Projektowanie i dobór parowników dla urządzeń chłodniczych i mroźniczych jest jedną z najbardziej odpowiedzialnych prac w procesie projektowania urządzenia chłodniczego.

Projektując każdego typu wymiennik ciepła, należy wziąć pod uwagę wymianę ciepła jak i energię mechaniczną niezbędną do pokonania oporów przepływu i wymuszenia ruchu czynnika chłodniczego wzdłuż wymiennika ciepła. W wymiennikach ciepła, przez które przepływa czynnik o niskiej gęstości (a z takimi wymiennikami mamy w zdecydowanej większości przypadków do czynienia w chłodnictwie – są to parowniki i skraplacze) bardzo łatwe jest doprowadzenie wystarczającej ilości energii, aby wymusić ruch czynnika. Projektując wymiennik ciepła (w naszym przypadku parownik, bo tylko o nich będzie mowa), powinniśmy pamiętać o jednej bardzo ważnej zasadzie. Mianowicie w większości wymienników ciepła energia mechaniczna niezbędna do wymuszenia ruchu czynnika (gazu) jest od 4 do 10 razy większa od równoważnej energii cieplnej.
Również, dla większości typów rur, które mogą być użyte w projektowanym wymienniku ciepła, wartość wymiany ciepła (w przeliczeniu na jednostkę powierzchni wymiennika ciepła) może być powiększona przez zwiększenie prędkości przepływu czynnika wewnątrz rur. Jednocześnie energia niezbędna do pokonania oporów przepływu czynnika rośnie z trzecią potęgą do jego prędkości. Wiedza ta pozwala projektantowi wymiennika ciepła dostosować wartość wymiany ciepła do oporów przepływu.
Jeżeli okaże się, że wartość energii niezbędnej do przetłoczenia czynnika (związana z oporami przepływu) jest zbyt wysoka, projektant może ją zmniejszyć poprzez zwiększenie ilości dróg przepływu czynnika przez projektowany wymiennik ciepła. Czynność ta obniży wartość wymiany ciepła na jednostkę jego powierzchni, ale będzie ona dużo mniejsza aniżeli strata energii związana z pokonaniem oporów przepływu czynnika. Inną metodą obniżenia wartości wymiany ciepła w przeliczeniu na jego powierzchnię, jest zwiększenie powierzchni wymiennika ciepła (np. dłuższe przewody przepływu). Prowadzi to do zwiększenia oporów przepływu, ale tylko w wartości proporcjonalnej do zwiększonej powierzchni wymiennika.
W gazowych wymiennikach ciepła (parowniki i skraplacze) ograniczenia w energii mechanicznej niezbędnej do wymuszenia ruchu czynnika zmuszają projektanta do zastosowania stosunkowo niskiej prędkości przepływu czynnika przez kanały wymiennika ciepła. Ta niska wartość prędkości przepływu czynnika w połączeniu z niską przewodnością cieplną gazów powoduje, że wartość wymiany ciepła od strony wewnętrznej rur i od strony zewnętrznej jest niska. Stąd, typową charakterystyką gazowych wymienników ciepła jest ich rozbudowana powierzchnia, szczególnie zewnętrzna. Generalnie, wymiennik ciepła typu gaz–gaz jest około 10-krotnie większy od wymiennika ciepła typu ciecz–ciecz. Wiedza ta prowadzi do projektowania gazowych wymienników ciepła o różnej, często skomplikowanej konfi guracji powierzchni zewnętrznej.
Podsumowując, można powiedzieć, że dobrze zaprojektowany wymiennik ciepła z dobrymi własnościami wymiany ciepła powinien charakteryzować się następującymi parametrami:
- zmniejszona powierzchnia zewnętrzna, objętość i waga;
- zwiększona do maksimum wartość współczynnika wymiany ciepła;
- zmniejszone do minimum opory przepływu czynnika chłodniczego.

Wstęp do projektowania chłodnic powietrza (...)

Podstawowe rodzaje parowników powietrznych i ich zasilanie (...)

Parowniki dla urządzeń chłodniczych i mroźniczych i różnice między nimi (...)

Podsumowanie
Z powyższej analizy widać, że inżynier projektant parownika wyposażony jest w wiele narzędzi umożliwiających mu optymalne zaprojektowanie lub dobór parownika. Projektowanie i dobór parowników dla urządzeń chłodniczych i mroźniczych jest jedną z najbardziej odpowiedzialnych prac w procesie projektowania urządzenia chłodniczego. Popełniona pomyłka może być kosztowna, a przede wszystkim opóźni budowę prototypu, badania i wprowadzenie nowego urządzenia na rynek. Z tego też względu, należy projektować parowniki z wielką rozwagą i ostrożnością. Dane katalogowe jak i programy komputerowe obarczone są błędem często dochodzącym do 25% i więcej. Wynika to z faktu, że wymiana ciepła w parowniku zależy od wielu czynników, które nie sposób uwzględnić w programach komputerowych. Projektując parownik, czy to dla urządzenia chłodniczego, czy też mroźniczego, musimy polegać nie tylko na obliczeniach, ale również na naszej wiedzy teoretycznej, praktycznej i intuicji. Dobrze zaprojektowany parownik to początek drogi, której końcem jest zainstalowanie go w urządzeniu prototypowym i potwierdzenie jego przydatności badaniami.

Literatura
[1] BRODOWICZ K.: Teoria wymienników ciepła i masy. PWN. Warszawa, 1982.
[2] DOSSAT R. J.: Principles of refrigeration. Fourth Edition. Prentice Hall, Upper Saddle River, New Jersey, 1997.
[3] KALINOWSKI E.: Przekazywanie ciepła i wymienniki. Politechnika Wrocławska. Wrocław, 1995.
[4] KAYS W. M., CRAWFORD M. E.: Convective Heat and Mass Transfer. McGraw-Hill Book Company. New York, 1980.
[5] KAYS W. M., LONDON A. L.: Compact Heat Exchangers. Third Edition. McGraw-Hill Book Company. New York, 1984.
[6] LANGHAAR H.: Dimentional Analysis and the Theory of Models. Wiley, New York, 1951.
[7] MACZEK K., MIECZYŃSKI M.: Chłodnictwo. Politechnika Wrocławska. Wroclaw, 1981.
[8] STANISZEWSKI B.: Wymiana ciepła. Podstawy Teoretyczne. PWN. Warszawa, 1979.
[9] WESOŁOWSKI A.: Urządzenia chłodnicze i kriogeniczne oraz ich pomiary cieplne. WNT. Warszawa, 1980.

AUTOR: Andrzej WESOŁOWSKI
– były pracownik Carrier, York i Embraco, USA