W ostatnich latach obserwuje się światowy trend w budowie chłodniczych wymienników ciepła, polegający na miniaturyzacji ich konstrukcji [13]. Wymaga się jednocześnie znacznego wzrostu przenoszonej gęstości strumienia ciepła, przy zachowaniu kryteriów termoekonomicznych w zakresie zmniejszenia energo- i materiałochłonności wymiennika ciepła. Jednym ze sposobów tak pojętej intensyfikacji wymiany ciepła, spełniającej wymienione kryteria jest wykorzystanie przemian fazowych czynnika chłodniczego, zwłaszcza wrzenia i skraplania w przepływie w mini- i mikrokanałach wymiennika. W ten sposób tworzy się koncepcja tzw. kompaktowych wymienników ciepła (parowników i skraplaczy), wchodzących w skład instalacji chłodniczej. Wobec małej objętości wewnętrznej minikanałów spełnione jest również dodatkowe kryterium ekologiczne, czyli w niekorzystnym przypadku braku szczelności tej instalacji, ilość czynnika odprowadzona do otoczenia będzie znikoma [11, 12, 14].

Projektanci kompaktowych wymienników ciepła stają dzisiaj przed takim samym problemem odpowiedniego wyboru procedur obliczeniowych, jak poprzednio, w przypadku wymienników konwencjonalnych. Trzeba jednak powiedzieć, że ich dylematy są trudniejsze, bowiem proponowane procedury dla wymienników konwencjonalnych zostały już wielokrotnie sprawdzone. Pozostają do rozwiązania dwa zagadnienia, to znaczy obliczenie wymaganej powierzchni wymiany ciepła oraz oporów przepływu czynnika przez wymiennik. Problem pierwszy polega głównie na wyborze zależności do obliczenia współczynnika przejmowania ciepła w przepływie dwufazowym z wymianą ciepła w minikanale [6].

Podkreślić trzeba, że liczba opublikowanych prac prezentujących opis wymiany ciepła i opory przepływu podczas wrzenia w mini- i mikrokanałach jest zdecydowanie większa, niż dla przypadku skraplania w tych kanałach. Dotychczasowy stan wiedzy obejmujący kanały konwencjonalne dowodzi, że nie można procesów wrzenia i skraplania w przepływie traktować, jako zjawisk „symetrycznych”. W procesie wrzenia czynnika z doprowadzeniem ciepła do kanału przepływ jest przyspieszany, natomiast podczas skraplania z odprowadzeniem ciepła występuje opóźnienie w kierunku przepływu, związane ze wzrostem ilości powstającego kondensatu [1]. Nie ma dotychczas jakichkolwiek przesłanek, aby nie można było przenieść tego opisu zjawisk przemian fazowych również do minikanałów. Zauważono ponadto, że w zakresie stosowania procedur obliczeniowych oporów przepływu podczas wrzenia i skraplania w minikanałach istnieją możliwości wykorzystania niektórych wspólnych zależności dla mieszanin dwufazowych, natomiast w obszarze wymiany ciepła występują stosunkowo duże rozbieżności.

W artykule przedstawiono wybrane wyniki analizy danych literaturowych oraz własnych eksperymentalnych badań, dotyczących wyznaczenia współczynników przejmowania ciepła i oporów przepływu podczas skraplania czynników chłodniczych R134a i R404A w minikanałach rurowych. Analizę ograniczono do przypadku skraplania w pojedynczym minikanale. Pozwala to na wskazanie odpowiednio sprawdzonych, przy obecnym stanie wiedzy, korelacji do obliczeń.

Stanowisko do badań eksperymentalnych

Do realizacji badań eksperymentalnych zaprojektowano i wykonano oryginalne stanowisko badawcze, usytuowane w Laboratorium Katedry Techniki Cieplnej i Chłodnictwa Politechniki Koszalińskiej. Na rys. 4 pokazano schemat ideowy stanowiska. Na schemacie tym należy wyróżnić dwie instalacje chłodnicze współpracujące równolegle, to znaczy: instalację jednostopniowego układu chłodniczego zasilaną z agregatu sprężarkowo-skraplającego oraz instalację chłodniczą zasilającą odcinek pomiarowy minikanału rurowego.

Instalacja jednostopniowego sprężarkowego układu chłodniczego z czynnikiem R134a

Para przegrzana czynnika chłodniczego uzyskana po sprężaniu w sprężarce tłokowej 3 agregatu produkcji firmy Danfoss doprowadzana była do lamelowanego skraplacza 4 chłodzonego powietrzem a następnie do zbiornika 5 cieczy. Ze zbiornika 5 ciecz przepływała przez zespół filtr-osuszacz 6 i zawór elektromagnetyczny 7, dopływając do lamelowanej chłodnicy powietrza 8 zasilanej termostatycznie za pomocą zaworu rozprężnego 9. Para czynnika chłodniczego, częściowo przegrzana w przepływie przez blok wężownicy rurowej chłodnicy 8 i na części ssawnej instalacji była zasysana przez sprężarkę tłokową 3 i cykl pracy układu powtarzał się.

Instalacja chłodnicza obsługująca odcinek pomiarowy minikanału

Proces skraplania czynnika chłodniczego odbywał się w przepływie wewnątrz minikanału rurowego 1 (rys. 3). Para przegrzana czynnika po sprężaniu w sprężarce tłokowej 3 kierowana była za pomocą zaworu regulacyjnego do układu zasilającego odcinek pomiarowy 1, po przepływie przez filtr 6. Przed dopływem czynnika do przekroju wlotowego odcinka pomiarowego zainstalowano wymiennik ciepła 10 chłodzony wodą. Jego zadaniem był odbiór ciepła przegrzania czynnika chłodniczego. Intensywność odbioru ciepła przegrzania regulowana była zmianą natężenia przepływu (16) wody chłodzącej wymiennik 10. W ten sposób uzyskiwano nastawę wymaganych parametrów stanu pary czynnika chłodniczego doprowadzanego do odcinka pomiarowego. Ciśnienie czynnika na dopływie do odcinka pomiarowego mierzono piezorezystancyjnym czujnikiem 13 z przetwornikiem produkcji firmy Endress + Hauser; zakres pomiarowy czujnika: 0÷2,5 MPa (na wyjściu z przetwornika uzyskiwano sygnał napięciowy ciśnienia doprowadzany do układu akwizycji danych). Na wypływie z odcinka pomiarowego zainstalowano czujnik ciśnienia 14 tego samego typu. Spadek ciśnienia czynnika chłodniczego na długości minikanału rurowego mierzono za pomocą czujnika różnicy ciśnienia 15 z przetwornikiem. Ciekły czynnik chłodniczy opuszczający odcinek pomiarowy był dochłodzony w wymienniku ciepła 11. Za pomocą przepływomierza 12 mierzono natężenie przepływu cieczy czynnika chłodniczego. Ciecz czynnika, po opuszczeniu odcinka pomiarowego była doprowadzana do instalacji zasilającej chłodnicę 8 (rys. 3). Dodatkowe zawory odcinające występujące w instalacji chłodniczej służyły do regulacji parametrów czynnika w obu współpracujących równolegle instalacjach chłodniczych.

Podsumowanie

Przeprowadzone przez autorów badania skraplania proekologicznych czynników chłodniczych R134a i R404A w minikanałach rurowych o średnicy wewnętrznej d = 0,98÷3,3 mm pozwoliły określić wartości lokalne i średnie współczynnika przejmowania ciepła i oporów przepływu w całym procesie skraplania (x = 1÷0). Potwierdziły one znaczną przydatność korelacji Akersa do obliczenia współczynnika przejmowania ciepła oraz korelacji Garimella’ego do obliczenia oporów przepływu. Zakres rozbieżności wyników eksperymentu i obliczeń był mniejszy w stosunku do korelacji innych autorów i dlatego można je zalecać projektantom. Badania eksperymentalne wykonano w zakresie parametrów: temperatura nasycenia tk = 35÷40°C, gęstość strumienia masy (wρ) = 200÷600 kg/(m2·s) i gęstości strumienia ciepła q = 5÷50 kW/m2. Istnieje jednak potrzeba prowadzenia dalszych badań i opracowania nowych zależności obliczeniowych pozwalających wyznaczać wartości współczynnika przejmowania ciepła i oporów przepływu ze znacznie większą dokładnością.

Praca została wykonana w ramach Projektu Badawczego nr:
NN 512 2315 33.

Praca jest również współfinansowana z projektu „Inwestycja w wiedzę motorem rozwoju innowacyjności w regionie” ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego i Budżetu Państwa, Poddziałanie 8.2.2 Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki 2007-2013.