STOSOWANIE RUR GĘSTOŻEBROWANYCH W POZIOMYCH SKRAPLACZACH PŁASZCZOWO-RUROWYCH A PROBLEM ZALEWANIA SKROPLINAMI KANAŁÓW MIĘDZYŻEBROWYCH Opracowała: Katarzyna Palka-Wyżykowska SiUChKl, Wydział Mechaniczny Politechniki Gdańskiej GDAŃSK, 2008 1
WPROWADZENIE Wymienniki ciepła stosowane w urządzeniach chłodniczych stanowią ponad połowę kosztów oraz masy całej instalacji. Ten fakt napędza rozwój badań w dziedzinie optymalizacji ich konstrukcji. Na przestrzeni lat wykazano, iż wykorzystanie wyników tych prac kilkakrotnie pokrywa poniesione nakłady finansowe tak więc badania mają pełne uzasadnienie ekonomiczne. 1. WYMIENNIK PŁASZCZOWO-RUROWY Wymienniki płaszczowo-rurowe to takie w których wymiana ciepła następuje pomiędzy dwoma mediami wg ogólnej zasady: medium o większym współczynniku wymiany ciepła i/lub większym zanieczyszczeniu przepływa przez rurki (z A do B); drugie medium, które zwykle ma mniejszy współczynnik wymiany ciepła, np. oleje, czynniki chłodnicze (freony) czy też para przepływa na zewnątrz rurek (z C do D). Obecnie w celu podniesienia sprawności wymiennika płaszczowo-rurowego powszechnie stosuje się materiały o dobrych własnościach cieplnych jednakże najważniejsze jest doskonałe opanowanie technologii produkcji rur z ożebrowaniem wewnętrznym (w parownikach suchych) oraz zewnętrznym (parowniki zalane, skraplacze). Ożebrowanie zapewnia wysoką intensyfikację procesu wymiany ciepła. Takie nowoczesne poziome skraplacze płaszczowo-rurowe znajdują zastosowanie głównie w okrętowych urządzeniach chłodniczych, kompletnych agregatach chłodniczych (wymienniki w węzłach odzysku ciepła) oraz sprężarkowych pompach ciepła 2
2. KSZTAŁTY ŻEBER RUR POPRZECZNIE OŻEBROWANYCH Na podstawie badań ustalono, iż czynnikiem decydującym o warunkach wymiany ciepła jest ilość żeber na metr bieżący, czyli tzw. podziałka żeber. Odpowiedni kształt oraz rozmiar żeber zapewniają powstawanie na ich powierzchni odpowiednio dużych wartości sił napięcia powierzchniowego, które prowadzą do osiągnięcia wyższych wartości współczynnika wnikania ciepła. Poniższy rysunek prezentuje przykłady żeber rur poprzecznie ożebrowanych, które montowane są w skraplaczach płaszczowo-rurowych dla czynników chloro fluorowych: a), d), h) stosowane przez uznanych producentów; b), c) zalecane przez ośrodki naukowe. 3
3. PROBLEMY PROJEKTOWE Projektowanie poziomych skraplaczy płaszczowo-rurowych niesie za sobą wiele problemów. Komplikacje pojawiają się głównie przy projektowaniu okrętowych urządzeń chłodniczych, kompletnych agregatów chłodniczych (jako wymienników w węzłach odzysku ciepła), a także sprężarkowych pompach ciepła. Tego typu skraplacze znajdują tak duże zainteresowanie ze względu na swoje korzystniejsze niż w przypadku innych, wskaźniki cieplnokonstrukcyjne. Zasadniczymi problemami czyhającymi na projektanta tego typu wymienników są: Wybór wysokowydajnej rury o optymalnej geometrii ożebrowania; Wybór optymalnej konfiguracji rur w pęczku; Wybór optymalnych gabarytów skraplacza (przede wszystkim stosunku jego długości do średnicy dna sitowego). 4. OPTYMALNA GEOMETRIA ŻEBER ORAZ MATERIAŁ RUR SKRAPLACZA Analizując dostępne dane literaturowe można stwierdzić, że najlepsza geometria rur skraplacza charakteryzuje się poniższymi cechami geometrycznymi: Średnica zewnętrzna od 14 do 16 mm; Wysokość żeber od 0,8 do 1,0 mm; Podziałka żeber od 0,7 do 1,0 (1400 do 1000 żeber/mb); Grubość żeber u wierzchołka od 0 do 0,2 mm; Kąt pochylenia ścianki bocznej zarysu żebra < 10 ; Kształt zarysu żebra: trapezowy, grzebieniowy lub paraboliczny, natomiast jeśli chodzi o układ rur w pęczku należy preferować układ heksagonalny lub szachownicowy. Innym, równie ważnym problemem jest odpowiedni dobór materiału rury. Wg przeprowadzonych w tym temacie badań miedź wykazuje zdecydowaną przewagę nad miedzioniklem, mosiądzem oraz stalą. Gdy skraplacze stosujemy w urządzeniach lądowych należy zainstalować w ich wnętrzu rury miedziane; w przypadku instalacji okrętowych stosuje się rury miedzioniklowe lub mosiężne. 4
5. PROBLEMY PROCESU SKRAPLANIA Jednym z najtrudniejszych problemów procesu skraplania na rurach poprzecznie ożebrowanych, napotykanych przez badawczy, jest zjawisko zalegania skroplin w kanałach międzyżebrowych na ich powierzchni. Jak wcześniej wspomniałam, czynnikiem najistotniej wpływającym na warunki wymiany ciepła jest podziałka żeber (gęstość ożebrowania). W wyniku tego w ostatnich latach zauważyć można silną tendencje do zwiększania ilości żeber co pozwoli osiągnąć znacząco wyższe wartości współczynnika wnikania ciepła dzięki wzajemnemu oddziaływaniu sił grawitacji oraz napięcia powierzchniowego na warstwę skroplin tworzącą się na powierzchni rury. Obecność tych ostatnich powoduje powstawanie dwóch, przeciwstawnych efektów. Z jednej strony siły te przyczyniają się do wzrostu średnich wartości współczynnika wnikania ciepła jednocześnie, z drugiej strony, utrudniając spływ skroplin i powodując tym samym ich gromadzenie się w dolnej części rury. Czynniki wpływające na średnią grubość ścianki skroplin: Oddziaływanie sił na wierzchołkach żeber oraz w górnej ich części na ściankach bocznych, powodujące ściąganie cieczy (zalewanie kanałów międzyżebrowych). W tym obszarze występują wysokie lokalne wartościami współczynnika wnikania ciepła; Dolna część żeber oraz gładki obwód rury między żebrami spełniają funkcję kanału (przestrzeń międzyżebrowa jest strefą spływu), gdzie pod działaniem sił grawitacji zbiera się ciecz. W tej części powierzchni występuje znaczny spadek wartości współczynnika wnikania ciepła. Mimo chęci dążenia do jak najmniejszych odległości między żebrami projektanci winni pamiętać, iż należy zachować odstępy dostatecznie duże, by umożliwić skanalizowanie skroplin bez zalewania ważnych dla wymiany ciepła obszarów. 6. KĄT ZALANIA Parametry opisujące geometrię rur gęstożebrowanych są porównywalne z wartościami stałych kapilarnych skraplanych czynników. Poprzez wprowadzenia kąta zalania uwzględniono powyższy efekt w modelowaniu procesu skraplania. 1985 roku Rudy i Webb opracowali zależność teoretyczną na kąt zalania przez rozpatrzenie równowagi pomiędzy siłami napięcia powierzchniowego i grawitacji, działającymi na warstwę skroplin, w postaci: Z powyższego równania wynika, iż wielkość kąta zalania maleje wraz ze wzrostem gęstości ożebrowania oraz proporcji (σ/p) - oddziaływania sił grawitacji oraz napięcia powierzchniowego 5
na warstwę skroplin. Rudi i Webb jednocześnie zwrócili uwagę na to, iż wysokość żeber nie ma wpływu na wielkość kąta zalania. 7. ZALEŻNOŚĆ KĄTA ZALANIA OD WŁASNOŚCI SKROPLIN Zależność kąta zalania od własności skroplin najlepiej omówić na wykresie. Poniższy przedstawia wyniki obliczeń z zastosowaniem wzoru na kąt zalania dla trzech cieczy: wody, amoniaku i czynnika R22 oraz czterech rur o różnej podziałce ożebrowania. Z wykresu wynika, że płyny o wysokim napięciu powierzchniowym (np. woda) mogą całkowicie zalewać rury już przy małych gęstościach ożebrowania. Duże gęstości ożebrowania są korzystne ze względu na wielkość kąta zalania tylko dla cieczy o niskich wartościach stosunku (σ/p) oddziaływania sił grawitacji oraz napięcia powierzchniowego na warstwę skroplin. 6
8. ZALEGANIE SKROPLIN BADANIA HONDY Honda wykazał, że przy skraplaniu na rurach gęstożebrowanych pęczka występuje zjawisko zalewania rur niżej położonych, natomiast nie są one zalewane skroplinami na całej długości. Z przeprowadzonych przez niego badań wynika, iż zaleganie skroplin w kanałach między żebrami zanika przy bardzo dużych obciążeniach cieplnych - siły związane z przepływem skroplin, czyli tarcia i bezwładności, są wówczas odpowiednio większe od sił napięcia powierzchniowego. 9. DRENAŻ CIECZY Ponieważ obszary rury, na których zalegają skropliny, praktycznie nie biorą udziału w intensywnej wymianie ciepła powstała konieczność znalezienia sposobów ułatwiających spływ cieczy z powierzchni rur gęstożebrowanych. Najprostszym sposobem do osiągnięcia tego celu jest zastosowanie dla rur poprzecznie ożebrowanych podspodnich, wzdłużnych płetw drenujących zmniejszających ilość skroplin w kanałach, które jednocześnie zwiększają średnią wartość współczynnika wymiany ciepła. Rozwiązania drenażu z zastosowaniem płetwy zaproponowane przez badaczy: HONDA Podspodnia wzdłużna płetwa wykonana z materiału o strukturze silnie porowatej; Płetwa kreuje ona obszar niskiego ciśnienia w spodniej części rury i dzięki temu wciąga" skropliny do jej kapilar (zjawisko nie występuje przy płetwie litej). Rezultat: spływ cieczy wymuszony - uwalnia od niej znaczną część powierzchni bocznych żeber i powierzchni kanałów międzyżebrowych, tworząc dogodne warunki dla poprawy wnikania ciepła. (płetwa lita - korzyści nawet połowę niższe). 7 MARTO Porowata podspodnia płetwa wzdłużna; Wysokość płetwy l>8 mm; Płetwa zbudowana z materiału o średnicy kapilar około 0,05 mm. Rezultat: całkowite ściągnięcie" cieczy z powierzchni płetwy w warunkach statycznych dla rury o odstępie między żebrami s=0,5 mm.
Wnioski płynące z dotychczasowych prac badawczych opracowanych m.in. przez Hondę i Marto: Średnia wartość współczynnika wnikania ciepła na poziomej rurze poprzecznie ożebrowanej rośnie wraz ze wzrostem wysokości podspodniej porowatej płetwy drenującej; Przy zastosowaniu porowatej płetwy drenującej intensyfikacja wnikania ciepła jest wyższa w niż w przypadku płetwy litej. Efekt ten uzyskujemy dzięki różnicy ciśnień międzyfazowych: para ciecz, wytwarzanej w podspodniej części rury przez płetwę porowatą. 10. ZALEŻNOŚĆ KĄTA ZALANIA OD RODZAJU I WYSOKOŚCI PŁETWY POROWATEJ DLA R22 Poniższy wykres prezentuje zależność kąta zalania przestrzeni międzyżebrowej od rodzaju i wysokości płetwy drenującej. Do badań zastosowano materiały o strukturze porowatej, charakteryzujące się różnymi wartościami współczynnika przepuszczalności hydraulicznej K współczynnik przepuszczalności hydraulicznej. Z zależności wynika, iż rodzaj materiału oraz wysokość płetwy (szczególnie w przypadku płetwy Hondy) ma silny wpływ na wielkość kąta zalania. 8
11. SPŁYW CIECZY NA PIONOWYM RZĘDZIE POZIOMYCH RUR Nie bez znaczenia dla średniego współczynnika wnikania ciepła jest wpływ zjawiska spływu skroplin na pęczku rur. Rysunek przedstawia formy ściekania skroplin czynnika R22 zaobserwowane przez Henrici`ego: a) rura o 450 żebrach/mb; b) rura o 750żebrach/mb. Dla rur o dużej podziałce żeber (około 450 szt./mb) skropliny spływają w sposób ciągły po ich powierzchniach bez zlewania się, natomiast dla rury o ilości żeber ok. 750 szt./mb krople zwisające na dolnych krawędziach wierzchołków zlewały się. Warstewka cieczy przewyższała zarys geometrii żeber i utrzymywała się na powierzchni do czasu napływu skroplin powodując przewagę sił ciążenia nad siłami wynikającymi z oddziaływania napięcia powierzchniowego. Początkowo ciecz spływa kroplowo. Dopiero dla wyższych stopni zraszania pojawia się charakterystyczny spływ kolumnowy; odległości między kolumnami są stałe. Podczas spływu kroplowego w pierwszej fazie dochodzi do oderwania się tzw. kropli początkowej o średnicy d, za którą, w krótkich odstępach czasu, podążają krople wtórne o średnicy d s, po czym ponownie tworzy się kropla początkowa. Ze wzrostem stopnia zraszania rośnie częstotliwość zjawiska, aż do osiągnięcia częstotliwości krytycznej f, przy której pojawia się spływ kolumnowy. Wysokość kolumny ω c jest równa odstępowi między rurami ω, pomniejszonemu o połowę średnicy kropli początkowej. Średnica kolumny zwęża się ku dołowi; jej wymiarem jest średnica ekwiwalentna d c (wielkość charakteryzującą spływ cieczy na pęczku rur poziomych) przyrównująca rzeczywisty kształt kolumny do walca. Kolumna spływając na kolejną rurę, powoduje powstanie na szerokości B błonki cieczy ją opływającej. Jej obecność wpływa niekorzystnie na proces wymiany ciepła podczas skraplania par w tej strefie. Kolumnowy spływ cieczy na kolejne rury pionowego rzędu: 9
a) rzeczywisty; b) modelowy. 12. ZALEŻNOŚĆ EKWIWALENTNEJ ŚREDNICY KOLUMNY OD JEDNOSTKOWEGO STOPNIA ZRASZANIA I ODLEGŁOŚCI MIĘDZYRUROWEJ Rysunek przedstawia zmianę ekwiwalentnej średnicy kolumny w funkcji stopnia zraszania i odległości międzyrurowej. Z wykresu charakterystyk d e =f(γ) wynika, iż wartość średnicy kolumny wzrasta wraz ze zwiększającym się stopniem zraszania oraz malejącą odległością międzyrurową. Rosnąca średnica kolumny powoduje zwiększenie kąta zalania w strefie spływu, a tym samym ogranicza aktywną powierzchnię wymiany ciepła powodując obniżenie intensywności procesu skraplania. 13. ZALEŻNOŚĆ KĄTA ZALANIA OD JEDNOSTKOWEGO STOPNIA ZRASZANIA I ODLEGŁOŚCI MIĘDZYRUROWEJ Rysunek zestawia obliczone wartości kąta zalania dla rury z płetwą i bez. 10
Wykres przedstawia zależność kąta zalania jednostkowego stopnia zraszania oraz odległości międzyrurowej (ω). Różnica kąta zalania rury bez płetwy (Nr 11) i z płetwą drenującą (Nr 12) rośnie wraz ze wzrostem stopnia zraszania. Dodatkowo wartości kąta zraszania dla rury z płetwą są niższe (powinno to zapewnić korzystniejsze warunki wymiany ciepła podczas procesu skraplania). 14. WNIOSKI KOŃCOWE: Stosowanie rur gęstożebrowych pozwala optymalizować konstrukcję skraplaczy płaszczowo-rurowych oraz poprawia wymianę ciepła wymienników; Zwiększanie gęstości ożebrowania powoduje wzrost współczynnika wnikania ciepła jednocześnie powodując zaleganie skroplin w kanałach międzyżebrowych wywołane siłą napięcia powierzchniowego (gdy odstęp międzyżebrowy jest porównywalny z wartościami stałych kapilarnych skraplanych czynników); Ciecze o wysokim napięciu powierzchniowym mogą całkowicie zalewać rury gęstożebrowe już przy małym ożebrowaniu, stąd konieczność optymalizacji parametrów geometrycznych; Duże gęstości ożebrowania są korzystne tylko dla cieczy o niskich wartościach stosunku σ/ρ; Zmniejszenie kąta zalania możliwe jest dzięki zastosowaniu wzdłużnej płetwy drenującej. PŁETWA POROWATA Dzięki odpowiedniej podspodniej płetwie porowatej możliwe jest całkowite 11 PŁETWA LITA Obecność litej płetwy zmniejsza kąt zalania rury ożebrowanej;
ściągnięcie cieczy z rury (dla odpowiednich wartości współczynnika K); Istnieje górne ograniczenie efektywnej wysokości płetwy. Jej zastosowanie przyczynia się do wzrostu współczynnika wnikania ciepła przy skraplaniu; Przy odpowiedniej geometrii płetwy litej można uzyskać efekt podobny do zastosowania płetwy porowatej, Stosowanie płetwy litej jest tańsze i bardziej niezawodne. ŹRÓDŁA: 1. Bonca Z.: Stosowanie rur gęstożebrowanych w poziomych skraplaczach płaszczoworurowych Technika chłodnicza i klimatyzacyjna, 05/2005 2. Bonca Z., Targański W.: Zaleganie skroplin na powierzchni rur gęstożebrowanych Technika chłodnicza i klimatyzacyjna, 09/2006 3. Kalinowski K., Paliwoda A., Bonca Z., Butrymowicz D., Targański W.: Amoniakalne urządzenia chłodnicze, Tom I 4. http://www.gea-polska.com.pl/ 12