Projektowanie parowników i skraplaczy dla mieszanin czynników chłodniczych o wysokim poślizgu temperaturowym
Ocena użytkowników: / 5
SłabyŚwietny 
Data dodania: 06.08.2016

Znowelizowane rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) nr 517/2014 w sprawie fluorowanych gazów cieplarnianych obowiązuje od 1 stycznia bieżącego roku. Jego celem jest spowolnienie zmian klimatycznych poprzez znaczne zmniejszenie do 2031 roku emisji CO2 spowodowanej przez przedostające się do atmosfery f-gazy, do których zaliczają się wszystkie syntetyczne czynniki chłodnicze.

 

 

Duże wyzwanie dla branży chłodniczej i klimatyzacyjnej stanowi zmniejszenie całkowitego równoważnika CO2 w ramach UE – tzw. „Scenariusz Phase-Down”. Chcąc osiągnąć powyższe cele, średni potencjał tworzenia efektu cieplarnianego (GWP) przez wszystkie stosowane czynniki chłodnicze należy obniżyć z obecnego poziomu wynoszącego około 2200÷2300 do wartości poniżej 500. 

 

Tym samym staje się jasne, dlaczego obecnie ogromne znaczenie ma wykorzystanie czynnika chłodniczego o możliwie najniższym potencjale tworzenia efektu cieplarnianego (GWP). Oprócz możliwości stosowania takich alternatywnych środków naturalnych, jak CO2, NH3 i propan, nadają się do tego również syntetyczne czynniki chłodnicze (mieszaniny czynników chłodniczych). Jednakże niektóre z tych tak zwanych czynników chłodniczych (mieszanin czynników chłodniczych) o niskim potencjale tworzenia efektu cieplarnianego (GWP) wykazują bardzo wysokie poślizgi temperaturowe – nawet do 8 K.

 

Poślizgi temperaturowe w zasadzie występują w odniesieniu do wszystkich czynników chłodniczych należących do grupy 400, co oznacza, że dotyczą one również czynnika R404A. Jednakże w jego przypadku poślizg jest tak niski, że w praktycznych zastosowaniach mógł dotychczas pozostać nieuwzględniony. Tak więc, R404A podczas projektowania komponentów traktowany był jako mieszanina częściowo azeotropowa lub substancja czysta. 

 

Spośród nowych mieszanin o wysokim poślizgu temperaturowym należy wymienić między innymi takie czynniki chłodnicze, jak R407F, R448A, R449A i R452A. Jednocześnie powstaje pytanie, w jaki sposób wpływają one na wybór parowników i skraplaczy. 

 

Tematyce tej poświęcony jest niniejszy artykuł specjalistyczny. Ma on na celu przybliżenie projektantom instalacji oraz osobom wykorzystującym omawiane urządzenia w praktyce, w możliwie najbardziej przejrzystej formie, oddziaływania poślizgu temperaturowego na sposób eksploatacji wymienników ciepła. W związku z powyższym artykuł omawia jedynie niezbędne aspekty dotyczące tej problematyki i uwzględnia wyłącznie konieczne odwołania lub objaśnienia teoretyczne.

 

 

Azeotropowe mieszaniny czynników chłodniczych

 

Słowo „azeotrop” pochodzi z języka greckiego i oznacza: a- „nie”, zeo- „wrzący”, tropos „zwrot”. Azeotropem jest więc mie- szanina złożona przynajmniej z dwóch substancji, w przypadku których skład pary i cieczy jest taki sam. Mieszanina azeotropowa zachowuje się tak jak substancja czysta i tym samym nie wykazuje poślizgu temperaturowego.

 

Rysunek 1. przedstawia wyżej opisane zachowanie na wykresie log p-h. Można zauważyć, że temperatura wrzenia i temperatura punktu rosy znajdują się na tej samej izotermie; lub inaczej: izotermy przebiegają w obszarze dwufazowym równolegle do izobar.

 

 

2016 07 60 1

Rys. 1. Azeotropowa mieszanina czynników chłodniczych lub jednorodny czynnik chłodniczy na wykresie log p-h

 

 

Z uwagi na powyższy sposób zachowania, podczas projektowania wymienników ciepła dla wyżej wskazanych mieszanin – w porównaniu z wymiennikami wykorzystującymi jednorodne czynniki chłodnicze – nie jest konieczne uwzględnienie żadnych specjalnych warunków. Inaczej sytuacja przedstawia się w przypadku wykorzystania zeotropowych mieszanin czynników chłodniczych.

 

 

Zeotropowe mieszaniny czynników chłodniczych

 

Skład cieczy i pary w mieszaninach zeotropowych zawsze różni się od siebie w obszarze dwufazowym. Przyczyną tego są bardzo różne temperatury wrzenia poszczególnych komponentów (tab. 1.).

 

 

2016 07 61 1

 

 

Wprawdzie wszystkie poszczególne komponenty odparowują jednocześnie, jednak komponent o najniższej temperaturze wrzenia ulegnie odparowaniu w znacznie większym stopniu niż pozostałe komponenty charakteryzujące się wyższą normalną temperaturą wrzenia (NTW). Powoduje to, iż komponent o najniższej NTW ulegnie całkowitemu odparowaniu w pierwszej kolejności, podczas gdy wszystkie pozostałe komponenty w dalszym ciągu będą znajdowały się w stanie wrzenia. A z uwagi na fakt, że ich temperatury wrzenia będą teraz wyższe, to po przekroczeniu obszaru dwufazowego w sposób ciągły będzie wzrastała średnia temperatura parowania, co zostało przedstawione na rysunku 2.

 

 

2016 07 61 2

Rys. 2. Zeotropowa mieszanina czynników chłodniczych na wykresie log p-h

 

 

Z tego powodu na końcu obszaru dwufazowego parownika, tak zwana temperatura punktu rosy (dew point) kształtuje się zawsze powyżej temperatury na wlocie parownika. W przypadku skraplacza zachowanie jest takie samo, tylko że przejście przez obszar dwufazowy odbywa się w kierunku odwrotnym. W związku z tym temperatura czynnika chłodniczego na „wylocie skraplacza” (temperatura wrzenia) jest zawsze niższa niż na jego „wlocie” (temperatura punktu rosy).

 

Zjawisko to określane jest jako poślizg temperaturowy, na który należy zwrócić szczególną uwagę podczas projektowania parowników i skraplaczy.

 

 

Wpływ poślizgu temperaturowego na pracę skraplacza

 

Jako przykład może posłużyć skraplacz o mocy znamionowej 10,2 kW wykorzystujący R404A jako czynnik chłodniczy. Dane techniczne skraplacza zostały w skrócie przedstawione na rysunku 3. Należy zwrócić uwagę na to, że informacja dotycząca mocy 10,2 kW odnosi się do temperatury skraplacza wynoszącej 45°C, w odniesieniu do wlotu skraplacza (= temperatura punktu rosy lub początek skraplania). W przypadku temperatury powietrza na wlocie wynoszącej 35°C skraplacz ten jest zaprojektowany dla wartości ΔTL1 wynoszącej 10 K.

 

 

2016 07 61 3

Rys. 3. Przykład skraplacza do pracy z wykorzystaniem R404A

 

 

Jeżeli skraplacz ten ma pracować z czynnikiem chłodniczym R449A, wówczas późniejsze obliczenia dają inny obraz (rys. 4.). Wyższy poślizg temperaturowy czynnika R449A powoduje, że w sposób znaczący maleje temperatura czynnika chłodniczego na wylocie skraplacza. W tym przypadku nie dochodzi zatem do przechłodzenia czynnika chłodniczego!

 

 

2016 07 61 4

Rys. 4. Przykład skraplacza do pracy z wykorzystaniem R449A

 

 

W efekcie prowadzi to do uzyskania niższej średniej różnicy temperatury i tym samym o około 17% niższej wydajności w stosunku do pracy z wykorzystaniem R404A. Zgodnie z EN 327 powyższa metoda obliczeniowa w oparciu o pomiar temperatury punktu rosy jest całkowicie poprawna – jednakże w przypadku czynników chłodniczych z wysokim poślizgiem temperaturowym powoduje to błędy przy wyborze „prawidłowego skraplacza”.

 

W celu ustalenia przyczyn powyższego, należy przyjrzeć się najpierw przenikaniu ciepła w skraplaczu wykorzystującym R404A w czystym układzie przeciwprądowym, przedstawionym na rysunku 5. Dodatkowo należy zwrócić uwagę na to, że w rzeczywistości najczęściej ma się do czynienia z układem krzyżowo-przeciwprądowym. Warunki te można jednak lepiej przedstawić na przykładzie czystego układu przeciwprądowego. W celu dalszego uproszczenia, skraplacz poddawany będzie analizie bez uwzględnienia przechłodzenia czynnika chłodniczego, a najpierw także bez uwzględnienia spadku ciśnienia po stronie czynnika chłodniczego.

 

Na rysunku 5. przedstawiono przebieg temperatury przykładowego skraplacza zaprezentowanego na rysunku 3. Przebieg temperatury czynnika chłodniczego przepływającego przez skraplacz przedstawiony jest za pomocą czerwonej linii. Gorący gaz jest najpierw podgrzewany, po czym następuje skroplenie czynnika chłodniczego przy stałej temperaturze. Temperatura powietrza przedstawiona na wykresie w postaci niebieskiej linii wzrasta w sposób ciągły. Całka powierzchniowa (powierzchnia zakreskowana na niebiesko) między obydwoma przebiegami temperatury tworzy średnią różnicę temperatury. 

 

 

2016 07 61 5

Rys. 5. Idealny skraplacz z jednorodnym czynnikiem chłodniczym w czystym układzie przeciwprądowym

 

 

Ogólnie znany wzór:

 

Q = k · A · ΔTm

 

ma za zadanie jeszcze raz przypomnieć, że średnia różnica temperatur ΔTm jest liniowo zależna od wydajności wymiennika ciepła Q. Jej zmniejszenie spowoduje, iż w takim samym stopniu obniży się wydajność określonego wymiennika ciepła, i odwrotnie.

 

Jednakże w rzeczywistości skraplacz zawsze będzie wykazywał spadek ciśnienia po stronie czynnika chłodniczego. „Spadek ciśnienia w skraplaczu” oznacza, że ciśnienie na wlocie skraplacza jest zawsze wyższe niż na jego wylocie. Prowadzi to również do zmniejszenia temperatury skraplania na wylocie skraplacza, a tym samym do zmniejszenia średniej różnicy temperatur ΔTm, tak jak pokazuje to niebieska powierzchnia widoczna na rysunku 6. Dotyczy to również w pełnym zakresie wszystkich jednorodnych czynników chłodniczych lub azeotropowych mieszanin czynników chłodniczych.

 

 

2016 07 62 1

Rys. 6. Rzeczywisty skraplacz z zeotropową mieszaniną czynnika chłodniczego w czystym układzie przeciwprądowym

 

 

Obniżenie temperatury czynnika chłodniczego na wylocie o 0,5 K obniża średnią różnicę temperatury o około 2%. Efekt, który w praktyce może zostać pominięty, bądź też zostanie uwzględniony w wyniku wykorzystania programów wyboru do obliczeń termodynamicznych, obrazuje skutki spadku temperatury skraplania na wylocie skraplacza.

 

Podobna zasada obowiązuje zarówno w przypadku spadku ciśnienia w skraplaczu, jak również poślizgu temperaturowego zeotropowych mieszanin czynników chłodniczych. Jak zostało to przedstawione na rysunku 2., temperatura wrzenia zawsze leży poniżej temperatury punktu rosy. Tym samym poślizg temperaturowy czynnika chłodniczego powoduje dalsze zmniejszanie się średniej różnicy temperatury (rys. 6.: powierzchnia jasnozielona). Efektywnie wykorzystywana różnica temperatury, pozostająca po odjęciu wszystkich strat związanych z przesyłaniem ciepła, przedstawiona jest w postaci powierzchni zakreskowanej w kolorze liliowym.

 

 

Wniosek

 

Poślizg temperaturowy zeotropowych mieszanin czynników chłodniczych powoduje mniejsze różnice temperatury na skraplaczu. Wydajność skraplacza zmniejsza się.

 

Jeżeli projekt uwzględnia temperaturę punktu rosy, wówczas skraplacze muszą mieć większe gabaryty w porównaniu z tymi, które wykorzystują czynniki chłodnicze bez poślizgu temperaturowego.

 

 

Wpływ poślizgu temperaturowego na pracę parownika

 

(...)

 

Obliczenia z wykorzystaniem średniej temperatury

 

(...)

 

Skraplacz

 

(...)

 

Parownik

 

(...)

 

Podsumowanie

 

Poślizg temperaturowy zeotropowych mieszanin czynników chłodniczych ma znaczący wpływ na projektowanie i sposób eksploatacji wymienników ciepła. Przy tym należy zaznaczyć, że duże poślizgi temperaturowe wykazują większe oddziaływania w tym zakresie niż poślizgi małe.

 

Podczas przepływu czynnika chłodniczego przez skraplacz, jego temperatura maleje w sposób ciągły, co jest spowodowane poślizgiem temperaturowym. W parowniku mamy do czynienia z procesem odwrotnym, tj. temperatura czynnika stopniowo wzrasta.

 

Zachowanie to prowadzi do wystąpienia wyraźnych zmian w zakresie średnich różnic temperatury tego rodzaju czynników w porównaniu z jednorodnymi czynnikami chłodniczymi. W przypadku skraplaczy zmniejszająca się różnica temperatury wymaga większej powierzchni wymiennika ciepła. Natomiast w parownikach, z uwagi na wzrost średniej różnicy temperatury, zyskujemy możliwość projektowania urządzeń o mniejszych gabarytach.

 

Jednak znacznie wyższa wydajność osuszania powietrza w mniejszych parownikach przemawia przeciwko zastosowaniu tradycyjnej metody obliczeniowej w oparciu o pomiar temperatury punktu rosy. W tym kontekście należy w szczególności wskazać na zastosowania związane z chłodzeniem normalnym nieopakowanych i wrażliwych na wilgoć artykułów spożywczych. Warunek ten jest mniej istotny w przypadku chłodzenia głębokiego, ponieważ tzw. osuszanie absolutne przy bardzo niskiej temperaturze wykazuje i tak małą wartość.

 

Pomimo tego zaleca się projektowanie wymienników ciepła z wykorzystaniem metody średniej temperatury. Dla zastosowań praktycznych można skorzystać ze stosownych tabel przeliczeniowych lub z odpowiedniego oprogramowania obliczeniowego, np. Güntner Product Calculator.

 

 

Obliczanie wymienników ciepła zgodnie ze stosownymi normami

 

W celu sprawdzenia wydajności wymienników ciepła podczas prób laboratoryjnych, należy w sposób normatywny określić warunki brzegowe. Zadanie to spełniają dwie normy „DIN EN 327 – Wymienniki ciepła – Skraplacze chłodnicze chłodzone powietrzem z wymuszoną konwekcją – Procedury badawcze w zakresie wyznaczania wydajności“ oraz „DIN EN 328 – Wymienniki ciepła – Wentylatorowe chłodnice powietrzne – Procedury badawcze w zakresie wyznaczania wydajności“.

 

Przedstawiają one sposób wykonywania obliczeń dotyczących wymienników ciepła, w celu uzyskania porównywalnych wyników. W tym celu jest również zdefi niowane, jakiej temperatury odniesienia potrzebnej do kondensacji lub parowania dotyczy moc znamionowa urządzeń.

 

Według tych norm, dla skraplaczy i parowników obowiązuje zawsze temperatura punktu rosy jako punkt odniesienia dla informacji dotyczącej wydajności!

 

Jest to sensowny wymóg, ponieważ również producenci sprężarek muszą podawać ich moc w odniesieniu do temperatury punktu rosy. Temperatura punktu rosy stanowi więc punkt pośredni między sprężarką a wymiennikiem ciepła. Tylko w ten sposób zagwarantowane jest, że sprężarka i wymiennik ciepła rzeczywiście do siebie pasują pod względem wydajności.

 

Sensowne jest również następujące ustalenie: W przypadku stosowania mieszanin zeotropowych, projektowanie wymienników ciepła zawsze powinno odbywać się z uwzględnieniem średniej temperatury. Jednakże informacja dotycząca wydajności, tak jak wcześniej, odnosi się do temperatury punktu rosy przynależnej do temperatury średniej, a tym samym nieco wyższej niż ona.

 

 

Dipl. Ing. Michael FREIHERR
 Kierownik ds. zarządzania produktem
Güntner GmbH & Co. KG

 

POLECAMY WYDANIA SPECJALNE

  • Pompy ciepła 2023-2024

  • Pompy ciepła 2021-2022

  • Pompy ciepła 2022-2023

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2021

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2022

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2023

  • Pompy ciepła 2020-2021

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2020

  • Pompy ciepła 2019-2020

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2019

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.