Najnowsze osiągnięcia technologiczne wymienników powietrznych na CO2

W wielu aplikacjach chłodniczych stosuje się CO2, który jest ekologicznym czynnikiem chłodniczym o doskonałych parametrach.

Dzięki wykorzystaniu bardzo nowoczesnego laboratorium badawczego, w którym przetestowano działanie lamelowych wymienników ciepła na CO2 po stronie niskiego, jak i wysokiego ciśnienia, firma Lu-Ve wypracowała wiele przełomowych i ważnych rozwiązań technologicznych.

W laboratorium wdrożono specjalny projekt poświęcony wymiennikom lamelowym na CO2 mający jako główny cel poszerzenie wiedzy nt specyficznych zjawisk towarzyszących procesom parowania, skraplania oraz transkrytycznemu chłodzeniu gazowego CO2. Szeroko przebadano również wpływ obecności oleju występującego wewnątrz wymienników na wewnętrzny współczynnik przejmowania ciepła. Artykuł opisuje przeprowadzone czynności testowe, kalibracje oprogramowania służącego do modelowania procesów oraz potencjalne ulepszenia wymienników.

Dzięki badaniom, możliwe stało się znalezienie sposobu na wzięcie pod uwagę specyficznego zachowania się płynu podczas chłodzenia transkrytycznego oraz prawidłowe uwzględnienie wszystkich parametrów wpływających na rzeczywiste parametry wymiany ciepła.

Z historii CO2

Dwutlenek węgla (CO2) jako czynnik chłodniczy był używany już od połowy XIX wieku. Stosowano go w stacjonarnych układach chłodniczych jak również w chłodniach statków. Oferował wiele korzyści:

  •    ƒƒ niski koszt;
  •    ƒƒ dobre właściwości wymiany ciepła;
  •    ƒƒ nietoksyczność w przypadku wycieków z maszynowni;



dostępność czynnika chłodzącego skraplacz w przypadku aplikacji morskich, w których woda o niskiej temperaturze pozwalała na pracę cyklu chłodniczego w warunkach podkrytycznych.

Pojawienie się czynników syntetycznych (CFC, HCFC) i rozwinięcie technologii sprężarkowej w pierwszej połowie XX wieku spowodowało rezygnację z CO2 jako czynnika chłodniczego. Powtórne „odkrycie” dwutlenku węgla nastąpiło z powodu problemów związanych z ochroną środowiska, które wywołały presję na redukcję użycia czynników CFC i HCFC. W latach 90-tych popularność zyskały publikacje Gustava Lorentzena, który przedstawił liczne analizy zastosowania dwutlenku węgla jako czynnika chłodniczego w komercyjnych układach chłodniczych i w supermarketach.

Firma LU-VE rozpoczęła badania nad wymiennikami powietrznymi na CO2 na początku nowego milenium i w 2012 roku stworzyła dedykowane, wyrafinowane laboratorium do testowania chłodnic oraz gas-coolerów. Niniejsze opracowanie podsumowuje rezultaty analiz eksperymentalnych oraz kalibracji modelu matematycznego stosowanego do doboru i wymiarowania gas-coolerów.

Laboratorium testowe

Laboratorium testowe CO2 zostało zaprojektowane tak, aby mogło przeprowadzać eksperymenty na chłodnicach wewnętrznych oraz na gas-coolerach. Maksymalne ciśnienie robocze wynosi 120 bar natomiast maksymalna temperatura 120°C.

Przygotowano unikalne oprogramowanie na bazie LabView w celu monitorowania i gromadzenia danych. Testy przeprowadzano po uzyskaniu stanu równowagi termicznej pomiędzy testowanym urządzeniem i grupą porównawczą, w celu zagwarantowania rzetelności danych eksperymentalnych. Wymagało to ogromnego nakładu czasu w celu kalibracji instrumentów pomiarowych, w szczególności w warunkach rozproszenia pomiarów w testowej komorze klimatycznej.

Charakterystyka testowanych urządzeń

W laboratorium testowano trzy urządzenia o charakterystykach jak w tabeli 1. Stosowane rurki wykonane były ze stopu K65, zawierającego małą domieszkę żelaza, które w znaczący sposób podnosiło ich mechaniczną wytrzymałość. Obiegi chłodnicze zostały zaprojektowane identycznie, z uwzględnieniem transportu oleju i w taki sposób, aby uniknąć miejsc, gdzie olej mógłby gromadzić się. Jak okazało się później, olej w układzie chłodniczym był głównym powodem spadku wydajności gas coolerów. Na końcu dokonano porównania wartości teoretycznych z eksperymentalnymi.

Model matematyczny obliczeń teoretycznych LU-VE

Oprogramowanie modelujące procesy termodynamiczne stosuje formuły Gnielinskiego i Colburna zmodyfikowane odpowiednio dla płynów jedno i dwufazowych.

Do obliczeń spadku ciśnienia, program stosuje zmodyfikowany wzór Lockharta-Martinellego. Właściwości termodynamiczne i przepływowe dwutlenku węgla są wyznaczane z programu Refprop 8.0. Celem testów jest sprawdzenie poprawności modelu matematycznego bazującego na niniejszych formułach dla pracy układów z CO2. Program oblicza przepływ ciepła gas-coolerów dla przepływów przeciwprądowych. Niemniej można również wprowadzić poprawki dla przepływu krzyżowego części wymiennika chłodzącej przegrzany gaz w skraplaczach. Współczynniki do formuł obliczających wymianę ciepła otrzymywane są na podstawie testów przeprowadzanych w laboratorium LU-VE w standardowych warunkach.

Mając na uwadze specyfikę pracy gas-coolerów w porównaniu do typowych warunków obliczeniowych, wymagana była weryfikacja poprawności i pewne adaptacje formuł. Pierwsze analizy dotyczyły weryfikacji poprawności zastosowania wzorów dla obliczeń przepływów krzyżowych. Aby ocenić wpływ średniej logarytmicznej transformacji danych dla gas-coolerów (w szczególności DTml), zastosowano alternatywne oprogramowanie X3FLOW opracowane w LU-VE. Umożliwiło to kalkulację w trzech wymiarach zgodnie z rzeczywistą strukturą obiegu; podział na skończone wielkości przepływów i obliczenie N-elementowych transferów ciepła dla przepływu krzyżowego z użyciem klasycznych równań metody ε-NTU. Pomimo bardzo złożonych i skomplikowanych obliczeń w programie X3FLOW, analizy porównujące ogólne parametry operacyjne otrzymane wg standardów LU-VE i oprogramowania X3FLOW nie wykazały żadnych szczególnych odchyleń. W konsekwencji zdecydowano nie dokonywać żadnych modyfikacji metody obliczania DTml.

Druga analiza dotyczyła efektu dużego gradientu temperaturowego pomiędzy sąsiednimi rurkami wymiennika, który mógł powodować transfery ciepła przez przewodzenie wzdłuż lamel między tymi rurkami. Aby ocenić wpływ przepływów ciepła pomiędzy dwoma rzędami rurek o istotnej różnicy temperatury płynu wewnątrz, zastosowano symulacje komputerowe CFD.

Jako bazę przyjęto gładką lamelę oraz dwie różnice temperatury pomiędzy płynem wewnątrz rurek:

  •    ƒƒ 70/70°C DELTA 0K
  •    ƒƒ 110/30°C DELTA 80K...



Materiał opracowany przez firmę LUVE

Tłumaczenie: Sławomir KALBARCZYK – Przedstawiciel Techniczno-Handlowy, LU-VE – Tecnair