W poniższej publikacji przedstawiono wyniki badań cieplno-przepływowych lamelowanego skraplacza chłodzonego po­wietrzem zasilanego czynnikiem R404A. Wyznaczono charakterystyki zewnętrzne skraplacza, które wyrażają związek wielkości opisujących wymiennik ciepła traktowany jako całość, tj. gęstości strumienia masy, wydajności cieplnej, współczynnika przenika­nia ciepła i oporów przepływu. Zaproponowano wnioski i zalecenia dotyczące badania skraplaczy chłodzonych powietrzem. 

Skraplaniem nazywamy zjawisko przejścia substancji z fazy gazowej w fazę ciekłą. Może ono zachodzić przy określonym ciśnieniu, gdy temperatury pary osiągnie temperaturę niższą od tempe­ratury nasycenia. Podczas przemian fazowych następuje zmiana starej fazy w nową, o ile zostaną spełnione ściśle określone warunki. Dla procesu skraplania warunkami tymi są: istnienie gra­dientu temperatury na ściance kanału oraz występowanie zarodków cieczy. W zależności od typu ścianki, na której za­chodzi proces skraplania wyróżnia się:
•    skraplanie na powierzchni ścian zewnętrznych (płaskie lub zakrzywione),
•    skraplanie podczas przepływu w kanałach (rurowych).

Zarówno w pierwszym, jak i w drugim przypadku powstające skropliny mogą tworzyć ciągłą warstwę na powierzchni (skraplanie błonowe) lub też gromadzić się na niej w postaci pojedynczych kropel (skraplanie kroplowe). Według obecnego stanu wiedzy brak jest jedno­litej teorii procesu skraplania, a w praktyce jego mechanizm podczas przepływu w ka­nałach jest bardziej skomplikowany, niż gdy kondensacja zachodzi na powierzchniach zewnętrznych [1, 13].
W rurach skraplaczy urządzeń chłodniczych występuje z reguły skraplanie błonowe, pod­czas którego powstaje film cieczy na powierzchni wewnętrznej kanału rurowego. Nie można jednak wykluczyć warunków powstawania skraplania kroplowego lub mieszanego (w przy­padku skraplania czynników o dużym stężeniu rozpuszczonych w nich olejów). Przepływ skraplającego się czynnika chłodniczego ograniczony jest poza tym ściankami kanału ruro­wego. Ruch powstającego filmu kondensatu może mieć charakter laminarny lub turbulentny. Mechanizm tego procesu jest odmienny od innych rodzajów skraplania (na ściance płaskiej pionowej, na zewnętrznej powierzchni rury), ponieważ istnieją określone i ograniczone wa­runki odpływu powstającego kondensatu. Do wężownicy skraplacza dopływa para przegrzana czynnika chłodniczego, odpływa zaś ciecz dochłodzona [7, 9].
Podczas skraplania występują trzy strefy pracy wężownicy rurowej (rys. 1):
•    strefa odbioru ciepła przegrzania I,
•    strefa skraplania właściwego (dopływ pary nasyconej suchej, a wypływ cieczy nasyco­nej o stopniu suchości
x = 0) II,
•    strefa dochłodzenia kondensatu III.


Specyfika skraplania czynników chłodniczych w skraplaczach chłodzonych powietrzem
Skraplacze chłodzone powietrzem stosowane są w urządzeniach chłodniczych w szerokim zakresie wydajności cieplnej. Wyeliminowano w ten sposób duże zużycie wody (w porównaniu ze skraplaczami płaszczowo-rurowymi o około 70÷90%) oraz zmniejszono o około 30% nakłady eksploatacyjne [14]. Takie rozwiązanie przyniosło wymierne skutki ekologiczne i finansowe. Dalszym krokiem zmierzającym do ochrony środowiska było całkowite lub częściowe wyeliminowanie z chłodnictwa dotychczas stosowanych czynników chlorowcopochodnych i zastępowanie ich proekologicznymi substytutami. W takich warunkach pojawiło się wyzwanie dotyczące projektowania urządzeń chłodniczych na miarę XXI wieku. Projektanci powinni dysponować określonym zasobem informacji, aby takie urządzenia mogły powstać. Dotyczy to w dużej mierze wymienników ciepła w urządzeniu chłodniczym (parowniki i skraplacze), których udział w kosztach urządzenia stanowi 25÷60% [3]. Problem jest tym trudniejszy, że nie wszystkie zależności opisujące proces wymiany ciepła czynników chlorowcopochodnych mają na tyle charakter uogólniony, żeby można je zastosować dla ich nowych proekologicznych substytutów. Procesy wymiany ciepła podczas wrzenia lub skraplania w przepływie wewnątrz rur wymienników chłodniczych są niezwykle skomplikowane i nie są dostatecznie rozpoznane [15, 17].

Na rysunku 2 pokazano skraplacz z wymuszonym przepływem powietrza chłodzącego, gdzie wewnątrz płaszcza 1 umieszczone są wężownice 2 wykonane z ożebrowanych rur stalowych lub miedzianych (wężownice mogą być łączone szeregowo lub równolegle). Para czynnika chłodniczego dopływa do górnego kolektora 3, a skroplony czynnik chłodniczy odpływa przez kolektor 4. Chłodzące powietrze dopływa do skraplacza przez otwór 5, przy czym w agregatach chłodniczych zasysane jest ono przez wentylator, którego wirnik osadzony jest na wale silnika elektrycznego lub na wale sprężarki. Żebra wykonywane są zazwyczaj w postaci aluminiowych, mosiężnych lub stalowych lamel nałożonych na cały pęczek rur, przy czym dla zapewnienia odpowiedniego kontaktu cieplnego między lamelami i rurami oraz w celu zabezpieczenia przed korozją cały skraplacz jest ocynkowany.

Na rysunku 3 pokazano skraplacz stosowany w urządzeniach o dużej mocy chłodniczej. W celu obniżenia ciśnienia skraplania, w okresach o wysokiej temperaturze powietrza zewnętrznego, w strumieniu powietrza chłodzącego może być rozpylana woda.


Badania przepływowe skraplacza
Przedmiotem badań był skraplacz chłodzony powietrzem zbudowany w postaci bloku lamelowanego, opartego na pęczku rur miedzianych o średnicach dz/dw = 10/8 mm, z nasadzanymi żebrami lamelowanymi, wykonanymi z blachy aluminiowej o grubości 0,1 mm. W bloku lamelowanym rozmieszczono 96 sztuk odcinków rur poziomych, prostych o długości 1320 mm każdy, połączonych za pomocą kolanek rurowych w 6 wężownic (długość jednej wężownicy z kolankami – 22 560 mm, bez kolan 21 120 mm) zasilanych kolektorowo. W tabeli 1 zamieszczono pozostałe wielkości charakteryzujące badany skraplacz. Na rys. 4 przedstawiono schemat badanego skraplacza.
Badania eksperymentalne skraplacza przeprowadzono w dwóch etapach. W etapie pierwszym zrealizowano badania dotyczące organizacji przepływu powietrza przez blok lamelowany. Drugi etap dotyczył badań cieplnych procesu skraplania w warunkach zbliżonych do eksploatacyjnych [10].
Badania przepływowe skraplacza miały na celu:
•    wyznaczenie rozkładów prędkości powietrza w charakterystycznych przekrojach lamelowanego wy­miennika ciepła,
•    określenie średniej prędkości i natężenia przepływu powietrza przez wymien­nik,
•    pomiar oporów przepływu powietrza przez wymiennik.

CZYTAJ CAŁOŚĆ, ZAMÓW PRENUMERATĘ:

TRADYCYJNĄ                         E-WYDANIE