Reklama
 
 
 
Najnowsze osiągnięcia technologiczne wymienników powietrznych na CO2 – wyniki badań w laboratoriach LUVE
Ocena użytkowników: / 0
SłabyŚwietny 
Data dodania: 16.12.2015

W wielu aplikacjach chłodniczych stosuje się CO2, który jest ekologicznym czynnikiem chłodniczym o doskonałych parametrach. Dzięki wykorzystaniu bardzo nowoczesnego laboratorium badawczego, w którym przetestowano działanie lamelowych wymienników ciepła na CO2 po stronie niskiego, jak i wysokiego ciśnienia, firma Lu-Ve wypracowała wiele przełomowych i ważnych rozwiązań technologicznych.

 

 

 

W laboratorium wdrożono specjalny projekt poświęcony wymiennikom lamelowym na CO2 mający jako główny cel poszerzenie wiedzy nt specyficznych zjawisk towarzyszących procesom parowania, skraplania oraz transkrytycznemu chłodzeniu gazowego CO2. Szeroko przebadano również wpływ obecności oleju występującego wewnątrz wymienników na wewnętrzny współczynnik przejmowania ciepła. Artykuł opisuje przeprowadzone czynności testowe, kalibracje oprogramowania służącego do modelowania procesów oraz potencjalne ulepszenia wymienników.

 

Dzięki badaniom możliwe stało się znalezienie sposobu na wzięcie pod uwagę specyficznego zachowania się płynu podczas chłodzenia transkrytycznego oraz prawidłowe uwzględnienie wszystkich parametrów wpływających na rzeczywiste parametry wymiany ciepła.

 

 

Z historii CO2

 

Dwutlenek węgla (CO2) jako czynnik chłodniczy był używany już od połowy XIX wieku. Stosowano go w stacjonarnych układach chłodniczych jak również w chłodniach statków. Oferował wiele korzyści:

  • niski koszt;
  • dobre właściwości wymiany ciepła;
  • nietoksyczność w przypadku wycieków z maszynowni;
  • dostępność czynnika chłodzącego skraplacz w przypadku aplikacji morskich, w których woda o niskiej temperaturze pozwalała na pracę cyklu chłodniczego w warunkach podkrytycznych.

 

Pojawienie się czynników syntetycznych (CFC, HCFC) i rozwinięcie technologii sprężarkowej w pierwszej połowie XX wieku spowodowało rezygnację z CO2 jako czynnika chłodniczego. Powtórne „odkrycie” dwutlenku węgla nastąpiło z powodu problemów związanych z ochroną środowiska, które wywołały presję na redukcję użycia czynników CFC i HCFC. W latach 90-tych popularność zyskały publikacje Gustava Lorentzena, który przedstawił liczne analizy zastosowania dwutlenku węgla jako czynnika chłodniczego w komercyjnych układach chłodniczych i w supermarketach.

 

Firma LU-VE rozpoczęła badania nad wymiennikami powietrznymi na CO2 na początku nowego milenium i w 2012 roku stworzyła dedykowane, wyrafi nowane laboratorium do testowania chłodnic oraz gas-coolerów. Niniejsze opracowanie podsumowuje rezultaty analiz eksperymentalnych oraz kalibracji modelu matematycznego stosowanego do doboru i wymiarowania gas-coolerów.

 

 

Laboratorium testowe

 

Laboratorium testowe CO2 zostało zaprojektowane tak, aby mogło przeprowadzać eksperymenty na chłodnicach wewnętrznych oraz na gas-coolerach. Maksymalne ciśnienie robocze wynosi 120 bar natomiast maksymalna temperatura 120°C. Przygotowano unikalne oprogramowanie na bazie LabView w celu monitorowania i gromadzenia danych. Testy przeprowadzano po uzyskaniu stanu równowagi termicznej pomiędzy testowanym urządzeniem i grupą porównawczą, w celu zagwarantowania rzetelności danych eksperymentalnych. Wymagało to ogromnego nakładu czasu w celu kalibracji instrumentów pomiarowych, w szczególności w warunkach rozproszenia pomiarów w testowej komorze klimatycznej.

 

 

Charakterystyka testowanych urządzeń



W laboratorium testowano trzy urządzenia o charakterystykach jak w tabeli 1. Stosowane rurki wykonane były ze stopu K65, zawierającego małą domieszkę żelaza, które w znaczący sposób podnosiło ich mechaniczną wytrzymałość. Obiegi chłodnicze zostały zaprojektowane identycznie, z uwzględnieniem transportu oleju i w taki sposób aby uniknąć miejsc gdzie olej mógłby gromadzić się. Jak okazało się później, olej w układzie chłodniczym był głównym powodem spadku wydajności gas coolerów. Na końcu dokonano porównania wartości teoretycznych z eksperymentalnymi.

 

 

2015 11 62 1

Rys. 1. System gromadzenia danych pomiarowych

 

 

Model matematyczny obliczeń teoretycznych LU-VE

 

Oprogramowanie modelujące procesy termodynamiczne stosuje formuły Gnielinskiego i Colburna zmodyfi kowane odpowiednio dla płynów jedno i dwufazowych.

 

Do obliczeń spadku ciśnienia, program stosuje zmodyfi kowany wzór Lockharta-Martinellego. Właściwości termodynamiczne i przepływowe dwutlenku węgla są wyznaczane z programu Refprop 8.0. Celem testów jest sprawdzenie poprawności modelu matematycznego bazującego na niniejszych formułach dla pracy układów z CO2. Program oblicza przepływ ciepła gas-coolerów dla przepływów przeciwprądowych. Niemniej można również wprowadzić poprawki dla przepływu krzyżowego części wymiennika chłodzącej przegrzany gaz w skraplaczach. Współczynniki do formuł obliczających wymianę ciepła otrzymywane są na podstawie testów przeprowadzanych w laboratorium LU-VE w standardowych warunkach.

 

Mając na uwadze specyfikę pracy gas-coolerów w porównaniu do typowych warunków obliczeniowych, wymagana była weryfikacja poprawności i pewne adaptacje formuł. Pierwsze analizy dotyczyły weryfikacji poprawności zastosowania wzorów dla obliczeń przepływów krzyżowych. Aby ocenić wpływ średniej logarytmicznej transformacji danych dla gas-coolerów (w szczególności DTml), zastosowano alternatywne oprogramowanie X3FLOW opracowane w LU-VE. Umożliwiło to kalkulację w trzech wymiarach zgodnie z rzeczywistą strukturą obiegu; podział na skończone wielkości przepływów i obliczenie N-elementowych transferów ciepła dla przepływu krzyżowego z użyciem klasycznych równań metody ε-NTU. Pomimo bardzo złożonych i skomplikowanych obliczeń w programie X3FLOW, analizy porównujące ogólne parametry operacyjne otrzymane wg standardów LU-VE i oprogramowania X3FLOW nie wykazały żadnych szczególnych odchyleń. W konsekwencji zdecydowano nie dokonywać żadnych modyfi kacji metody obliczania DTml. 

 

Druga analiza dotyczyła efektu dużego gradientu temperaturowego pomiędzy sąsiednimi rurkami wymiennika, który mógł powodować transfery ciepła przez przewodzenie wzdłuż lamel między tymi rurkami. Aby ocenić wpływ przepływów ciepła pomiędzy dwoma rzędami rurek o istotnej różnicy temperatury płynu wewnątrz, zastosowano symulacje komputerowe CFD.

 

Jako bazę przyjęto gładką lamelę oraz dwie różnice temperatury pomiędzy płynem wewnątrz rurek:

  • 70/70°C DELTA 0K
  • 110/30°C DELTA 80K

 

Takie same gradienty przeanalizowano w konfi guracji lamel „LU-VE Hitec”. Na podstawie symulacji CFD zaobserwowano, że dla zerowej różnicy wartości temperatur przepływ ciepła poprzez przewodzenie w środkowej strefi e pomiędzy rzędami jest również praktycznie zerowy (strefa adiabatyczna). Gdy zwiększana jest różnica temperatury płynu w rurkach, obserwowane są różne zjawiska dla różnych lamel:

  1. dla lamel płaskich – przepływ ciepła przez przewodzenie (negatywny z punktu widzenia ogólnego przepływu ciepła lamel) wynosi aż 37%, co stanowi duży udział;
  2. dla lamel „LU-VE Hitec” – przepływ ciepła przez przewodzenie stanowi jedynie 4%, czyli wartość pomijalną.

 

 

a)

2015 11 63 1

b)

2015 11 63 2

c)

2015 11 63 3

Rys. 2 – a) Laboratorium testowe; b) Klimatyczna komora testowa CO2; c) Układy chłodnicze laboratorium testowego

 

 

Wyniki eksperymentów i porównanie z oprogramowaniem LU-VE w warunkach transkrytycznych

(...)

 

Wyniki eksperymentów i porównanie z oprogramowaniem LU-VE w warunkach podkrytycznych

(...)

 

Wnioski

 

Rozbudowany program eksperymentów w laboratorium LU-VE pozwolił na znaczne rozszerzenie wiedzy nt zachowania CO2 w układach chłodniczych, dostarczając solidną bazę do precyzyjnych obliczeń gas-coolerów zarówno dla transkrytycznych jak i podkrytycznych warunków pracy. Dokładna kalibracja oprogramowania pozwoliła na znaczną redukcję różnic pomiędzy skalkulowanymi i pomierzonymi wartościami operacyjnymi.

 

 

Materiał opracowany przez firmę LUVE

Tłumaczenie: Sławomir KALBARCZYK
– Przedstawiciel Techniczno-Handlowy, LU-VE – Tecnair

 

 

Firma LU-VE stała się międzynarodową marką referencyjną dla wszystkich najlepszych projektów: technologii stosowanej w urządzeniach, procesów produkcyjnych oraz sprzedaży wymienników ciepła i innych komponentów stosowanych w chłodnictwie komercyjnym, przemysłowym, klimatyzacji komfortu i precyzyjnej oraz aplikacjach przemysłowych.

Grupa LU-VE, z główną siedzibą w Uboldo (Varese) we Włoszech, kontynuuje proces wprowadzania produkcyjnych i technologicznych innowacji zapoczątkowany w 1928 roku. Siła Grupy tkwi w 10 ośrodkach produkcyjnych i 13 oddziałach na całym świecie.


Ważne liczby:

  • ponad 1 450 wysoko wyszkolonych pracowników;
  • 340 000 m2 całkowitej powierzchni produkcyjnej (140.000 m2 zadaszonej);
  • 2 350 m2 laboratoriów badawczo-rozwojowych;
  • ponad 70% produktów eksportowanych do 90 krajów;
  • € 240 millionów skumulowanych przychodów.

 

 

PODOBNE ARTYKUŁY:

POLECAMY WYDANIA SPECJALNE

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2017

  • Pompy ciepła 2015

  • Pompy ciepła 2016

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2015

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2016

  • Pompy ciepła 2014

  • Pompy ciepła 2012

  • Pompy ciepła 2013

  • Termografia w podczerwieni 2009

  • Pompy ciepła 2010

Reklama

 

 

  02 ss2  omii   kig 134x45 left  

Katalog firm chłodnictwo, klimatyzacja, wentylacja

CHŁODNICTWO: Agregaty (chillery) chłodzone powietrzem, Agregaty (chillery) chłodzone wodą, Agregaty absorpcyjne, Agregaty skraplające, Aparatura kontrolno-pomiarowa, Chłodnice, Chłodnictwo w transporcie, Chłodziwa i nośniki ciepła, Czynniki chłodnicze, Dry-coolery, Drzwi chłodnicze (okucia, akcesoria), Elementy rozprężające, Filtry - osuszacze czynnika chłodniczego, Komory chłodnicze i zamrażalnicze, Kontenery chłodnicze, Maszyny do produkcji lodu (płatkarki, kostkarki), Materiały termoizolacyjne, Meble chłodnicze i zamrażalnicze, Monobloki chłodnicze, Odolejacze, separtory, Oleje sprężarkowe, Płyty warstwowe, Pompy cyrkulacyjne, Silniki, Siłowniki, Sprężarki chłodnicze, Tunele mroźnicze (kriogeniczne), Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Urządzenia rozmrażające, Wieże chłodnicze, Wyłączniki i przekaźniki czasowe, Wymienniki ciepła (parowacze, skraplacze), Wymienniki płytowe, Zasobniki chłodu, Zawory, Zespoły spręzarkowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

KLIMATYZACJA i WENTYLACJA: Aparatura kontrolno-pomiarowa, Aparaty grzewczo-wentylacyjne, Centrale klimatyzacyjne monoblokowe, Centrale klimatyzacyjne rooftop, Centrale klimatyzacyjne sekcyjne, Chłodnice/nagrzewnice kanałowe, Czerpnie i wyrzutnie, Filtry powietrza, Kanały wentylacyjne, Klapy ppoż. (oddymiające, odcinające), Klimakonwektory, Klimatyzacja samochodowa, Klimatyzatory kompaktowe (przenośne, okienne), Klimatyzatory split, Klimatytory multi splity, Kolektory słoneczne, Kratki, nawiewniki, dysze, Kurtyny powietrzne, Materiały termoizolacyjne, Nasady kominowe, wywietrzniki, Nawilżacze (parowe, zraszające, ultradźwiękowe, komory zraszania), Oczyszczacze powietrza, Odciągi miejscowe, Okapy kuchenne, Osuszacze powietrza, Pompy ciepła, Pompy cyrkulacyjne, Przepustnice, Rekuperatory i regeneratory do odzysku ciepła, Siłowniki, Stropy, belki chłodząco-grzejące, Systemy Super Multi, Szafy klimatyzacji precyzyjnej, Tłumiki hałasu, Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Wentylatory dachowe, Wentylatory oddymiające, przeciwwybuchowe, chemoodporne, Wentylatory osiowe, Wentylatory promieniowe, Wentylatory strumieniowe (oddymiające), Wymienniki gruntowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

MATERIAŁY, NARZĘDZIA, PRZYRZĄDY, AKCESORIA: Izolacje akustyczne, termiczne, Materiały i przyrządy lutownicze i spawalnicze, Materiały uszczelniające, Narzędzia, Rury, kształtki, akcesoria, Urzadzenia i środki czyszczące, Urządzenia do inspekcji i czyszczenia systemów wentylacyjno-klimatyzacyjnych, Urządzenia do usuwania i napełniania instalacji chłodniczych; recyklingu czynników chłodniczych, Wibroizolacje, Zamocowania i tłumiki drgań.

INNE: Zrzeszenia i organizacje, Oprogramowanie komputerowe, Portale internetowe, Targi, wystawy, szkolenia.