Wpływ konstrukcji wymienników na efektywność energetyczną chłodziarek i pomp ciepła

Współczynniki efektywności energetycznej chłodziarek oraz pomp ciepła (EER i COP), od których bezpośrednio zależy zużycie energii napędowej, są funkcją temperatury parowania i skraplania czynnika roboczego. Wpływ temperatury i jej różnic w skraplaczu i parowaczu na obieg sprężarkowej chłodziarki lub pompy ciepła pokazano na rys. 1. Przebieg zmian temperatury w tych wymiennikach wynika zarówno z konieczności utrzymania niezbędnych różnic stanowiących siłę napędową procesu wymiany ciepła między czynnikiem a źródłami, jak i spadku temperatury nośników ciepła w wymiennikach.

Na rys. 1 wyodrębniono dwie charakterystyczne różnice temperatury w wymiennikach. Pierwsza dotyczy siły napędowej wymiany ciepła wzdłuż powierzchni wymiennika ciepła: źródło górne ΔT_g(l) i źródło dolne ΔT_d(l) – wartości te można w pewnym stopniu zminimalizować, zwiększając pole powierzchni wymienników. Druga różnica wynika ze spadku temperatury nośnika ciepła w wymiennikach δT_sg i δT_sd, przy czym są one związane z pojemnością cieplną strumienia masy nośników ciepła. Ten spadek temperatury można w pewnym zakresie minimalizować, zwiększając strumień masy nośnika ciepła przepływającego przez wymiennik, co powoduje jednak zwiększenie kosztów instalacyjnych i eksploatacyjnych.

Zużycie energii do napędu sprężarki urządzenia chłodniczego lub pompy ciepła zależy od spiętrzenia temperatury czynnika roboczego, tj. różnicy między temperaturą skraplania i parowania. Aby różnica między tymi wartościami była możliwie mała, konieczne jest dobranie wymienników o powierzchni zapewniającej utrzymanie niedużych różnic temperatury – zmiany fazy czynnika roboczego i nośników ciepła. W praktyce różnice te wynoszą w przypadku powietrza 5–7 K, a wody lub solanki 3–5 K.

Na rys. 2 pokazano uproszczone rozkłady temperatury w parowaczu (a) oraz skraplaczu (b) chłodziarki lub pompy ciepła, przy czym pominięto zjawiska przegrzania pary czynnika roboczego w parowaczu i skraplaczu oraz zmiany temperatury czynników chłodniczych spowodowane spadkami ciśnienia przy przepływie przez wymienniki. Wykresy te dotyczą ponadto jednorodnych i azeotropowych czynników roboczych, w których nie występuje poślizg temperaturowy. A zatem w przypadku stałej temperatury jednego z czynników wymieniających ciepło (jak na rys. 2) nie zachodzi klasyczny przepływ współ- lub przeciwprądowy.

W przypadku parowacza siłą napędową procesu wymiany ciepła jest logarytmiczna różnica temperatury Δt_log obliczana ze wzoru:

gdzie:
t₁ – temperatura nośnika ciepła dopływającego do parowacza, °C;
t₂ – temperatura nośnika ciepła odpływającego z parowacza, °C;
Δt_n – spadek temperatury nośnika ciepła, K;
t_o – temperatura parowania czynnika roboczego, °C;
Δt₁ – większa różnica temperatury, K.

Czytaj też: Wytyczne branżowe – zdrowy klimat w pomieszczeniach szkolnych >>

Znając wartości logarytmicznej różnicy temperatury Δt_log, można obliczyć wymagane pole powierzchni:

• skraplacza As:• parowacza Ap:

gdzie:
Q – moc cieplna skraplacza, W;
Q_o – moc cieplna wymieniana w parowaczu, W;
U – współczynnik przenikania ciepła w skraplaczu lub parowaczu, W/(m²∙K).

Powyższe rozważania dotyczyły czynników jednorodnych i azeotropowych, w których przemiany fazowe w parowaczach i skraplaczach przebiegają izotermicznie, ponadto pominięte zostały spadki ciśnienia przy przepływie czynników przez wymienniki ciepła. Rozważania te mogą dotyczyć również czynników bliskoazeotropowych, np. R-404A, których poślizg temperatury jest niewielki (< 0,2 K).

Zastosowanie jednak czynników zeotropowych o dużym poślizgu temperatury, który może dochodzić do 8 K (czynniki R-407C, R-407F, R-448A, R-449A i R-452A), związane jest z koniecznością uwzględnienia tego wpływu w projektowaniu i eksploatacji wymienników ciepła, szczególnie w przypadku retrofitu, tj. wymiany czynnika w instalacji. Wymiana czynnika chłodniczego może spowodować zmianę warunków pracy instalacji, tj. zmianę mocy grzewczej w przypadku eksploatacji w trybie pompy ciepła (skraplacz) i zmianę mocy chłodniczej przy eksploatacji w trybie chłodzenia (parowacz). Żeby uwzględnić wpływ poślizgu temperatury, obliczenia powierzchni wymiany ciepła parowaczy i skraplaczy powinny być odniesione do średniej temperatury wrzenia lub skraplania czynnika oraz tzw. temperatury jego punktu rosy, tj. temperatury końca wrzenia (temperatura nasycenia pary suchej – p. rys. 4) lub temperatury początku skraplania (p. rys. 3). Z rysunków tych wynika, że w przypadku czynników zeotropowych można wyróżnić przeciwprądowy przepływ czynników wymieniających ciepło.

Na rys. 3a pokazano rozkład temperatury czynników wymieniających ciepło w skraplaczu, przy czym uwzględniono spadek temperatury spowodowany poślizgiem temperatury oraz stratami ciśnienia przy przepływie czynnika przez wymiennik. Natomiast na rys. 3b pokazano rozkład temperatury w tym wymienniku i sposób określenia temperatury średniej, a na rys. 3c wpływ średniej temperatury na warunki pracy instalacji chłodniczej. W tym przypadku ciśnienie skraplania wzrasta, jego wartość określa tzw. skorygowana temperatura punktu rosy równa średniej temperaturze odniesienia [3]. Z rysunków tych wynika, że temperatura skraplania obniża się w sposób ciągły, co powoduje zmniejszenie różnicy temperatury między czynnikami, co z kolei skutkuje koniecznością zwiększenia powierzchni wymiennika lub podwyższenia ciśnienia skraplania czynnika.

Inaczej przebiega ten proces w parowaczu, gdzie temperatura wrzącego czynnika stopniowo wzrasta (rys. 4). Dławienie czynnika przed parowaczem powoduje, że do wymiennika dopływa on w układzie dwufazowym. Z tego powodu nie można łatwo obliczyć średniej temperatury będącej siłą napędową procesu wymiany ciepła, wyrażonej jako różnica średniej temperatury wrzenia i temperatury punktu rosy – różnica ta musi zostać wyznaczona metodą iteracyjną (p. rys. 4). Jeśli zjawisko to zostanie uwzględnione, tj. parowacz zostanie zwymiarowany z uwzględnieniem średniej temperatury odniesionej do punktu rosy, to jego powierzchnia będzie mniejsza niż w przypadku wymiennika zasilanego czynnikiem bez poślizgu temperatury.

Charakterystyka cieplna wymiennika, a przede wszystkim wartość współczynnika przenikania ciepła, ma istotny wpływ na energetyczną efektywność chłodziarki lub pompy ciepła. Intensyfikacja procesów wymiany ciepła, która prowadzi do zmniejszenia spadków temperatury spowodowanych oporami przejmowania ciepła, powoduje zwiększenie współczynnika wydajności chłodniczej EER lub cieplnej COP. Wartości współczynników przenikania ciepła U w różnych typach wymienników ciepła podano w tabeli 1.

Klasyfikacja i konstrukcja wymienników ciepła

Najczęściej stosowaną podstawą klasyfikacji wymienników ciepła wykorzystywanych w urządzeniach chłodniczych i pompach ciepła są funkcje, które one pełnią. Wyróżnia się zatem:

• parowacze (parowniki),
• skraplacze,
• regeneracyjne wymienniki ciepła (dochładzacze ciekłego czynnika),
• inne wymienniki ciepła (np. dochładzacze przegrzanej pary czynnika chłodniczego stosowane w systemach odzyskiwania ciepła, powietrzne chłodnice wody lub wodnego roztworu glikolu – tzw. dry coolery).

Kolejnym kryterium klasyfikacji wymienników ciepła jest rodzaj nośnika ciepła w źródłach: dolnym – parowacz i górnym – skraplacz.

W technice klimatyzacyjnej parowacze są przeznaczone do chłodzenia cieczy (woda lub wodne roztwory glikoli) i powietrza (chłodnice z bezpośrednim odparowaniem czynnika chłodniczego).

W przypadku skraplaczy rozróżnia się:

• skraplacze chłodzone cieczą,
• skraplacze z chłodzeniem mieszanym (natryskowo-wyparne).

Jednak podstawowym kryterium klasyfikacji wymienników ciepła jest ich konstrukcja, przy czym wyróżnia się:

• wymienniki rurowe (rura w rurze, spiralne, wężownicowe),
• wymienniki płaszczowo-rurowe,
• wymienniki płytowe.

Wymienniki płytowe

Obecnie najlepsze warunki wymiany ciepła zapewniają wymienniki płytowe, które zaliczane są do kompaktowych, wysokosprawnych wymienników ciepła. Są one zbudowane z wielu cienkich, odpowiednio uformowanych (pofałdowanych) płyt tworzących kanały, przez które przepływają czynniki wymieniające ciepło. W zależności od sposobu połączenia płyt rozróżnia się wymienniki płytowe:

• rozbieralne (skręcane, często zwane uszczelkowymi),
• nierozbieralne (lutowane, spawane, płaszczowo-płytowe),
• częściowo rozbieralne (spawano-skręcane).

Czytaj też: Projektowanie wentylacji w obiektach gastronomicznych a wyzwania spowodowane pandemią >>

W urządzeniach chłodniczych i pompach ciepła ze względu na właściwości czynników stosowane są głównie wymienniki nierozbieralne. W wymiennikach lutowanych lub spawanych płyty są łączone w nierozłączalne pakiety, najczęściej za pomocą lutowania miedzią lub niklem. Budowę płytowych wymienników ciepła pokazano na rys. 5, a na rys. 6 konfigurację przepływu czynników przez takie wymienniki.

W wymiennikach spawanych lub lutowanych płyty spawane są parami, a pary tych płyt tworzące powierzchnię wymiany ciepła uszczelniane są między sobą za pomocą uszczelek. W wymienniku takim czynnik chłodniczy/roboczy wypełnia przestrzenie utworzone przez płyty spawane, a ciekły nośnik ciepła przepływa między parami tych płyt.

Płyty wymiennika tłoczone są najczęściej ze stali szlachetnej lub tytanu i po połączeniu tworzą kanały. Mają one wytłoczenia o różnych kształtach i kątach. Płyty o rozwartym kącie między wytłoczeniami, tzw. jodełka, zapewniają duże wartości współczynnika przenikania ciepła, ale powodują większe straty ciśnienia. Dzięki temu zastosowanie tego rodzaju wymienników w wytwornicach wody lodowej skutkuje wzrostem parowania czynnika o 1 K, a tym samym zwiększeniem współczynnika wydajności chłodniczej o ok. 3% w stosunku do innych rozwiązań. Ponadto dzięki nowemu kształtowi kanałów zmniejszono napełnienie urządzenia czynnikiem o ok. 30% oraz masę wymiennika o ok. 25% w stosunku do rozwiązań konwencjonalnych wymienników płytowych.

Modyfikacja formy płyt zmierzająca do intensyfikacji wymiany ciepła przy ograniczonym spadku ciśnienia stała się obszarem innowacyjnych działań konstruktorów. Na rys. 7 pokazano rozwiązanie AsyMatrix, które według zapewnień producenta zwiększa intensywność wymiany ciepła przy stosunkowo niewielkim wzroście oporów przepływu.

Inne nowatorskie rozwiązanie z nowym wzorem wytłoczenia płyt to MicroPlate™ – małe, punktowe, regularne przetłoczenia, które stykając się, tworzą kanaliki intensyfikujące proces wymiany ciepła. Równocześnie duża liczba przetłoczeń i wzrost liczby punktów zgrzewania zwiększa wytrzymałość mechaniczną wymiennika, a zatem zwiększa dopuszczalne ciśnienie robocze. Na rys. 8 porównano konwencjonalne płyty z przetłoczeniem V (w jodełkę) z płytami z przetłoczeniem punktowym.

Producent w wyniku badań stwierdził, że technologia MicroPlate™ zapewniła zwiększenie intensywności wymienianego strumienia ciepła o 10% przy jednoczesnym zmniejszeniu o 35% spadku ciśnienia przy przepływie chłodziwa przez wymiennik.

Wymienniki płytowe mogą być współ- lub przeciwprądowe z przepływami jedno- lub wielokrotnymi. Na rys. 9 pokazano dwuobiegowy, płytowy lutowany wymiennik ciepła (system Dualaced – patent Alfa Laval). Wymiennik ten może być połączony z dwoma niezależnymi obiegami czynnika chłodniczego w wytwornicy wody lodowej.

Rozwiązania płytowych wymienników ciepła, które mogą pełnić funkcje parowacza lub skraplacza, pokazano na rys. 10.

Czynnik chłodniczy dopływa do dolnej części wymiennika – parowacza (kolor niebieski – rys. 10a), odparowuje wewnątrz kanałów i w postaci pary przegrzanej odpływa do górnej części wymiennika. Ciecz chłodzona w parowaczu przepływa przeciwprądowo w stosunku do czynnika chłodniczego (strzałki jasno- i ciemnoczerwone). Podobnie zachodzą procesy wymiany ciepła w skraplaczu chłodzonym cieczą (rys. 10b).

Czytaj też: Systemy wentylacji budynków muszą być znacznie lepsze >>

Istotny wpływ na eksploatację wymienników płytowych ma właściwy rozdział przepływu czynników wymieniających ciepło między poszczególne równoległe kanały utworzone przez płyty. Rozprężony w zaworze czynnik chłodniczy dopływa do parowacza w fazie dwufazowej (para wilgotna) z dość dużą prędkością, a więc ma dużą energię kinetyczną. W wymiennikach „cienkich” (złożonych z małej liczby płyt) siła bezwładności jest przyczyną nadmiernego przepływu czynnika przez skrajne kanały (rys. 11a). Z kolei w wymiennikach o dużej liczbie płyt nadmierny przepływ występuje w kanałach środkowych (rys. 11b). Aby temu zapobiec, stosowane są różnego rodzaju rozdzielacze (zwane także dystrybutorami) czynnika o dużych oporach hydraulicznych (rys. 12). Są też rozwiązania, w których wykonano kanał łączący wszystkie przestrzenie po stronie rozprężonego czynnika.

W wymiennikach płytowych, szczególnie w przypadku czynników zeotropowych z dużym poślizgiem temperatury, może wystąpić niebezpieczeństwo lokalnego zamarznięcia wody lub roztworu o niewielkim stężeniu glikolu. Na rys. 13 pokazano możliwość wystąpienia tego zjawiska w parowaczu płytowym, w procesie chłodzenia wody (temperatura 12/8°C) za pomocą czynnika jednorodnego lub azeotropowego oraz zeotropowego o poślizgu temperatury 4 K, przy założeniu, że w obu przypadkach z parowacza odpływa para przegrzana o temperaturze 9°C.

Podsumowanie

Obecnie wysokosprawne płytowe wymienniki ciepła stanowią wyposażenie wytwornic wody lodowej i pomp ciepła, a ich konstrukcja jest ciągle unowocześniana zarówno pod względem technologicznym, jak i konstrukcyjnym. Wymienniki takie zamontowane w wytwornicach wody lodowej zwiększają ich niezawodność eksploatacyjną oraz efektywność energetyczną.

Charakterystyka cieplna wymiennika, a przede wszystkim wartość współczynnika przenikania ciepła, ma istotny wpływ na energetyczną efektywność chłodziarki lub pompy ciepła. Intensyfikacja procesów wymiany ciepła, która prowadzi do zmniejszenia spadków temperatury spowodowanych oporami przejmowania ciepła, powoduje zwiększenie współczynnika wydajności chłodniczej EER lub cieplnej COP.

Zagadnienia charakterystyk statycznych wymienników ciepła w funkcji skraplaczy i parowaczy, kwestie pracy i doboru wymienników ciepła oraz ich konstrukcji wykorzystywanych w urządzeniach chłodniczych i pompach ciepła zostały szeroko omówione w książce Autora pt. „Chłodnictwo i pompy ciepła”, wyd. 2 [1].

Literatura

1. Rubik Marian, Chłodnictwo i pompy ciepła, wydanie 2, Grupa MEDIUM, Warszawa 2021
2. Brodowicz Kazimierz, Dyakowski Tomasz, Pompy ciepła, PWN, Warszawa 1990
3. Freiherr Michael, Projektowanie parowników i skraplaczy dla mieszanin czynników chłodniczych o wysokim poślizgu temperaturowym, „Chłodnictwo & Klimatyzacja” 7/2016
4. Niezgoda-Żelasko Beata, Zalewski Wojciech, Płytowe wymienniki ciepła – część 1, „Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna” 4/2010
5. Osthues J., Bjernalt S., Poprawa współczynnika wydajności chłodniczej, „Chłodnictwo & Klimatyzacja” 6/2005
6. Paliwoda Aleksander, Postęp techniczny w budowie wymienników ciepła, urządzeń chłodniczych, klimatyzacyjnych i pomp ciepła, „Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna” 12/2001
7. Ruciński Adam, Wymienniki płytowe – nowe rozwiązania i czynniki wpływające na dobór, „Chłodnictwo & Klimatyzacja” 12/2016 i 1/2017

Artykuł powstał na podstawie najnowszej książki Autora: Chłodnictwo i pompy ciepła, wydanie 2, dostępnej m.in. na: ksiegarniatechniczna.com.pl

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!