[ Zamknij ]

Nowe zasady dotyczące cookies
W ramach naszej witryny stosujemy pliki cookies w celu świadczenia Państwu usług na najwyższym poziomie, w tym w sposób dostosowany do indywidualnych potrzeb. Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień dotyczących cookies oznacza, że będą one zamieszczane w Państwa urządzeniu końcowym. Możecie Państwo dokonać w każdym czasie zmiany ustawień dotyczących cookies. Więcej szczegółów na stronie Polityka Prywatności.


rejestracja

Poprawa efektywności działania skraplaczy rurowo - drutowych - XL Dni Chłodnictwa

Opublikowano: 30.10.2008

image

Przeprowadzono analizę środków, które można wykorzystać w celu po-prawienia efektywności działania skraplaczy rurowo-drutowych, a wymykających z wyników badan własnych i danych podawanych w literaturze. Przedstawiono wyniki badan doświadczalnych wykazujących wpływ wydajności skraplacza na pracę chodziarek i zużycie energii przez nie. Omówiono rożne metody wzmocnienia współczynnika przejmowania ciepła po stronie powietrznej skraplaczy.
 




1. WPROWADZENIE

W ostatnich latach rosnące zainteresowanie ochrona, środowiska naturalnego doprowadziło między innymi do wprowadzenia nowych czynników chłodniczych, a także zredukowania zużycia energii przez urządzenia chłodnicze. W zakresie małych urządzeń chłodniczych, to właśnie chodziarki i zamrażarki stanowią jedno z głównych źródeł poboru energii w gospodarstwach domowych [1]. Prace badawcze dotyczące takich urządzeń ukierunkowane są na zmniejszenie zużycia energii, a także na zwiększenie stosunku użytecznej pojemności do objętości całego urządzenia, na co znaczący wpływ mają charakterystyki konstrukcyjne i robocze parownika i skraplacza, czyli wymienników ciepła zainstalowanych w chłodziarce. Jednym z najczęściej stosowanych rozwiązań konstrukcyjnych skraplacza jest wymiennik typu rurowo-drutowego, który zbudowany jest z pojedynczej stalowej rury, wewnątrz której przepływa czynnik chłodniczy oraz szeregu stalowych drutów służących jako rozwinięcie powierzchni wymiany ciepła (Rys. 1). Rura wygięta jest w ten sposób, ze tworzy wężownicę, do której punktowo przyspawane są druty. Coraz częściej buduje się również parowniki zamrażarek w postaci wymiennika rurowo-drutowego.



Pomimo szerokiego wykorzystania tego typu wymienników, w literaturze można znaleźć tylko kilka wcześniejszych prac związanych z charakterystyką wymiany ciepła tu zachodzącej. Witzell i Fontaine [2,3] byli jednymi z pierwszych, którzy badali doświadczalnie wymiany ciepła od wymienników rurowo-drutowych, chociaż ich ba-dania ograniczyły się do wąskiego zakresu parametrów geometrycznych. Podczas gdy w Stanach Zjednoczonych zdecydowana większość chłodziarek domowych wykorzystuje skraplacze i parowniki z przepływem wymuszonym [4] (brak szronienia i lepsze współczynniki przejmowania ciepła), to w Europie, konwekcja naturalna w połączeniu z promieniowaniem stanowią ciągle najczęściej wykorzystywane rodzaje wymiany ciepła. Jednak jak do tej pory nie opracowano żadnej zależności na wymiany ciepła, która uwzględniała by szereg parametrów geometrycznych i operacyjnych wpływających na to zjawisko, chociaż czynione są tu postępy [4,5,6,7]. Tanda i Tagliafico [5] podali zależność eksperymentalną na liczbę Nusselta jako funkcję wymiarów geometrycznych i parametrów roboczych, która pozwala na oszacowanie wymiany ciepła drogą konwekcji naturalnej od pionowego wymiennika ciepła typu rurowo-drutowego do otaczającego go powietrza. Nowe, bardzo efektywne wymienniki ciepła z rurami ożebrowanymi drutami i spiralami zostały wprowadzone przez Martynova [8] w badaniach instalacji kriogenicznych. Wykonano tez pierwsze wysiłki mające na celu numeryczną analizę pracy wymienników rurowo-drutowych, których zadaniem była optymalizacja konstrukcji [9,10,11]. Wykorzystano do tego celu metod§ elementów skończonych (Quadir [9], Bansal [10], Ameen i współpracownicy [11]) lub model sieci neuronowej (Islamoglu [12], Pacheca-Vega i inni [13]), uzyskując obiecujące wyniki.

W pracy tej przedstawiona została analiza czynników wpływających na całkowitą wymianę ciepła od zewnętrznej powierzchni wymiennika ciepła do otaczającego go powietrza, a także rozważono możliwości ich wpływu na pracę całego urządzenia. Omówiono również sposoby intensyfikacji wymiany ciepła po stronie powietrznej skraplaczy rurowo-drutowych, które powinny usprawnić pracę całego urządzenia chłodniczego i zredukować zużycie energii.

2. BADANIA WPŁYWU TEMPERATURY SKRAPLANIA NA ZUŻYCIE ENERGII

W przypadku agregatu chłodniczego z kapilarnym elementem dławiącym, w warunkach wypływu krytycznego z rurki kapilarnej, strumień masy jest zależny od parametrów czynnika na wejściu do kapilary (skraplanie) oraz parametrów geometrycznych kapilary i ewentualnej wymiany ciepła miedzy rurką i otoczeniem. Graniczny strumień masy przy założeniu tego samego ciśnienia krytycznego i zmianie ciśnienia na wejściu do kapilary (wyjście ze skraplacza) daje zwiększenie strumienia masy o około 10%.

 
                                                 
 
-1,5   -1,0    -0,5  0     +0,5   mV                         -1,5  -1,0   -0^  0   +9,.5mV

Rys. 2. Przebiegi temperatur w punktach charakterystycznych skraplacza i
sprężarki agregatu chłodniczego (po lewej) oraz parownika i szafki agregatu chłodniczego podczas cyklu pracy; u dołu - w warunkach normalnej pracy skraplacza; u góry - w warunkach intensyfikacji wymiany ciepła (temperatura otoczenia 30°C)

Zwiększenie zatem strumienia masy poprzez rurkę kapilarną stanowiąca ogranicznik przepływu dla układu, przy jednoczesnej możliwości zwiększenia objętości przez sprężarkę o wartość tego samego rzędu, daje poprawną pracę agregatu z efektywnym zwiększeniem wydajności chłodniczej również o około 10%. Konsekwencją tego będzie skrócenie czasu pracy, a zatem zmniejszenie zużycia energii na osiągnięcie takiego samego efektu chłodzenia.

Przeprowadzone badania wpływu temperatury skraplania na zużycie energii, przy tych samych warunkach cieplnych komory chłodniczej, pozwalają na stwierdzenie, ze zwiększenie wydajności cieplnej skraplacza poprzez intensyfikację. wymiany ciepła po stronie powietrznej, w sposób wyraźny wpływa na zużycie energii przez urządzenie chłodnicze. Średnia moc cyklu zmniejszyła się o około 2,3%, względny czas pracy sprężarki był mniejszy o około 17,8%. Skutkiem tego obniży to się zużycie energii o około 14,8%. Wydaje się, ze obniżenie temperatury skraplania, np. dzięki zwiększeniu współczynnika przejmowania ciepła na zewnętrznej powierzchni skraplacza, jest uzasadnione, gdyż pozwala na znaczne obniżenie zużycia energii. Przebiegi temperatur w punktach charakterystycznych urządzenia chłodniczego, uzyskane podczas tych pomiarów wykazują ze poziom temperatury we wszystkich badanych punktach obniża się, czas pracy sprężarki jest krótszy, czas całego cyklu także jest mniejszy [14]. Przykładowe przebiegi temperatur w rożnych punktach charakterystycznych urządzenia chłodniczego, uzyskane podczas tych pomiarów pokazano na Rys. 2.

3. METODY INTENSYFIKACJI WYMIANY CIEPŁA PO STRONIE POWIETRZNEJ SKRAPLACZY RUROWO - DRUTOWYCH

3.1. Nachylone druty ożebrowania



Rys. 3. Wpływ nachylenia powierzchni      Rys. 4. Skraplacz rurowo - drutowy;
cylindrycznej na współczynnik                             druty skośne, dzielone
przejmowania ciepła [15]

Badania eksperymentalne skraplaczy rurowo - drutowych wykazały, ze udział rur w ogólnej wymianie ciepła jest maty. Elementem wymieniającym zdecydowanie większą ilość ciepła są druty. Wiadomo jednak, ze najkorzystniejsze współczynniki przejmowania ciepła od powierzchni cylindrycznych zachodzą. dla pozycji poziomej tych elementów konstrukcyjnych [15] (Rys. 3). Natomiast rury, wewnątrz których przepływa skraplający się czynnik chłodniczy (mieszanina pary i ciekłego czynnika) nie powinny pracować w układzie pionowym ze względu na możliwość tworzenia się syfonów i utrudnienia w przepływie skroplin. Dlatego tez we współczesnych rozwiązaniach tego typu wymienników przeważają, skraplacze z rurami poziomymi i drutami pionowymi. Zastąpienie drutów pionowych drutami skośnymi (Rys. 4) może przynieść dobre rezultaty dla konwekcyjnej wymiany ciepła, Dzięki poprawie współczynników przejmowania ciepła na powierzchniach cylindrycznych i wykorzystania wzmocnienia konwekcyjnej wymiany w pionowych układach rurek nachylonych do poziomu znajdujących się w płaszczyźnie pionowej.

3.2. Wzajemne oddziaływanie elementów wymieniających ciepło

Badania eksperymentalne konwekcji naturalnej dla układów nachylonych rur [14,16], gdzie występuje ich wzajemne oddziaływanie na warunki transportu ciepła i można, dla pewnych układów, uzyskać wzmocnienie konwekcyjnej wymiany ciepła, wykazały, ze przestrzenne systemy tego typu mogą być wykorzystane przy projektowaniu i budowie skraplaczy rurowo-drutowych dla chodziarek domowych. Wykonuje sieje zazwyczaj z drutami pionowymi i rurkami poziomymi. Szczególną uwagę należy poświęcić układowi rur poziomych lub nachylonych umieszczonych jedna nad drugą w tej samej płaszczyźnie pionowej. Jeżeli powierzenie rurek będą ogrzewane, to wy-wota to ruch pionowy otaczającego powietrza od powierzchni każdej z nich. Powietrze poruszające się od powierzchni rurki umieszczonej niżej będzie oddziaływać na warunki wymiany ciepła przy powierzchni drugiej rurki umieszczonej wyżej. Wpływ ten można rozdzielić na dwa odmienne mechanizmy. Po pierwsze, w związku z występowaniem sit wyporowych wywołanych przez podgrzanie powietrza od dolnej rurki, płyn (powietrze) docierający do wyżej położonej rurki znajduje się w ruchu, a to oznacza, ze ta powierzchnia cylindryczna podlega wymianie ciepła przez konwekcje. wymuszoną (bardzo słabej, a wiec przy większym współczynniku przejmowania ciepła. W konsekwencji można stwierdzić, ze obecność dolnej rurki poprawia współczynnik wymiany ciepła na powierzchni rurki górnej w odniesieniu do gładkiej powierzchni pojedynczej rury. Jednak, z drugiej strony, efektem wymiany ciepła na powierzchni rurki dolnej będzie wzrost temperatury płynu (powietrza) docierającego do powierzchni wyżej położonej rurki w stosunku do temperatury otaczającego powietrza. Dolny element działa jak nagrzewnica wstępna wobec wyżej położonej rurki grzewczej. Daje to zmniejszenie różnicy temperatury między powierzchnią i płynem i redukuje ilość wymienianego ciepła w stosunku do warunków dla pojedynczej rury. Doświadczenia wykazują. jednak pozytywny wpływ takich układów na sumaryczną wymianę ciepła (wzmocnienie współczynnika przejmowania ciepła do 20%), oczywiście przy odpowiednio dobranej podziałce rozstawu rur lub drutów.

3.3. Ograniczenie przestrzeni powietrznej (efekt szczelinowy)

Wzmocnienie wymiany ciepła można uzyskać, jeżeli element wydzielający ciepło do otaczającego powietrza umieści się między płaskimi ściankami tworzącymi pionowy kanał (przestrzeń ograniczona - szczelina). Występujący tu efekt kominowy, czyli zjawisko polegające na zwiększeniu prędkości przepływu czynnika (powietrza), zwiększającego swoją objętość wskutek podgrzania, w związku z ograniczeniem przestrzeni spowodowanym występowaniem ścianek bocznych. Badania eksperymentalne i rozważania teoretyczne potwierdzają, ze umieszczenie grzanego poziomego cylindra między pionowymi ściankami powodują wzmocnienie wymiany ciepła na powierzchni rury. Wielkość relatywnej poprawy warunków wymiany ciepła spada wraz ze wzrostem licz-by Rayleigha dla wszystkich wartości stosunku odległości rury od ścianki do średnicy rury. Ponadto polepszenie przejmowania ciepła na powierzchni rury zmniejsza się, gdy zwiększamy odległość między ściankami tworzącymi pionowy kanał dla całego zakresu liczb Rayleigha. Uzyskane wartości wzmocnienia wymiany ciepła dochodzą. do 45% w stosunku do rury w przestrzeni nieograniczonej. Takie maksimum występuje przy najmniejszych liczbach Ra i małym stosunku szerokości do średnicy [17].
Wymiana ciepła od kilku elementów typu rura umieszczonych między dwoma pionowymi ściankami (Rys. 5) była również przedmiotem badan eksperymentalnych i obliczeń numerycznych. Stwierdzono, ze wymiana ciepła dla rzędu rur poziomych umieszczonych między izotermicznymi ściankami przebiega w sposób charaktery-styczny wykazany dla wymiany ciepła od pojedynczej rury umieszczonej w szczelinie. Przy czym, oprócz uwzględnienia właściwości pojedynczej rury w szczelinie, należy wziąć pod uwagę fakt wzajemnego wpływu rur na siebie, w zależności od umiejscowienia w rzędzie, analogicznie do stwierdzonych zależności dla rzędów rur w przestrzeni nieograniczonej.


Rys. 5. Układ poziomych elementów cylindrycznych w przestrzeni ograniczonej

3.4.    Wibracje

Wibracje powierzchni, jako metodę. intensyfikacji, najczęściej stosuje się dla rury poziomej drgającej w płaszczyźnie pionowej lub poziomej. Współczynniki wymiany ciepła można w ten sposób zwiększyć aż do 10 razy zarówno dla drgań o niskiej częstotliwości i wysokiej amplitudzie, jak i dla drgań o wysokiej częstotliwości i niskiej amplitudzie. Ponieważ w praktycznych rozwiązaniach wymienników ciepła wibracje takie trudno zrealizować, to stosuje sie; alternatywę technikę polegającą na wywołaniu wibracji w płynie kierowanym do powierzchni wymiany ciepła. Możliwe jest uzyska-nie wymiany ciepła wyższej o kilkaset procent.

3.5.    Pole elektryczne
Pola elektryczne są szczególnie skuteczne przy intensyfikacji wymiany ciepła droga_ konwekcji naturalnej. Siły elektroforezy lub dielektroforezy, szczególnie przy jonizacji gazu, powodują lepsze mieszanie czynnika w sąsiedztwie powierzchni wymieniającej ciepło. Dzięki takiej metodzie można zwiększyć współczynniki wymiany ciepła do 40 razy, przy potencjale elektrostatycznym do 100 kV.

3.6.    Wykorzystanie ciepła chłodzenia sprężarki


 
Rys. 6. Zmierzone względne prędkości powietrza w otoczeniu skraplacza

Jeżeli skraplacz umieszczony jest na tylnej ściance szafki chodziarki, a sprężarka hermetyczna znajduje się pod nim, to powietrze chłodzone czaszę sprężarki konwekcyjnie unosi się do góry, dopływając do skraplacza z pewna. niewielka, prędkością początkową co może powodować występnie konwekcji mieszanej na powierzchni takiego wymiennika. Współczynniki przejmowania ciepła dla konwekcji mieszanej sq. wyższe niż dla konwekcji naturalnej. Zmierzone prędkości względne powietrza przy powierzchni skraplacza pokazano na Rys. 6.

3.7. Chropowatość powierzchni wymiany ciepła

Powierzchnia o wyższej chropowatości daje efekt intensyfikacji wymiany ciepła dla konwekcji wymuszonej. Określoną_ gładkość powierzchni możemy uzyskać w cza-sie wytwarzania danego elementu, n . przez toczenie, odlewanie, tłoczenie itp. Wysoka chropowatość powierzchni jest zazwyczaj łączona z niskim ożebrowaniem elementu wymieniającego ciepło, gdyż większa nierównomierność pociąga za sobą, zwiększone pole kontaktu czynnika z powierzchnia, i powoduje redukcję grubości warstwy przyściennej, bliskiej powierzchni rury oraz wprowadza lepsze mieszanie płynu.

3.8. Kombinowane (łączone) metody intensyfikacji wymiany ciepła

Jeżeli jedną z metod intensyfikacji wymiany ciepła połączymy z innymi metodami wzmocnienia transportu ciepła, to w wyniku uzyskamy kombinowana, (łączoną metody intensyfikacji wymiany ciepła, czyli metody czwartej generacji wymiany ciepła, czyli trzecią generacją metod intensyfikacji wymiany ciepła, zgodnie z Berglesem [18]. Można uzyskać w ten sposób wyniki lepsze niż wynikałyby z sumarycznego efektu każdej z metod zastosowanej oddzielnie.

4. PODSUMOWANIE

Skraplacze rurowo-drutowe stanowią, dobre i proste rozwiązanie dla konstruktorów urządzeń chłodniczych i ciągle znajdują. szerokie zastosowanie w większości małych urządzeń chłodniczych (chłodziarki i zamrażarki domowe, handlowe urządzenia chłodnicze). Wymiana ciepła między zewnętrzna, powierzchnia, wymiennika a otaczającym ją powietrzem odbywa się drogą promieniowania i konwekcji naturalnej. Wyniki przeprowadzonej analizy pozwalającą na stwierdzenie, ze zwiększenie wydajności cieplnej skraplacza poprzez intensyfikację wymiany ciepła po stronie powietrznej, w sposób wyraźny wpływa na zużycie energii przez urządzenie chłodnicze. Skutkiem tego obniżono zużycie energii o około 15%. Wydaje się, że dążenie do obniżenia temperatury skraplania, np. dzięki zwiększeniu współczynnika przejmowania ciepła na zewnętrznej powierzchni skraplacza, jest szczególnie ważne.
Ponieważ małe domowe urządzenia chłodnicze (chodziarki, zamrażarki) stanowią, jedne z najważniejszych urządzeń zużywających energię elektryczna, w gospodarstwie domowym i są stosowane powszechnie, to uzyskanie nawet najmniejszych oszczędności energetycznych lub materiałowych w takich urządzeniach daje globalnie olbrzymie zmniejszenie zapotrzebowania na energię.

LITERATURA

[I]    RADERMACHER R., KIM K., Domestic refrigerators: recent developments.
IntJ.Refrig., 19, No. 1, 1996, s.61-69
[2]   WITZELL O.W., FONTAINE W.E., What are the heat transfer characteristics of
wire and tube condensers? Refrigerating Engineering, 65, 1957, s.33-37, 127 [3]   WITZELL O.W., FONTAINE W.E., Design of wire and tube condensers.
Refrigerating Engineering, 65, 1957, s.41-44 [4]   HOKE J.L., CLAUSING A.M., SWORFFORD T.D., An experimental investigation
of convective heat transfer from wire-and-tube heat exchangers. ASME J. Heat
Transfer, 119, 1997, s.348-356 [5]   TANDA G., TAGLIAFICO L., Free convection heat transfer from wire-and-tube
heat exchangers. ASME J. Heat Transfer, 119, 1997, s.370-372 [6]   TAGLIAFICO L., TANDA G., Radiation and natural convection heat transfer
from wire-and-tube heat exchangers in refrigeration appliances. Int. J. Refrig., 20,
Nr7, 1997, s.461-469 [7]   LEE T.H., YUN J.Y., LEE J.S., PARK J.J., LEE K.S., Determination of airside
heat transfer coefficient on wire-on-tube type heat exchanger. Int. J. Heat&Mass
Transfer, 44, 2001, s.1767-1776 [8]   MARTYNOV V.A., New and effective heat exchangers with tubes finned with
wires and spirals. Chem. Petroleum Eng. J., 25, 3-4., 1989, s.124-128 [9]   QUADIR G.A., KRISHNAN G.M., SEETHARAMU K.N., Modelling of wire-on-tube heat exchangers using finite element method. Finite Elements in Analysis
and Design, 38, 2002, s.417-434 [10] BANSAL P.K.,  CHIN T.C., Modelling  and  optimisation of wire-and-tube
condenser. Int. J. Refrigeration, 26, 2003, s.601+613
[II]    AMEEN A., MOLLIK S.A., MAHMUD K, QUADIR G.A., SEETHARAMU
K.N., Numerical Analysis and Experimental Investigation into the Performance of
a Wire-on-Tube Condenser of a Retrofitted Refrigerator. Int. J. Refrigeration, 29,
2006, s.495-504
[12] Islamoglu Y., A new approach for the prediction of the heat transfer rate of the
wire-on-tube heat exchanger - use of an artificial neural network model. Applied
Thermal Engineering, 23,2003, s.243-249 [13] PACHECO-VEGA A., SEN M., YANG K.T., MCCLAIN R.L., Neural network
analysis of fin-tube refrigerating heat exchanger with limiteed experimental data.
Int. J. Heat&Mass Transfer, 44, 2001, s.763-770 [14] ZAWADZKI A., Wymiana ciepła po stronie powietrznej wymienników ciepła
rurowo - drutowych stosowanych w chłodnictwie. Materiały z XXXVIII Dni
Chłodnictwa. Konferencja Naukowo-Techniczna. Poznań - Rosnówko, 15-16
listopada 2006 r., s.291-306 [15] MORGAN V.T., The Heat Transfer from Bare Stranded Conductors by Natural and
Forced Convection in Air. Int.J.Heat Mass Transfer, Vol.16, 1973, s.2023-2034 [16] ZAWADZKI A., Badania eksperymentalne wymiany ciepła na zewnętrznych
powierzchniach układów pochylonych rur. Materiały z XXXVII Dni Chłodnictwa.
Konferencja Naukowo-Techniczna. Poznań - Rosnówko, 23-24 listopada 2005 r.,
s.257-268 [17] FAROUK B., GUCERI S.I., Natural and mixed convection heat transfer around a horizontal cylinder within confining walls. Numerical Heat Transfer, vol. 5, 1982, s.329-341
[18] BERGLES  A.E.,   ExHFT  for  fourth  generation  heat  transfer  technology. Experimental Thermal and Fluid Science, 26, 2002, S.335-K544

Autor:

Andrzej ZAWADZKI
Politechnika Łódzka, Katedra Techniki Cieplnej i Chłodnictwa

Źródło:

XL Dni Chłodnictwa Poznań 2008

Sponsor Medialny:

      



Centralny Rejestr Operatorów i Baza Danych Sprawozdań - FAQ
Detektory amoniaku w chłodniach i maszynowniach chłodniczych

Katalog firm

  • COOL Daria Kalinowska

    P.P.H.COOL jest jedną z nawiększych polskich  firm produkujących fr…
    COOL Daria Kalinowska
  • Scrol

    SCROL  - zajmujemy się profesjonalnym zaopatrzeniem polskiego i zagranic…
    Scrol
  • Beijer Ref Polska

    Grupa Beijer Ref działamy obecnie w ponad 20 krajach, dostarczając pełen zakr…
    Beijer Ref Polska

Produkty