Artur ŻUK

„... istnienie początkowego przegrzania nie wpływa na wzrost różnicy temperatur” w skraplaczach. Tak brzmi cytat z książki pod tytułem „Wymienniki Ciepła, Urządzenia Suszarnicze i Chłodnicze” autorstwa P. D. Lebiediewa. Czy to stwierdzenie cytowane w wielu opracowaniach jest prawdziwe?

Skraplacze są elementem składowym każdej instalacji chłodniczej. Zadaniem, które pełnią w obiegu jest odebranie ciepła od czynnika chłodniczego (o wysokim ciśnieniu) i przekazanie go płynowi chłodzącemu. Efektem tego procesu jest fazowa przemiana pary w ciekły (skroplony) czynnik chłodniczy. Warunkiem koniecznym jest, aby temperatura ścianki np. rurki skraplacza była niższa od temperatury nasycenia płynu skraplanego. Teoretycznie izentropowe sprężanie czynnika chłodniczego powoduje wzrost jego temperatury ponad temperaturę skraplania, temperaturę tę nazywa się temperaturą tłoczenia.

Wobec powyższego całkowita, odebrana ilość ciepła w skraplaczu jest sumą:

• ciepła przegrzania,
• ciepła skraplania (przemiany fazowej pary nasyconej suchej w ciecz nasyconą),
• ciepła dochłodzenia cieczy (jeżeli takie występuje).

W związku z powyższym skraplacz można podzielić na trzy części. W części pierwszej następuje obniżenie temperatury pary przegrzanej doprowadzanej ze sprężarki do temperatury skraplania czynnika chłodniczego. Przegrzana para będzie stopniowo ulegała schłodzeniu aż do osiągnięcia w całości przepływu jej strumienia temperatury nasycenia. Proces ten charakteryzuje się znaczną zmianą temperatury czynnika chłodniczego, niskimi współczynnikami przejmowania ciepła i dużą napędową różnicą temperatur (dochodzącą do kilkudziesięciu stopni Celsjusza). Część ta jest niesłusznie pomijana podczas wykonywanie obliczeń cieplnych skraplaczy.

W części drugiej wymiennika następuje właściwe skraplanie czynnika chłodniczego. Proces ten charakteryzuje się stałą temperaturą czynnika chłodniczego, większymi (w porównaniu do części pierwszej) współczynnikami przejmowania ciepła i małą napędową różnicą temperatur. Ze stałą temperaturą skraplania mamy do czynienia w przypadku czynników jednorodnych lub mieszanin azeotropowych.

W jego części trzeciej następuje dochłodzenie ciekłego czynnika. Proces ten charakteryzuje się bardzo małą napędową różnicą temperatur, która w niektórych przypadkach może uniemożliwić dalszą wymianę ciepła. W skraplaczach płaszczowo- rurowych, w których czynnik chłodniczy skrapla się w przestrzeni międzyrurowej, dochłodzenie można podzielić na naturalne (gdzie skroplony czynnik chłodniczy ochładza się spływając po powierzchni rur, w których płynie medium chłodzące) i sztuczne (zalanie skraplacza skroplonym czynnikiem do pewnego poziomu, który pozwala na uzyskanie żądanej temperatury dochłodzenia cieczy). Dochłodzenie naturalne można pominąć podczas wykonywania obliczeń cieplnych skraplaczy płaszczowo-rurowych. To czy wystąpi dochłodzenie sztuczne, zależy od projektanta instalacji chłodniczej.

W wielu specjalistycznych publikacjach książkowych istnieją sprzeczne opinie o obliczaniu średniej napędowej różnicy temperatur. Czy podczas wykonywania obliczeń powinno się uwzględniać przegrzanie par doprowadzanych do skraplacza? Jeżeli tak, to jaki wpływ mają one na uzyskiwane moce wymienników ciepła np. typu SPR produkowanych przez Przedsiębiorstwo Budowy Urządzeń Chłodniczych S.A.? W celu uzyskania odpowiedzi na powyższe pytanie firma ta postanowiła przebadać produkowane w Gdyni freonowe skraplacze płaszczowo -rurowe w wersji 2 i 4 przepływowej.

DOTYCHCZASOWA TEORIA

Do odprowadzenia ciepła ze skraplacza musi on mieć wystarczającą powierzchnię wymiany ciepła [1], którą wyznacza się na podstawie wzoru Pecleta (1).

gdzie:

Q_k – wydajność cieplna skraplacza
[W], k – współczynnik przenikania ciepła
[W/m2·K], ΔT– napędowa różnica temperatur [K].

Wartość współczynnika przenikania ciepła zależy od bardzo wielu czynników, takich jak:

• rodzaj czynnika chłodniczego,
• rodzaju płynu chłodzącego skraplacz,
• prędkość przepływu płynu chłodzącego skraplacz,
• temperatura pracy,
• konstrukcja skraplacza.

W przypadkach, gdy znana jest dla danego typu skraplacza wartość współczynnika przenikania ciepła, występującą we wzorze na średnią logarytmiczną różnicę temperatur między czynnikiem chłodniczym a płynem chłodzącym należy ją obliczyć przyjmując, że temperatura czynnika jest stała i równa temperaturze skraplania [1].

gdzie:

T_k – temperatura skraplania,

T_{wlotu wody} – temperatura wlotu wody,

T_{wylotu wody} – temperatura wylotu wody.

Zgodnie z przytoczoną teorią podwyższając temperaturę wlotu przegrzanych par czynnika do skraplacza, nie powinna zmieniać się jego wydajność (moc) cieplna.

OPIS TYPOSZEREGU SKRAPLACZY TYPU SPR

Skraplacze typu SPR zbudowane są z korpusu, wiązki rur ożebrowanych i pokryw wodnych. Korpus stanowi płaszcz wykonany z rury lub blachy stalowej i jest zakończony dwoma stalowymi dnami sitowymi.

Dna sitowe i pokrywy pokryte są warstwą poliamidu, który zabezpiecza stal przed korozyjnym działaniem wody morskiej. W dnach sitowych zwalcowane są wysokowydajne rury obustronnie żebrowane wykonane z miedzioniklu.

Rys. 1. Zmiana procentowa wydajności cieplnej skraplaczy 2 przepływowych w stosunku do zmiany temperatury wlotu par przegrzanych czynnika

Rys. 1. Zmiana procentowa wydajności cieplnej skraplaczy 4 przepływowych w stosunku do zmiany temperatury wlotu par przegrzanych czynnika

Typoszereg skraplaczy typu SPR można podzielić na 5 odmian (są to odmiany 125, 150, 200, 250 i 300) oraz 11 różnych średnic, co daje możliwość uzyskania 55 wielkości skraplaczy w typoszeregu. Każdy z tych skraplaczy może być wyprodukowany w wersji 2 lub
4 przepływowej. Liczba przyporządkowana danej wielkości aparatu odpowiada długości (w centymetrach) rur skraplaczy.

W tabeli 1 porównano wady i zalety skraplaczy 2 i 4 przepływowych.

^{Tabela 1. Porównanie wad i zalet skraplaczy 2 i 4 przepływowych.}

Opis założeń do przeprowadzenia badań

Badania wykonano w oparciu o następujące założenia:

• utrzymanie stałej różnicy temperatur między temperaturą skraplania, a temperaturą wlotu wody chłodzącej,

(T_k - T_{wlotu wody}) = const

• utrzymanie stałej prędkość wody chłodzącej (skraplacze 4 przepływowe V=2 m/s, skraplacze 2 przepływowe V=2,5 m/s)

V_wody = const

• utrzymanie stałej temperatury skraplania (30°C).

T_k = const

Utrzymanie stałych parametrów cieplno-przepływowych (poza temperaturą wylotu wody chłodzącej) i zmienianie tylko temperatury wlotu par przegrzanych pozwoliło na dokładne przebadanie wpływu temperatury przegrzanych par czynnika na wydajność cieplną skraplaczy 2 i 4 przepływowych.

ZESTAWIENIE WYNIKÓW BADAŃ

Wyniki uzyskane w badaniach przedstawiono w formie graficznej na rysunkach 1 i 2. Wykresy pokazane na rysunku 1 dotyczą skraplaczy 2-przepływowych, natomiast wykresy na rysunku 2 skraplaczy 4-przepływowych. Każdy z rysunków zawiera pięć wykresów zmiany procentowej wydajności cieplnej skraplaczy w porównaniu do zmiany temperatury wlotu przegrzanych par czynnika do skraplacza. Każdy z pięciu wykresów przyporządkowany jest konkretnemu czynnikowi chłodniczemu.

OPIS UZYSKANYCH WYNIKÓW

Jak widać w zbiorze wykresów na rysunkach 1 i 2 wysoka temperatura wlotu przegrzanych par czynnika do skraplacza ma pozytywny wpływ na uzyskiwane moce wymiennika ciepła, i w niektórych przypadkach może dwukrotnie zwiększyć wydajność urządzenia. Większe różnice w wydajności odnotowano w krótszych skraplaczach 2-przepływowych.

Wynika to z faktu, że temperatura wylotu wody chłodzącej skraplacz jest zależna od ilości przepływów wody w wymienniku, jej strumienia masowego (założono stałą prędkość przepływu więc strumień masowy też jest stały) i długości skraplacza.

Im dłuższy jest skraplacz tym wyższa jest temperatura wylotu wody chłodzącej, która zbliża się do temperatury skraplania czynnika chłodniczego, a to ogranicza wymianę ciepła między skraplanym czynnikiem chłodniczym i płynem chłodzącym.

Podobna sytuacja ma miejsce w przypadku skraplaczy 4-przepływowych, gdzie podczas badań można było zauważyć, że wydajność skraplaczy odmiany 300 nie zmienia się przy podwyższeniu temperatury wlotu przegrzanych par czynnika. Wynika to z faktu „zbliżania się” temperatury wylotu wody chłodzącej do temperatury skraplania czynnika chłodniczego.

WNIOSKI

Na podstawie analizy wyników badań stwierdzono, że wysoka temperatura wlotu przegrzanych par czynnika do skraplacza może nawet dwukrotnie podnieść jego wydajność (moc) cieplną.

W związku z powyższym wywnioskować można, że do obliczenia średniej napędowej różnicy temperatur nie powinno się posługiwać wzorem na średnią logarytmiczną różnicę temperatur zakładając, że temperatura czynnika jest stała i równa temperaturze skraplania [1].

Do obliczenia średniej napędowej różnicy temperatur powinno stosować się metodę podziału skraplacza na części. Metoda ta polega na podziale wymiennika ciepła na kilka sekcji. Średnia logarytmiczna różnica temperatur dla każdej z nich powinna zostać obliczona w sposób indywidualny.

LITERATURA:

[1] Lebiediew P.D.: Wymienniki Ciepła, Urządzenia Suszarnicze i Chłodnicze, Moskwa-Leningrad 1966
[2] Szolc T.: Chłodnictwo, Wyd. Szkol. i Pedagog., Warszawa 1972
[3] Karty Katalogowe firmy PBUCH S.A.