ZKRÁPĚNÝ TRUBKOVÝ VÝMĚNÍK V ABSORPČNÍCH OBĚZÍCH Zdeněk Fortelný, Libor Chroboczek, Jiří Pospíšil Tradiční využití solární energie spočívá ve výrobě elektrické energie nebo teplé užitkové vody. Jinou možnost jak využít tuto energii například na pohon klimatizační jednotky, rozšiřují její možnosti využití především v dnech intenzivního slunečního svitu. Klíčovým prvkem klimatizačních jednotek pracujících na absorpčním principu je zkrápěný trubkový výměník. Některé vlastnosti, fyzikální principy a prostup tepla v něm předkládá následující článek. Klíčová slova: absorpce, zkrápěný výměník, přestup tepla ÚVOD Výbava domů i s klimatizační jednotkou patří ke standardu bydlení, s tím však souvisí i energetická náročnost, především pak spotřeba elektrické energie. Velká spotřeba v letních měsících způsobuje nemalé problémy s přetěţováním elektrické sítě, které mohou vést aţ k celkovému kolapsu. A právě v tuto dobu, kdy slunce svítí nejvydatněji, můţeme vyuţít jeho energii a přesměrovat ji velmi vhodně do absorpčních klimatizačních jednotek pomocí solárních kolektorů a tím výrazně omezit spotřebu elektrické energie. Tím se omezí její spotřeba při zachování standardu výroby chladu. Absorpční oběh Absorpční chlazení pracuje na stejném principu jak kompresorové. Vyuţívá vhodné pracovní látky a řízený cyklický děj, ale nepotřebuje ke svému pohonu elektricky poháněný kompresor s velkou spotřebou elektřiny, kompresor je nahrazen absorpční smyčkou, kde jen malou část elektrické energie spotřebuje čerpadlo. Absorpční smyčka tedy termo-chemický kompresor, má dvě větve a to s chudým a bohatým roztokem. Na začátku jedné a na konci druhé větve a opačně jsou absorbér a desorbér. Páry chladiva proudící z výparníku přichází v absorbéru do styku s chudým roztokem, coţ je pracovní dvojice, z nejčastěji pouţívaných například voda a LiBr (voda chladivo). V absorbéru, kde jsou páry chladiva pohlcovány (absorbovány) v chudém roztoku a jiţ bohatý roztok je poháněn čerpadlem do desorbéru, kde jsou naopak páry chladiva vypuzovány. Hnací vypuzovací tepelnou sílu můţeme vzít ze slunečních kolektorů, nebo při jakýchkoliv výkyvech z akumulační nádrţe případně i z plynového kotle. Bohatý roztok ochuzen o část par chladiva tedy opět chudý roztok proudí přes škrtící ventil zpět do absorbéru. Celý cyklus je vhodné doplnit o výměníky tepla mezi větve s chudým a bohatým roztokem, které zajistí opakované vyuţití tepelných toků při zachování nutných teplotních spádů. K D Chladivo kompresor V Bohatý roztok A Chudý roztok Termo-chemický kompresor Obr. 1 Absorpční oběh 3 Ing. Zdeněk Fortelný, VUT v Brně, Technická 2896/2 Brno, yforte00@seznam.cz / 27 /
Zkrápěný výměník Jak jiţ bylo řečeno, páry chladiva jsou pohlcovány v absorbéru chudým roztokem, přičemţ musí být zajištěno co největší fázové rozhraní (povrch kapaliny), neboť zmíněná absorpce probíhá na rozhraní kapalina-plyn a musí být téţ zajištěno dostatečné promíchávání absorbentu. Při absorbování se kapalina ohřívá a klesá její schopnost dál vstřebávat plyn, platí zde tedy, čím vyšší teplota tím niţší schopnost absorbovat páry chladiva. Tyto aspekty nejlépe zohledňuje zkrápěný trubkový svazek, který můţe vypadat ve své jednodušší formě, jako na obr. 3. V něm je kapalina - absorbér rozstřikován na trubkový svazek a ztékáním po chladných trubkách se ochlazuje. Literatura zabývající se problematikou zkrápěných trubkových výměníků definuje celkem tři typy reţimů ztékání neboli zkrápění: a) kapkový b) sloupcový c) blánový Na charakter zkrápění mají hlavní vliv dvě fyzikální vlastnosti a to povrchové napětí a viskozita. A i zde platí, čím menší viskozita, tím lépe kapalina zkrápí povrch trubek. Snaţíme se tak docílit i různými rozpustnými přísadami (např. vyšší alkoholy). Další nemalý vliv mají průtok zkrápěné vody a průměr obtékaných trubek. Záleţí i na počtu trubek ve svazku. S ohledem na výše uvedené je nejoptimálnější pro absorpční jednotky přechodový reţim zkrápění tzv. kapkovo-sloupcový. Obr. 2 Reţimy zkrápění 2 Výzkumný stend V rámci projektu Fondu Rozvoje Vysokých Škol (FRVŠ) byl navrţen a postaven výzkumný stend na pozorování tvorby kapalného filmu v trubkovém svazku zkrápěného výměníku a prostupu tepla v něm (obr. 3). Doposud proběhlo měření teplotních diferencí mezi vstupem a výstupem jak z chladící tak ze zkrápěné smyčky, na základě kterých, byl vypočítán součinitel prostupu tepla v závislosti na rozteči trubek v trubkovém svazku a byly testovány hladké měděné trubky o průměru 12 mm. / 28 /
Obr. 3 Experimentální zkrápěný trubkový výměník 1) Nosný rám 2) Termočlánek 1 - snímá vstupní teplotu zkrápěné kapaliny 3) Testované trubky 4) Testovací sekce umoţňuje testovat zkrápění trubek o vnějším průměru 12 mm s rozdílnou povrchovou úpravou, různého materiálu. Trubkový svazek je moţno uspořádat do vertikálního zákrytu s roztečemi 15, 20, 25 a 30 mm. Testovací sekce umoţňuje testovat celkem 20 kusů trubek. 5) Průtokoměr experimentální výměník je vybaven celkem dvěma průtokoměry pro sledování okamţitého průtoku v rozsahu 0-500 l/h. Jeden je umístěn na smyčce s chladicí kapalinou a druhý pak na smyčce se zkrápěnou kapalinou. 6) Vodoměr stejně jako průtokoměry jsou i vodoměry pro sledování celkového průtoku umístěny jak na smyčce s chladící tak na smyčce se zkrápěnou kapalinou. 7) Průtokový ohřívač jeho cílem je ohřev zkrápěné kapaliny. Zkrápěná stejně jako chladící kapalina je odebírána z vodovodu v laboratořích EÚ. Příkon ohřívače je 5kW. Při průtoku zkrápěné kapaliny menším neţ 100 l/h nedojde k sepnutí ohřevu průtokového ohřívače. 8) Distribuční trubka prostřednictvím této trubky je ohřátá kapalina distribuována na trubkový svazek. V ose trubky jsou vyvrtány díry o průměru 1,5 mm s roztečemi 10 mm po celé délce testovací sekce. 9) Termočlánek 2 snímá výstupní teplotu chladicí kapaliny. 10) Termočlánek 3 snímá vstupní teplotu chladicí kapaliny. 11) Termočlánek 4 snímá teplotu skrápěné kapaliny na výstupu z trubkového svazku. 12) Měřící počítač slouţí ke sledování a záznamu teplot z jednotlivých termočlánků. 13) Plastová nádrţ v současné době není v experimentálním výměníku zapojena. Své uplatnění spolu s čerpadlem ovšem nalezne v případě testování jiné kapaliny neţ vody (roztok LiBr, který je jako pracovní látka v absorpčních obězích vyuţíván). 14) Ţlab pomocí ţlabu je zachycena zkrápěná kapalina, která je výtokovým otvorem z experimentálního výměníku odváděna. / 29 /
Postup měření a vyhodnocení měření Testovány byly hladké měděné trubky o roztečích 15, 20, 25, 30 mm s nastaveným průtokem zkrápěné kapaliny 100, 150, 200 a 300 l/h, při konstantně nastaveném průtoku chladicí kapaliny 150 l/h. Při jednotlivých kombinacích průtoků a roztečí byly ponechány 1 2 min intervaly na ustálení toku, poté v intervalu 5 sekund probíhal zápis hodnot teplot z termočlánků 5 minut, po uplynutí se odečetl i stav vodoměrů. Ztráty ochlazením zkrápěné kapaliny od okolního vzduchu se určovaly z min. průtoku tedy 100 l/h, kdy jsou ztráty do okolí maximální. Odečet vstupních a výstupních teplot skrápěné kapaliny probíhal také 5 minut. Ochlazení zkrápěné kapaliny vlivem okolního prostředí bylo stanoveno pro kaţdou rozteč. Ztráty na straně chladicí kapaliny jsme měřili při zavřeném přívodu zkrápěné kapaliny. Na rozdíl od zkrápěné kapaliny, kde je nutno zjistit ochlazení vlivem okolního prostředí pro kaţdou rozteč, stačí v případě chladící smyčky stanovit ochlazení či ohřátí chladicí kapaliny pouze jednou při libovolné rozteči. Odečet vstupních a výstupních teplot chladicí kapaliny probíhal rovněţ v intervalu 5 minut. Na základě údajů odečtených na jednotlivých vodoměrech při začátku a na konci měření jsme stanovili hodnotu objemového průtoku při všech testovaných průtocích a roztečích. Ten byl následně převeden na hmotnostní průtok. Při výpočtu tepelných ztrát na straně zkrápěné kapaliny jsme vycházeli z teplotní diference zjištěné při minimálním průtoku u jednotlivých roztečí při vypnuté chladící smyčce. Při maximálním průtoku 300 l/h je teplotní diference skrápěné kapaliny na vstupu a výstupu z trubkového svazku nulová (potvrzeno měřením). Teplotní diference u průtoků leţících uvnitř tohoto intervalu byla stanovena pomocí lineární interpolace. Tepelná ztráta pak byla dopočtena pomocí rovnice: Q mc t (1) Tepelnou ztrátu na straně chladicí kapaliny jsme stanovili s vyuţitím teplotní diference zjištěné při vypnuté zkrápěné smyčce, která pak byla dopočtena rovněţ pomocí výše zmíněné rovnice (1), stejně tak i celkové mnoţství odevzdaného a přijatého tepla při různých průtocích. Teplo skutečně vyměněné mezi skrápěnou a chladicí kapalinou jsme dostali po odečtení ztrát od celkového odevzdaného či přijatého tepla. Součinitel prostupu tepla byl nakonec dopočten pomocí rovnice prostupu tepla: Q ks T ln (2) Při výpočtu součinitele prostupu tepla jsme počítali s celkovou plochou a s průměrnou hodnotou skutečného tepla, které přijme chladicí kapalina a odevzdá skrápěná. Všechny vypočítané a změřené hodnoty jsou uvedeny v tabulce 1 a v grafu 1. Tab. 1 Naměřené a vypočítané hodnoty R15 R20 R25 R30 108 155 205 349 l/h 0.73 1.085261 1.127091 1.288214 kw/m 2 K 108 144 205 299 l/h 0.789597 0.860611 0.989163 1.33678 kw/m 2 K 108 144 205 313 l/h 0.568303 0.885396 1.173209 1.476815 kw/m 2 K 97 144 205 324 l/h 0.738389 0.903326 1.08313 1.725207 kw/m 2 K / 30 /
Součinitel prostupu tepla [kw/m 2 K] Graf. 1 Závislost součinitele prostupu tepla na průtoku 2 HLADKÉ TRUBKY 1.5 1 0.5 0 0 100 200 300 400 Průtok [l/h] Rozteč 15 mm Rozteč 20 mm Rozteč 25 mm Rozteč 30 mm ZÁVĚR Z naměřených hodnot a grafu vyplývá, ţe hodnoty součinitele prostupu tepla mají vzrůstající charakter s narůstajícím průtokem a jako nejvhodnější z hlediska přestupu tepla je rozteč 30 mm. Rozteč trubek ve vertikálním zákrytu 15 mm se nejeví jako optimální varianta, neboť při této rozteči bylo u všech nastavených průtoků zkrápěné kapaliny v porovnání s ostatními roztečemi, pozorováno nejmenší celkové pokrytí teplosměnné plochy zkrápěnou kapalinou, coţ je v rozporu s poţadavkem na vytvoření co moţná největšího mezifázového rozhraní (absorbent-chladivo) v průběhu absorpce. PODĚKOVÁNÍ Příspěvek vznikl za podpory FRVŠ (Fond Rozvoje Vysokých Škol) projekt č. 2273. POUŽITÁ LITERATURA 1 HEROLD, K. (1996): Absorption chillers and heat pumps.1 vyd. USA: CRC PRESS, 329 s. 2 JACOBI, A. M., HU, X (1995).: The Intertube Falling-Film Modes: Transition, Hysteresis, and Effects on Heat Transfer, Urbana, IL 61801, (217) 333-3115 3 POSPÍŠIL J., FIEDLER J., SKÁLA Z. (2006): Comparison of Cogeneration and Trigeneration Technology for Energy Supply of Tertiary Buildings. WSEAS Transaction on Heat and Mass Transfer, 1(3). p. 262-267. ISSN 1790-5044. 4 HENNING H. M. Solar-Assisted Air-Conditioning in Buildings. SpringerWienNewYork, ISBN: 3-11-00647-82004 / 31 /
/ 32 /