Obiegi chłodnicze typu absorpcyjnego lub strumienicowego mogą być napędzane z niskotemperaturowych źródeł energii. Obieg strumienicowy jest znany w technice od dość dawna, ale pojawienie się nowych czynników chłodniczych spowodowało ponowny wzrost zainteresowania tymi obiegami. Choć zależności analityczne bazujące najczęściej na prostym modelu bilansowym dla strumienic znane są od dość dawna, nie uwzględniają jednak wszystkich zjawisk zachodzących w strumienicy. Są one dość skomplikowane, zwłaszcza jeśli dotyczą nietypowej geometrii lub konfiguracji dysz. Do poznania tych zjawisk autorzy posłużyli się techniką numeryczną zwaną metodą elementów skończonych. Wykorzystano komercyjny pakiet ANSYS CFX 11.0, a otrzymane wyniki obliczeń porównano z przeprowadzonymi, własnymi badaniami eksperymentalnymi.

Rys. 1. Przekrój strumienicy

    Od kilkudziesięciu lat wzrasta wykorzystanie odnawialnych źródeł energii. Wiele z tych źródeł oferuje niskopotencjałową energię cieplną (z przedziału temperatur 80÷160oC), która napędzać może bezpośrednio absorpcyjne lub strumienicowe urządzenia chłodnicze. Urządzenia strumienicowe swoją historię rozpoczęły w okresie rozwoju maszyn parowych. Masowe wykorzystanie pary wodnej do napędu urządzeń tłokowych, nieco ubocznie otwarło także drogę do zbudowania urządzeń chłodniczych. Prostymi urządzeniami do wytwarzania podciśnienia były wtedy strumienice zasilane parą wodą. Współcześnie oprócz pary wodnej wykorzystywać można dowolne czynniki chłodnicze.

Rys. 2. a) Odwzorowanie procesów zachodzących w obiegu strumienicowym na typowym wykresie lgp-h własności czynnika b) przebieg procesu rozprężania w dysz napędowej w przepływie izentropowym i rzeczywistym

    Strumienica jest urządzeniem przepływowym o dość prostej budowie, pokazanej w przekroju na rys. 1. Typowa strumienica składa się z dwóch dysz zbieżno-rozbieżnych, z których pierwsza zwana jest dyszą napędową a druga komorą (choć jest również dyszą) mieszania. Para wlatująca do łagodnie zwężającego się otworu dyszy napędowej zwiększa stopniowo swoją prędkość. W najwęższym przekroju dyszy przepływająca para osiąga warunki przepływu krytycznego. Od tego momentu, czyli od osiągnięcia prędkości dźwięku prędkość pary rośnie jednak nadal, osiągając w dyszy rozbieżnej przepływ naddźwiękowy. Tak duża prędkość czynnika powoduje oczywiście obniżenie ciśnienia co powoduje zasysanie pary z parowacza i mieszanie się par. Aby oba strumienie zmieszały się w wystarczającym stopniu niezbędny jest pewien odcinek przepływu jaki zapewnia rurowa (walcowa) część komory mieszania. Wymieszane pary czynnika wpływają ostatecznie do dyszy rozbieżnej, gdzie obniżają swoją prędkość a ich ciśnienie wzrasta do poziomu ciśnienia w skraplaczu. Proces ten nie jest jednak stopniowy ale gwałtowny, towarzyszy mu bowiem zjawisko fali uderzeniowej. Przekraczając falę przepływ naddźwiękowy przechodzi w poddźwiękowy, skokowo rośnie ciśnienie, temperatura i gęstość pary. (…)

Rys. 6. Szczegóły siatki numerycznej zastosowanej w obliczeniach: a) wylot z strumienicy b) centralna część strumienicy – obszar mieszania strumieni, c) dysza napędowa z fragmentem komory ssawnej

    Strumienicę, jaką poddano analizie numerycznej przedstawiono na rys. 5a. Założono, że przepływy zachodzące w strumienicy są przepływami osiowo-symetrycznymi. Z tego powodu obliczenia numeryczne zostały uproszczone do kątowego wycinka (wartości 1o) strumienicy przedstawionej na rys. 5b. Analizowany obszar obliczeniowy dyskretyzowano za pomocą 4986 elementów w tym 245 elementów typu Wedge oraz 4741 elementu typu Hexahedra w programie ANSYS ICEM 11.0. Obliczenia numeryczne prowadzone nawet dla tak niewielkiej ilości elementów są dość czasochłonne i trwają około 12 godzin. W miejscach gdzie spodziewano się dużych gradientów ciśnienia i prędkości tzn. blisko powierzchni ścian oraz w okolicy wylotu z dyszy napędowej, siatka numeryczna została dodatkowo zagęszczona. Szczegóły zastosowanej siatki numerycznej przedstawiono na rys. 6. W obszarze obliczeniowym uwzględniono następujące warunki brzegowe: wlot główny (main inlet) to warunek typu inlet, ze znaną temperaturą nasycenia pary oraz wartością masowego natężenia przepływu;

    Jednym z parametrów służących do weryfikacji poprawności zastosowanych warunków brzegowych oraz modelu turbulencji jest ciśnienie ssania wyznaczane według zależności (5). Wartości ciśnienia ssania są funkcją stopnia ejekcji oraz pośrednio ciśnień w wytwornicy i skraplaczu. Ciśnienie za dyszą napędową jest również zależne od warunków brzegowych i modelu turbulencji. Wartości ciśnienia w przestrzeni ssawnej uzyskiwane w wyniku obliczeń numerycznych oraz na drodze eksperymentalnej zestawiono na rys. 12. W przypadku wartości pomiarowych wyniki zaznaczono pasem o szerokości wynikającej z analizy błędów pomiarowych.

    Tradycyjne procedury projektowe nie są dostosowane do strumienic pracujących w obszarze pary mokrej, o nietypowej geometrii wynikającej z zasilania parą napędową o niskiej temperaturze. Autorzy poszukiwali alternatywnej metody projektowej, która uwzględniałaby te zagadnienia. Wykorzystując komercyjny pakiet ANSYS CFX 11.0 przeprowadzono analizę numeryczną procesów cieplno-przepływowych zachodzących w strumienicy o wybranej geometrii. Zaproponowano własną procedurę prowadzenia obliczeń i zgodnie z nią wykonano serię analiz numerycznych. Na ich podstawie wyznaczono charakterystyki użytkowe modelowanej strumienicy oraz wartości wybranych współczynników sprawności. Wykonano stanowisko badawcze do obserwacji i pomiarów procesów zachodzących w rzeczywistym obiegu strumienicowym. Badania prowadzono dla poziomów temperatur analogicznych do przyjętych w obliczeniach numerycznych. Za pomocą eksperymentu laboratoryjnego wykonano pomiary parametrów pracy rzeczywistej strumienicy i wyznaczono wybrane, istotne charakterystyki. Badania doświadczalne potwierdziły poprawność obliczeń numerycznych. Zaprezentowana metoda może posłużyć do numerycznego doboru geometrii strumienic bez konieczności ich wcześniejszego warsztatowego wykonywania. Możliwe jest także dokonywanie eksperymentalnej modyfikacji geometrii strumienicy lub specyficznego trybu jej pracy, zwłaszcza gdy chodzi o warianty pracy trudne do zrealizowania w badaniach laboratoryjnych. Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach 2005-2008 jako projekt badawczy 3 T10B 046 29.

wydanie 5/2007 

 

CZYTAJ CAŁOŚĆ, ZAMÓW PRENUMERATĘ:

TRADYCYJNĄ                         E-WYDANIE