Na pracę parownika i skraplacza w parowym, sprężarkowym urządzeniu chłodniczym ma wpływ całokształt różnych parametrów. Szczególnie istotne znaczenie mają zewnętrzne lub wewnętrzne zaburzenia powodujące niestabilności wymiany ciepła podczas przemiany fazowej wrzenia i skraplania w kanale rurowym. Należą do nich także uderzenia hydrauliczne wywołane nagłym otwarciem lub zamknięciem zaworów odcinających, elementów regulacyjnych oraz automatyki chłodniczej. Na podstawie badań eksperymentalnych parownika i skraplacza w chłodniczym urządzeniu sprężarkowym przedstawiono wpływ takich zaburzeń na parametry pracy wymienników ciepła i całej instalacji. Wykazano, że zaburzenia takie powodują zmiany w przebiegu wewnętrznych charakterystyk cieplno-przepływowych parownika i skraplacza. Intensywność wpływu zaburzeń zależy w dużym stopniu od wielkości prędkości przemieszczania się sygnałów zmiany ciśnienia i temperatury. Prędkości te mogą się różnić między sobą nawet o dwa rzędy wielkości.

Urządzenia chłodnicze pompowe oraz zasilane ciśnieniowo znalazły szerokie zastosowanie, zarówno w chłodnictwie lądowym, jak i morskim. Prowadzenie prawidłowej eksploatacji tych urządzeń jest warunkiem koniecznym uzyskania założonych efektów użytecznych. Od wielu lat zwraca się uwagę, że w eksploatacji tych urządzeń występują zjawiska, które powodują zakłócenia w pracy lub uniemożliwiają pracę. Zakłócenia te objawiają się, między innymi, nagłym spadkiem natężenia przepływu czynnika, nieprawidłowościami w działaniu pomp, wahaniami poziomu cieczy w oddzielaczach itp. Liczbę prac poświęconych wyjaśnieniu przyczyn powstawania takich zjawisk należy ocenić jako bardzo małą [4, 9, 13, 14]. Zasługują one jednak na szczegółową analizę.

Szczególne znaczenie mają niestabilności związane z wrzeniem lub skraplaniem w przepływie w parownikach i skraplaczach chłodniczych. W wymiennikach tych ma miejsce przepływ dwufazowy z wymianą ciepła. Podczas jego przebiegu występuje kilka następujących po sobie etapów związanych ze zmianą ilości fazy parowej w mieszaninie dwufazowej, wskutek oddziaływania z ogrzewaną lub chłodzoną ścianką kanału. Niestabilności mogą się pojawić podczas zjawiska tworzenia lub zaniku fazy parowej lub są związane ze współpracą parownika i skraplacza z elementami układu chłodniczego.

Wewnętrzne i zewnętrzne przyczyny powstawania zaburzeń

Rozpatrując przyczyny powstawania zaburzeń prowadzących do niestabilności pracy urządzenia należy wymienić dwa rodzaje przyczyn:

• wewnętrzne,
• zewnętrzne.

Przyczyny wewnętrzne powstawania zaburzeń wynikają głównie z rozwoju wrzenia lub skraplania powierzchniowego w przepływie czynnika w kanale. Główny udział w produkcji nowej fazy (pary) w wymiennikach chłodniczych mają zarodki na powierzchni ogrzewanej ścianki kanału. Wskutek wzrostu temperatury ścianki i przegrzania cieczy przy ściance następuje aktywizacja zarodków pary, zaś zmniejszenie przegrzania powoduje zanik tej aktywności. Aktywizacja i dezaktywizacja zarodków nie musi jednak następować przy tym samym poziomie przegrzania. Istnieje zatem możliwość wystąpienia opóźnienia podczas aktywizacji i dezaktywizacji. Zjawisko to nosi nazwę histerezy nukleacji, a w pewnych okolicznościach towarzyszy mu dynamiczne oddziaływanie o charakterze niestabilnym, zwane zerowym kryzysem wrzenia mające wyraźny charakter falowy. Wyniki badań eksperymentalnych [1, 10] potwierdziły falowy charakter zaburzeń związanych z występowaniem zjawiska zerowego kryzysu wrzenia w przepływie w parownikach zasilanych czynnikami chlorowcopochodnymi i nowymi proekologicznymi ich zamiennikami.

Parownik i skraplacz urządzenia chłodniczego są powiązane systemem rurociągów z innymi elementami układu, które służą jako generatory ruchu czynnika (sprężarki, pompy), regulują jego zasilanie (zawory regulacyjne, rozdzielacze itp.), zapewniają automatyczne sterowanie układu. W związku z tym ważne są z punktu widzenia eksploatacyjnego, problemy związane z zewnętrznymi przyczynami zaburzeń. Wśród podstawowych przyczyn zewnętrznych należy wymienić:

• opóźnienia w działaniu elementów automatyki chłodniczej,
• konieczność otwierania i zamykania zaworów odcinających,
• prowadzenie cyklicznej pracy urządzenia chłodniczego,
• występowanie zmian obciążenia cieplnego w przestrzeni chłodzonej,
• konieczność zatrzymywania i ponownego rozruchu urządzenia,
• oddziaływania związane z występowaniem różnych typów roztworów czynnika chłodniczego i oleju,
• oddziaływania wynikające z niedostatecznego odpowietrzenia układu oraz czystości czynnika i powierzchni wymiany ciepła,
• występowanie stanów awaryjnych w różnych elementach układu.

Wspólną cechą wymienionych przyczyn zewnętrznych jest fakt, że w układzie generowane są zaburzenia, które przemieszczają się w nim w sposób dynamiczny, oddziałując na funkcjonowanie poszczególnych elementów układu.

Rys. 1. Oscylacje ciśnienia wywołane dodatnim uderzeniem hydraulicznym [8]

Rys. 2. Zmiany ciśnienia podczas uderzenia hydraulicznego w przewodach wykonanych z różnych materiałów [7]

Zaburzenia, o których mowa wyżej, mogą być generowane w warunkach wrzenia lub skraplania czynnika chłodniczego w przepływie w sposób:

• impulsowy,
• periodyczny.

W praktyce eksploatacyjnej mają często miejsce przypadki zaburzeń typu impulsowego spowodowane występowaniem, na przykład, niedrożności zaworu, awarią układu zasilania parownika lub skraplacza itd. [2, 6]. Oprócz tego mogą wystąpić zaburzenia generowane w sposób periodyczny, na przykład wskutek dynamicznych zmian parametrów zasilania parownika wynikających ze zjawiska migotania termostatycznego zaworu rozprężnego [3, 5].

Zaburzenia generowane impulsowo oraz periodycznie są z kolei przyczyną określonych zjawisk skutkowych, które wywołują w szczególności:

• gwałtowny spadek lub wzrost ciśnienia czynnika,
• zanik lub wzrost gęstości strumienia masy,
• zanik lub wzrost gęstości strumienia ciepła,
• wzrost lub spadek oporów przepływu czynnika,
• okresowe problemy z uruchomieniem urządzenia.

Z punktu widzenia poznawczego ważne jest wyjaśnienie przyczyn powstawania niestabilności, zwłaszcza związanych z falowym rozchodzeniem się zaburzeń w ośrodku dwufazowym, które powodują problemy eksploatacyjne. Dotychczasowe opisy prezentowane w literaturze uwzględniają wprawdzie niektóre skutki tych zjawisk, jednak nie wnikają zbyt głęboko w zakres przyczyn wywołujących. W dalszej części opracowania przedstawiono wyniki badań wrzenia i skraplania w przepływie w parowniku i skraplaczu chłodniczym w warunkach zaburzeń generowanych w postaci zaburzeń hydraulicznych.

Uderzenia hydrauliczne w instalacji chłodniczej (...)

Przemieszczanie zaburzeń w ośrodku dwufazowym (...)

Badania eksperymentalne (...)

Wnioski

Przeprowadzone badania eksperymentalne potwierdziły falowy charakter rozchodzenia się zaburzeń w ośrodku dwufazowym. Sygnały zakłóceń wywołane uderzeniem hydraulicznym przemieszczają się w instalacjach chłodniczych z określoną prędkością. Można wyróżnić prędkość przemieszczania się sygnału ciśnienia vp i prędkość przemieszczania się sygnału temperatury vT. Wartości tych prędkości zależą od parametrów ośrodka dwufazowego.

Po wywołaniu zaburzenia jednostkowego następowało przejście fali ciśnieniowej z prędkością vp, a następnie zmieniała się temperatura czynnika i ścianki kanału. Każdorazowo rejestrowano przejście fali temperaturowej z prędkością vT (przy czym vT ≠ vp).

Model dwupłynowy Nguyens’a stosunkowo dobrze opisuje wyniki badań eksperymentalnych. Proponuje się stosowanie tego modelu do określania prędkości przemieszczania się zaburzeń uderzenia hydraulicznego w czynniku chłodniczym w wężownicy rurowej.