W artykule przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych wymiany ciepła oraz oporów przepływu w minikanałowym wymienniku ciepła. Badano średnie wartości współczynnika przejmowania ciepła oraz spadki ciśnienia dla przypadku skraplania oraz wrzenia propanu od wlotu do wymiennika w postaci pary przegrzanej do wylotu w postaci cieczy dochłodzonej dla różnych gęstości strumienia masy czynnika chłodniczego.

Stosowanie czynników naturalnych w układach chłodniczych jest efektem realizacji polityki ograniczania emisji szkodliwych substancji do otoczenia. Wymagane jest jednak rozwiązanie problemu niskiej efektywności wymiany ciepła w tradycyjnych skraplaczach i parownikach. Niska intensywność wymiany ciepła wynika ze słabych właściwości termo-kinetycznych stosowanych w chłodnictwie naturalnych czynników chłodniczych i może być zwiększona poprzez zastosowanie wymienników minikanałowych.

Zastosowanie minikanałowych wymienników ciepła w układach chłodniczych nie stanowi jeszcze rozpowszechnionej praktyki. Wymienniki te pozwalają na uzyskanie wysokich wartości współczynników przejmowania ciepła przy ich wysokiej zwartości oraz bardzo małej pojemności. Ich zastosowanie jest zatem jednym ze sposobów minimalizacji napełnienia układu chłodniczego czynnikiem, co jest szczególnie istotne dla układów, w których są stosowane węglowodory, w tym propan.

W niniejszym artykule zaprezentowano wyniki badań eksperymentalnych przykładowego minikanałowego wymiennika ciepła pracującego jako skraplacz lub parownik w sprężarkowym układzie chłodniczym z propanem jako czynnikiem roboczym. Celem badań jest pomiar średnich wartości współczynnika przejmowania ciepła dla całego obszaru pracy tego wymiennika, czyli w przypadku skraplacza od pary przegrzanej na wlocie, do cieczy dochłodzonej na wylocie z wymiennika, zaś w przypadku parownika – od pary mokrej na wylocie z zaworu rozprężnego, do pary przegrzanej na wylocie z wymiennika.

Należy podkreślić, że zazwyczaj z praktycznego punktu widzenia interesujące są średnie wartości współczynników przejmowania ciepła dla wymiennika, zwłaszcza po stronie czynnika chłodniczego, gdzie przebiegają procesy wrzenia bądź skraplania. Znajomość średnich wartości współczynników przejmowania ciepła jest bardzo ważnym elementem na etapie projektowania wymiennika ciepła czy jego analizy. Znajomość ich wartości pozwala stworzyć najlepsze warunki wymiany ciepła, określić optymalne gabaryty czy też odpowiednią konstrukcję wymiennika. Pomiar takich średnich wartości współczynników przejmowania ciepła nastręcza jednakże bardzo poważne trudności i wymaga zastosowania dość złożonej procedury pomiaru pośredniego, co zostanie omówione w dalszej części artykułu.

Badany wymiennik i stanowisko badawcze Przedmiotem badań był lamelowy minikanałowy wymiennik ciepła typu czynnik chłodniczy (propan) – powietrze. Wymiennik ten w układzie chłodniczym, w zależności od celu badania, pełnił rolę skraplacza czynnika chłodniczego, bądź parownika. Na rysunku 1. przedstawiono zdjęcie badanego wymiennika i pokazano sposób zamocowania go do płyty nośnej. Zastosowanie płyty było niezbędne ze względu na dopasowanie wymiarów minikanałowego wymiennika, do przekroju poprzecznego powietrznego kanału badawczego.

Rys. 1. Widok ogólny badanego wymiennika ciepła minikanałowego: a) przed montażem; b) po przymocowaniu do płyty nośnej

Badany wymiennik jest wykonany z aluminiowych rurek o wymiarach 25,0 x 2,0 mm, wewnątrz których jest 13 minikanałów. Końce rurek są połączone z kolektorami w taki sposób, że utworzone zostały cztery sekcje złożone (zgodnie z kierunkiem przepływu) odpowiednio obejmujące 33, 24, 14 i 6 rurek. Po stronie powietrza pomiędzy rurkami wykonane są ożebrowania żaluzjowe o wysokości 9 mm w odstępie poziomym 1,5 mm. Wymiana ciepła po stronie powietrza dodatkowo intensyfi kowana jest poprzez odpowiednio ukształtowane nacięcia (żaluzje) widoczne na rysunku 2. Wielkości charakteryzujące wymiennik zestawiono w tabeli 1.

Rys. 2. Szczegóły konstrukcji badanego skraplacza: a) ożebrowanie żaluzjowe po stronie powietrza; b) przekrój elementu (rurki) skraplacza z minikanałami

Stanowisko do badania wymienników chłodniczych zostało zbudowane na bazie autonomicznego propanowego układu chłodniczego z ergolidowym obciążeniem cieplnym dolnego i górnego źródła ciepła, którego schemat w wersji podstawowej pokazano na rysunku 3. Stanowisko to umożliwia zasilanie czynnikiem chłodniczym zewnętrznych wymienników ciepła – skraplacza bądź parownika, które mogą być obiektem badań eksperymentalnych. W przypadku badania skraplacza lub parownika typu czynnik chłodniczy – powietrze wykorzystuje się kanał powietrzny umożliwiający przepływ powietrza o wymaganych parametrach. Schemat poglądowy stanowiska przedstawiono na rysunku 4., zaś schemat ideowy stanowiska w wersji przystosowanej do badań skraplacza przedstawiono na rysunku 5.

Rys. 3. Schemat ideowy stanowiska badawczego w wersji podstawowej: SP – sprężarka; OO – odolejacz; ZB – zawór bezpieczeństwa; SK – skraplacz; ZC – zbiornik cieczy; ZE – zawór elektromagnetyczny; MC, ME, MN – przepływomierze; ZR1 – elektroniczny zawór rozprężny; PR – parownik; KE – kotły elektryczne; ZE – zasobnik płynu pośredniczącego (Ergolidu); CG – chłodnica glikolu; PWN, PWE – pompy

Rys. 4. Schemat poglądowy stanowiska do badania wymienników ciepła typu czynnik – powietrze w Laboratorium Chłodnictwa Politechniki Białostockiej

Rys. 5. Schemat ideowy stanowiska w wersji do badania skraplacza minikanałowego: SP – sprężarka; OO – odolejacz; ZB – zawór bezpieczeństwa; SB – badany skraplacz; ZC – zbiornik cieczy; ZE – zawór elektromagnetyczny odcinający; MC– przepływomierz; ZR1 – elektroniczny zawór rozprężny; PR –parownik płytowy

(...)

Kanał badawczy, w którym umieszczony został badany wymiennik, jest wykonany ze standardowych elementów wentylacyjnych o przekroju 1000 x 1000 mm i 630 x 630 mm. Strumień przepływającego przez kanał powietrza jest regulowany za pomocą wentylatora promieniowego zasilanego przetwornicą częstotliwości. Temperatura powietrza w kanale może być stabilizowana, dzięki zastosowaniu nagrzewnicy/chłodnicy powietrza. Układ grzewczy/chłodzący w kanale został wykonany jako układ pośredni, korzystając z dodatkowego układu chłodniczego, który może ogrzewać lub chłodzić czynnik pośredniczący w zależności od nastawy systemu zaworów kulowych.

Kanał wyposażony jest w urządzenia pomiarowe strumienia masy oraz wilgotności i ciśnienia powietrza za badanym wymiennikiem oraz spadek ciśnienia na wymienniku. Mierzy się również rozkład temperatury powietrza na wlocie i wylocie badanego wymiennika. Do tego celu stosuje się siatkę złożoną z 25 termoelementów rozmieszczonych co 200 mm (rys. 6.). Badany wymiennik umieszczony był w kanale pomiędzy siatkami temperaturowymi, które umieszczono w odległości 300 mm przed i za badanym wymiennikiem.

Rys. 6. Geometria siatki pomiaru temperatur

Układ pomiarowy

(...)

Metodyka pomiarowa

(...)

Wyniki pomiarów dla pracy wymiennika jako skraplacza

(...)

Wyniki pomiarów dla pracy wymiennika jako chłodnica powietrza

Minikanałowy wymiennik ciepła pracujący jako parownik (chłodnica powietrza) był zasilany czynnikiem chłodniczym z instalacji propanowej. Ze względów konstrukcyjnych oraz potrzeb badawczych do zasilenia badanego parownika minikanałowego zastosowano elektroniczny zawór dławiący, który pozwolił na bardzo płynną regulację przegrzania czynnika na parowniku. Ciśnienie parowania utrzymywane było na poziomie 0,6 MPa, co odpowiada temperaturze nasycenia 8°C. Strumień masy czynnika chłodniczego zmieniał się w zakresie 120÷200 kg/h. W badaniach zmiennymi parametrami były: przegrzanie pary na wylocie z wymiennika oraz strumień masy czynnika chłodniczego (propanu). Wartości współczynnika przenikania ciepła dla badanego parownika przedstawiono na rysunku 13. Jak widać, wyższe wartości uzyskano dla większych gęstości strumienia masy czynnika, co jest efektem oczekiwanym. Należy podkreślić, że są to wartości odniesione do pola powierzchni rozwiniętej po stronie powietrza.

Rys. 13. Współczynnik przenikania ciepła w funkcji gęstości strumienia masy czynnika chłodniczego dla badanego parownika minikanałowego

Na podstawie uzyskanych wartości współczynnika przenikania ciepła, poprzez zastosowanie opisanej powyżej metody pomiarowej − uzyskano wartości współczynnika przejmowania ciepła średnie dla całego wymiennika, a wiec obejmujące także strefę przegrzewu pary.

Najwyższe wartości współczynników przejmowania ciepła uzyskano dla najwyższych gęstości strumienia ciepła, co pokazano na rysunku 14. Stosunkowo niskie wartości średnich współczynników przejmowania ciepła należy tłumaczyć tym, że są to wartości uśrednione, obejmujące strefę przegrzania pary. Tak więc w przypadku szczególnie wysokich przegrzań pary − strefa jednofazowej konwekcji wymuszonej dla pary przegrzanej, cechująca się bardzo niskimi wartościami współczynników przejmowania ciepła, dominuje w wymienniku, co w efekcie skutkuje niskimi wartościami współczynników przejmowania ciepła (rys. 15.).

Rys. 14. Współczynnik przejmowania ciepła w funkcji gęstości strumienia ciepła dla badanego parownika minikanałowego

Rys. 15. Współczynnik przejmowania ciepła w funkcji przegrzania pary na wylocie dla badanego parownika minikanałowego

Uwagi końcowe

W artykule przedstawiono stanowisko badawcze dedykowane do kompleksowych badań nowoczesnych minikanałowych wymienników ciepła z zastosowaniem propanu jako czynnika roboczego. Należy zauważyć, że jak dotąd w chłodnictwie technologicznym, a w tym również w przechowalnictwie nie stosowano tego typu wymienników ciepła. Obecnie głównym obszarem aplikacji minikanałowych skraplaczy chłodzonych powietrzem bądź chłodnic powietrza jest klimatyzacja mobilna (głównie przemysł samochodowy bądź kolejnictwo). Producenci tego typu wymienników ciepła nie posiadają żadnych informacji dotyczących pracy tych wymienników z propanem.

Zasadniczym celem badań było rozpoznanie parametrów cieplno-przepływowych minikanałowych wymienników ciepła dla propanu w zakresie parametrów pracy właściwych dla układów chłodniczych obsługujących komory przechowalnicze warzyw. Badania wzbogacono o pomiary współczynników przejmowania ciepła z zastosowaniem metody rozdzielenia oporów przepływu ciepła, uzyskując potwierdzenie wzrostu wartości współczynników przejmowania ciepła wraz ze wzrostem strumienia masy czynnika roboczego dla badanego wymiennika minikanałowego. Należy podkreślić, że zmierzone wartości współczynników są uśrednione.

***
Podziękowanie
Prace zostały sfinansowane ze środków Projektu
PBS1/A8/7/2012 „Kompleksowe rozwiązania technologii
chłodniczej składowania warzyw”.

Jerzy GAGAN
– Politechnika Białostocka,
Wydział Mechaniczny

Kamil ŚMIERCIEW
– Politechnika Białostocka,
Wydział Mechaniczny

Dariusz BUTRYMOWICZ
– Politechnika Białostocka,
Wydział Mechaniczny

Adam DUDAR
– Politechnika Białostocka,
Wydział Mechaniczny

Michał ŁUKASZUK
– Politechnika Białostocka,
Wydział Mechaniczny

LITERATURA:

[1] BUTRYMOWICZ D.: Pośrednia metoda wyznaczania współczynnika wnikania ciepła w aparatach płaszczowo-rurowych. XVI Międzynarodowe Sympozjum Siłowni Okrętowych. Gdańsk. s. 51-58. 1994.

[2] BRIGGS D. E., YOUNG E. H.: Modifi ed Wilson Plot Techniques for Obtaining Heat Transfer Correlations for Shell and Tube Heat Exchangers. Chemical Engineering Progress Symposium. Ser. Nr 92. Vol. 65. s. 35-45. 1969.

[3] BOHDAL T., CHARUN H., CZAPP M., DUTKOWSKI K.: Wrzenie perspektywicznych czynników w parownikach chłodniczych. Wydawnictwo Politechniki Koszalińskiej. 1998.

[4] CZAPP M.: Przemiany fazowe w wężownicach chłodniczych wymienników ciepła. Monografi a. Wydawnictwo Politechniki Koszalińskiej. 2002.

[5] BUTRYMOWICZ D. (red.): Nowoczesne technologie dla sektora rolnospożywczego przy ograniczeniu emisji gazów cieplarnianych, monografi a. Oficyna Wydawnicza Politechniki Białostockiej. Białystok. w druku, 2017.

[6] GAGAN J., BUTRYMOWICZ D., ŁUKASZUK M., DUDAR A., ŚMIERCIEW K.: Experimental investigations of propane minichannel condenser. Proceedings of the 24th IIR International Congress of Refrigeration. Yokohama, Japan. August 16-22, 2015. ID 515.

[7] BUTRYMOWICZ D., GAGAN J., SKIEPKO T., DUDAR A., ŁUKASZUK M., ŚMIERCIEW K.: Experimental Investigations Of Propane Minichannel Condenser And Evaporator. 16th International Refrigeration and Air Conditioning Conference at Purdue. USA. 2016. Paper No. 2672.