K. Palka-Wyzykowska

STOSOWANIE RUR GĘSTOŻEBROWANYCH
W POZIOMYCH SKRAPLACZACH
PŁASZCZOWO-RUROWYCH
A PROBLEM ZALEWANIA SKROPLINAMI
KANAŁÓW MIĘDZYŻEBROWYCH
Opracowała:
Katarzyna Palka-Wyżykowska
SiUChKl, Wydział Mechaniczny Politechniki Gdańskiej
GDAŃSK, 2008
1
WPROWADZENIE
Wymienniki ciepła stosowane w urządzeniach chłodniczych stanowią ponad połowę
kosztów oraz masy całej instalacji. Ten fakt napędza rozwój badań w dziedzinie optymalizacji ich
konstrukcji. Na przestrzeni lat wykazano, iż wykorzystanie wyników tych prac kilkakrotnie
pokrywa poniesione nakłady finansowe tak więc badania mają pełne uzasadnienie
ekonomiczne.
1. WYMIENNIK PŁASZCZOWO-RUROWY
Wymienniki płaszczowo-rurowe to takie w których wymiana ciepła następuje pomiędzy
dwoma mediami wg ogólnej zasady:
•
•
medium o większym współczynniku wymiany ciepła i/lub większym zanieczyszczeniu przepływa
przez rurki (z A do B);
drugie medium, które zwykle ma mniejszy współczynnik wymiany ciepła, np. oleje, czynniki
chłodnicze (freony) czy też para – przepływa na zewnątrz rurek (z C do D).
Obecnie w celu podniesienia sprawności wymiennika płaszczowo-rurowego
powszechnie stosuje się materiały o dobrych własnościach cieplnych jednakże najważniejsze
jest doskonałe opanowanie technologii produkcji rur z ożebrowaniem wewnętrznym (w
parownikach suchych) oraz zewnętrznym (parowniki zalane, skraplacze). Ożebrowanie
zapewnia wysoką intensyfikację procesu wymiany ciepła.
Takie nowoczesne poziome skraplacze płaszczowo-rurowe znajdują zastosowanie głównie w
okrętowych urządzeniach chłodniczych, kompletnych agregatach chłodniczych (wymienniki w
węzłach odzysku ciepła) oraz sprężarkowych pompach ciepła
2
2. KSZTAŁTY ŻEBER RUR POPRZECZNIE OŻEBROWANYCH
Na podstawie badań ustalono, iż czynnikiem decydującym o warunkach wymiany ciepła
jest ilość żeber na metr bieżący, czyli tzw. podziałka żeber. Odpowiedni kształt oraz rozmiar
żeber zapewniają powstawanie na ich powierzchni odpowiednio dużych wartości sił napięcia
powierzchniowego, które prowadzą do osiągnięcia wyższych wartości współczynnika wnikania
ciepła.
Poniższy rysunek prezentuje przykłady żeber rur poprzecznie ożebrowanych, które
montowane są w skraplaczach płaszczowo-rurowych dla czynników chloro fluorowych:
•
•
3
a), d), h) –
stosowane przez
uznanych
producentów;
b), c) –
zalecane przez
ośrodki naukowe.
3. PROBLEMY PROJEKTOWE
Projektowanie poziomych skraplaczy płaszczowo-rurowych niesie za sobą wiele
problemów. Komplikacje pojawiają się głównie przy projektowaniu okrętowych urządzeń
chłodniczych, kompletnych agregatów chłodniczych (jako wymienników w węzłach odzysku
ciepła), a także sprężarkowych pompach ciepła. Tego typu skraplacze znajdują tak duże
zainteresowanie ze względu na swoje korzystniejsze niż w przypadku innych, wskaźniki cieplnokonstrukcyjne.
Zasadniczymi problemami czyhającymi na projektanta tego typu wymienników są:
•
•
•
Wybór wysokowydajnej rury o optymalnej geometrii ożebrowania;
Wybór optymalnej konfiguracji rur w pęczku;
Wybór optymalnych gabarytów skraplacza (przede wszystkim stosunku jego długości do
średnicy dna sitowego).
4. OPTYMALNA GEOMETRIA ŻEBER ORAZ MATERIAŁ RUR SKRAPLACZA
Analizując dostępne dane literaturowe można stwierdzić, że najlepsza geometria rur
skraplacza charakteryzuje się poniższymi cechami geometrycznymi:
Średnica zewnętrzna od 14 do 16 mm;
Wysokość żeber od 0,8 do 1,0 mm;
Podziałka żeber od 0,7 do 1,0
(1400 do 1000 żeber/mb);
• Grubość żeber u wierzchołka od 0 do
0,2 mm;
• Kąt pochylenia ścianki bocznej zarysu
żebra < 10°;
• Kształt zarysu żebra: trapezowy,
grzebieniowy lub paraboliczny,
natomiast jeśli chodzi o układ rur w pęczku należy preferować układ heksagonalny lub
szachownicowy.
•
•
•
Innym, równie ważnym problemem jest odpowiedni dobór materiału rury. Wg
przeprowadzonych w tym temacie badań miedź wykazuje zdecydowaną przewagę nad
miedzioniklem, mosiądzem oraz stalą. Gdy skraplacze stosujemy w urządzeniach lądowych
należy zainstalować w ich wnętrzu rury miedziane; w przypadku instalacji okrętowych stosuje
się rury miedzioniklowe lub mosiężne.
4
5. PROBLEMY PROCESU SKRAPLANIA
Jednym z najtrudniejszych problemów procesu skraplania na rurach poprzecznie
ożebrowanych, napotykanych przez badawczy, jest zjawisko zalegania skroplin w kanałach
międzyżebrowych na ich powierzchni.
Jak wcześniej wspomniałam, czynnikiem najistotniej wpływającym na warunki wymiany ciepła
jest podziałka żeber (gęstość ożebrowania). W wyniku tego w ostatnich latach zauważyć można
silną tendencje do zwiększania ilości żeber co pozwoli osiągnąć znacząco wyższe wartości
współczynnika wnikania ciepła dzięki wzajemnemu oddziaływaniu sił grawitacji oraz napięcia
powierzchniowego na warstwę skroplin tworzącą się na powierzchni rury. Obecność tych
ostatnich powoduje powstawanie dwóch, przeciwstawnych efektów. Z jednej strony siły te
przyczyniają się do wzrostu średnich wartości współczynnika wnikania ciepła jednocześnie, z
drugiej strony, utrudniając spływ skroplin i powodując tym samym ich gromadzenie się w dolnej
części rury. Czynniki wpływające na średnią grubość ścianki skroplin:
•
•
Oddziaływanie sił na wierzchołkach żeber oraz w górnej ich części na ściankach
bocznych, powodujące ściąganie cieczy (zalewanie kanałów międzyżebrowych). W tym
obszarze występują wysokie lokalne wartościami współczynnika wnikania ciepła;
Dolna część żeber oraz gładki obwód rury między żebrami spełniają funkcję kanału
(przestrzeń międzyżebrowa jest strefą spływu), gdzie pod działaniem sił grawitacji zbiera
się ciecz. W tej części powierzchni występuje znaczny spadek wartości współczynnika
wnikania ciepła.
Mimo chęci dążenia do jak najmniejszych odległości między żebrami projektanci winni
pamiętać, iż należy zachować odstępy dostatecznie duże, by umożliwić skanalizowanie skroplin
bez zalewania ważnych dla wymiany ciepła obszarów.
6. KĄT ZALANIA
Parametry opisujące geometrię rur gęstożebrowanych są porównywalne z wartościami
stałych kapilarnych skraplanych czynników. Poprzez wprowadzenia kąta zalania uwzględniono
powyższy efekt w modelowaniu procesu skraplania. 1985 roku Rudy i Webb opracowali
zależność teoretyczną na kąt zalania przez rozpatrzenie równowagi pomiędzy siłami napięcia
powierzchniowego i grawitacji, działającymi na warstwę skroplin, w postaci:
Z powyższego równania wynika, iż wielkość kąta zalania maleje wraz ze wzrostem gęstości
ożebrowania oraz proporcji (σ/p) - oddziaływania sił grawitacji oraz napięcia powierzchniowego
5
na warstwę skroplin. Rudi i Webb jednocześnie zwrócili uwagę na to, iż wysokość żeber nie ma
wpływu na wielkość kąta zalania.
7. ZALEŻNOŚĆ KĄTA ZALANIA OD WŁASNOŚCI SKROPLIN
Zależność kąta zalania od własności skroplin najlepiej omówić na wykresie. Poniższy
przedstawia wyniki obliczeń z zastosowaniem wzoru na kąt zalania dla trzech cieczy: wody,
amoniaku i czynnika R22 oraz czterech rur o różnej podziałce ożebrowania.
Z wykresu wynika, że płyny o wysokim napięciu powierzchniowym (np. woda) mogą całkowicie
zalewać rury już przy małych gęstościach ożebrowania. Duże gęstości ożebrowania są korzystne
ze względu na wielkość kąta zalania tylko dla cieczy o niskich wartościach stosunku (σ/p)
oddziaływania sił grawitacji oraz napięcia powierzchniowego na warstwę skroplin.
6
8. ZALEGANIE SKROPLIN – BADANIA HONDY
Honda wykazał, że przy skraplaniu na rurach gęstożebrowanych pęczka występuje
zjawisko zalewania rur niżej położonych, natomiast nie są one zalewane skroplinami na całej
długości. Z przeprowadzonych przez niego badań wynika, iż zaleganie skroplin w kanałach
między żebrami zanika przy bardzo dużych obciążeniach cieplnych - siły związane z przepływem
skroplin, czyli tarcia i bezwładności, są wówczas odpowiednio większe od sił napięcia
powierzchniowego.
9. DRENAŻ CIECZY
Ponieważ obszary rury, na których zalegają skropliny, praktycznie nie biorą udziału w
intensywnej wymianie ciepła powstała konieczność znalezienia sposobów ułatwiających spływ
cieczy z powierzchni rur gęstożebrowanych.
Najprostszym sposobem do osiągnięcia tego celu jest zastosowanie dla rur poprzecznie
ożebrowanych podspodnich, wzdłużnych płetw drenujących zmniejszających ilość skroplin w
kanałach, które jednocześnie zwiększają średnią wartość współczynnika wymiany ciepła.
Rozwiązania drenażu z zastosowaniem płetwy zaproponowane przez badaczy:
HONDA
MARTO
Podspodnia
wzdłużna
płetwa
wykonana z materiału o strukturze
silnie porowatej;
• Płetwa kreuje ona obszar niskiego
ciśnienia w spodniej części rury i dzięki
temu „wciąga" skropliny do jej kapilar
(zjawisko nie występuje przy płetwie
litej).
Rezultat: spływ cieczy wymuszony - uwalnia
od niej znaczną część powierzchni bocznych
żeber
i
powierzchni
kanałów
międzyżebrowych, tworząc dogodne warunki
dla poprawy wnikania ciepła. (płetwa lita korzyści nawet połowę niższe).
•
•
•
•
Porowata
podspodnia
płetwa
wzdłużna;
Wysokość płetwy l>8 mm;
Płetwa zbudowana z materiału o
średnicy kapilar około 0,05 mm.
Rezultat: całkowite „ściągnięcie" cieczy z
powierzchni płetwy w warunkach statycznych
dla rury o odstępie między żebrami s=0,5 mm.
7
Wnioski płynące z dotychczasowych prac badawczych opracowanych m.in. przez Hondę i
Marto:
• Średnia wartość współczynnika wnikania ciepła na poziomej rurze poprzecznie ożebrowanej
rośnie wraz ze wzrostem wysokości podspodniej porowatej płetwy drenującej;
• Przy zastosowaniu porowatej płetwy drenującej intensyfikacja wnikania ciepła jest wyższa w
niż w przypadku płetwy litej. Efekt ten uzyskujemy dzięki różnicy ciśnień międzyfazowych:
para — ciecz, wytwarzanej w podspodniej części rury przez płetwę porowatą.
10. ZALEŻNOŚĆ KĄTA ZALANIA OD RODZAJU I WYSOKOŚCI PŁETWY POROWATEJ
DLA R22
Poniższy wykres prezentuje zależność kąta zalania przestrzeni międzyżebrowej od
rodzaju i wysokości płetwy drenującej. Do badań zastosowano materiały o strukturze
porowatej, charakteryzujące się różnymi wartościami współczynnika przepuszczalności hydraulicznej
K – współczynnik przepuszczalności
hydraulicznej.
Z zależności wynika, iż rodzaj materiału oraz wysokość płetwy (szczególnie w przypadku płetwy
Hondy) ma silny wpływ na wielkość kąta zalania.
8
11. SPŁYW CIECZY NA PIONOWYM RZĘDZIE POZIOMYCH RUR
Nie bez znaczenia dla średniego współczynnika wnikania ciepła jest wpływ zjawiska
spływu skroplin na pęczku rur.
Rysunek przedstawia formy ściekania skroplin czynnika R22 zaobserwowane przez Henrici`ego:
a) rura o 450 żebrach/mb;
b) rura o 750żebrach/mb.
Dla rur o dużej podziałce żeber (około 450 szt./mb) skropliny spływają w sposób ciągły po ich
powierzchniach bez zlewania się, natomiast dla rury o ilości żeber ok. 750 szt./mb krople
zwisające na dolnych krawędziach wierzchołków zlewały się. Warstewka cieczy przewyższała
zarys geometrii żeber i utrzymywała się na powierzchni do czasu napływu skroplin powodując
przewagę sił ciążenia nad siłami wynikającymi z oddziaływania napięcia powierzchniowego.
Początkowo ciecz spływa kroplowo. Dopiero dla wyższych stopni zraszania pojawia się
charakterystyczny spływ kolumnowy; odległości między kolumnami są stałe. Podczas spływu
kroplowego w pierwszej fazie dochodzi do oderwania się tzw. kropli początkowej o średnicy d,
za którą, w krótkich odstępach czasu, podążają krople wtórne o średnicy ds, po czym ponownie
tworzy się kropla początkowa. Ze wzrostem stopnia zraszania rośnie częstotliwość zjawiska, aż
do osiągnięcia częstotliwości krytycznej f, przy której pojawia się spływ kolumnowy. Wysokość
kolumny ωc jest równa odstępowi między rurami ω, pomniejszonemu o połowę średnicy kropli
początkowej. Średnica kolumny zwęża się ku dołowi; jej wymiarem jest średnica ekwiwalentna
dc (wielkość charakteryzującą spływ cieczy na pęczku rur poziomych) przyrównująca rzeczywisty
kształt kolumny do walca. Kolumna spływając na kolejną rurę, powoduje powstanie na
szerokości B błonki cieczy ją opływającej. Jej obecność wpływa niekorzystnie na proces
wymiany ciepła podczas skraplania par w tej strefie.
Kolumnowy spływ cieczy na kolejne rury pionowego rzędu:
9
a) rzeczywisty;
b) modelowy.
12. ZALEŻNOŚĆ EKWIWALENTNEJ ŚREDNICY KOLUMNY OD JEDNOSTKOWEGO
STOPNIA ZRASZANIA I ODLEGŁOŚCI MIĘDZYRUROWEJ
Rysunek przedstawia zmianę ekwiwalentnej średnicy kolumny w funkcji stopnia zraszania i
odległości międzyrurowej.
Z wykresu charakterystyk de=f(Γ) wynika, iż wartość średnicy kolumny wzrasta wraz ze
zwiększającym się stopniem zraszania oraz malejącą odległością międzyrurową. Rosnąca
średnica kolumny powoduje zwiększenie kąta zalania w strefie spływu, a tym samym ogranicza
aktywną powierzchnię wymiany ciepła powodując obniżenie intensywności procesu skraplania.
13. ZALEŻNOŚĆ KĄTA ZALANIA OD JEDNOSTKOWEGO STOPNIA ZRASZANIA I
ODLEGŁOŚCI MIĘDZYRUROWEJ
Rysunek zestawia obliczone wartości kąta zalania dla rury z płetwą i bez.
10
Wykres przedstawia zależność kąta zalania jednostkowego stopnia zraszania oraz
odległości międzyrurowej (ω). Różnica kąta zalania rury bez płetwy (Nr 11) i z płetwą drenującą
(Nr 12) rośnie wraz ze wzrostem stopnia zraszania. Dodatkowo wartości kąta zraszania dla rury
z płetwą są niższe (powinno to zapewnić korzystniejsze warunki wymiany ciepła podczas
procesu skraplania).
14. WNIOSKI KOŃCOWE:
•
•
•
•
•
Stosowanie rur gęstożebrowych pozwala optymalizować konstrukcję skraplaczy
płaszczowo-rurowych oraz poprawia wymianę ciepła wymienników;
Zwiększanie gęstości ożebrowania powoduje wzrost współczynnika wnikania ciepła
jednocześnie powodując zaleganie skroplin w kanałach międzyżebrowych wywołane siłą
napięcia powierzchniowego (gdy odstęp międzyżebrowy jest porównywalny z
wartościami stałych kapilarnych skraplanych czynników);
Ciecze o wysokim napięciu powierzchniowym mogą całkowicie zalewać rury
gęstożebrowe już przy małym ożebrowaniu, stąd konieczność optymalizacji parametrów
geometrycznych;
Duże gęstości ożebrowania są korzystne tylko dla cieczy o niskich wartościach stosunku
σ/ρ;
Zmniejszenie kąta zalania możliwe jest dzięki zastosowaniu wzdłużnej płetwy drenującej.
PŁETWA POROWATA
PŁETWA LITA
• Dzięki odpowiedniej podspodniej płetwie
porowatej
możliwe
jest
całkowite
11
• Obecność litej płetwy zmniejsza kąt zalania
rury ożebrowanej;
ściągnięcie cieczy z rury (dla odpowiednich
wartości współczynnika K);
• Istnieje górne ograniczenie efektywnej
wysokości płetwy.
• Jej zastosowanie przyczynia się do wzrostu
współczynnika wnikania ciepła przy
skraplaniu;
• Przy odpowiedniej geometrii płetwy litej
można uzyskać efekt podobny do
zastosowania płetwy porowatej,
• Stosowanie płetwy litej jest tańsze i
bardziej niezawodne.
ŹRÓDŁA:
1. Bonca Z.: „Stosowanie rur gęstożebrowanych w poziomych skraplaczach płaszczoworurowych”
Technika chłodnicza i klimatyzacyjna, 05/2005
2. Bonca Z., Targański W.: „Zaleganie skroplin na powierzchni rur gęstożebrowanych”
Technika chłodnicza i klimatyzacyjna, 09/2006
3. Kalinowski K., Paliwoda A., Bonca Z., Butrymowicz D., Targański W.: Amoniakalne
urządzenia chłodnicze, Tom I
4. http://www.gea-polska.com.pl/
12