Reklama
Reklama
 
 
 
Reklama
Termosyfonowe rury ciepła systemów klimatyzacyjnych Analiza możliwości zastosowania czynników R1234yf oraz R1234ze(E)
Ocena użytkowników: / 2
SłabyŚwietny 
Data dodania: 25.05.2015

Analizując propozycję rynkową czynników chłodniczych można zauważyć, że Unia Europejska stale dąży do zminimalizowania ich destrukcyjnego wpływu na środowisko, wprowadzając coraz bardziej restrykcyjne ograniczenia [1].

Aktualnie obowiązującym dokumentem prawnym w Unii jest znowelizowane Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) nr 517/2014 z dnia 16 kwietnia 2014 r. w sprawie fl uorowanych gazów cieplarnianych. Regulacja ta określa zasady zapobiegania emisji F-gazów poprzez ograniczenia dotyczące ich stosowania, odzysku i niszczenia. 

 

Mimo że F-gazy, do których zaliczany jest czynnik R134a, charakteryzują się niską toksycznością, niepalnością oraz niskim współczynnikiem ODP (0 dla R134a), to ich stosowanie jest niepożądane ze względu na wysoki współczynnik GWP. Z tego powodu poszukuje się nowych czynników, które powinny charakteryzować się lepszymi własnościami fizykochemicznymi i termodynamicznymi, niższymi wskaźnikami oceny ekologicznej, dostępnością, niską ceną oraz bezpieczeństwem użycia, spełniając jednocześnie wszystkie wymagania prawne. Ostatnio wprowadzonymi zamiennikami czynnika R134a są R1234yf (2,3,3,3-Tetrafl uoroprop-1- en; HFO-1234yf) oraz R1234ze(E) (trans-1,3,3,3-Tetrafl uoropropen). Zaczynają być one coraz powszechniej stosowane w systemach klimatyzacji, w szczególności samochodowej [2, 3], systemach chłodniczych [4] oraz w układach z rurkami o małych średnicach [5]. Nowe czynniki chłodnicze to nowe wyzwanie dla konstruktorów, projektantów i serwisu ze względu na odmienne własności termodynamiczne i cieplne.

 

W pracy przedstawiono analizę możliwości zastosowania tych czynników do termosyfonowych rur ciepła stosowanych powszechnie w klimatyzacyjnych wymiennikach rekuperacyjnych. Dokonano porównania wydajności pracy termosyfonu wykorzystującego R134a, R1234yf oraz R1234ze(E) jako czynniki robocze. 

 

 

Transport ciepła w termosyfonie

 

 

Na transport ciepła w termosyfonie ma wpływ geometria układu, materiał ścianki oraz stopień wypełnienia, jednak dominującą rolę odgrywa czynnik roboczy. Ze względu na zachodzące w urządzeniu przemiany fazowe, jedną z najważniejszych właściwości czynnika jest ciepło parowania. Dla wymiany ciepła znaczenie mają także ciśnienie nasycenia, gęstość, napięcie powierzchniowe, lepkość, ciepło właściwe i współczynnik przewodzenia ciepła.

 

Limity pracy termosyfonu określają maksymalną ilość ciepła, jaka może zostać przetransportowana w określonych warunkach. Podstawowe granice, które należy rozpatrzyć podczas analizy pracy termosyfonu [6]:

  • Granica wrzenia – występuje w momencie przejścia z wrzenia pęcherzykowego do wrzenia błonowego, gdy do parowacza dostarczany jest tzw. krytyczny strumień ciepła;
  • Granica zalewania i porywania – w termosyfonach występuje przeciwprądowy przepływ pary oraz skroplin. W przypadku zbyt dużej prędkości przepływu par, skropliny początkowo porywane są przez parę a ostatecznie kondensat może zostać zatrzymany w skraplaczu – następuje jego zalewanie;
  • Granica soniczna – zakłada, że prędkość pary transportowanej z parowacza do skraplacza nie może przekroczyć prędkości dźwięku. Przy prędkości dźwięku, powstaje fala uderzeniowa i przepływ pary zostaje zablokowany. Powoduje to przerwanie ciągłości przepływu i destabilizację wymiany ciepła.

 

Wszystkie dostępne w literaturze korelacje służące do obliczania maksymalnego strumienia ciepła transportowanego przez termosyfon opierają się na parametrach fizykochemicznych czynnika roboczego. Stąd podczas projektowania grawitacyjnych rur ciepła, niezbędnym elementem jest analiza pracy urządzenia w zależności od zastosowanego czynnika.

 

 

Porównanie własności czynników R1234yf, R1234ze(E) oraz R134a pod kątem ich zastosowania w termosyfonach

 

 

Największą zaletą czynników R1234yf oraz R1234ze w porównaniu do R134a jest ich znikomy wpływ na efekt cieplarniany. Współczynnik GWP określa potencjał czynnika do tworzenia efektu cieplarnianego, który dla CO2 równy jest 1, dla czynnika R1234yf wynosi 4, dla R1234ze: 6, natomiast dla R134a jest równy 1300. Dzięki temu R1234yf oraz R1234ze spełniają wymagania dyrektywy [1], która zaleca stosowanie czynników o współczynniku GWP poniżej 150. Zestawienie głównych własności czynników pokazano w tabeli 1. Właściwości w zależności od temperatury pokazano na rysunkach 1-4.

 

 

2015 05 23 5

 

 

Na rysunku 1. przedstawiono ciśnienie nasycenia w zależności od temperatury. Dla czynników R134a oraz R1234yf jest ono zbliżone w zakresie temperatury -35 ÷ 100°C. R1234ze charakteryzuje się ciśnieniem nasycenia niższym o około 1 bar w temperaturze 20°C niż R134a i R1234yf.

 

 

2015 05 23 1

Rys. 1. Ciśnienie nasycenia w zależności od temperatury dla czynników R134a, R1234ze oraz R1234yf [9]

 

 

Czynnik R134a wykazuje się najwyższym ciepłem parowania przy temperaturze poniżej 65°C, natomiast przy temperaturze powyżej 65°C – R1234ze. Najniższym ciepłem parowania w całym zakresie temperatury charakteryzuje się R1234yf (rys. 2.). Parametr ten jest kluczowy przy analizie transportu ciepła podczas przemian fazowych. Potwierdzają to wyniki dostępne w literaturze [5, 7, 8]. Według badań doświadczalnych [7] czynnik R1234yf wykazuje się o 15 ÷ 30% niższym współczynnikiem wnikania ciepła podczas skraplania w rurze o średnicy 0,96 mm niż R134a. W [5] wykazana została analogiczna zależność podczas parowania – czynnik R1234yf charakteryzuje się o około 20% niższym współczynnikiem wnikania ciepła w parowaczu niż R134a. Wyniki badań doświadczalnych nad czynnikiem R1234ze [8] wskazują, że współczynnik wnikania ciepła podczas skraplania jest 15 ÷ 25% wyższy dla R134a niż dla R1234ze dla temperatury nasycenia równej 40°C.

 

 

2015 05 23 2

Rys. 2. Ciepło parowania w zależności od temperatury dla czynników R134a, R1234ze oraz R1234yf [9]

 

 

Rysunek 3. przedstawia gęstość czynników w fazie ciekłej oraz gazowej. Najmniejszą różnicą gęstości pomiędzy fazą ciekłą a gazową charakteryzuje się czynnik R1234yf, a największą w temperaturze stosowanej w klimatyzacji – R134a. W całym zakresie analizowanej temperatury, czynnik R1234ze charakteryzuje się największym napięciem powierzchniowym, natomiast R1234yf najmniejszym (rys. 4.).

 

 

2015 05 23 3

Rys. 3. Gęstość w funkcji temperatury dla czynników R134a, R1234ze oraz R1234yf [9]

 

 

2015 05 23 4

 

Rys. 4. Napięcie powierzchniowe w zależności od temperatury dla czynników R134a, R1234ze oraz R1234yf [9]

 

 

Mimo że czynnik R1234yf jest ekologiczny i charakteryzuje się korzystnymi właściwościami termofi zycznymi, jego stosowanie wzbudza wiele kontrowersji. Spowodowane jest to jego palnością o zakresie: 6,2 ÷ 12,3% objętościowo w stosunku do powietrza oraz wysoką ceną – R1234yf jest kilkadziesiąt razy droższy niż R134a. Rozwiązaniem problemu palności może być zastosowanie mieszaniny R1234yf/R134a. Badania [10] pokazały, że dodanie czynnika R134a do R1234yf zmniejsza palność a przy udziale R134a ponad 10%, mieszanina staje się niepalna. Współczynnik ODP mieszaniny jest równy 0 a GWP poniżej 150, co spełnia wymagania [1] stawiane czynnikom chłodniczym na terenie UE. Analogiczna sytuacja występuje z czynnikiem R1234ze. W literaturze dostępne są badania niepalnej mieszaniny R1234ze/R134a (R450A) o współczynniku GWP 547 [11].

 

 

Model obliczeniowy

 

(...)

 

Dyskusja wyników

 

(...)

 

Podsumowanie

 

Rezultaty przeprowadzonej analizy wskazują, że nowe czynniki robocze są mniej wydajne niż czynnik R134a we wszystkich przypadkach. Spowodowane jest to przede wszystkim mniejszą wartością ciepła parowania. Z termodynamicznej analizy zaprezentowanych w pracy substytutów, zastosowanie R1234ze umożliwia osiągnięcie 4 ÷ 9% lepszych parametrów wymiany ciepła niż R1234yf.

 

Wartości granicznych strumieni ciepła, jakie mogą zostać przetransportowane przez termosyfon wskazują, że podstawowym zagrożeniem w analizowanych warunkach okazało się być zalanie skraplacza. Zmiana czynnika z roboczego z R134a na R1234ze lub R1234yf powoduje spadek wydajności urządzenia o odpowiednio 10 i 18%.

 

Przy gęstości strumienia ciepła powyżej 500 W/m2 najwyższym współczynnikiem przewodzenia ciepła charakteryzuje się termosyfon wypełniony R134a (668 W/mK dla 5 000 W/m2 oraz 1015 W/mK dla 50 000 W/m2). Użycie R1234ze, powoduje zmniejszenie współczynnika przewodzenia o około 10%. W przypadku zastosowania czynnika R1234yf są to spadki o odpowiednio: 12% dla gęstości strumienia ciepła równej 5 000 W/m2 oraz 18% dla 50 000 W/m2.

 

Wzrost różnicy temperatury między strefą parowania a skraplania zmniejsza współczynnik przewodzenia ciepła termosyfonu. Przy różnicy temperatury między parowaczem i skraplaczem równej 8°C, współczynniki przewodzenia termosyfonu są mniejsze o 32 ÷ 37% niż dla ΔT równej 0,5°C. W całym zakresie temperatury parowania 21,5 ÷ 30°C, urządzenie wypełnione czynnikiem R134a wykazuje się około 11% lepszą wydajnością niż w przypadku zastosowania R1234ze lub o 11 ÷ 15% większą wydajnością w porównaniu do R1234yf. Dla różnicy temperatury pomiędzy parowaniem i skraplaniem równej 8°C termosyfon wypełniony R134a charakteryzuje się wyższym współczynnikiem o 10% w stosunku do R1234ze oraz 15% w stosunku do R1234yf.

 

 

Agnieszka WLAŹLAK
Katedra Termodynamiki, Teorii Maszyn i Urządzeń Cieplnych,
Politechnika Wrocławska

 

Zbigniew KRÓLICKI
Katedra Termodynamiki, Teorii Maszyn i Urządzeń Cieplnych,
Politechnika Wrocławska

 

Bartosz ZAJĄCZKOWSKI
Katedra Termodynamiki, Teorii Maszyn i Urządzeń Cieplnych,
Politechnika Wrocławska

 

 


LITERATURA:

[1] Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) NR 517/2014 z dnia 16 kwietnia 2014r. w sprawie fl uorowanych gazów cieplarnianych i uchylenia rozporządzenia (WE) nr 842/2006. 20.5.2014.

[2] Y. LEE, D. JUNG: A brief performance comparison of R1234yf and R134a in a bench tester for automobile applications. Appl. Therm. Eng. str. 240–242. 35 (2012). doi:10.1016/j. applthermaleng.2011.09.004.

[3] C. ZILIO, J.S. BROWN, G. SCHIOCHET, A. CAVALLINI: The refrigerant R1234yf in air conditioning systems. Energy. str. 6110–6120. 36 (2011). doi:10.1016/j.energy.2011.08.002.

[4] S. JARALL: Study of refrigeration system with HFO-1234yf as a working fl uid. Int. J. Refrig. str. 1668–1677. 35 (2012). doi:10.1016/j.ijrefrig.2012.03.007.

[5] Y. ZHAO, Y. LIANG, Y. SUN, J. CHEN: Development of a mini-channel evaporator model using R1234yf as working fl uid. Int. J. Refrig. 35 (2012). str. 2166–2178. doi:10.1016/j. ijrefrig.2012.08.026, 35 (2012).

[6] REAY D.; KEW P: Heat Pipes. Theory, design and applications. Fifth edition. UK: Butterworth-Heinemann. 2006.

[7] D. DEL COL, D. TORRESIN, A. CAVALLINI: Heat transfer and pressure drop during condensation of the low GWP refrigerant R1234yf. Int. J. Refrig. str. 1307–1318. 33 (2010). doi: 10.1016/j.ijrefrig.2010.07.020.

[8] PARK J. E., VAKILI-FARAHANI F., CONSOLINI L., THOME J. R.: Experimental study on condensation heat transfer in vertical minichannels for new refrigerant R1234ze(E) versus R134a and R236fa. Experimental Thermal and Fluid Science. str. 442–454. 35 (2011). doi: 0.1016/j.expthermfl usci.2010.11.006.

[9] BELL I., WRONSKI J., QUOILIN S., LEMORT V.: Pure and Pseudo-pure Fluid Thermophysical Property Evaluation and the Open-Source Thermophysical Property Library CoolProp. Industrial & engineering chemistry research. str. 2498–2508. 53 (2014).

[10] Y. LEE, D.G. KANG, D. JUNG: Performance of virtually non-fl ammable azeotropic HFO1234yf/HFC134a mixture for HFC134a applications. Int. J. Refrig. str. 1203–1207, 36 (2013). doi:10.1016/j.ijrefrig.2013.02.015.

[11] MOTA-BABILONI A., NAVARRO-ESBRÍ J., BARRAGÁN-CERVERA A., MOLÉS F., PERIS B.: Experimental study of an R1234ze(E)/R134a mixture (R450A) as R134a replacement. International Journal of Refrigeration. str. 52–58. doi: 10.1016/j.ijrefrig.2014.12.010, 51 (2015).

[12] KOSTOWSKI E.: Przepływ ciepła. Gliwice. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej. 2006.

 

POLECAMY WYDANIA SPECJALNE

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2021

  • Pompy ciepła 2020-2021

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2020

  • Pompy ciepła 2019-2020

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2019

  • Pompy ciepła 2018

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2017

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2018

  • Pompy ciepła 2015

  • Pompy ciepła 2016

Katalog firm chłodnictwo, klimatyzacja, wentylacja

CHŁODNICTWO: Agregaty (chillery) chłodzone powietrzem, Agregaty (chillery) chłodzone wodą, Agregaty absorpcyjne, Agregaty skraplające, Aparatura kontrolno-pomiarowa, Chłodnice, Chłodnictwo w transporcie, Chłodziwa i nośniki ciepła, Czynniki chłodnicze, Dry-coolery, Drzwi chłodnicze (okucia, akcesoria), Elementy rozprężające, Filtry - osuszacze czynnika chłodniczego, Komory chłodnicze i zamrażalnicze, Kontenery chłodnicze, Maszyny do produkcji lodu (płatkarki, kostkarki), Materiały termoizolacyjne, Meble chłodnicze i zamrażalnicze, Monobloki chłodnicze, Odolejacze, separtory, Oleje sprężarkowe, Płyty warstwowe, Pompy cyrkulacyjne, Silniki, Siłowniki, Sprężarki chłodnicze, Tunele mroźnicze (kriogeniczne), Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Urządzenia rozmrażające, Wieże chłodnicze, Wyłączniki i przekaźniki czasowe, Wymienniki ciepła (parowacze, skraplacze), Wymienniki płytowe, Zasobniki chłodu, Zawory, Zespoły spręzarkowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

KLIMATYZACJA i WENTYLACJA: Aparatura kontrolno-pomiarowa, Aparaty grzewczo-wentylacyjne, Centrale klimatyzacyjne monoblokowe, Centrale klimatyzacyjne rooftop, Centrale klimatyzacyjne sekcyjne, Chłodnice/nagrzewnice kanałowe, Czerpnie i wyrzutnie, Filtry powietrza, Kanały wentylacyjne, Klapy ppoż. (oddymiające, odcinające), Klimakonwektory, Klimatyzacja samochodowa, Klimatyzatory kompaktowe (przenośne, okienne), Klimatyzatory split, Klimatytory multi splity, Kolektory słoneczne, Kratki, nawiewniki, dysze, Kurtyny powietrzne, Materiały termoizolacyjne, Nasady kominowe, wywietrzniki, Nawilżacze (parowe, zraszające, ultradźwiękowe, komory zraszania), Oczyszczacze powietrza, Odciągi miejscowe, Okapy kuchenne, Osuszacze powietrza, Pompy ciepła, Pompy cyrkulacyjne, Przepustnice, Rekuperatory i regeneratory do odzysku ciepła, Siłowniki, Stropy, belki chłodząco-grzejące, Systemy Super Multi, Szafy klimatyzacji precyzyjnej, Tłumiki hałasu, Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Wentylatory dachowe, Wentylatory oddymiające, przeciwwybuchowe, chemoodporne, Wentylatory osiowe, Wentylatory promieniowe, Wentylatory strumieniowe (oddymiające), Wymienniki gruntowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

MATERIAŁY, NARZĘDZIA, PRZYRZĄDY, AKCESORIA: Izolacje akustyczne, termiczne, Materiały i przyrządy lutownicze i spawalnicze, Materiały uszczelniające, Narzędzia, Rury, kształtki, akcesoria, Urzadzenia i środki czyszczące, Urządzenia do inspekcji i czyszczenia systemów wentylacyjno-klimatyzacyjnych, Urządzenia do usuwania i napełniania instalacji chłodniczych; recyklingu czynników chłodniczych, Wibroizolacje, Zamocowania i tłumiki drgań.

INNE: Zrzeszenia i organizacje, Oprogramowanie komputerowe, Portale internetowe, Targi, wystawy, szkolenia.