Skraplacz i parownik

W przypadku wymienników ciepła, projektant instalacji chłodniczej ma dużo więcej do zaproponowania aniżeli w przypadku sprężarki. Oczywiście projektant musi dobrać wymiennik ciepła (skraplacz czy parownik), bazując na danych katalogowych producentów tych wymienników ciepła. Najważniejszym elementem wpływającym na poprawę efektywności wymiennika ciepła (zakładam, że projektant dobrał najefektywniejszy wymiennik ciepła), jest zapewnienie wymiennikowi ciepła jak najmniejszej różnicy temperatury pomiędzy otoczeniem wymiennika ciepła i skraplaną parą lub parującym czynnikiem i temperaturą przestrzeni chłodzonej. Starajmy się, aby nasze ΔT było jak najbliższe zeru (wzory 19 i 20), co również wynika z podstawowej zależności:

Q = k · F · ΔT (27)

Gdzie:

Q –wydajność wymiennika ciepła,

k – współczynnik wymiany ciepła,

F – powierzchnia wymiennika,

ΔT – różnica temperatury.

Aby zapewnić wymiennikowi ciepła wymagana wydajność cieplną przy znanym i stałym współczynniku k, to aby obniżyć ΔT mu-simy zwiększyć jego powierzchnię. W idealnym układzie, kiedy ΔT dąży do zera, to aby utrzymać tę samą wydajność wymiennika ciepła, jego powierzchnia musi dążyć do nieskończoności. Jest to przypadek nierealny. W warunkach rzeczywistych musimy przeanalizować, jak nisko możemy zejść z ΔT, aby wielkość wymiennika ciepła i jego koszty zawierały się w realnej granicy. Poza tym, zwiększając masowe natężenie przepływu powietrza przez wymiennik ciepła, podwyższamy jego współczynnik k, zwiększając jego wydajność. Ale i tutaj są granice. Zbyt duży wentylator (duże masowe natężenie przepływu powietrza) wpływa na wzrost zużycia energii przez układ chłodniczy (wzrasta praca włożona) jak i na jego głośność. Projektując skraplacz i parownik, pamiętajmy o przegrzaniu i dochłodzeniu czynnika chłodniczego, które to elementy mają znaczący wpływ na sprawność energetyczną układu chłodniczego.

Bardzo ważne jest właściwe zaprojektowanie przepływu czynnika chłodniczego i medium otaczającego. Preferowanym rozwiązaniem dla parowników i skraplaczy będzie nie wymiennik ciepła typu przeciwprądowego a wymiennik ciepła typu współprądowego (rys. 14.). Wynika to z faktu, że w parowniku i skraplaczu następuje spadek temperatury związany ze spadkiem ciśnienia, który to spadek ciśnienia wywołany jest tarciem wewnętrznym czynnika o ścianki wymiennika ciepła. Jednocześnie, na wlocie do wymiennika ciepła czynnik chłodniczy o najwyższej temperaturze spotyka się z powie-trzem o najwyższej temperaturze. Powoduje to, że nasz współprądowy wymiennik ciepła staje się wymiennikiem bardzo zbliżonym do wymiennika przeciwprądowego. Może to czasami budzić zastrzeżenia, ponieważ wymiennik ten nie daje wysokiego przegrzania par, gdyż czynnik opuszczający wymiennik ciepła nie odbiera ciepła od powietrza o najwyższej temperaturze. Ten typ wymiennika ciepła zapewnia najlepsze warunki wymiany ciepła (najwyższy współ-czynnik k), co jednocześnie wiąże się ze zwiększeniem sprawności projektowanego układu chłodniczego, zmniejszeniem wymiarów wymiennika ciepła i obniżeniem jego kosztów. Dobierając ten typ wymiennika ciepła, do obliczenia różnicy temperatury, najlepiej po-służyć się wzorem na logarytmiczną różnicę temperatury: ΔTln = (ΔTA – ΔTB)/ln(ΔTA/ΔTB), oznaczenia na rysunku 14.

Inną istotną rzeczą jest wiedza o współczynniku wymiany ciepła k. Współczynnik ten jest funkcją wielu parametrów i zawiera się z reguły w następującym zakresie:

• wymuszony przepływ powietrza – k = 15÷30 W/m²K,
• konwekcyjny przepływ powietrza – k = 5÷10 W/m²K,
• wymuszony przepływ cieczy – k = 170÷220 W/m²K,
• konwekcyjne chłodzenie cieczy – k = 90÷120 W/m²K.

W ostatnich kilku latach coraz popularniejsze stają się wymienniki ciepła typu mikro-kanałowego. Ten wymiennik ciepła charakteryzuje się:

• wysokim współczynnikiem wymiany ciepła (około 50% wyższym od obecnie najlepszych wymienników ciepła typu rurka żebrowana),
• niskim ciężarem – z reguły są to wymienniki całkowicie wykonane z aluminium. Wymienniki te wykonuje się również z miedzi. Są one jednak bardzo drogie i o dużym ciężarze,
• niskim spadkiem ciśnienia przepływu (około 20÷30% niższym od odpowiedniego wymiennika typu rurka żebrowana),
• niższym naładowaniem czynnikiem chłodniczym (około 30% niższe naładowanie w porównaniu z wymiennikiem rurka żebrowana),
• wyższą ceną (obecnie około 25÷30% wyższa od odpowiedniego wymiennika typu rurka żebrowana).

Wszystkie wyżej wymienione elementy dotyczące wymienników ciepła zapewnia nowo projektowanemu układowi wysoką sprawność energetyczną.

Nie omawiam tutaj wymienników ciepła chłodzonych wodą, gdyż koszt ich eksploatacji jest bardzo wysoki. Mają one jednak dużo zalet.