Przeprowadzono badania eksperymentalne procesu skraplania czynnika chłodniczego R404A w kanale rurowym w obecności gazu inertnego powietrza. Wykazano negatywny wpływ zawartości powietrza w skraplaczu na proces kondensacji czynnika chłodniczego, co objawia się obniżeniem współczynnika przejmowania ciepła, wydłużeniem długości strefy skraplania oraz wzrostem spadku ciśnienia podczas przepływu mieszaniny w kanale rurowym. Opracowano zależność pozwalającą wyznaczać wartość współczynnika przejmowania ciepła w funkcji objętościowego udziału gazu inertnego w skraplaczu. Uzyskane wyniki pomiarów jednoznacznie wykazały konieczność zachowania czystości i szczelności instalacji chłodniczej, ponieważ w przypadku jej zapowietrzenia, wystąpi bardzo niekorzystna zmiana parametrów pracy i spadek wydajności cieplnej całego urządzenia. W wielu urządzeniach energetycznych stosowanych w siłowniach parowych, chłodziarkach, klimatyzatorach oraz w inżynierii chemicznej występują wymienniki ciepła, zwane skraplaczami. Proces skraplania rozumiany jest ogólnie, jako przemiana fazowa pary w ciecz, której towarzyszy transport energii za pomocą ciepła. Szczególnym przykładem zastosowania tego sposobu przenoszenia energii jest lewobieżny obieg termodynamiczny występujący w sprężarkowych, parowych urządzeniach chłodniczych i pompach ciepła. Obok wrzenia w przepływie, istotną rolę odgrywa tutaj proces skraplania. Należy podkreślić, że efektywność energetyczna układu zależy w bardzo dużym stopniu od sprawności przemian fazowych, zachodzących w wymiennikach ciepła. W chłodniczych skraplaczach chłodzonych powietrzem, proces skraplania odbywa się zwykle wewnątrz rur prostych połączonych kolanami, z których zbudowane są wężownice rurowe. Wewnątrz wężownic występuje z reguły skraplanie błonowe, podczas którego po wstaje na powierzchni wewnętrznej kanału rurowego film cieczy. Nie można jednak wykluczyć istnienia warunków skraplania kroplowego lub mieszanego. Przepływ skraplającego się czynnika chłodniczego ograniczony jest poza tym ściankami kanału rurowego. Ruch powstającego filmu kondensatu może mieć charakter laminarny lub turbulentny. Mechanizm tego procesu jest jednak odmienny od innych rodzajów skraplania, ponieważ występują ograniczone warunki odpływu powstającego kondensatu. ( ) Rys. 1. Schemat rozkładu temperatury i ciśnienia podczas skraplania czynnika chłodniczego w obecności gazu inertnego; 1 chłodzona ścianka, 2 ciecz; δ grubość warstwy przyściennej, p ciśnienie całkowite, pr ciśnienie cząstkowe czynnika, pin ciśnienie cząstkowe gazu 1 / 5
inertnego Proces skraplania w obecności gazu inertnego Szczególną rolę w procesie skraplania odgrywają nieskraplające się gazy, zwane inertnymi. Stanowią one dodatkowe wypełnienie skraplacza, które utrudnia proces skraplania czynnika chłodniczego. W skraplaczu stosowanym w sprężarkowym urządzeniu chłodniczym gazem inertnym jest zwykle powietrze. Jego zawartość może być wynikiem niedostatecznego odpowietrzenia instalacji przed jej napełnieniem czynnikiem chłodniczym. Inną przyczyną są także różnego rodzaju nieszczelno ści instalacji, przede wszystkim po stronie ssawnej, gdzie występuje podciśnienie. Zassane powietrze gromadzi się w skraplaczu, po uprzednim sprężeniu w sprężarce. Ciśnienie cząstkowe gazu inertnego podnosi ciśnienie całkowite skraplania w układzie chłodniczym, co zmniejsza wydajność chłodniczą oraz zwiększa pracę sprężania i w efekcie pogarsza sprawność całego układu. Udział gazu inertnego pogarsza intensywność wymiany ciepła, pędu i masy w procesie skraplania [3, 4, 6]. Na rys. 1 pokazano schemat rozkładu temperatury i ciśnienia w pobliżu ścianki, na której odbywa się proces skraplania czynnika chłodniczego w obecności gazu inertnego. ( ) Rys. 4. Rozkłady temperatury podczas skraplania przy stałej gęstości strumienia masy (wρ) = 208 kg/m2s i zawartości gazu inertnego w czynniku chłodniczym: η = 0%, 1,5%, 3% objętości skraplacza przy ciśnieniu 1,4 MPa Wyniki badań Na rys. 4 przedstawiono przykładowo rozkład temperatury czyn nika chłodniczego R404A w 2 / 5
prze pływie w wężownicy rurowej, dla trzech poziomów zawartości objętościowej powietrza η = 0; 1,5 i 3%. W każdym przypadku można wyraźnie wyodrębnić trzy strefy wymiany ciepła występujące w skraplaczach stosowanych w urządzeniach chłodniczych. Pierwsza strefa charaktery zuje się gwałtownym obniżaniem temperatury czynnika, co jest związane z odbio rem ciepła pary prze grzanej w układzie jednofazowym. Druga strefa dotyczy skraplania właściwego, gdy temperatura czynnika jest praktycznie stała. Spadek temperatury w tej strefie wy nikać może z poślizgu temperaturowego czynnika chłodniczego oraz jest spowodowany oporami przepływu. W strefie trzeciej następuje dochłodzenie cieczy. Analizując wyniki pomiarów wyraźnie zauważa się, że wzrost udziału gazu inertnego w skraplaczu wydłuża drogę skraplania właściwego, co w konsekwencji oznacza spadek inten sywności wymiany ciepła. Rys. 9. Zależność oporów przepływu Δp = f(ϖρ) od gęstości strumienia masy czynnika 3 / 5
chłodniczego (wρ) oraz procentowego udziału gazu inertnego η; a) η = 0%, b) η = 0,5%, c) η = 1,0%, d) η = 1,5%, e) η = 2,0%, f) η = 2,5% Podsumowanie Wyniki badań eksperymentalnych dotyczyły określenia wpływu udziału powietrza, jako gazu inertnego na proces skraplania czynnika chłodniczego R404A. Potwierdzono w sposób jakościowy i ilościowy negatywny wpływ zawartości gazu inertnego na intensywność wymiany ciepła podczas skraplania w kanale rurowym. Oznacza to obniżenie wartości współczynnika przejmowania ciepła, zwiększenie długości strefy skraplania oraz wzrost oporów przepływu mieszaniny wielofazowej i wieloskładnikowej w kanale rurowym. Stwierdzono, że przy 2,5% objętościowym udziale powietrza zmniejsza się wartość współczynnika przejmowania ciepła od 20 do 50%, przy czym wartości wyższe dotyczą mniejszych gęstości strumienia ciepła i gęsto ści strumienia masy. Zwiększenie spadku ciśnienia dla objętościowego udziału powie trza η = 2,5% wynosiło do 30%, w stosunku do wartości uzyskiwanych dla skraplania czystego czynnika chłodniczego. Poza tym wzrost zawartości gazu inertnego wpływa niekorzystnie na wydłużenie strefy dwufazowej skraplania właściwego, zaś przy udziale powietrza około 3% następował nawet dwukrotny wzrost długości tej strefy. Sytuacja taka miała miejsce dla małych wartości natężenia przepływu czynnika chłodniczego. Wyniki badań jednoznacznie wykazują potrzebę dbałości o zachowanie czystości i szczelności instalacji chłodniczej. W przypadku nawet niewielkiego jej zapowietrzenia występuje niekorzystna zmiana parametrów pracy i spadek wydajności cieplnej urządzenia chłodniczego. 4 / 5
Rys. 10. Zestawienie zbiorcze zależności oporów przepływu Δp = f(wr) od gęstości strumienia masy czyn nika chłodniczego (wρ) oraz procentowego udziału gazu inertnego η: 1) η = 0%, 2) η = 0,5%, 3) η = 1,0%, 4) η = 1,5%, 5) η = 2,0%, 6) η = 2,5% wydanie 5/2007 CZYTAJ CAŁOŚĆ, ZAMÓW PRENUMERATĘ: TRADYCYJNĄ E-WYDANIE 5 / 5