W niniejszym artykule przedstawiono wyniki badań wymiany ciepła podczas skraplania czynnika chłodniczego R134a w długich wężownicach rurowych. Wyznaczono wartości lokalne i średnie współczynnika przejmowania ciepła w całym procesie skraplania (x = 1÷0). Zilustrowano wpływ stopnia suchości pary czynnika, gęstości strumienia masy oraz długości wężownicy na intensywność wymiany ciepła. Zaproponowano zależność empiryczną do wyznaczenia wartości średniej współczynnika przejmowania ciepła. Wskazano na wyraźny wpływ długości wężownicy rurowej skraplacza na efektywność wymiany ciepła podczas procesu skraplania.

Wśród wielu aspektów gospodarczych, jakie pojawiły się po wejściu Polski do struktur Unii Europejskiej szczególne miejsce zajęły problemy wprowadzenia racjonalnej gospodarki energetycznej. Racjonalizacja techniczna użytkowania energii oznacza w praktyce wprowadzenie takich procedur projektowych i eksploatacyjnych, których skutkiem ma być obiekt energooszczędny, o niskiej materiałochłonności i przyjazny środowisku. Zagadnienia te odnoszą się w całej rozciągłości także do urządzeń chłodniczych. Wyeliminowanie, na bazie postanowień międzynarodowych, szkodliwych dla warstwy ozonowej i wzmagających efekt cieplarniany czynników chłodniczych chlorowcopochodnych (od 1.01.2010 r. również freonu R22) było pierwszym skutecznym krokiem na drodze realizacji wymienionych wyżej postulatów unijnych. Równolegle do tego realizowano wdrażanie konstrukcji maszyn i urządzeń energooszczędnych, w tym wymienników ciepła. W parowych, sprężarkowych urządzeniach chłodniczych występują dwa podstawowe wymienniki ciepła, tzn. parownik i skraplacz. Przemiany fazowe czynników chłodniczych w nich zachodzące umożliwiają intensywną wymianę ciepła. Procesy wrzenia pozwalają uzyskiwać efekt chłodzenia, a procesy skraplania efekt grzania otoczenia przez czynnik podlegający przemianie fazowej. Oba te procesy są niezbędne w klasycznej instalacji chłodniczej i umożliwiają zamknięcie lewobieżnego obiegu termodynamicznego.

Przy określonym ciśnieniu wrzenie może zachodzić, gdy temperatura cieczy osiągnie temperaturę wyższą od temperatury nasycenia, a skraplanie, gdy temperatura pary osiągnie temperaturę niższą od temperatury nasycenia. Podczas przemian fazowych następuje zamiana “starej fazy” w nową, o ile zostaną spełnione ściśle określone warunki. Dla procesu skraplania warunkami tymi są: istnienie gradientu temperatury na ściance kanału oraz występowanie zarodków nowej fazy. Powstające skropliny mogą tworzyć ciągłą warstwę na powierzchni (skraplanie błonowe) lub też gromadzić się na niej w postaci pojedynczych kropel (skraplanie kroplowe). W rurach skraplaczy urządzeń chłodniczych występuje z reguły skraplanie błonowe, podczas którego powstaje film cieczy na powierzchni wewnętrznej kanału rurowego. Nie można jednak wykluczyć warunków powstawania skraplania kroplowego lub mieszanego (w przypadku skraplania czynnika o dużym stężeniu rozpuszczonego w nim oleju). Przepływ skraplającego się czynnika chłodniczego ograniczony jest poza tym ściankami kanału rurowego. Ruch powstającego filmu kondensatu może mieć charakter laminarny lub turbulentny. Mechanizm tego procesu jest odmienny w zależności od rodzaju skraplania (na ściance płaskiej pionowej, na zewnętrznej powierzchni rury), ponieważ istnieją ograniczone warunki odpływu powstającego kondensatu [5, 9].
Do wężownicy rurowej skraplacza dopływa zwykle para przegrzana czynnika chłodniczego, odpływa zaś ciecz dochłodzona. Podczas skraplania występują trzy strefy wymiany ciepła w wężownicy rurowej, to znaczy (rys. 1):
- strefa I odbioru ciepła przegrzania,
- strefa II skraplania właściwego (dopływ pary nasyconej suchej, a wypływ cieczy nasyconej o stopniu suchości x = 0),
- strefa III dochłodzenia kondensatu.

Rys. 1. Strefy skraplania czynnika w wężownicy rurowej skraplacza

W pierwszych odcinkach rury skraplacza występuje przepływ jednofazowy pary przegrzanej, która ulega schłodzeniu w kontakcie ze ścianką rury, przechodząc do stanu nasycenia (strefa I). Jeżeli temperatura ścianki jest niższa od temperatury nasycenia, wówczas rozpoczyna się proces skraplania właściwego połączony z kondensacją i powstawaniem filmu cieczowego na ściance wewnętrznej kanału (strefa II). Niekiedy zjawisko skraplania może wystąpić w obszarze I, czyli w parze przegrzanej. Kierunek przepływu pary i powstającego kondensatu jest ten sam, przy czym prędkość pary jest dużo większa niż cieczy. Poczynając od pewnej długości wężownicy rurowej skraplacza, warstwa filmu kondensatu przechodzi z laminarnej w turbulentną. Część cieczy porywana jest także z obszaru pary płynącej środkiem kanału rurowego. Wskutek tarcia międzyfazowego następuje wzajemne oddziaływanie pary i cieczy. Wpływa to, między innymi, na zmniejszenie grubości warstwy kondensatu oraz turbulizację przepływu. W przypadku czynników chłodniczych jest szczególnie silny wpływ tarcia międzyfazowego. Przy utrudnionym odpływie kondensatu, wzrasta grubość filmu cieczowego oraz maleją wymiary przekroju poprzecznego przepływu. Udział cieczy na pewnym odcinku wężownicy może być tak duży, że nastąpi okresowe zamknięcie całego przekroju przepływowego. W końcowych odcinkach wężownicy pojawia się jednorodny przepływ cieczy, połączony z jej dochłodzeniem (strefa III).
Przedstawiony w niniejszym artykule problem dotyczy wężownicowych skraplaczy chłodniczych i obejmuje określenie wytycznych ich projektowania, zwłaszcza dla proekologicznych zamienników freonów. Wężownicowy skraplacz chłodniczy, w którym zastosowano powietrzny lub wodny system chłodzenia charakteryzuje się porównywalnymi cechami konstrukcyjnymi. Oznacza to, że kanał rurowy, wewnątrz którego następuje proces skraplania czynnika chłodniczego w przepływie, jest podzielony na odcinki rury poziomej prostej połączone za pomocą kolan rurowych. Uzyskuje się przez to wymaganą zwartość konstrukcji opisaną wskaźnikiem w postaci ilorazu objętości gabarytowej V do pola powierzchni wymiany ciepła A. Wskaźnik materiałochłonności może być określony ilorazem masy m skraplacza do pola powierzchni A. Używane są także inne formy zapisu wskaźników porównawczych [6]. Znaczące zmniejszenie wartości wymienionych wskaźników powinno następować równolegle ze wzrostem gęstości strumienia ciepła odniesionej do dyspozycyjnej powierzchni wymiany ciepła. Prawidłowe określenie wymaganego pola wymiany ciepła skraplacza wężownicowego i możliwości jego optymalizacji wymaga znajomości współczynników wymiany ciepła.

Zależność procedur obliczeniowych w skraplaczach wężownicowych od opisu mechanizmu wymiany ciepła (...)

Przedmiot badań eksperymentalnych (...)

Stanowisko badawcze (...)

Wyniki badań eksperymentalnych (...)

Podsumowanie
- Mechanizm procesu skraplania czynników chłodniczych w długich wężownicach rurowych różni się w zasadniczy sposób od mechanizmu skraplania w poziomych rurach prostych.
- Intensywność przejmowania ciepła w długich wężownicach rurowych skraplaczy chłodzonych wodą zależy od ich długości całkowitej Lc oraz długości Lw strefy skraplania właściwego.
- Eksperymentalne wykresy zależności α_śr = f(L_c/d_w) sporządzone dla danego czynnika chłodniczego i sposobu chłodzenia skraplacza mogą być bardzo przydatne w projektowaniu skraplaczy wężownicowych.
- Prowadzone są prace z innymi czynnikami chłodniczymi, co pozwoli na uogólnienie zależności warunków wymiany ciepła od geometrii wężownicy.

LITERATURA
[1] BOHDAL T., CHARUN H., MATYSKO R.: Condensation of refrigerant R404A in a tubular channel. Archives of Thermodynamics. 2006. vol. 27. no.1, pp.13-29.
[2] BOHDAL T., CHARUN H., CZAPP M.: An innvestigation of a condensation process efficiency in air-cooled condenser coils. 7th World Conference on Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics. 2009. pp.1575-1582.
[3] BOHDAL T., CHARUN H., GRZEJSZCZAK M.: Analiza wymiany ciepła podczas skraplania czynnika chłodniczego w kanale rurowym. Chłodnictwo 2007. nr 9. s. 12-18.
[4] BOHDAL T., CHARUN H., CZAPP M.: Wpływ rodzaju czynnika wysokociśnieniowego – substytutu R22 – na wymianę ciepła podczas skraplania w konwencjonalnych kanałach rurowych. Chłodnictwo 2009. nr 12. s. 10-15. [5] CAVALLINI A., COL D., DORETTI L., LONGO G. A., ROSETTO L.: Condensation heat transfer with refrigerants. Proc. Conference Phase Flow Modelling and Experimentation. Pisa. 1999. pp.71-88.
[6] CZAPP M.: Przemiany fazowe czynników w wężownicowych chłodniczych wymiennikach ciepła. Wyd. Uczelniane Politechniki Koszalińskiej. Koszalin. 2002.
[7] GORODINSKAJA S. A.: K voprosu obobscenija danych po teplootdaczi pri kondensacji para wnutri gorizontalnych trub. Izw. Kijevsk. Politechn. Instytut. t. XVIII. Kiew. 1955.
[8] SHAH M. M.: A general correlation for heat transfer during film condensation inside pipes. Int. J. of Heat and Mass Transfer. 1979. vol. 22. pp.547-556.
[9] SHAO D. W., Granryd E.: Experimental and theoretical study on flow condensation with non-azeotropic refrigerant mixtures of R32/R134a. Int. J. Refrig. 1998. vol. 21. no.3. pp.230- 246.
[10] TANDON T. N.: Heat transfer during forced convection condensation inside horizontal tube. Int. J. of Refrigeration. 1995. vol. 18. no.3.

*** Praca wykonana w ramach Projektu Badawczego Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego nr N N 512 361834, nt.: „Badanie skraplania proekologicznych czynników chłodniczych w długich kanałach wężownic rurowych”. prof. dr hab. inż. Tadeusz BOHDAL, dr inż. Henryk CHARUN, prof. PK dr hab. inż. Marian CZAPP – Politechnika Koszalińska

AUTORZY : prof. dr hab. inż. Tadeusz BOHDAL,
dr inż. Henryk CHARUN,
prof. PK dr hab. inż. Marian CZAPP
– Politechnika Koszalińska