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

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.

Analiza wymiany ciepła na ożebrowaniu wymienników wyparnych

Na podstawie przeprowadzonych wielowariantowych badań numerycznych stwierdzono, że wymiana ciepła na powierzchni ożebrowanych wymienników wyparnych cechuje się wieloma elementami, które zależą od czynników termodynamicznych, konstrukcyjnych i innych. Stwierdzono, że dla wymienników z płaskimi kanałami rozkład temperatury na ożebrowaniu jest niewielki (rys. 3a i b). 

Wraz z rosnącą wysokością kanału (a zatem rosnącą wysokością żeber) gradient temperatury na ożebrowaniu wzrasta, nie osiąga jednak znaczących wartości. Na rys. 3b widać, że dla kanału o wysokości 6 mm maksymalna różnica temperatur pomiędzy spodem a końcem żebra wynosi 0,6°C. Dla wymienników z płaskim wypełnieniem różnica ta jest odpowiednio mniejsza. 

W przypadku modelowania urządzeń z płaskimi kanałami rozkład temperatury na ożebrowaniu może zatem zostać pominięty, a temperatury na początku i końcu żebra mogą być rozpatrywane jako równe.

Dla wymienników z różnym typem ożebrowania inaczej kształtuje się również przepływ ciepła w poszczególnych przekrojach wypełnienia. Na rys. 3c widoczny jest wymiennik z prostokątnymi kanałami, a na rys. 3d z kwadratowymi. Kwadratowy kształt kanału implikuje jednocześnie gęstsze ożebrowanie. 

Można stwierdzić, że w wymienniku z prostokątnym kanałem strumień ciepła jawnego z ożebrowania w kanale suchym wynosi ok. 13% całkowitego strumienia, natomiast w kanale mokrym ok. 12,1%. W przypadku ciepła utajonego 12,7% całkowitego strumienia przenoszone jest przez ożebrowanie kanału mokrego. 

Przeczytaj także: Wentylacja energooszczędnych budynków >>

W wymienniku z kwadratowymi kanałami dystrybucja ciepła znacząco różni się od wariantu z kanałami prostokątnymi: 58,75% ciepła utajonego, 61,33% ciepła jawnego w suchym kanale i 56,85% ciepła jawnego w kanale mokrym. Wynika to z faktu, że zwiększenie gęstości ożebrowania powoduje zmniejszenie powierzchni ścianki kontaktującej się z przepływającym powietrzem. Poniżej przedstawiony zostanie wpływ omawianego zjawiska na całkowitą efektywność wymienników wyparnych. 

Analiza pracy krzyżowego wymiennika wyparnego dla zmiennych warunków klimatycznych (wariant z materiałem porowatym)

Przemiany zachodzące w wymienniku z materiałem porowatym przy zmiennej wilgotności względnej powietrza zewnętrznego oraz stałej temperaturze zobrazowano na rys. 4a–c. Stwierdzono spadek mocy chłodniczej przy zwiększającej się wilgotności względnej i jednoczesny wzrost sprawności odniesionej do temperatury termometru mokrego (rys. 4a, b, c). Nasycone powietrze ma mniejszy potencjał wymiany masy z cieczą w kanale mokrym, stąd zmniejszenie mocy chłodniczej. 

Zjawisko zwiększenia sprawności rekuperatora (rys. 4c) jest spowodowane zwiększaniem się temperatury mokrego termometru (tWB) wraz z nasyceniem powietrza parą wodną: uzyskana temperatura końcowa (t_1o) powietrza głównego jest coraz wyższa, ale tempo jej wzrostu jest wolniejsze od tempa wzrostu temperatury termometru mokrego (coraz mniejsza różnica t_1o – t_WB). Dlatego pomimo spadku mocy chłodniczej jednostki sprawność końcowa wzrasta. Ponadto odnotowano, że proporcjonalnie ze wzrostem wilgotności względnej wzrasta temperatura strumienia nawiewanego do pomieszczeń, czyli odczuwalny wskaźnik efektywności jednostki (rys. 4a). 

Wyniki uzyskane w symulacji numerycznej dla stałej wilgotności względnej i zmiennej temperatury zobrazowane są na rys. 4d–f. Stwierdzono proporcjonalny wzrost mocy chłodniczej do początkowej temperatury powietrza głównego (rys. 4d i e), przy jednoczesnym wzroście uzyskanej temperatury powietrza nawiewanego (rys. 4d) i niemalże stałej sprawności odniesionej do temperatury termometru mokrego (rys. 4f). 

Przedstawione zależności wynikają z faktu, że przy stałej wilgotności względnej strumień pomocniczy ma prawie stałą różnicę potencjałów wymiany masy, jednak większa temperatura powietrza głównego ułatwia parowanie (duża różnica temperatur pomiędzy warstwą wody a powietrzem), dlatego efektywniej ochładza się cieplejsze powietrze. 

Wyniki uzyskane w symulacji numerycznej dla stałej zawartości wilgoci powietrza oraz zmiennej temperatury i wilgotności względnej zobrazowano na rys. 4g–i. Odnotowano bardzo wyraźny wzrost mocy chłodniczej wraz ze zwiększającą się temperaturą wejściową (rys. 4h) przy zbliżonych wartościach uzyskanych temperatur końcowych (rys. 4g) i sprawności (rys. 4i); jej bardzo wysoka wartość w przypadku nr 1 jest spowodowana bliskością linii nasycenia ze względu na dużą wilgotność względną powietrza). 

Analiza skuteczności wymiennika w opisanych warunkach (rys. 4g-i) pozwala przypuszczać, że efektywność wymiennika wyparnego zależy w mniejszym stopniu od temperatury wejściowej powietrza, a w większym od jego wilgotności względnej, zatem prawdopodobnie najbardziej istotnym czynnikiem wpływającym na skuteczność jednostki nie jest różnica temperatury, ale potencjał wymiany masy. 

Podsumowanie i wnioski

W artykule przedstawiono technikę pośredniego chłodzenia wyparnego i opisano zasadę działania pośrednich rekuperatorów wyparnych. Przedstawiono wyniki symulacji numerycznej. 

Na podstawie przeprowadzonych badań numerycznych określono cechy charakterystyczne procesów wymiany ciepła i masy w ożebrowanym wymienniku krzyżowym do pośredniego wyparnego ochładzania powietrza. Stwierdzono obecność dwóch stref aktywnej wymiany ciepła i masy w mokrych kanałach analizowanych urządzeń. 

Wymiennik wypełniony materiałem porowatym oraz równomiernie rozłożoną warstwą cieczy uzyskuje podobne temperatury końcowe. Jednak ze względów konstrukcyjnych bardziej uzasadnione jest użycie urządzeń wykorzystujących materiał porowaty.

Przy modelowaniu wymienników wyparnych o niskich kanałach można pominąć rozkład temperatury na ożebrowaniu. Różne typy ożebrowania wpływają na strefy aktywnej wymiany ciepła i masy oraz na sposób dystrybucji ciepła w kanałach wypełnienia. Gęste ożebrowanie kanałów wymienników wyparnych poprawia efektywność wymiany ciepła, jednak w mniejszym stopniu niż niska wysokość kanału. Większą skuteczność chłodniczą można uzyskać, stosując wymiennik wyparny z płaskim kanałem i rzadszym ożebrowaniem niż z wysokim kanałem i gęstym ożebrowaniem.

Przewodność cieplna wypełnienia ma niewielki wpływ na efektywność wymienników wyparnych. Zdecydowanie ważniejsza jest zdolność wypełnienia do równomiernego rozprowadzenia cieczy.

Ożebrowanie w wymiennikach wyparnych powinno być możliwie cienkie w celu uzyskania maksymalnej efektywności temperaturowej.

Skuteczność wymiennika znacząco maleje w wilgotnych warunkach klimatycznych.

Najwyższą efektywnością analizowana jednostka cechowała się dla suchych i gorących parametrów wlotowych.

Literatura

1. Zhao X. et. al., Comparative study of heat and mass exchanging materials for indirect evaporative cooling systems, „Building and Environment” Vol. 43, Issue 11, 2008.
2. Duan Z., Investigation of a Novel Dew Point Indirect Evaporative Air Conditioning System for Buildings, Thesis submitted to the University of Nottingham for the degree of Doctor of Philosophy, 2011.
3. Liu S., A Novel Heat Recovery/Desiccant Cooling System, Thesis submitted to the University of Nottingham for the degree of Doctor of Philosophy, 2008.
4. Shah R., Sekulic D. et al., Fundamentals of heat exchanger design, Lexington, Kentucky, USA, 2003.
5. Anisimov S.M., Bolotin S.A., Badania krzyżowych wymienników ciepła do pośredniego ochładzania powietrza, Wiadomości Międzynarodowej Akademii Nauk Ochrony Środowiska„Ochrona Powietrza Atmosferycznego” nr 2/1996.
6. Žukauskas A., Žiugžda J., Heat transfer in laminar flow of fluid, Wilno 1969.
7. Gillan L., Maisotsenko cycle for cooling process, Denver 2008.
8. Pandelidis D., Polushkin V., Wymienniki do pośredniego ochładzania powietrza za pomocą odparowania cieczy, „Współczesne Metody i Techniki w Badaniach Systemów Inżynieryjnych”, Wrocław 2011.
9. Pandelidis D., Analiza konstrukcji wymienników wyparnych na przykładzie wymiennika krzyżowego: założenia, „Rynek Instalacyjny” nr 3/2014.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!