Załóż konto na portalu i bezpłatnie pobierz wydanie Rynku Instalacyjnego 7-8/2018

Analiza konstrukcji wymienników wyparnych na przykładzie wymiennika krzyżowego: wyniki symulacji numerycznej

Structural analysis of evaporative air coolers on the example of cross-flow heat and mass exchanger: numerical simulation results
Analiza konstrukcji wymienników wyparnych na przykładzie wymiennika krzyżowego: wyniki symulacji numerycznej
Analiza konstrukcji wymienników wyparnych na przykładzie wymiennika krzyżowego: wyniki symulacji numerycznej
Fot. Grundfos

Jednym z najbardziej istotnych elementów wymiennika wyparnego, mającym znaczący wpływ na efektywność termodynamiczną jednostki, jest jego konstrukcja. Dotyczy to zarówno budowy wypełnienia, ożebrowania lub też jego braku (oraz typu żeber występujących w wymienniku), jak i materiału użytego do budowy (stal, włókna, polietylen itd.).

Z racji rosnącego zainteresowania techniką pośredniego chłodzenia wyparnego niezbędna stała się analiza poszczególnych elementów konstrukcji wyparnych wymienników ciepła w celu osiągnięcia maksymalnej efektywności chłodniczej.

W poprzednim artykule [9] opisano cechy charakterystyczne konstrukcji pośrednich wymienników wyparnych. Poniżej zaprezentowane zostaną wyniki symulacji numerycznej, na podstawie których możliwe będzie wyznaczenie efektywności pośrednich wymienników wyparnych w zależności od charakterystycznych elementów konstrukcji ich wypełnienia.

Porównanie wymienników z różnym sposobem rozprowadzenia cieczy

Na rys. 1 przedstawiono porównanie efektywności dwóch omawianych wymienników (z materiałem porowatym i równomierną warstwą wody). Należy nadmienić, że model wymiennika z równomiernie rozłożoną warstwą wody stworzony został jedynie na potrzeby rozważań teoretycznych, gdyż w praktyce niemożliwe jest zapewnienie równomiernego rozprowadzenia cieczy po metalowych ściankach i żebrach – wiąże się to z dostarczaniem wody do kanałów – wprowadzenie dysz zaburza przepływ powietrza przy braku gwarancji równomiernego zwilżenia.

W materiale porowatym ciecz rozprowadzana jest za pomocą sił kapilarnych, co pozwala dostarczać wodę ze zbiornika mającego kontakt tylko z niewielką częścią struktury wypełnienia.

W obu rozwiązaniach zauważono dwie strefy aktywnej wymiany ciepła i masy w kanale strumienia pomocniczego. Na początku wysokie różnice temperatury i zawartości wilgoci powodują intensywne parowanie cieczy i ochładzanie powietrza roboczego (odcinek 1e–O, rys. 1a i b), przy jednoczesnym wzroście temperatury ścianki (rys. 1c).

Powstanie drugiej strefy aktywnej wymiany ciepła i masy wynika z faktu, że przez warstwę metalu dostarczany jest do wody praktycznie stały strumień ciepła q1s (rys. 1f), który jest w stanie przewyższyć efekt chłodzenia uzyskany na drodze odparowania wody (rys. 2d, 2f). W punkcie O na rys. 1a temperatura cieczy i strumienia pomocniczego zrównuje się, następnie temperatura powietrza zaczyna się podnosić przy zachowaniu kierunkowości wymiany masy (odcinek O–2o, rys. 1a, b, f).

Przeczytaj: Analiza konstrukcji wymienników wyparnych na przykładzie wymiennika krzyżowego – założenia >>

Wart odnotowania jest fakt, że proces podgrzewania zaczyna się we wczesnym stadium przepływu, tj. około połowy długości kanału pomocniczego, w zależności od przekroju (rys. 1d). Stwierdzono, że wydajność chłodnicza obu urządzeń jest bardzo zbliżona, różnica temperatury końcowej powietrza głównego pomiędzy wariantem 1 i 2 wynosiła 0,04°C, natomiast pomocniczego 0,2°C (rys. 1a i b).

Można zatem stwierdzić, że zastosowanie wymiennika wypełnionego materiałem porowatym jest bardziej uzasadnione, gdyż jego konstrukcja umożliwia praktyczną realizację pośredniego obiegu wyparnego, podczas gdy jednostka z równomiernie rozłożoną warstwą cieczy jest w rzeczywistości niemożliwa do wykonania.

Rozwiązania konstrukcyjne wykorzystujące dysze lub inne sposoby rozpylenia cieczy zawsze będą mniej efektywne przy pośrednim chłodzeniu wyparnym, gdyż natryskiwana woda częściowo odparowuje do powietrza, nawilżając je adiabatycznie, co powoduje, że ciepło przejścia fazowego nie jest wykorzystywane.

Analiza wpływu rodzaju wypełnienia na efektywność wymienników ciepła

Na rys. 2 przedstawiono zależność efektywności omawianych urządzeń od poszczególnych charakterystycznych parametrów wypełnienia. Na rys. 2a widoczny jest wpływ gęstości ożebrowania na efektywność procesów wymiany ciepła i masy.

Można zauważyć, że zarówno wymiennik wypełniony materiałem porowatym, jak i jednostka z warstwą cieczy uzyskują niższe temperatury na wyjściu wraz ze wzrostem gęstości ożebrowania. Różnica w końcowych temperaturach strumienia głównego pomiędzy wymiennikiem bez żeber (s = 1 – rys. 2a) a rekuperatorem z bardzo gęstym ożebrowaniem wynosi ok. 3°C.

Wynika to ze zwiększenia powierzchni wymiany ciepła. Stworzenie bardzo gęstego ożebrowania powoduje rozmaite problemy konstrukcyjne, niemniej w celu osiągnięcia maksymalnej efektywności urządzeń wyparnych teoretycznie należy dążyć do uzyskania jak najmniejszego skoku żeber.

Badania [1] pokazują, że efektywność wymienników wyparnych rośnie wraz ze zmniejszeniem wysokości kanału. Im kanał jest bardziej płaski, tym ciężej wykonać na nim gęste ożebrowanie. W związku z tym niezbędne staje się zbadanie, czy lepiej wykonać bardziej płaski, lecz słabo ożebrowany kanał, czy też kanał nieco wyższy z gęstszym ożebrowaniem. Do badań przyjęto trzy typy kanałów zestawione w tabeli 1: trójkątny, kwadratowy i płaski prostokątny.

Wyniki obliczeń widoczne są na rys. 2b. Wymiennik, który wyposażony jest w kanały płaskie, osiąga temperatury wyjściowe niższe o ok. 1°C od kanału z ożebrowaniem trójkątnym oraz o ok. 3°C niższe od wymiennika z ożebrowaniem kwadratowym. Kanał trójkątny osiąga temperaturę wyjściową niższą o ok. 2°C od wymiennika z ożebrowaniem kwadratowym. Moc chłodnicza odniesiona do przepływu powietrza 1 kg/s pomiędzy poszczególnymi wymiennikami z różnymi typami kanałów różni się średnio o 2 kW.

Z przedstawionych wyników badań widać, że większą efektywność można osiągnąć przy zastosowaniu płaskiego kanału. Oczywiście ożebrowany plaski kanał będzie cechował się jeszcze większą efektywnością, jest jednak trudny w wykonaniu. Przy wdrażaniu tego typu jednostek lepiej zatem stosować bardziej płaskie, a mniej ożebrowane kanały.

Kolejne badania przeprowadzono w celu sprawdzenia wpływu przewodności cieplnej materiału, z którego wykonany jest wymiennik, na jego efektywność. Wyniki przedstawiono na rys. 2c. Okazało się, że przewodność cieplna wypełnienia praktycznie nie wpływa na efektywność wymienników wyparnych – przy zmianie przewodności materiału od 1 do 100 W/(m K) temperatura na wyjściu zmieniła się jedynie o 0,33°C.

Wynika to z faktu, że ścianki w jednostkach wyparnych są cienkie, a mokry kanał pokryty jest warstwą wody. Przy konstruowaniu wymienników wyparnych nie należy się kierować kryterium przewodności cieplnej materiału wypełnienia, zdecydowanie ważniejsza jest jego zdolność do równomiernego rozprowadzenia wody.

Ostatnie badania przeprowadzono w celu zbadania wpływu grubości ożebrowania na efektywność wymienników wyparnych. Zagadnienie to ma istotne znaczenie konstrukcyjne, gdyż grubsze ożebrowanie lepiej przenosi obciążenia. Wyniki symulacji przedstawiono na rys. 2d. Zarówno w przypadku wymiennika z materiałem porowatym, jak i jednostki z warstwą cieczy efektywność chłodnicza spada wraz ze wzrostem grubości ożebrowania.

Przy zmianie grubości z 1 do 5 mm uzyskana temperatura końcowa wzrosła o 1,5°C. Grube żebra zabierają znaczną część powierzchni wymiany ciepła. W żebrach powstaje pionowy i poziomy rozkład temperatury, zatem część strumienia ciepła zużywana jest bezpowrotnie na zmianę energii wewnętrznej ożebrowania. Należy zatem dążyć do wykorzystywania możliwie najcieńszych żeber w jednostkach wyparnych.

Czytaj dalej: Analiza wymiany ciepła na ożebrowaniu wymienników wyparnych >>

   08.12.2014
W artykule przedstawiono pośrednie wymienniki wyparne i scharakteryzowano ich budowę. Przedstawiono materiały najczęściej wykorzystywane do ich budowy oraz te, które mogą być wykorzystywane w przyszłości. więcej »
prof. dr hab. inż.  Sergey Anisimov
prof. dr hab. inż.  Sergey Anisimov
Profesor na Politechnice Wrocławskiej oraz Państwowym Sankt Petersburskim Uniwersytecie Architektury i Budownictwa Lądowego, ekspert w dziedzinie klimatyzacji i wymiany ciepła. więcej »
mgr inż.  Demis Pandelidis
mgr inż.  Demis Pandelidis
Politechnika Wrocławska, Wydział Inżynierii Środowiska, Katedra Klimatyzacji, Ogrzewnictwa, Gazownictwa i Ochrony Powietrza oraz projektant instalacji sanitarnych. więcej »

Komentarze

(0)

Wybrane dla Ciebie

 



Obejrzyj film o bezinwazyjnej renowacji rur » Jakich zabezpieczeń wentylacyjnych potrzebujesz »
wiem więcej » spróbuj już dziś »

 


Mamy dla Ciebie nową ofertę urządzeń klimatyzacyjnych »

wentylacja

 



10 pytań o sterowanie ogrzewaniem grzejnikowym » Oszczędzaj nawet do 63% na zużyciu wody »
sterownik do pompy wodnej
czytam więcej » spróbuj już dziś »

 


Czy czyszczenie klimatyzacji musi być drogie »

czyszczenie klimatyzacji

 



Poznaj zalety pomp nowej generacji » 5 powodów, dla których warto zainwestować w pompę ciepła »
pompy woda powietrze pompy ciepła
czytam więcej » czytam więcej »

 


Polecamy sprawdzone metody na pomiar spalin w zamkniętym pomieszczeniu »

pomiar spalin

 



Jakie produkty pomogą ci w walce o czyste powietrze » Serwis pompy ciepła bez problemów - jak to zrobić »
program czyste powietrze serwis pompy ciepła
czytam więcej » czytam więcej »

 


Jak działa technologia klimatyzacji bez przeciągów »

wentylacja

 


Dodaj komentarz
Nie jesteś zalogowany - zaloguj się lub załóż konto. Dzięki temu uzysksz możliwość obserwowania swoich komentarzy oraz dostęp do treści i możliwości dostępnych tylko dla zarejestrowanych użytkowników naszego portalu... dowiedz się więcej »

Co Szperacz wyszperał ;-)

źle wykonana instalacja

Sztywniactwo i niechlujstwo - zobacz i skomentuj »

Dla tych, którzy szukają bardziej elektryzujących wrażeń Szperacz ma dziś coś specjalnego - rozdzielnia w toalecie.

zaślepka


TV Rynek Instalacyjny


 tv rynek instalacyjny
6/2019

Aktualny numer:

Rynek Instalacyjny 6/2019
W miesięczniku m.in.:
  • - Mikrokogeneracja w budownictwie mieszkaniowym
  • - Modernizacja budynków wielorodzinnych
Zobacz szczegóły
Dom Wydawniczy MEDIUM Rzetelna Firma
Copyright © 2011 - 2012 Grupa MEDIUM Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Spółka komandytowa, nr KRS: 0000537655. Wszelkie prawa w tym Autora, Wydawcy i Producenta bazy danych zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów zabronione. Korzystanie z serwisu i zamieszczonych w nim utworów i danych wyłącznie na zasadach określonych w Zasadach korzystania z serwisu.
realizacja i CMS: omnia.pl