W niniejszym artykule przedstawiono metody wyznaczania oporów przepływu w rurach prostych, łukach i kolanach oraz podano zależności kryterialne do wyznaczania średnich współczynników przejmowania ciepła podczas przepływu zawiesiny lodowej w rurach. Wskazano na przesłanki, którymi należy się kierować podczas wyznaczania udziału masowego lodu i średnich prędkości przepływu w celu uzyskania małych oporów przepływu oraz możliwie dużych współczynników przejmowania ciepła. 

     Szkodliwe oddziaływanie na środowisko naturalne niektórych stosowanych dotychczas w chłodnictwie i klimatyzacji czynników chłodniczych oraz konieczność ograniczenia zużycia energii pierwotnej sprawiają, że poszukuje się ciągle nowych czynników, które nie wpływałyby destrukcyjnie na warstwę ozonową, nie zwiększałyby tzw. efektu cieplarnianego i pozwalałyby na zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych urządzeń chłodniczych i klimatyzacyjnych. Z drugiej strony dąży się do zminimalizowania ilości czynnika chłodniczego w instalacji poprzez stosowanie systemów np. z chłodziwem jako czynnikiem pośredniczącym w wymianie ciepła pomiędzy obiektem chłodzonym i czynnikiem chłodniczym. Chłodziwem spełniającym powyższe wymagania jest zawiesina lodowa. Charakteryzuje się ona dużą właściwą wydajnością cieplną, dużym efektywnym współczynnikiem przewodzenia ciepła oraz całkowitą neutralnością wobec środowiska naturalnego. Warte podkreślenia jest to, że czynnik ten może być wykorzystywany nie tylko jako chłodziwo, ale także jako medium, w którym akumulowane jest zimno.
     Właściwości cieplne i reologiczne zawiesiny lodowej sprzyjają minimalizacji stopnia napełnienia instalacji chłodziwem, ograniczają zużycie energii elektrycznej i istotnie zmniejszają koszty eksploatacyjne instalacji chłodniczych i klimatyzacyjnych (o 25 do 50%). Stosując zawiesinę lodową można zmniejszyć maksymalną (szczytową) moc chłodniczą urządzenia nawet o 75%, co dodatkowo powoduje spadek ilości czynnika chłodniczego w instalacji (o około 80%). Powyższe zalety zawiesiny lodowej można wymiernie wycenić wyznaczając oszczędności w zakresie kosztów inwestycyjnych instalacji (mniejsze średnice rur, mniejsze powierzchnie wymiany ciepła wymienników, mniejsze moce pomp, prosta regulacja, mniejsze napełnienie instalacji czynnikami) i kosztów eksploatacyjnych (wykorzystanie taryf nocnych, ograniczenie mocy sprężarek, pomp, wentylatorów, uproszczenie procesu odszraniania wymienników ciepła).
     Podstawowymi ograniczeniami stosowania zawiesiny lodowej w technice chłodniczej i klimatyzacyjnej są wysokie ceny generatorów lodu oraz brak wiedzy w zakresie projektowania instalacji zasilanej tym medium. Specyficzne właściwości zawiesin lodowych wynikają z faktu, że czynnik ten jest zawiesiną cząsteczek stałych (lodu wodnego) w cieczy (wodnym roztworze soli, glikolu, alkoholu) o temperaturze krzepnięcia nie wyższej niż 0°C. Wielkość kryształków lodu uzależniona jest od sposobu wytwarzania zawiesiny. Dla wielkości cząstek stałych mniejszych niż 0,1 mm zawiesiny lodowe traktuje się jak ciecze newtonowskie. Większe kryształki lodu sprawiają, że zawiesiny lodowe zachowują się jak ciecze nienewtonowskie. Nienewtonowskimi modelami reologicznymi, przypisywanymi zawiesinom lodowym są modele
● potęgowy Ostwalda-de Waele,
● Binghama,
● Casson’a [1].

     W niniejszej pracy przedmiotem rozważań będzie zawiesina lodowa o wielkości kryształków lodu ds = 0,165...0,235 mm, utworzona na bazie 10,6% wodnego roztworu etanolu, będąca cieczą Binghama [1]. Zdjęcie zbiornika z lodem zawiesinowym przedstawiono na rysunku 1.

Wyznaczanie oporów przepływu
(...)

Wyznaczanie średnich współczynników przejmowania ciepła
(...)

Przykład obliczeniowy
(...)

Wnioski końcowe
     Specyficzne właściwości zawiesiny lodowej narzucają konieczność ich uwzględnienia w obliczeniach projektowych instalacji. Nie uwzględnienie w obliczeniach nienewtonowskiego charakteru przepływu zawiesiny będzie prowadzić do zaniżenia oporów przepływu (por. c_f (Re_B, He) dla He = 0 – rys. 2). Niewłaściwe przyjęcie parametrów x_s1, d_i, w może doprowadzić do wystąpienia przepływu rozwarstwionego, charakteryzującego się wzrostem oporów przepływu. Zaniedbanie procesu topnienia oraz wpływu cząstek stałych na wzrost współczynników przejmowania ciepła spowoduje istotne przewymiarowanie instalacji oraz powierzchni wymiany ciepła (nawet dwukrotne). Dlatego tak ważne jest właściwe podejście do obliczeń projektowych instalacji zasilanych lodem zawiesinowym.

LITERATURA
[1] NIEZGODA-ŻELASKO B., ZALEWSKI W.: Momentum transfer of ice slurries flows in tubes. Experimental investigation. International Journal of Refrigeration 2, 2006.
[2] NIEZGODA-ŻELASKO B.: Wymiana ciepła i opory przepływu zawiesiny lodowej w przewodach. Monografia 334, Seria Mechanika, Wyd. Politechniki Krakowskiej, Kraków 2006.
[3] NIEZGODA-ŻELASKO B.: Heat transfer of ice slurries flows in tubes. International Journal of Refrigeration 2, 2006.
[4] NIEZGODA-ŻELASKO B.: Modelowanie procesów wymiany ciepła w chłodnicach powietrza zasilanych lodem binarnym. Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna 5, 2003.