŁA.. 132 2

Zesawene ważnejszych oznaczeń skróów A ole owerzchn [m 2 ] C sf wsółczynnk dośwadczalny [ - ] c ceło właścwe rzy sałym cśnenu [J/kgK] d średnca [m] H wysokość zalana ceczy roboczej nad najwyższym rzędem ęku rur arownka [mm] h enala właścwa [J/kg] k wsółczynnk rzenkana ceła [W/m 2 K] L długość [m] n lczba rur P cśnene [Pa] R oór celny [m 2 K/W] r ceło arowana [kj/kg] Q & srumeń ceła [W] q& gęsość srumena ceła [W/m 2 ] T emeraura [K] emeraura [ C] V & srumeń objęośc [m 3 /s] α średn wsółczynnk rzejmowana ceła [W/m 2 K] δ grubość [m] µ wsółczynnk lekośc dynamcznej [Pa s] λ wsółczynnk rzewodzena ceła [W/mK] ν wsółczynnk lekośc knemaycznej [m 2 /s] ρ gęsość [kg/m 3 ] σ naęce owerzchnowe [N/m] 3

Indeksy c f kr l n o r s v całkowy cecz robocza wewnęrzny kryyczny cecz nasycena zewnęrzny arownk rurk skralacz ara 1 wlo 2 wylo 4

Wrowadzene Rosnące wymagana ekologczne doyczące mędzy nnym rygorysycznego rzesrzegana maksymalnej douszczalnej emeraury wód chłodnczych odrowadzanych do rzek czy jezor, a akże neusanne dążene do odwyższena srawnośc wszyskch układów energeycznych owoduje coraz wększe zaneresowane wymennkam ceła, kóre nazywane są ekonomzeram. Podwyższene srawnośc ermcznej układów energeycznych uzyskuje sę rzez zasosowane zw. odzysku energ nskoemeraurowej, kóra w rzecwnym rzyadku byłaby odrowadzona do ooczena. Wyosażene sysemów energeycznych w układy odzysku energ rowadz do obnżena zużyca nośnków energ (węgla kamennego, gazu zemnego czy roy nafowej), a węc z jednej srony doyczy szeroko ojęej ochrony środowska, a z drugej orawy warunków ekonomcznych, a węc zwększena konkurencyjnośc rzedsęwzęca gosodarczego. Jako ekonomzer (regeneracyjny wymennk ceła) może być zasosowany dowolny y wymennka ceła, jednak coraz częścej są o wymennk, w kórych zachodz rzemana fazowa wrzena lub skralana lub obe e rzemany jednocześne. Szczególnym rozwązanem są dwufazowe, ermosyfonowe wymennk ceła (DTWC), kórych zasada dzałana jes odobna jak onowej rurk celnej. Zasadnczą cechą DTWC jes jednokerunkowy rzeływ ceła, kóry usaje z chwlą zanku rocesu wrzena w obszarze wysokoemeraurowym. Jak okazują dane leraurowe zasosowane echnk nensyfkacj rocesu wrzena, w ym rzede wszyskm mealcznych owłok orowaych, ozwala na uzyskane sablnego wrzena ęcherzykowego rzy mnmalnych rzegrzanach rzędu 0,1K. Swarza o zuełne nowe możlwośc w budowe mędzy nnym DTWC, gdyż ozwala na jeszcze szersze efekywne wykorzysane zw. nskoemeraurowych źródeł ceła, w ym w układach odzysku ceła. 5

1 Dwufazowe, ermosyfonowe wymennk ceła (DTWC) 1.1 Klasyfkacja DTWC Dwufazowe ermosyfonowe wymennk ceła są rekueraoram, w kórych zasosowana jes cecz robocza ośredncząca w wymane ceła, zmenająca rzy ym w sosób cągły san skuena. W leraurze soyka sę rzyorządkowane ermosyfonów dwufazowych jako odgruy rur celnych [30, 49, 71], jak eż oddzelnej od rur celnych gruy wymennków [12, 32, 42]. Zasadncza różnca olega na ym, że w ermosyfonach nasęuje grawacyjny sływ skroln, naomas w rurach celnych owró kondensau ze skralacza do arownka, realzowany jes za ośredncwem wkładu kalarno-orowaego. Dodakowo, w rurach celnych może nasąć zmana kerunku rzekazywana energ celnej, naomas ermosyfony dwufazowe są w sane rzekazywać energę celną jedyne w jednym kerunku. Wymenone mechanzmy rzekazywana kondensau ze skralacza do arownka określają możlwośc konsrukcyjne alkacyjne ych dwóch gru wymennków ceła. Dla rzykładu rury celne mogą być sosowane w rzesrzen kosmcznej, gdze ne wysęuje grawacja, naomas własnośc wkładu kalarno-orowaego ogranczają geomerę akego urządzena, a akże gęsość srumena ceła [71]. Dwufazowe ermosyfonowe wymennk ceła można odzelć na rzy zasadncze gruy: 1. ermosyfony rurowe (rose), w kórych owró kondensau do arownka jes realzowany w rzecwrądze do ary rzemeszczającej sę do skralacza - rys. 1, 2. ermosyfony ęlowe, w kórych arownk jes ołączony ze skralaczem za ośredncwem rury wznośnej rzewodu oadowego (rys. 2), 3. ermosyfony rurowo-ęlowe, kóre są kombnacją dwóch wcześnej wymenonych rozwązań (rys. 3). 6

Rys. 1. Termosyfon rurowy (rosy) Rys. 2. Termosyfon ęlowy Rys. 3. Termosyfon rurowo-ęlowy Ze względu na sosób rzekazywana ceła DTWC mogą być konsruowane jako: 1. ermosyfony ośredne, w kórych srumeń ceła jes dorowadzany odrowadzany z obudowy wymennka - rys. 4, 2. ermosyfony bezośredne, w rzyadku kórych do wnęrza obudowy wrowadzony jes arownk skralacz - rys. 5, 3. ermosyfony zanurzenowo-ośredne, kóre mogą osadać arownk zanurzony w ceczy roboczej, a skralacz sanow obudowa - rys. 6. 7

Rys. 4. Termosyfon ośredn Rys. 5. Termosyfon bezośredn Rys. 6. Termosyfon zanurzenowo-ośredn Prooyowy DTWC, zaroonowany w nnejszej racy, jes ermosyfonem rurowo-ęlowym gdyż odobne jak w ermosyfone rosym rzecwrądowy rzeływ ary kondensau ma mejsce w króćcu łączącym arownk ze skralaczem, ale jednocześne zasosowane króćca owrou skroln owoduje, że badany wymennk ma cechy ermosyfonu ęlowego rys. 7. a) b) Rys. 7. Przeływ ary ceczy w rooyowym DTWC; 1- arownk, 2 - skralacz, 3 rura wznośna, 4 kanał oadowy. Obcążena celne: a) q& < 15 kw/m 2, b) q& > 15 kw/m 2 8

1.2 Termosyfony rurowe (rose) Najrossze rozwązane konsrukcyjne wymennka yu ermosyfon rosy sanow ojedyncza rurka, usyuowana onowo lub od ewnym kąem do ozomu wyełnona częścowo ceczą, kórej ogrzewana dolna część obudowy sanow arownk, naomas chłodzona górna część obudowy jes skralaczem rys. 8. a) b) 1 obudowa, 2 cecz robocza Rys. 8. Pojedyncza rurka ermosyfonowa; a) onowa, b) ochyła 1 rzegroda zolująca Sysemayczne badana ojedynczych ermosyfonów rurowych rzerowadzł m.n. Rokck [51], ale akże osano Królck n. [39]. Podsawowym zagadnenem doyczącym ch efekywnego dzałana jes ocząkowy ozom zalana, a akże długość srefy arowana skralana. Oczywśce w rzyadkach rzemysłowego zasosowana ne sosuje sę ojedynczych rurek lecz zesawy ermosyfonów rurowych worzących ermosyfonowe wymennk ceła (TWC). Schema rosego rozwązana TWC dla układu gaz-gaz rzedsawono na rys. 9. Wymennk en składa sę z dwóch kanałów rzedzelonych rzeoną, w kórej są zamocowane rury ermosyfonowe. Rys. 9. Schema TWC: 1- kanał łynu grzejącego, 2 - kanał łynu ogrzewanego, 3 rura ermosyfon rurowy, 4 - ożebrowane, 5 rzeona [4] 9

Zasadnczym elemenam oblczeń TWC jes określene emeraury cśnena ceczy roboczej w oszczególnych rzędach ermosyfonów rurowych, a akże wzdłużnego srumena ceła w erwszym osanm rzędze ermosyfonów rurowych. Analza aka zosała rzerowadzona rzez Bezrodnego Goścka [4]. Srumeń rzenoszonego ceła oblcza sę ze znanego równana blansu energ dla całego wymennka ceła ' ' " " " " ' ' ( c c ) = m ( c c ) Q& = m& & 1 1 1 1 1 2 2 2 22 W równanu ym ndeksy (1) (2) odnoszą sę odowedno do łynu grzejącego ogrzewanego, a ndeksy (') ('') do welkośc na wloce wyloce z wymennka ceła. Pole owerzchn rzenoszena ceła od srony dorowadzana ceła określa sę z równana Pecea Q& F1 = k zr gdze: k zr - zredukowany wsółczynnk rzenkana ceła od owerzchn gładkch rur srefy arownka kzr = 1 1 δsc h + 1+ 1 1 + α1 λsc h2 α2 h1 h2 rzy czym: α1 α2 - wsółczynnk rzejmowana ceła od srony łynu gorącego zmnego, δ sc - grubość ścank, λ sc - wsółczynnk rzewodzena maerału ścank, h / h - sosunek wysokośc sref dorowadzana odrowadzana ceła, 1 2 - średna różnca emeraury. 10

Sosunek wysokośc sref arowana do skralana określa wzór h h 1 2 m& = m& 1 2 ρ2w2ψ 2 ρ wψ 1 1 1 gdze: ρ 1 ρ2 - gęsośc łynu grzejącego ogrzewanego rzy emeraurach średnch 1 2, w1 w2 - średne rędkośc łynu grzejącego ogrzewanego w kanale 1 2, ψ ψ 1 2 - wsółczynnk akywnego rzekroju orzecznego dla kanału 1 2. Temeraury nasycena oraz cśnena w erwszym osanm rzędze ermosyfonów rurowych określa sę z zależnośc s1 = ' ' k11, 1F11, + k2, 12F2, 1 k11, F11, + k2, 1F2, 1 sn = ' ' k1, n1f1, n + k2, n2f2, n k1, nf1, n + k2, nf2, n gdze: k - srowadzone do gładkej owerzchn wsółczynnk rzenkana 1, k 2, ceła dla łynu grzejącego ogrzewanego, F 1, F 2, - ole owerzchn gładkej srefy arowana skralana -ego rzędu rur ermosyfonowych. Cśnene w rurach ermosyfonowych wyznacza sę na odsawe krzywej rężnośc ar P = f ) w zależnośc od oblczonej emeraury nasycena. Zgodne s ( s z wynkam badań ekserymenalnych, cśnene ceczy roboczej ownno sę zawerać w rzedzale 0,1MPa < P s < 0, 25P. W rzyadkach, gdy cśnene wykracza oza en kr rzedzał należy zmodyfkować geomerę rury ermosyfonowej, zn. zmenć długośc sref arowana skralana lub zmenć cecz roboczą. W zależnośc od rzedzału zmennośc s zaleca sę sosowane nasęujących ceczy roboczych: 11

freon 11-30 70 C, eanol - 70 100 C, woda - 100 220 C, oluen - 220 260 C, meszanna dwufenylowa - 260 400 C. W celu zaewnena warunków nezawodnej racy rur ermosyfonowych nezbędne jes oblczene wzdłużnego srumena ceła w rurach ermosyfonowych w erwszym osanm rzędze. Oblczeń dokonuje sę za omocą nasęujących równań & ' ( ) h 1 qs 1 = k1,1 1 s1 4 dwew & " ( ) h 1 qsn = k1, n 1 sn 4 dwew gdze: k - wsółczynnk rzenkana ceła od czynnka grzejącego do ceczy 1, k 2, roboczej w erwszym osanm rzędze ermosyfonów rurowych. Termosyfonowe wymennk ceła oare na zesawe ermosyfonów rurowych znajdują coraz szersze zasosowane w nsalacjach grzewczych, chłodnczych klmayzacyjnych do odzysku energ celnej [52], ale akże jako odgrzewacze owerza w elekrownach [65] są obecne oferowane komercyjne [56, 57, 73]. Innym obszarem wykorzysana ermosyfonów rurowych są kolekory słoneczne yu rurka celna [69], a akże zaobegane odarowywanu krogencznych alw rakeowych w warunkach długego rzechowywana rzez usuwane ceła sra [13]. Omówone owyżej ermosyfonowe wymennk ceła sanowły ermosyfony ośredne, j. ake w kórych ogrzewa sę chłodz obudowę oszczególnych ermosyfonów rurowych. Innym rozwązanem są ermosyfony bezośredne, w kórych cecz robocza wrze skrala sę na ęku rur umeszczonych w jednej obudowe. Przykładem może być wymennk ermosyfonowy rzedsawony na rys. 10 służący do odarowywana ceczy krogencznych [54]. 12

Rys. 10. Termosyfon łaszczowo-rurowy [54] Ceślńsk Fuk [17, 18, 20, 21, 29] zaroonowal odmanę ermosyfonu łaszczowo-rurowego w osac konsrukcj sawanej, wykonanej całkowce ze sal nerdzewnej, rzy czym łaszcz ne był cylndryczny. Dodakowo rzerowadzono badana dla dwóch wersj wymennka: z rynną organzującą sływ skroln bez akej rynny rys. 11. Z badań wynkało, że zasosowane rynny ne orawało efekywnośc wymennka ceła, a wręcz rzecwne - wrowadzene rynny owodowało dodakowy oór celny. Rys. 11. Płaszczowo-rurowy ermosyfonowy wymennk ceła; 1 - łaszcz; 2- arownk, 3- skralacz, 4-dno sowe, 5- rynna skroln, 6- wzernk, 7- zawór do naełnana, 8- manowakuomer, 9- rzewornk cśnena, 10- zawór bezeczeńswa, 11- zawór susowy, 12- krócec omarowy 13

1.3 Termosyfony ęlowe Drugm zasadnczym rozwązanem dwufazowych ermosyfonowych wymennków ceła są ermosyfony ęlowe, wśród kórych można wyróżnć ermosyfony ęlowe rose zbudowane z jednego zamknęego kanału - rys. 12a oraz ermosyfony ęlowe zaawansowane, kóre charakeryzują sę brakem wsólnej obudowy, a w zwązku z ym arownk skralacz są rozdzelone ołączone rzewodam, kórym łyne ylko ara (z arownka do skralacza) lub ylko cecz (ze skralacza do arownka rys. 12b. Take rozdzelene arownka skralacza jes w welu echnologcznych rzyadkach bardzo korzysne umożlwa rzekazywane energ celnej na znaczne odległośc. a) b) Rys. 12. Termosyfony ęlowe: a) rosy, b) zawansowany Belńsk J. Mkelewcz [6-10] oracowal eoreyczne modele rzenoszena ceła w ermosyfonach ęlowych ogrzewanych ośredno rys. 13. Swoje rozważana oarl na jednowymarowych równanach zachowana masy, ędu energ w arownku, skralaczu rurach łączących. 14

a) b) c) d) Rys. 13. Termosyfony ęlowe ogrzewane ośredno; a), d) od dołu, b), c) z boku [6-10] Czernomurow [27] zaroonował klka konsrukcj zaawansowanych ermosyfonów ęlowych, w kórych czynnkem chłodzącym może być owerze, w rzyadku braku odowednej lośc wody chłodzącej - rys. 14. Należy zauważyć, że skralacz (chłodzony owerzem) może znajdować sę zarówno wewnąrz hermeycznej obudowy (rys. 14a 14d), jak oza obudową (rys. 14b, 14c, 14e). Przeływ ary ceczy, w zależnośc od ołożena skralacza, może wysęować we wsólnym kanale (rys. 14a), ale akże zachodzć w oddzelnych kanałach (rys. 14b, 14c, 15

14d 14e), rzy czym kanały łączące mogą rzebegać oza obudową (rys. 14b 14c). Gaz chłodzący skralacz może rzeływać wewnąrz rur (rys. 14a, 14b, 14d 14e), jak na zewnąrz rur (rys. 14c). W ym osanm rzyadku owerzchna rur ownna być ożebrowana. Rys. 14. Przykłady konsrukcj zawansowanych ermosyfonów ęlowych; a), b), c) łaske lub cylndryczne (onowe), d) sferyczne, e) cyldryczne ozome; 1 cecz robocza, 2 - skralacz, 3 - kanały arowe lub ceczowe, 4 - wsawk, 5 - hermeyczna obudowa [27] W zwązku z konecznoścą nensywnego chłodzena mnaurowych urządzeń elekroncznych, gdze obcążena celne sęgają 1 MW/m 2, rwają nensywne race nad zasosowanem ermosyfonów ęlowych do chłodzena mkrorocesorów, m.n. [1, 31, 36, 40]. Rozważa sę dwa sosoby chłodzena: ośredn, w kórym mkrorocesor ogrzewa obudowę ermosyfonu rys. 15a oraz bezośredn, gdze ch jes zanurzony w ceczy wyełnającej arownk ermosyfonu rys. 15b. 16

a) b) Rys. 15. Chłodzene mkrorocesorów za omocą ermosyfonów ęlowych; a) sosób ośredn, b) zanurzenowy Nesey, sosób zanurzenowy aczkolwek bardzej korzysny z unku wdzena efekywnośc rzenoszena ceła, wymaga sosowana ceczy delekrycznych, kóre charakeryzują sę złym własnoścam ermofzycznym rzede wszyskm małym waroścam wsółczynnka rzewodzena ceła, mają małe kryyczne gęsośc srumena ceła oraz wykazują duże hserezy zerowego kryzysu wrzena [50]. 1.4 Termosyfony rurowo-ęlowe Jednym z najsonejszych roblemów eksloaacj ermosyfonów rurowych jes zaewnene odowednej cyrkulacj ceczy ary omędzy arownkem skralaczem. Z jednej srony sony jes roblem bezeczeńswa racy - w rzyadku awar układu chłodzena może dojść do wybuchu ermosyfonu, z drugej srony sona jes znajomość kryycznej gęsośc srumena ceła. Według [37] jeśl soeń zaełnena całej objęośc ermosyfonu ne rzekracza 30% o gwaranuje o bezeczeńswo racy urządzena. Zjawsko kryzysu wrzena w ermosyfonach dwufazowych jes nezwykle złożone jes najczęścej rozważane jako zalewane (floodng) odczas rzecwrądowego rzeływu ary ceczy w rurze onowej [43]. Jako rzyczynę zalewana rzyjmuje sę ruch falowy czy nesablność owerzchn rozdzału faz cecz-ara albo jako wynk wzrosu srumena masy ceczy lub ary. 17

Prakycznym rozwązanem roblemu jes zasosowane wsawek cyrkulacyjnych lub/ kanałów rzelewowych. Przykładowo na rys. 16a okazano rozwązane ermosyfonu rurowego z cylndryczną wsawką cyrkulacyjną, a na rys. 16b ermosyfon rurowy z wsawką cyrkulacyjną kanałam rzelewowym. Rys. 16. Termosyfon rurowy z: a) wsawką cyrkulacyjną, b) wsawką cyrkulacyjną kanałam rzelewowym; 1 obudowa ermosyfonu, 2 rzegroda, 3 rzesrzeń komory komensacyjnej, 4 kanały rzelewowe, 5 wsawka cyrkulacyjna [43] Własny DTWC jes zaoarzony w kanał rzelewowy w zwązku z czym należy do gruy ermosyfonów rurowo-ęlowych rys. 17. Rys. 17. Wdok w aksonomer rooyowego DTWC 18

2 Powerzchne nensyfkujące wrzene skralane Zarówno w rzyadku ermosyfonów rurowych z ogrzewanem bezośrednm (rys. 5), jak w rzyadku ermosyfonów ęlowych (rys. 13) sneje możlwość zasosowana owerzchn nensyfkujących ak wrzene, jak skralane. Ze względu na znakome efeky zasosowana akch owerzchn w osac welokronego zwększena wsółczynnka rzejmowana ceła całkowa welkość ermosyfonów, a akże ch masa znacząco sę zmnejszają. Mnejsze wymary z kole ozwalają zredukować lość ceczy roboczej w ermosyfone. W leraurze osano wele rodzajów owerzchn nensyfkujących wrzene skralane [2, 3, 62, 70], sąd sosowane akch owerzchn w komercyjnych wymennkach ceła saje sę coraz owszechnejsze [22, 47, 63, 64, 67, 72]. Rozwnęe owerzchne, nensyfkujące rzejmowane ceła odczas wrzena (rys. 18), uzyskuje sę dzęk wykonanu w nch wgłębeń lub żeber, częso o secjalne oracowanej geomer, w ym szczególne rury nskożebrowane [59]. Wysokm sonem nensyfkacj rzejmowana ceła charakeryzują sę rury z okrycem orowaym, zarówno zewnęrznym [24], jak wewnęrznym [16]. a) 19

b) Rys. 18. Przykłady komercyjnych owerzchn nensyfkujących rzejmowane ceła odczas wrzena w dużej objęośc (a) w rzeływe (b) [2, 3, 62, 70] Na rys. 19 rzedsawono wybrane owerzchne sosowane w celu nensyfkacj rzejmowana ceła rzy skralanu. Najbardzej rozowszechnone w budowe skralaczy są rurk gęsożebrowane, rzy czym wele uwag ośwęca sę organzacj sływu skroln, gdyż o grubość warsewk kondensau decyduje o oorze celnym w rzyadku skralana błonowego [11]. Themoexcel-E Rurk gęsożebrowane Rys. 19. Przykłady komercyjnych owerzchn nensyfkujących rzejmowane ceła odczas skralana [2, 3, 62, 70] 20

3 TEZY PRACY Teza 1. Isneją ake aramery konsrukcyjne, rodzaj ceczy roboczej ozom zalana arownka, dla kórych dwufazowy ermosyfonowy wymennk ceła racuje sablne w szerokm zakrese obcążena celnego. Teza 2. Zasosowane rurek z mealcznym owłokam orowaym nensyfkuje rzenoszene ceła w arownku dwufazowego ermosyfonowego wymennka ceła w orównanu do arownka zbudowanego z ęku rur gładkch, czy karbowanych. 21

4 CEL I ZAKRES PRACY Cele naukowe racy obejmowały: I. określene wływu: 1. wybranych aramerów geomeryczno-konsrukcyjnych, w ym szczególne odzałk ęku rur arownka oraz rodzaju rurek zasosowanych do budowy arownka, 2. rodzaju ceczy roboczej, 3. ozomu ceczy roboczej owyżej najwyższego rzędu rur arownka na srumeń ceła rzenoszony w rooyowym DTWC; II. roozycję własnego równana do oblczana srumena ceła rzenoszonego w rooyowym DTWC. Cel uylarny racy doyczył: 1. oracowana echnolog wykonana rooyowego DTWC z zasosowanem elemenów sosowanych sandardowo w budowe wymennków łaszczoworurowych. Jak wynka z danych leraurowych wływ ułożena odzałk ęku rur na rzejmowane ceła rzy wrzenu ne jes do końca rozoznany. Z rakyk nżynerskej wynka, że odzałka ownna sę zawerać omędzy 1.2d, a 2.0d. W badanach zasosowano dwe odzałk o waroścach zblżonych do górnej grancy, j.: 1.7d oraz 2.0d zakładając, że wększe odzałk będą korzysnejsze dla ęku rur z owłoką orowaą, kóre charakeryzują sę zdolnoścą do generowana ogromnej lczby ęcherzyków. Wększa odzałka ownna węc zaobegać worzenu sę błony ary w ęku rur. W rakyce, w budowe wyarek (kele reboler), sosuje sę układ rzesawony rur ak zasosowano w roonowanym rooyowym DTWC. Z badań ermosyfonów dwufazowych wynka, że ocząkowy ozom ceczy jes jednym z odsawowych aramerów rzuujących na dzałane ego yu aaraów. W rzyadku ozomych ęków rur, jak o ma mejsce w badanym rooyowym DTWC, eoreyczne ne ownno sę douszczać do odsłonęca (wysychana) górnych rzędów rur rzy wększych gęsoścach srumena ceła, j. rzy w ełn rozwnęym wrzenu w ęku rur. W rakyce częso jednak rzy naełnanu łaszcza ozosawa sę 22

odsłonęych klka najwyższych rzędów rur [34]. Z drugej srony ozom ceczy owyżej ęku rur ne ownen być zby wysok, gdyż onżej ęku rur lub w jego dolnej ar cecz może być rzechłodzona ze względu na wzros cśnena hydrosaycznego. Począkowy ozom ceczy roboczej owyżej ęku rur jes węc zależny od gęsośc ceczy, welkośc (średncy) ęku rur oraz cśnena absolunego w obudowe (łaszczu). W badanach zasosowano rzy ozomy zalana ęku rur arownka, j. 5 mm, 15 mm oraz 20 mm, ak aby w każdym rzyadku ęk rur z owłoką orowaą ne był odsłonęy, rzynajmnej rzy nższych gęsoścach srumena ceła. W badanach zasosowano rzy cecze robocze: wodę, meanol czynnk chłodnczy R141b, ak aby można było rzerowadzć ekserymeny rzy możlwe szerokm zakrese emeraur racy DTWC. Tzw. normalne emeraury wrzena zasosowanych ceczy wynoszą, ok. 100 ºC dla wody, ok. 65 ºC dla meanolu ok. 33 ºC dla R141b. Tak dobór ceczy roboczych ozwolł na rzerowadzene ekserymenów w zakrese emeraury wrzena w DTWC od 15 ºC do 75 ºC był właścwe ogranczony emeraurą wody grzejnej, a z drugej srony ozwolł na badana w szerokm zakrese gęsośc srumena ceła (5-115 kw/m 2 ). Do budowy rooyowego DTWC zasosowano rzy rodzaje salowych rurek: gładke ze szwem, karbowane rurk z owłoką orowaą. Rurk gładke ze szwem karbowane są rodukowane seryjne rzez frmę SECESPOL S. z o.o., naomas rzy wywarzanu rurek z owłoką orowaą wykorzysano wcześnej zdobye dośwadczena. Doychczasowe wynk badań wrzena w dużej objęośc na ojedynczych rurkach z mealcznym owłokam orowaym wskazywały na znaczną nensyfkację rzenoszena ceła. Ineresujące wydawało sę usalene, jak rurk z owłoką orowaą srawdzą sę w zasosowanu do budowy arownka rooyowego DTWC. Wynk badań dla arownków wykonanych z rurek gładkch karbowanych mały na celu uzyskane ozomu odnesena dla badań arownków zbudowanych z rurek z owłoką orowaą. W celu rakycznego zasosowana wynków badań do oblczana srumena ceła rzenoszonego w noworojekowanych DTWC zaroonowano zmodyfkowane równane Peclea, oare m.n. na znanych z leraury korelacjach do oblczana wsółczynnka rzejmowana ceła rzy wrzenu w ękach rur gładkch z owłoką orowaą, skralanu w ękach rur gładkch, a akże rzy jednofazowej konwekcj wymuszonej wewnąrz rur gładkch karbowanych. 23

Przy konsruowanu wykonanu rooyowego DTWC wykorzysano elemeny sosowane sandardowo w budowe wymennków łaszczowo-rurowych z zasosowanem srawdzonych rzemysłowo echnolog. Wykonano rzy ym sześć rooyów wymennka, składających sę każdorazowo z ego samego skralacza wymennego arownka. 24

5 Sanowsko badawcze Sanowsko do badań rooyowych wymennków ceła składa sę z czerech odsawowych układów: DTWC, obegu wody grzejnej, układu chłodzena komuerowego sysemu akwzycj danych omarowych. Pomary dokonywane na ym sanowsku umożlwają wyznaczene srumen celnych rzekazywanych w arownku skralaczu DTWC, a akże sadków cśnena wody grzejnej chłodzącej rzeływającej wewnąrz rur arownka skralacza. Schema deowy sanowska rzedsawa rys. 20, naomas na rys. 21 zameszczono wdok sanowska. Rys. 20. Schema sanowska badawczego: - DTWC, - obeg wody grzejnej, - - układ chłodzena, - układ akwzycj danych 1 ermosyfonowy dwufazowy wymennk ceła, 2 chłodna wenylaorowa, 3-4 omy obegowe, 5-6 rzeływomerze magneyczne, 7,9 zbornk odowerzający, 8 flroodmulnk, 10 naczyne wzborcze rzeonowe, 11-12 zawory bezeczeńswa, 13-14 zawory zwrone, 15-24 zawory odcnające, 25-27 zawory susowe, 28-30 odowerznk auomayczne, 31 manowakuomer, 32 manomer, 33 komuer z karą do akwzycj danych, 35-39 rzewornk emeraury, 40-44 rzewornk cśnena, 45-47 zawory odcnające. 25

Rys. 21. Wdok sanowska badawczego z yoszeregem rooyowych DTWC 5.1 Prooyowy DTWC Prooyowy DTWC (rys. 22) jes wymennkem łaszczowo-rurowym, usawonym ozomo, rzy czym łaszcz składa sę z dwóch zbornków cylndrycznych (3,4) umeszczonych jeden nad drugm, ołączonych ze sobą króćcam (6,7). W łaszczu (3) umeszczony jes ęk rur, w kórym zachodz wrzene, naomas w łaszczu (4) ęk, w kórym cecz robocza sę skrala. Konsrukcja DTWC jes chronona jako rozwązane aenowe [46]. Proonowany wymennk zosał w całośc wykonany ze sal nerdzewnej 1.4404, jako konsrukcja sawana, częścowo rozberalna, oneważ arownk skralacz są ołączone za omocą kołnerzy na króćcach (6). Krócec (7) wykonany jes na ewnym odcnku z elasycznego rzewodu zamocowanego za omocą oasek zacskowych. Pęk rur arownka składa sę z 19 rur o owerzchn gładkej, karbowanej z mealczną warswą orowaą, naomas ęk rur skralacza wykonany jes z 31 rur gładkch. Wymennk uzbrojony jes w zawór bezeczeńswa, króćce do omaru cśnena emeraury wewnąrz łaszcza, a akże zawory: susowy (14), do naełnana ceczy roboczej (13) oraz do odłączena omy różnowej (12). Wymennk zaoarzony jes we wzernk umożlwające obserwację zarówno rocesu wrzena jak skralana. 26

Jako zolację celną DTWC wykorzysano maę z wełny mneralnej yu DP 100 Alu frmy Isover. Maa ego yu jes jednosronne wzmacnaną saką z ocynkowanego druu salowego osada folę alumnową omędzy wełną a saką. Wsółczynnk rzewodzena ceła may, rzy średnej emeraurze zolacj 50 ºC, wynos 0,038 W/mK. A-A 2 A 12 11 10 15 9 4 8 20 18 7 5 6 6 17 19 1 A 13 8 3 16 14 Rys. 22. Prooyowy DTWC: 1 dolny ęk rur (arownk), 2 górny ęk rur (skralacz), 3 łaszcz arownka, 4 łaszcz skralacza, 5 komensaor wydłużeń celnych, 6 krócec łączący skralacz z arownkem, 7 krócec owrou skroln, 8 wzernk, 9 krócec zaworu bezeczeńswa, 10 krócec rzewornka cśnena, 11 krócec manowakuomeru, 12 krócec rzyłączenowy omy różnowej, 13 krócec do naełnana ceczą roboczą, 14 krócec susowy, 15 uchwy rzyłączenowy, 16 krócec do omaru emeraury ceczy roboczej, 17, 18, 19, 20 króćce rzyłączenowe DTWC. Rysunek 23 rzedsawa wdok aksonomeryczny rzekroju wzdłużnego badanego Rys. 23. Wdok w aksonomer rooyowego DTWC 27

5.2 Badane rurk Charakerysykę rur użyych do budowy arownka skralacza rzedsawa ab.1. Tabela 1. Charakerysyka geomeryczna badanych rur Ty rury gładka karbowana Średnca zewnęrzna rury odsawowej / grubość 10 mm / 0.6 mm 10 mm / 0.6 mm Grubość warswy orowaej lub głębokość karbowana Maerał rury odsawowej / warswa orowaa Uwag dodakowe - 1.4404 rura sawana 0,45 mm 1.4404 rura sawana, rójzwojne karbowane, odz. 18±0.5 mm z owłoką orowaą 10 mm / 0.6 mm 151.14 µm 1.4404 / alumnum orowaość 40.93 %, średn romeń ora 2.77 µm Rurk gładke karbowane są rurkam komercyjnym rodukowanym rzez frmę SECESPOL S. z o.o., naomas do wyworzena rurek z owłoką orowaą wykorzysano rurk gładke rodukowane rzez SECESPOL S. z o.o., a nasęne nałożono na ne owłokę orowaą z alumnum rys. 24, meodą naryskwana lazmowego [25]. 28

Warswa orowaa Rura odsawowa Rys. 24. Zgład mealografczny owłok orowaej Celem badań mealografcznych było określene grubośc warswy orowaej, sona orowaośc średnego romena ora owłok wykonanej z alumnum oraz wykonane zdjęć mealografcznych. Z badanej rurk z owłoką orowaą obrano 4 róbk (odcnk rurk) o długośc ok. 10 mm. Nasęne wykonano zgłady mealografczne w rzekrojach orzecznych w celu ujawnena mkrosrukury nanesonych warsw. Odcnk oznaczono nasęująco: róbka nr I II. Warswy obserwowano za omocą mkroskou mealografcznego Recher MeF-2, wyosażonego w kamerę zesaw do komuerowej rejesracj obrazów. Obserwacje rowadzono rzy owększenu 200, 500, 1000 razy. Grubość warswy, soeń orowaośc średn romeń ora określano na odsawe omarów wykonanych w 4 mejscach każdej róbk, rzy omocy rogramu komuerowego Me-Ilo na obrazach cyfrowych. Charakerysyk owerzchn użyych do badań rzedsawono w ab. 2, w kórej zesawono średne warośc grubośc warswy, sona orowaośc romena ora dla każdej badanej róbk. Badana mealografczne wykonano na Wydzale Inżyner Maerałowej Polechnk Warszawskej. 29

Tabela 2. Średne warośc grubośc warswy, sona orowaośc romena ora Nr róbk Średnca zewnęrzna Grubość ścank Maerał rury Grubość warswy orowaej Soeń orowaośc Średn romeń ora [mm] [mm] [ - ] [µm] [%] [µm] I 153,00 39,24 2,68 1.4404 / 10 0,6 alumnum II 149,27 42,62 2,86 5.3 Obeg wody grzejnej Źródłem zaslana sanowska w wodę gorącą jes mejska seć cełowncza. Woda gorąca krąży w obegu zamknęym, kóry jes wsomagany dodakowo omą wody gorącej rys. 19, co umożlwa uzyskane srumen masy nawe 12 kg/s. W nsalacj wody gorącej znajduje sę klka odowerznków, kóre umożlwają dokładne odowerzene układu jego sablną racę. Regulację srumena wody realzowano za omocą zaworów dławących. 5.4 Układ chłodzena Woda zmna krąży w obegu zamknęym, w kórym rolę odbornka ceła sełna chłodna wenylaorowa o wydajnośc celnej do 300 kw rys. 19. Obeg wyosażono w omę układ recyrkulacj, umożlwając w en sosób równeż regulację emeraury wody zmnej na wejścu do skralacza DTWC. Maksymalny srumeń wody chłodzącej w recyrkulacj, wynosł 10 kg/s. Regulacj srumena wody dokonywano za omocą zaworów dławących. Ze względu na fak, że chłodna wenylaorowa jes owara do ooczena w układze wody zmnej zasosowano secjalne zarojekowany sysem odowerzana oczyszczana zał. 1. Poneważ chłodna wenylaorowa znajduje sę oza budynkem laboraorum nsalacja wody chłodzącej jes bardzo rozbudowana jes zaoarzona w sysem zalewana układu suszczana wody w okrese zmowym. 5.5 Układ akwzycj danych omarowych Temeraurę wody zmnej gorącej na wloce wyloce z wymennka określano za omocą ndywdualne wzorcowanych czujnków rezysancyjnych P100 o dokładnośc ±0,1 o C. Wynk wzorcowana rzewornków emeraury są rzedsawone w zał. 2. Dwa dodakowe czujnk ego samego yu zosały użye do 30

omaru emeraury ceczy roboczej w arownku DTWC (1). Rejesrowano akże cśnene wewnąrz łaszcza za omocą ndywdualne wzorcowanego rzewornka cśnena (9) yu NA/8891 frmy Trafag o dokładnośc ±0.3%. Wynk wzorcowana są rzedsawone w zał. 3. Pomaru srumen objęośc wody grzejnej chłodzącej dokonywano za omocą rzeływomerzy magneycznych (5,6) frmy Danfoss MAG 3100 o dokładnośc ±0.5%. Sanowsko wyosażono w komuer klasy IBM PC z karą do akwzycj danych omarowych PCL-818L a akże mullekser PCLD-789D frmy Advanech. 5.6 Procedura omarowa Prooyowy DTWC jes aaraem hermeycznym, sąd rzy każdej zmane ceczy roboczej, czy rodzaju arownka srawdzano jego szczelność. W ym celu usuwano z łaszcza DTWC owerze za omocą omy różnowej do osągnęca cśnena absolunego ok. 5 kpa obserwowano wskazana wakuomeru rys. 20, rzez klka godzn. W rzyadku, gdy aara był szczelny naełnano go ceczą roboczą rzy użycu secjalnego króćca (13) rys. 20, do wysokośc ok. 15 mm owyżej górnego rzędu rur arownka. Jednocześne za srawdzanem szczelnośc aarau zalewano układ chłodzena wodą wodocągową odowerzano cały układ co rwało ok. 2 godzn. Rozoczęce racy sanowska badawczego nasęowało w wynku uruchomena omy obegu chłodzącego, nasęne omy obegu grzewczego oraz owarca zaworu dorowadzającego wodę gorącą z sec cełownczej. Regulacja srumen rzeływu w obegu wody gorącej zmnej realzowana była za omocą ręcznych zaworów regulacyjnych. Wyłączane z racy badanego wymennka realzowane było w kolejnośc odwronej. Pomary welkośc merzonych były dokonywane w sanach usalonych rzy użycu komuerowego układu do akwzycj danych. Jako usalony rzyjmowano san, w kórym zmana emeraury na wejścu wyjścu z arownka skralacza DTWC ne była wększa nż 0.5K w cągu 5 mn. Kolejne sany usalone były uzyskwane rzez zmanę srumena masy wody gorącej łynącej rzeływającej wewnąrz rurek arownka jednoczesne zwększene srumena wody chłodzącej zaslającej skralacz. Kolejne sany usalone osągano o ok. 30 mn. Na rys. 25 rzedsawono unky omarów emeraury wody grzejnej, wody chłodzącej, a akże ceczy roboczej. 31

Rys. 25. Punky omaru emeraur wody grzejnej, wody chłodzącej oraz ceczy roboczej 32

Średna emeraura ceczy roboczej wyznaczana była z zależnośc: f f, 1 + f,2 = (1) 2 W ab. 3 rzedsawono 6 konfguracj worzących rooyowy DTWC, dla kórych rzerowadzono badana ekserymenalne. DTWC składał sę każdorazowo z ego samego skralacza wymennego arownka. Pęk rur arownka wykonano z 19 rur ze sal nerdzewnej o długośc 1 m odzałce 1.7d oraz 2d, w układze rzesawonym. Powerzchna rurek była gładka, karbowana okrya mealczną owłoką orowaą. Pęk rur skralacza wykonano z 31 rur gładkch ο odzałce 1.8d, równeż w układze rzesawonym. Tabela 3. Konfguracje worzące DTWC L. Rodzaj rur użyych do budowy arownka Cecz robocza 1 Woda 2 Rura gładka Meanol 3 R141b 4 Woda 5 Rura karbowana Meanol 6 R141b 7 Woda Rura z warswą 8 Meanol orowaą 9 R141b 10 Woda 11 Rura gładka Meanol 12 R141b 13 Woda Pozom zalana ceczą roboczą [mm] 14 Rura karbowana Meanol 5, 15, 25 15 R141b 16 Woda Rura z warswą 17 Meanol orowaą 18 R141b Podzałka rur arownka 15 2,0d 15 15 1,7d Rodzaj rur użyych do budowy skralacza Podzałka rur skralacza Rura gładka 1,8d 33

Cała konsrukcja DTWC, łączne z wsawanym ękam rur gładkch karbowanych była asywowana w kąel rozworu kwasu fosforowego. Parownk z ękam rur z owłoką orowaą ne były oddawane emu zabegow. Każda z 6 konfguracj wymennka zosała rzebadana rzy użycu rzech ceczy roboczych: wody desylowanej, alkoholu meylowego czynnka chłodnczego R141b. Własnośc fzykochemczne badanych ceczy są rzedsawone w zał. 4. Zakres zmennośc aramerów emeraura wody grzejnej z sec cełownczej: 65...95 ºC emeraura wody w obegu chłodn wenylaorowej: 3...25 ºC emeraura ceczy roboczej w rzesrzen łaszcza: 15...75 ºC cśnene w łaszczu: 5 kpa - 0.3 MPa objęoścowy srumeń wody chłodzącej: 0...0.0025 m 3 /s objęoścowy srumeń wody grzejnej: 0...0.0027 m 3 /s obcążene celne: 0...70 kw 34

6 Oracowane wynków badań 6.1 Gęsość srumena ceła w arownku Gęsość srumena ceła rzekazywanego w arownku zosała wyznaczona jako: Q& q& = (2) A gdze: Q & - srumeń ceła oddawany rzez wodę gorącą w arownku oblczany z zależnośc ( ) Q& = V& ρ c (3),,,,1,2 A - zewnęrzna owerzchna rur arownka. Gęsość srumena ceła w skralaczu q& s była określana analogczne, o rzyjęcu właścwych welkośc omarowych owerzchn rur skralacza. 6.2 Temeraura zewnęrznej owerzchn rur Średną emeraurę zewnęrznej owerzchn rur arownka,o wyznaczono z równana Fourera r Q & λ = A ) (4) δ r (,, o gdze:, średna emeraura wewnęrznej owerzchn rurek oblczana z zależnośc ( ) & α (5) Q =, A,1 2, rzy czym, 1 2 o średna arymeyczna emeraura wody grzejnej na wloce wyloce z arownka rys. 25. Średn wsółczynnk rzejmowana ceła rzy rzeływe wewnąrz rur gładkch α, wyznaczano rzy użycu wzoru Mchejewa [41] 35

0.8 0.4 Nu, = 0.021Re, Pr, (6) naomas dla rur karbowanych z zależnośc uzyskanej dla rurek o zblżonej geomer [68] gdze: Nu, = Pr (7) 0,8 0,4 0.03Re,, Re, 4 G π µ d =, (8),, Własnośc ermofzyczne wody grzejnej wyznaczono dla jej średnej arymeycznej emeraury na wloce wyloce z arownka, 1 2. 6.3 Wsółczynnk rzejmowana ceła Średn wsółczynnk rzejmowana ceła dla wrzena w ęku rur arownka zosał wyznaczony z zależnośc: q = & gdze rzegrzane ceczy roboczej było oblczone ze wzoru: α, o (9) T T =, (10) o f Naomas średn wsółczynnk rzejmowana ceła rzy skralanu w ęku rur gładkch był oblczony za omocą równana: gdze: q = & s α s, o (11) Ts q& s - gęsość srumena ceła w skralaczu wyznaczona w sosób analogczny do gęsośc srumena ceła w arownku q& - rozdz. 6.1, T s - różnca emeraury ceczy roboczej owerzchn rur skralacza 36

(12) T s = f s, o rzy czym s, o o średna emeraura zewnęrznej owerzchn rur skralacza wyznaczona analogczne jak średna emeraura zewnęrznej owerzchn rur arownka, o - rozdz. 6.2. Średn wsółczynnk rzejmowana ceła dla jednofazowej konwekcj wewnąrz rur arownka określa równane: Q& α, = (13) ) A (,1 2, Średn wsółczynnk rzejmowana ceła dla jednofazowej konwekcj wewnąrz rur skralacza oblczono z zależnośc: gdze: Q& s α s, = ( s ) (14), s,1 2 As Q & s - srumeń ceła rzejmowany rzez wodę chłodzącą w skralaczu wyznaczony analogczne jak Q & - rozdz. 6.1. s, średna emeraura wewnęrznej owerzchn rurek skralacza wyznaczona analogczne jak s, 1 2, - rozdz. 6.2. średna arymeyczna emeraura wody chłodzącej na wloce wyloce ze skralacza rys. 25. 6.4 Wsółczynnk rzenkana ceła Wsółczynnk rzenkana ceła dla całego wymennka k c był oblczany z zależnośc: k c = 1 R c = R 1 + R s = 1 k 1 1 + k s = 1 Q& A T, c 1 + 1 Q& s A T s s, c (15) 37

38 sąd: s c s s c c Q T A Q T A k & &,, 1 + = (16) Przy założenu, że sray ceła do ooczena są omjalne małe c s Q Q Q & & & = = (17) orzymuje sę osaeczne c s s c c c T A T A Q k,, + = & (18) gdze: c Q & - srumeń ceła rzenoszony w DTWC 2 s c Q Q Q & & & + = (19) c T, - średna różnca emeraur wody grzejnej ceczy roboczej f c T + = 2,2,1, (20) c s T, - średna różnca emeraur wody chłodzącej ceczy roboczej 2,2,1, s s f c s T + = (21) Wsółczynnk rzenkana ceła dla arownka był oblczony ze wzoru: c T A Q k, = & (22)

39 6.5 Oszacowane nedokładnośc omarów Oceny nedokładnośc omaru dokonano rzez wyznaczene średnego błędu kwadraowego. Gęsość srumena ceła dla arownka wyznaczona zosała z równana (2), kóre o odsawenu równana (3) uwzględnenu zależnośc na całkową owerzchnę rur arownka ma osać: ( ) r o n L d c V q,,,2,1,,, π ρ = & & (23) Błąd bezwzględny oszacowana q& dany jes wzorem: 0.5 2,, 2,, 2,2,2 2,1,1 2,, 2,, 2,, + + + + + + = r r o o L L q d d q q q c c q q V V q q & & & & & & & & & & ρ ρ (24) Poszczególne ochodne cząskowe wynoszą ( ) r o n L d c V q,,,2,1,,, π ρ = & & (25) ( ) r o n L d c V q,,,2,1,,, π ρ = & & (26) ( ) r o n L d V c q,,,2,1,,, π ρ = & & (27) r o n L d c V q,,,,, 1, π ρ & & = (28)

q& V& = c ρ,,,, 2 πd, ol, rn (29) q& d q& d V& = ρ c,,, 2, πd, V& = ρ ( ) L,1, r n,2 ( ),,,,1 2, πd, L, rn c,2 (30) (31) Podsawając sosowne dane omarowe do wzorów (23-29) uzyskuje sę z równana (21) W & q, mn = ± 1213 (32) m 2 W & q, max = ± 1960 (33) m 2 co daje błąd względny q&,mn 1213 δ q&, mn = = 100% = 1.4% (34) q& 89821,mn q&,max 1960 δ q&, max = = 100% = 26.8% (35) q& 7305,max Średn błąd kwadraowy określena rzegrzana odsawe wzoru (10) T zosał wyznaczony na 40

( ) 2 + ( ) 2 (36) ( T ) =, o f Temeraura ceczy roboczej f zosała wyznaczona rzez bezośredn omar ermoelemenem, dla kórego błąd bezwzględny omaru wynos f = 0. 1K (37) Temeraurę zewnęrznej owerzchn rur arownka określa sę z równana (4) z uwzględnenem równań (5-8) W rzyadku rur gładkch z owłoką orowaą emeraurę,o określa wzór., o =,1 2 q& 0.021 Re d, 0.8, Pr 0.4, λ, q& δ r λ r (38) Naomas w rzyadku rur karbowanych zależność, o =,1 2 q& 0.03 Re d, 0.8, Pr 0.4, λ, q& δ r λ r (39) Błąd bezwzględny oszacowana, o dany jes wzorem: o, = d o,,1 2, o, d,1 2, 2 2 + q& o, 2 2 o, q& + Re, Re 2, o, o, o, + λ, + + δ r λr λ, δ r λ r 2 o, + Pr, Pr, 2 2 0.5 + (40) Poszczególne ochodne cząskowe wynoszą: rurka gładka owłoką orowaą rurka karbowana, o,1 2 = 1, o,1 2 = 1 (41) 41

, o q& = d 0.021Re, 0.8, Pr 0.4, λ, δ r λ r, o q& = d 0.03Re Pr, 0.8, 0.4, λ, δ r λ r (42), o Re, = q& 0.8d 0.021Re, 1.8 0.4, Pr, λ,, o Re, = q& 0.03Re 0.8d, 1.8 0.4, Pr, λ, (43), o Pr, = q& 0.4d 0.021Re, 0.8 1.4, Pr, λ,, o Pr, = q& 0.03Re 0.4d, 0.8 1.4, Pr, λ, (44) d, o, = & q 1 0.021Re Pr 0.8, 0.4, λ, d, o, = & q 1 0.03Re Pr 0.8, 0.4, λ, (45) λ, o, = q& d, 0.8 0.4 2 0.021Re, Pr, λ, λ, o, = q& d, 0.8 0.4 2 0.03Re, Pr, λ, (46), o δ r = & q 1 λ r, o δ r = & q 1 λ r (47), o λ r = q& δ λ r 2 r, o λ r = q& δ λ r 2 r (48) w ab. 4. Błędy bezwzględne welkośc wysęujących w równanu (40) są rzedsawone Tablca 4 Błędy bezwzględne welkośc Welkość Błąd bezwzględny, 1 2 ±0.1K q& W & q mn = ± 1386 ; & q m W2 max = ± 1684 m 2 (meoda oszacowana odana onżej) Re 1993 ; Re 8128 Re,,, mn =,, max = Pr, ±0.02 ±0.00002 m d, 42

43 λ, ±0.002 W/m K δ r ±0.00002 m λ r ±0.02 W/m K Lczbę Reynoldsa dla rzeływu wody wewnąrz rur arownka wyznaczono z zależnośc: d w,,,, Re ν = (49) kórą można zasać w osac: d V,,,, 4 Re = ν π & (50) Nedokładność oszacowana ej welkośc dana jes wzorem: 0.5 2,,, 2,, 2,,, Re Re Re Re + + = d d V V ν ν (51) Poszczególne ochodne cząskowe wynoszą: d V,,,, 4 Re = ν π (52) 2,,,,, 4 Re d V d = ν π & (53) d V, 2,,,, 4 Re = ν π ν & (54) Po odsawenu danych omarowych do wzorów (52-54) uzyskuje sę z równana (51):

Re,, mn = 1993 (55) Re,, max = 8128 (56) Po odsawenu danych omarowych błędów z ab. 4 do wzorów (41-48) uzyskuje sę z równana (40): T, o,mn = ± 0, 348K (57) T, o,max = ± 1, 163K (58) Średn błąd kwadraowy określena rzegrzana wg równana (34) wynos: ( T ) mn = ± 0, 36K (59) ( T ) max = ± 1, 17K (60) co daje błąd względny: ( T) mn 0.36 δ ( T ) mn = = 100% = 2.9% (61) T 12.40,mn ( T ) max 1.17 δ ( T ) max = = 100% = 24.7% (62) T 4.74,max Błąd bezwzględny oszacowana wsółczynnka rzejmowana ceła dla wrzena w ęku rur α, o wg równana (9) ma osać: α 2 α 2, o, o α, o = ( T ) + q ( ) (63) T q& & 0.5 Poszczególne ochodne cząskowe wynoszą: 44

α, o ( T ) ( T ) 2 = q& (64) α, o 1 = ( q& ) T (65) Podsawając sosowne dane omarowe do wzorów (64), (65) uzyskuje sę z równana (63): W α, o,mn = ± 165 (64) 2 m K W α, o,max = ± 258 (65) 2 m K co daje błąd względny: 165 δα, o,mn = 100% = 5,3% (68) 3132 258 δα, o,max = 100% = 27,1% (69) 950 Z uwag na analogczny sosób wyznaczana q& q& s rzyjęo, ż: q & ) = ( q& ) (70) ( s Podobna zależność doyczy różnc emeraur T, Ts, T, c T s, c T ) = ( T ) = ( T ) = ( T ) (71) ( s, c s, c Uwzględnając owyższe błąd bezwzględny oszacowana wsółczynnka rzejmowana ceła dla kondensacj w ęku rur skralacza wynos odowedno: 45

W α s, o,mn = ± 110 (72) 2 m K co daje błąd względny: W α s, o,max = ± 197 (73) 2 m K 110 δα s, o,mn = 100% = 4,3% (74) 2535 197 δα s, o,max = 100% = 33,0% (75) 596 Wsółczynnk rzenkana ceła dla arownka k wyznaczony zosał z równana (22), kóre o rzekszałcenu ma osać: k q = & (76) T, c Błąd bezwzględny oszacowana k dany jes wzorem: k k = ( T ), c ( T, c ) 2 k + q& q& 2 0.5 (77) Poszczególne ochodne cząskowe wynoszą: k = q& ( T ) ( T ) 2, c, c (78) k = 1 ( q& ) T, c (79) Podsawając sosowne dane omarowe do wzorów (78), (79) uzyskuje sę z równana (77): 46

W k, mn = ± 152 m 2 (80) K W k, max = ± 216 m 2 (81) K co daje błąd względny: 152 δ k, mn = 100% = 3,1% (82) 4831 216 δ k, max = 100% = 27,1% (83) 795 Z uwag na analogczny sosób wyznaczana k ks rzyjęo, ż: k ) = ( k ) (84) ( s Wsółczynnk rzenkana ceła dla całego wymennka k c wyznaczony zosał z równana (15). Błąd bezwzględny oszacowana k c dany jes wzorem: 2 2 kc kc k + c = k k s (85) k ks 0.5 Poszczególne ochodne cząskowe wynoszą k k c 1 = k 1 + k s 2 (86) k k c s 1 = k 1 + k s 2 (87) 47

Podsawając sosowne dane omarowe do wzorów (86), (87) uzyskuje sę z równana (85): W k c, mn = ± 34 m 2 (88) K W k c, max = 129 ± m 2 (89) K co daje błąd względny: 34 δ k c, mn = 100% = 3,7% (90) 932 129 δ k c, max = 100% = 71,5% (91) 181 48

7 Analza uogólnene wynków badań O wydajnośc celnej rooyowego DTWC decydują rzy rocesy: wrzena w arownku, skralana w skralaczu oraz rzecwrądowy rzeływ ary skroln w króćcach łączących arownk ze skralaczem. Prooyowy DTWC skonsruowano w ak sosób, że celowo zasosowano rzewymarowany skralacz, a rzeływ ary skroln zorganzowano w ak sosób, aby ne sanowł on dodakowego ooru celnego. Wynk ych badań zosały częścowo oublkowane w [15, 19, 23, 28], a ablce welkośc zmerzonych oblczonych sanową zał. 5. Krzywe wyrównujące unky ekserymenalne zosały uzyskane meodą najmnejszych kwadraów. 7.1 Wływ rodzaju owerzchn rur arownka Na rys. 26, 28, 30 rzedsawono krzywe wrzena ceczy roboczych: R141b, meanolu wody w arownku zbudowanym z rurek gładkch, karbowanych z owłoką orowaą dwóch odzałek rur: 1.7d 2.0d. Cśnene w łaszczu zmenało sę w zakrese od 4kPa do 19kPa dla wody, od 12kPa do 52kPa dla meanolu od 80kPa do 177kPa dla R141b. Nższe warośc cśneń zarejesrowano rzy mnmalnym obcążenu celnym, wyższe rzy maksymalnej gęsośc srumena ceła. Na rys. 27, 29, 31 zarezenowano zależność wsółczynnka rzejmowana ceła α,o od gęsośc srumena ceła rzy wrzenu rzech badanych ceczy roboczych dla ych samych rzyadków, kóre zosały rzedsawone na rys. 26, 28, 30. 49

a) q. [kw/m 2 ] -T [K] b) q [kw/m 2 ]. -T [K] Rys. 26. Krzywe wrzena R141b dla odzałk rur arownka a) 1.7d, b) 2.0d; o - rura z owłoką orowaą, + - rura karbowana, rura gładka 50

a) α,o [kw/m 2 K] q. [k W/m 2 K] b) α,o [kw/m 2 K] q. [k W/m2 K] Rys. 27. Zależność wsółczynnka rzejmowana ceła od gęsośc srumena ceła rzy wrzenu R141b w ęku rur o odzałce a) 1.7d, b) 2.0d; o - rura z owłoką orowaą, + - rura karbowana, rura gładka 51

a) q [kw/m 2 ]. b) -T [K] q. [kw/m 2 ] -T [K] Rys. 28. Wływ rodzaju owerzchn rur arownka rzy wrzenu meanolu odzałce a) 1.7d, b) 2.0d; o - rura z owłoką orowaą, + - rura karbowana, rura gładka 52

a) α,o [kw/m 2 K] q. [k W/m 2 K] b) α,o [kw/m 2 K] q. [k W/m2 K] Rys. 29. Zależność wsółczynnka rzejmowana ceła od gęsośc srumena ceła rzy wrzenu meanolu w ęku rur o odzałce a) 1.7d, b) 2.0d; o - rura z owłoką orowaą, + - rura karbowana, rura gładka 53

a) q [kw/m 2 ]. -T [K] b) q. [kw/m 2 ] -T [K] Rys. 30. Wływ rodzaju owerzchn rur arownka rzy wrzenu wody odzałce a) 1.7d, b) 2.0d; o - rura z owłoką orowaą, + - rura karbowana, rura gładka 54

a) α,o [kw/m 2 K] q. [k W/m 2 K] b) α,o [kw/m 2 K] q. [k W/m 2 K] Rys. 31. Zależność wsółczynnka rzejmowana ceła od gęsośc srumena ceła rzy wrzenu wody w ęku rur o odzałce a) 1.7d, b) 2.0d; o - rura z owłoką orowaą, + - rura karbowana, rura gładka 55

Poza dwoma rzyadkam: wrzena R141b w ęku rur o odzałce 2.0d rys. 26b, oraz wrzena wody równeż w ęku o odzałce 2.0d - rys. 30b, we wszyskch ozosałych badanych rzyadkach zasosowane rurek z owłoką orowaą owodowało nensyfkację rzekazywana ceła krzywe wrzena są rzesunęe w lewo, ku mnejszym rzegrzanom. Najwększy wzros gęsośc srumena rzenoszonego ceła, w orównanu do ęku rur gładkch, uzyskano rzy wrzenu R141b w ęku o odzałce 1.7d, o ok. 180%. Zasosowane rur karbowanych ne rzynosło, oza jednym rzyadkem wrzena wody w ęku o odzałce 2.0d (rys. 30b) oleszena rzenoszena ceła. 7.2 Wływ odzałk rur Ne swerdzono wyraźnego wływu badanych odzałek w rzyadku ęku rur gładkch karbowanych rzy wrzenu wszyskch rzech ceczy roboczych na nensywność rzenoszena ceła, oza jednym rzyadkem wrzena wody w ęku rur karbowanych, gdze lesze wynk dała odzałka 2.0d. Uzyskane krzywe wrzena są zameszczone w zał. 6. W rzyadku ęku rur z owłoką orowaą dla wszyskch rzech ceczy roboczych lesza okazała sę mnejsza z badanych odzałek, j. 1.7d - rys. 32 do rys. 34. q. [kw/m 2 ] -T [K] Rys. 32. Wływ odzałk rur arownka z owłoką orowaą rzy wrzenu R141b; odzałka rur arownka: O 2.0d, 1.7d 56

q. [kw/m 2 ] -T [K] Rys. 33. Wływ odzałk rur arownka z owłoką orowaą rzy wrzenu meanolu; odzałka rur arownka: O 2.0d, 1.7d q. [kw/m2 ] -T [K] Rys. 34. Wływ odzałk rur arownka z owłoką orowaą rzy wrzenu wody; odzałka rur arownka: O 2.0d, 1.7d 57

Na rys. 35 rzedsawono wływ odzałk rur z owłoką orowaą, rzy wrzenu wody na wsółczynnk rzenkana ceła dla arownka k (rys. 35a) całego wymennka k c (rys. 35b). Warość odzałk ma ewne znaczene w rzyadku samego arownka rakyczne ne wływa na wsółczynnk rzenkana ceła dla całego wymennka k c. Pozosałe rysunk rzedsawające wływ odzałk na wsółczynnk rzenkana ceła dla arownka k całego wymennka k c dla nnych konfguracj DTWC są zameszczone w zał. 7. a) k [kw/m 2 K] b) q. [kw/m 2 ] k c [kw/m 2 K] q. [kw/m 2 ] Rys. 35. Wływ odzałk rur arownka na wsółczynnk rzenkana ceła rzy wrzenu wody w ęku rur orowaych dla: a) arownka b) całego wymennka, rzy odzałce rur arownka równej: o 2.0d, 1.7d 58

7.3 Wływ rodzaju ceczy roboczej Przerowadzone badana wykazały, że ceczą roboczą, dla kórej uzyskwano najwyższe gęsośc srumena ceła, rzy danym rzegrzanu o nezależne od rodzaju owerzchn rur arownka była woda rys. 36 do rys. 38. Tylko w jednym rzyadku wyższe wsółczynnk rzejmowana ceła nż dla wody orzymano rzy wrzenu czynnka R141b w arownku z rur z owłoką orowaą o odzałce 1.7 d rys. 38a. a) q. [kw/m 2 ] b) -T [K] q. [kw/m 2 ] -T [K] Rys. 36. Wływ rodzaju ceczy roboczej rzy wrzenu w arownku z rur gładkch; odzałka - a) 1.7d, b) 2.0d; O R141b, + meanol, - woda 59

a) q. [kw/m 2 ] b) -T [K] q [kw/m 2 ]. -T [K] Rys. 37. Wływ rodzaju ceczy roboczej rzy wrzenu w arownku z rur karbowanych; odzałka - a) 1.7d, b) 2.0d; O R141b, + meanol, - woda 60

a) q. [kw/m 2 ] b) -T [K] q. [kw/m2 ] -T [K] Rys. 38. Wływ rodzaju ceczy roboczej rzy wrzenu w arownku z rur z owłoką orowaą; odzałka - a) 1.7d, b) 2.0d; O R141b, + meanol, woda 61

7.4 Wływ wysokośc zalana ęku rur Wływ ocząkowego ozomu ceczy roboczej onad najwyższy rząd rur na dzałane arownka rzebadano rzy wrzenu meanolu w ęku rur karbowanych z odzałką 1.7d rys. 39. Zdecydowane najmnejsze gęsośc srumena ceła zaobserwowano dla najnższego ozomu zalana ęku rur wynoszącego 5 mm co wynka z faku, ż odczas racy wymennka najwyższy rząd ęku rur arownka ne był zalany ceczą roboczą. Ne zaobserwowano różnc w dzałanu DTWC dla ocząkowego ozomu ceczy 15 mm 25 mm onad najwyższy rząd rur arownka. q. [kw/m 2 ] -T [K] Rys. 39. Wływ ozomu ceczy roboczej nad najwyższym rzędem rur arownka z rur karbowanych odzałce 1.7d rzy wrzenu meanolu; O 25mm, + 15mm, 5mm Na rys. 40 rzedsawono wływ ocząkowego ozomu meanolu nad najwyższym ękem rur karbowanych arownka o odzałce 1,7d na wsółczynnk rzenkana ceła w całym wymennku k c dla rzech gęsośc srumen ceła. 62

k c [kw/m 2 K] A H [mm] Rys. 40. Wływ ozomu ceczy roboczej nad najwyższym rzędem rur arownka na wsółczynnk rzenkana ceła dla całego wymennka; 2 2 2 q& 20 [ kw / m ], q& 30 [ kw / m ], q& 40 [ kw / m ] Dla wszyskch rzech gęsośc srumena ceła q& najwyższy wsółczynnk rzenkana ceła k c uzyskano dla wysokośc zalana 15 mm. Wary odnoowana jes wększy wływ wysokośc zalana na wsółczynnk rzenkana ceła wraz z rosnącą gęsoścą srumena ceła. Znaczny sadek wsółczynnka rzenkana ceła dla całego wymennka k c rzy najwyższej gęsośc srumena ceła mnmalnym ozome ceczy roboczej (unk A na rys. 40) może wynkać z odsłonęca nawe dwóch najwyższych rzędów rur arownka w wynku bardzo gwałownego wrzena rys. 44. 7.5 Wływ cśnena Wływ cśnena na rzebeg wrzena w ęku rur jes jeszcze bardzo słabo rzebadany [27]. Wraz ze sadkem cśnena należy oczekwać worzena sę ęcherzyków o coraz wększej średncy, sąd na rzykład sone znaczene może meć odzałka rur. Badana własne rzerowadzono rzy wrzenu wody w ęku rur karbowanych oraz z owłoką orowaą z odzałką 1.7d odowedno rys. 41 rys. 42. Z uzyskanych, neełnych danych wynka, że korzysnejsze jes nższe cśnene w łaszczu - krzywe wrzena są rzesunęe w lewo, ku mnejszym rzegrzanom. 63