Reklama
 
 
 
Lód zawiesinowy w układach chłodniczych z wykorzystaniem wymienników płytowych
Ocena użytkowników: / 0
SłabyŚwietny 
Data dodania: 05.10.2017

We współczesnej technice chłodniczej i klimatyzacyjnej coraz większe znaczenie ma stosowanie układów pośredniego chłodzenia z zastosowaniem czynników bezpiecznych dla warstwy ozonowej i nie przyczyniających się do powstawania tzw. efektu cieplarnianego. Do takich należą mieszanki wodno-lodowe nazywane także lodem binarnym lub zawiesinowym. W artykule opisana została ogólna charakterystyka zawiesiny wodno-lodowej, metody produkcji i możliwe zastosowania w technice chłodniczej. 

 

Nazwy te określają mieszaninę małych kryształków lodu (do około 1 mm), wody oraz substancji obniżającej temperaturę krzepnięcia − glikolu, alkoholu lub soli [1]. Zalety tego czynnika chłodzącego to nieszkodliwość dla środowiska naturalnego, duża właściwa wydajność cieplna, możliwość akumulacji „zimna”. Cechy te wpływają pozytywnie na zmniejszenie strumienia masy czynnika krążącego w układzie, średnic rurociągów oraz zapotrzebowania na moc napędową pomp. Czynnik ten posiada także wady. Do podstawowych należą: 

 

  • dość duży koszt wytwornic lodu binarnego w porównaniu z tradycyjnymi urządzeniami chłodniczymi; 
  • możliwość rozdzielania się drobinek lodu i wody w przypadku nieodpowiedniego doboru i prowadzenia rurociągów w instalacji chłodniczej.

 

Czynnik ten znalazł zastosowanie w supermarketach, zakładach przetwórstwa spożywczego oraz klimatyzacji różnorodnych obiektów (hoteli, kopalń czy biurowców). Uważa się, że efektywność pracy układu chłodniczego z lodem zawiesinowym można połączyć z wysokooefektywną wymianą ciepła w wymiennikach płytowych.

 

 

Powstawanie kryształków lodu

 

Przy produkcji kryształków lodu występują trzy podstawowe etapy krystalizacji, które mają zastosowanie w technice wytwarzania mieszanek wodno-lodowych: przesycanie roztworu, zarodkowanie i wzrost kryształków lodu. Po tych trzech etapach, a także w trakcie ich trwania, kryształki lodu mogą ulegać kolejnym procesom, takim jak ścieranie, zbrylanie i dojrzewanie. Trzy ostatnie zjawiska nie muszą występować we wszystkich metodach wytwarzania lodu zawiesinowego, ale nierzadko są pożądane w celu uzyskania wymaganych właściwości kryształków (wymiar i kształt).

 

Proces krystalizacji może wystąpić wtedy, gdy istnieje dostateczna siła napędowa. W omawianym przypadku jest to przesycenie mieszanki. Jest to stan, w którym roztwór nie jest w równowadze i występuje różnica w potencjale chemicznym pomiędzy fazą ciekłą i fazą stałą. Różnicę w potencjale chemicznym uzyskuje się na drodze zmiany temperatury lub ciśnienia. Do przesycenia można doprowadzić za pomocą przechłodzenia roztworu będącego w równowadze temperaturowej lub poprzez przesunięcie równowagi temperaturowej w wyniku zmiany prężności par nad cieczą. Tempo powstawania zarodków kryształków i ich wzrost są określone poprzez stopień przesycenia roztworu. Im większy stopień przesycenia, tym proces ten następuje szybciej.

 

Kolejnym etapem procesu krystalizacji jest powstawanie zarodków krystalizacji. W przesyconym roztworze można wyróżnić zarodkowanie homogeniczne lub heterogeniczne. W przypadku zarodkowania homogenicznego, faza stała jest formowana z cząsteczek cieczy ulegającej krystalizacji – ciecz w takim przypadku jest wolna od jakichkolwiek zanieczyszczeń. W skali technicznej trudno wyobrazić sobie taką sytuację, dlatego najczęstszym sposobem na powstawanie kryształków lodu jest zarodkowanie heterogeniczne. W procesie tym, powierzchnia ziarna zanieczyszczenia pozwala na szybsze tworzenie się sieci krystalicznej lodu.

 

Trzecim etapem krystalizacji jest wzrost zarodków. Proces ten jest skomplikowanym połączeniem jednoczesnej wymiany ciepła i masy w mikroskali. Otóż jest to dyfuzyjne przyłączanie cząsteczek z fazy ciekłej do fazy stałej oraz wymiana ciepła pomiędzy kryształkami a cieczą.

 

Następny etap formowania kryształków lodu to formowanie ich wymiarów i kształtów, gdyż w każdej z metod wytwarzania występuje ich duża niejednorodność. W przypadku poddawania kryształów naprężeniom, dochodzi do ścierania się o siebie nawzajem lub o ścianki naczynia (krystalizatora). Kryształy większe, z chropowatą powierzchnią oraz z ostrymi krawędziami, przyczyniają się do powstawania większej ilości odłamków niż kryształy o gładszej powierzchni. Kryształy z ostrymi brzegami i z chropowatą powierzchnią są bardziej podatne na odłamywanie się kawałków niż kryształy z gładszymi brzegami. Natomiast mniejsze kryształki są najmniej podatne na zmianę ich kształtu i rozmiaru.

 

W przypadku produkcji kryształków lodu problemem jest zbrylanie. Jest to proces, w którym kryształy, zderzając się, przylegają do siebie nawzajem, tworząc większe aglomeraty. Efekt zbrylania jest tym większy im wyższa jest siła napędowa krystalizacji.

 

 

Technologie wytwarzania lodu zawiesinowego

 

Urządzenia do wytwarzania lodu zawiesinowego można podzielić na następujące grupy:

 

1. Krystalizatory z ruchomym skrobakiem w postaci:

 

  • obracających się ostrzy, 
  • obracających się orbitalnie prętów,
  • obracających się szczoteczek, 
  • obracającej się powierzchni śrubowej;

 

2. Krystalizatory przepływowo-wirowe;

3. Krystalizatory z bezpośrednim wtryskiem cieczy;

4. Krystalizatory z ruchomym złożem fluidalnym;

5. Wytwornice lodu z wodą przechłodzoną.

 

Poniżej zostaną omówione niektóre z nich.

 

 

Krystalizator z mechanicznym skrobakiem zaopatrzonym w ostrza

 

(...)

 

 

Generator przepływowo-wirowy

 

(...)

 

 

Fluidalny wymiennik ciepła

 

(...)

 

 

Natrysk wody

 

(...)

 

 

Zastosowania

 

(...)

 

 

Układy chłodnicze

 

(...)

 

 

Klimatyzacja w biurowcach

 

(...)

 

 

Wymienniki płytowe w instalacjach z lodem zawiesinowym

 

W wyżej przedstawionych zastosowaniach występują wymienniki ciepła, w których pracuje lód zawiesinowy. Zakładając, że stosuje się w tych miejscach wymienniki płytowe, należy się zastanowić nad specyfi ką ich pracy z omawianym czynnikiem roboczym. Pomocą są doświadczenia prowadzone przez naukowców na całym świecie.

 

W pracy [6] przedstawiono badania spadku ciśnienia i wymiany ciepła w wymienniku płytowym, gdzie odstęp wynosił 2,1 mm a powierzchnia płyty wynosiła 0,134 m2. Woda lodowa badana była w zakresie udziału masowego kryształków od 0 do 20%, przy czym cieczą był 6% roztwór glikolu etylenowego. Wymiar kryształków był w zakresie średniej średnicy od 0,125 do 0,625 mm. Badano natężenia zawiesiny od 0,18 do 2,16 m3 na godzinę. Badania wykazały, że współczynniki wymiany ciepła rosną wraz z rosnącym przepływem, ale dla małych stężeń masowych kryształów lodu. Im kryształków jest więcej, tym współczynnik przejmowania ciepła jest mniejszy. Straty ciśnienia utrzymywały się natomiast w podanym zakresie stężeń na jednakowym poziomie.

 

W pracy [7] przeprowadzono badania nad 16% roztworem glikolu propylenowego z udziałem masowym kryształów lodu od 0 do 30%, przy czym badano przepływy od 0,05 do 0,3 m3/h. Średnica hydrauliczna przepływu była na poziomie 4 mm. Nie zbadano w tym przypadku rozkładu rozmiarowego kryształków lodu. Stwierdzono, że przy najmniejszych badanych przepływach wraz z ilością udziału kryształków lodu rośnie zarówno współczynnik przejmowania ciepła jak też spadek ciśnienia. Przy wzroście wydatku i udziału kryształków lodu efekt ten maleje.

 

W innym badanym wymienniku płytowym [8] o średniej średnicy prześwitu 25 mm pomiędzy płytami, badano przepływy zawiesiny lodowej od 1,7 do 3,6 m3/h (oszacowana liczba Reynoldsa zmieniała się od 1600 do 3350). Udział masowy kryształków lodu zmieniano od 0 do 8%. Wyniki dowiodły, że w tym przypadku wzrost liczby Reynoldsa sprzyjał zwiększeniu liczby Nusselta, a co za tym idzie obserwowano wzrost współczynnika przejmowania ciepła.

 

W pracy [9] natomiast przeprowadzono badania nad 5% roztworem glikolu propylenowego z udziałem masowym fazy stałej od 5 do 20% w przepływie przez tradycyjny komercyjny wymiennik płytowy. Stwierdzono, co następuje:

 

 

  • strata ciśnienia wzrasta wraz ze wzrostem przepływu mieszaniny i udziału kryształków w zawiesinie; 
  • całkowity współczynnik przenikania ciepła rośnie wraz z rosnącym przepływem mieszaniny; 
  • rosnący udział masowy kryształków lodu nie miał zauważalnego wpływu na współczynnik przenikania ciepła.

 

 

Podsumowanie

 

Z analizy wyników badań nad przepływami zawiesiny wodnolodowej w wymiennikach płytowych wynika, że badania nie dają jednoznacznych wyników, natomiast można określić pewną prawidłowość: na wielkość współczynnika wnikania ma wpływ wielkość kryształków lodu, uzyskiwana w przepływie liczba Reynoldsa oraz sama geometria przepływu. Daje się zauważyć, że większa odległość płyt od siebie sprzyja zwiększeniu efektu wymiany ciepła. Prace nad tymi zagadnieniami trwają, gdyż mieszaniny wodno-lodowe w dobie wycofywania tradycyjnych czynników chłodniczych cały czas są atrakcyjnym czynnikiem roboczym w szczególności w układach pośrednich.

 

 

 

 dr inż. Adam RUCIŃSKI
- Instytut Techniki Cieplnej, Politechnika
Warszawska

 

 

 

LITERATURA:

[1] NIEZGODA-ŻELASKO B.: Modelowanie procesów wymiany ciepła w chłodnicach powietrza zasilanych lodem binarnym. Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna. 5/2003. 183−189.

[2] STAMATIOU E., MEEWISSE J. W., KAWAJI M.: Ice slurry generation involving moving parts. International Journal of Refrigeration. 28. 2005. 60–72.

[3] KIM B. S., SHIN H. T., LEE Y. P., JURNG J.: Study on ice slurry production by water spray. International Journal of Refrigeration. 24. 2001. 176−184.

[4] BELLAS I.; TASSOU S. A.: Present and future applications of ice slurries. International Journal of Refrigeration. Volume: 28. Issue: 1. January. 2005. 115−121.

[5] DAVIES T. W.: Slurry ice as a heat transfer fl uid with a large number of application domains. International Journal of Refrigeration. Volume: 28. Issue: 1. January. 2005. 108−114.

[6] GUPTA R.P., FRASER C.A.: Eff ect of new friction reducing additive on sunwell ice slurry characteristics, National Research Council of Canada, Institute of Mechanical Engineering, Low Temperature Laboratory, Report no. TRLT-023, NRC no. 32123, 1990.

[7] Norgard E. at al: Performance of components of ice slurry systems: pumps, plate heat exchanger, fi ttings. Proceedings of the 3rd IIR Workshop on Ice Slurries, Lucerne, 16–18 May 2001, pp. 129–136.

[8] Stamatiou E., Kawaji M., Lee B., Goldctein V.: Experimental investigation of ice-slurry fl ow and heat transfer in a plate-type heat exchanger, Proceedings of the 3rd IIR Workshop on Ice Slurries, Lucerne, 16–18 May 2001, pp. 61–68.

[9] Bellas J., Chaer I., Tassou S. A.: Heat transfer and pressure drop od ice slurries in plate heat exchangers. Applied Thermal Engineering 22 (2002) p. 721-732

 

 

 

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.