W artykule omówiono konstrukcje wymienników ciepła spotykanych najczęściej w obiegach lewobieżnych. W artykule omówiono również problem zbieżności równań podczas numerycznego projektowania.

Wymienniki ciepła stosowane w obiegach lewobieżnych

Na krajowym rynku najczęściej spotyka się urządzenia produkowane seryjnie o określonej przez producenta wydajności cieplnej oraz o budowie płytowej lub płaszczowo-rurowej. W dużych układach chłodniczych, które pracują w systemach trigeneracji wymienniki budowane są na zamówienie. Wtedy dostosowuje się je do obciążeń cieplnych wynikających z przyjętych warunków eksploatacyjnych istniejących instalacji energetycznych. Do projektowania wykorzystuje się komercyjne kody CFD lub kody własne w zależności od typu procesu wymiany ciepła (skraplanie, wrzenie). W instalacjach obiegów lewobieżnych spotyka się najczęściej urządzenia, w których zachodzą procesy:

„„ - odzysku ciepła z pary przegrzanej,
„ - skraplania,
„„ - wrzenia.

Na rysunku 1 przedstawione są strefy występujące w skraplaczu i parowniku na przykładzie wymiennika wentylatorowego. W układach chłodniczych najczęściej stosowane są wymienniki typu czynnik chłodniczy-powietrzne (parowniki i skraplacze) (rys. 2). Wykonane są one zazwyczaj w postaci układu kilku wężownic, na których osadzone są żebra (lamele). W przypadku małych wymienników stosuje się wężownice jednodrogowe. Gdy występują duże opory przepływu buduje się skraplacze wielodrogowe, w których wężownice są zasilane ze wspólnego kolektora. Materiały stosowane w budowie tych wymienników powinny charakteryzować się dobrą przewodnością cieplną. Wężownice wykonuje się najczęściej z miedzi a lamele z aluminium lub jego stopów. Czasami stosuje się również stal.

Rys. 1. Zasada działania wymiennika powietrznego a) skraplanie, b) wrzenie [1]

Rys. 2. Wymienniki typu czynnik chłodniczy - powietrzne

Odrębną grupą wymienników stosowanych w chłodnictwie są skraplacze wodne. Schemat ideowy typowego skraplacza płaszczowo-wężownicowego przedstawiono na rysunku 3.

Rys. 3. Skraplacz płaszczowo-wężownicowy [1]

Płaszcz skraplacza wykonany jest z rury bez szwu (1), do której dopasowane są stalowe denka (2). Czynnik skrapla się na zewnętrznych ściankach wężownicy (3), którą przepływa czynnik chłodzący (woda). Mechanizm skraplania w tego typu skraplaczach jest analogiczny jak w przypadku skraplaczy chłodzonych powietrzem, z tym że ciepło oddawane w procesie chłodzenia cieczy i pary oraz skraplania jest pobierane nie przez powietrze tylko przez wodę.

Na rysunku 4 przedstawiono skraplacz płaszczowo-rurowy. Tego typu skraplacze wykonuje się w wersji poziomej i pionowej. W agregatach chłodniczych wykorzystuje się tylko skraplacze leżące, nad nimi umieszcza się sprężarkę. W skraplaczu płaszczowo-rurowym wewnątrz rurek (2) przepływa czynnik chłodzący (woda). Na powierzchni rurek następuje skraplanie czynnika chłodniczego znajdującego się w przestrzeni pomiędzy płaszczem (1) a rurkami. Skroplony czynnik pod wpływem sił masowych spływa w dół, zalegając w przestrzeni pomiędzy dolnym rzędem rur a płaszczem.

Rys. 4. Skraplacz płaszczowo-rurowy [1]

Obiegi lewobieżne są obecnie nie tylko stosowane do procesów przechowalniczych. Wykorzystywane są również jako systemy grzewcze (pompy ciepła). W pompach ciepła, wykorzystujących ciepło z otoczenia rozróżnia się trzy podstawowe źródła ciepła:

„ - powietrze (zimą posiada najbardziej niekorzystne warunki);
„„ - woda (ponieważ woda w czasie zimy posiada +8 do +12°C jest ona dobrym źródłem ciepła)
„„ - grunt (na głębokości od 1,2 do 1,8 m odnotowuje się średnioroczne równomierny rozkład temperatury, co umożliwia ekonomiczne wykorzystanie jako dolne źródło pompy ciepła).

W zależności od typu dostępnego źródła ciepła oraz wybranego rozwiązania konstrukcyjnego dobiera się odpowiednie wymienniki współpracujące z systemem chłodniczym. Skraplacze wówczas mogą być instalowane w zasobniku wody ciepłej. A parowniki, jako że najczęściej współpracują z systemem pośredniczącym instalowane są jako typowe wymienniki płytowe.

Niestabilności numeryczne podczas doboru powierzchni wymienników ciepła (...)

Podsumowanie

Wymienniki ciepła stosowane w obiegach chłodniczych i pompach ciepła posiadają różnorodne konstrukcje. Dobiera się określone rozwiązanie techniczne takiego wymiennika ciepła w zależności od oczekiwań. Tym niemniej czasami istnieje potrzeba wyznaczenia podstawowych parametrów geometrycznych wymiennika i w tym celu należy wykonać obliczenia projektowe. By uniknąć błędów w czasie projektowania należy wiedzieć, co może być przyczyną braku zbieżności niektórych kodów numerycznych stosowanych w procesie projektowania. Jedną z tych przyczyn może być nieliniowość układu równań co wykazano w drugiej części artykułu.

LITERATURA

[1] Starowicz Z., Zaborski Z.: Domowe i handlowe urządzenia chłodnicze – poradnik obsługi. WNT 1989 Warszawa 1989.