BIBLID 0350–1426 (206) 41:4 p. 29–35
smANjeNje
PuNjeNjA RAzlIčItIm fluIdImA u
RAshlAdNIm I klImAtIzACIONIm sIstemImA
Prof. dr PREDRAG PEGA HRNjAK, President CTS and Co-Director
of the Air Conditioning and Refrigeration Center, Department of
Mechanical Science and Engineering, University of Illinois at Urbana
Champaign, USA
U radu je izložen pregled razloga za smanjenje punjenja
u klimatizacionim i rashladnim sistemima. Razmatrane
su strategije za smanjenje punjenja: u kompresorima
(ulje), posudama, cevima i razmenjivačima toplote.
Akcenat je stavljen na razmenjivače toplote, posebno
one mikrokanalske. Pored trivijalnog smanjenja
unutrašnje zapremine, kao strategije za smanjenje
punjenja, prikazan je i uticaj masenog fluksa na sadržaj
pare i na potrebnu manipulaciju cirkulacije. Dati su okvir
i primer poređenja rashladnih fluida na osnovu njihovog
potencijala za malo punjenje kondenzatora
KLjUČNE REČI: fluidi; rashladni sistemi; klimatizacioni sistemi;
razmenjivač toplote; kompresor; cevi
Uvod
Razlozi za smanjenje punjenja
Smanjenje punjenja rashladnim fluidom korisno je kada se
radi o bilo kom rashladnom fluidu i to iz više razloga:
– Manja količina može da proširi mogućnosti za neke vrlo
dobre rashladne fluide (visoka efikasnost ciklusa, izuzetne karakteristike prenosa toplote/pada pritiska, itd.)
u oblastima i na lokacijama gde su ovi fluidi u potpunosti zabranjeni ili dozvoljeni samo u ograničenim količinama, zbog zapaljivosti ili toksičnosti. To se naročito odnosi
na fluide poput amonijaka i ugljovodonika, koji su u nekim aplikacijama i na nekim lokacijama već prihvaćeni ispod određenih nivoa (obično 150 kg za NH3, ili 50 g za
HCS).
– Efikasnost sistema mogla bi se povećati u ciklusima u kojima je migracija rashladnog fluida u periodima kada je sistem isključen od velikog značaja.
– Smanjeni su direktni uticaji na životnu sredinu (ovo ima
samo ograničen značaj kada se radi o amonijaku ili ugljovodoniku), i to problem oštećenja ozonskog omotača,
CHARGE MINIMIZATION
OF vARIOUS FLUIDS IN
REFRIGERATION AND A/C
SySTEmS
This paper presents an overview of
the reasons for charge reduction in air
conditioning and refrigeration systems and
discusses strategies for charge reduction:
in compressors (oil), vessels, pipes, and
heat exchangers. The focus is on heat
exchangers, microchannel in particular.
In addition to a trivial reduction of internal
volume as a strategy for charge reduction,
the effect of mass flux on void fraction
and needed manipulation of circuiting is
presented. A framework and example of
comparison between refrigerants based on
their potential for low condenser charge is
provided
KEy wORDS: fluids; refrigeration systems;
air‑conditioning systems;
heat exchanger; compressor;
pipe
ako postoji, problemi globalnog zagrevanja itd., naročito u slučaju isticanja velike količine fluida sa katastrofalnim posledicama.
– Smanjenje investicionih troškova za nabavku rashladnog
fluida i troškova za nabavku ulja za podmazivanje (ovo
opet nema preterani značaj kada je reč o amonijaku ili
ugljovodnicima, zbog toga što su vrlo jeftini).
Mogući nedostaci manjeg punjenja
Smanjenje punjenja ispod određene granice moglo bi da
dovede do problema u radu sistema:
– ako je risiver neadekvatan, onda i u slučaju malog isticanja količina rashladnog fluida može postati nedovoljna,
što smanjuje učinak sistema;
– ako se smanjenje punjenja postiže preteranim smanjenjem hidrauličkog prečnika cevi, pad pritiska i isparavanje mogu da utiču na efikasnost, a možda i na kapacitet
sistema;
– smanjena pouzdanost pumpi (ako postoje), usled mogućeg prisustva pare u tečnoj fazi i pojave kavitacije.
29
4 • 2012
kgh
Strategije za smanjenje
punjenja u sistemu
1. Prva i skoro najuobičajenija opcija za smanjenje punjenja jeste uvođenje još jednog fluida u rashladni sistem, čime se smanjuje količina primarnog rashladnog
fluida. Ove varijante se mogu ostvariti primenom kaskadne sprege ili uvođenjem sekundarnog rashladnog
fluida, što rashladni sistem pretvara u čiler sa jednofaznim ili dvofaznim sekundarnim rashladnim fluidom. Ove
opcije su bile i još uvek jesu primamljive zbog svoje jednostavnosti. Rashladni fluid u primarnom (ili jedinom)
sistemu nalazi se u svakoj kompomenti: kompresoru,
posudama, tečnim, dvofaznim i usisnim vodovima i, na
kraju, u razmenjivačima toplote.
2. Smanjenje količine rashladnog fluida u kompresoru postiže se: a) smanjenjem unutrašnje zapremine, b) smanjenjem količine ulja za podmazivanje i c) smanjenjem
rastvorljivosti rashladnog fluida (ako to predstavlja razumno rešenje). Nije neophodno reći da smanjenje zapremine na strani visokog pritiska donosi bolje rezultate
nego na usisnoj strani, zbog razlike u gustini. Deo količine ulja za podmazivanje koji se ubacuje u kompresor
predstavlja funkciju punjenja rashladnim fluidom u sistemu koja omogućava zadržavanje ulja u sistemu. Ako se
prilično smanji unutrašnja zapremina sistema, kada se
smanjuje količina rashladnog fluida javlja se zahtev da
se smanji i količina ulja za podmazivanje. Ako se ovaj
zahtev prihvati, posledica će biti još veće smanjenje količine rashladnog fluida. Smanjenje količine tečnosti u
posudama može se postići smanjenjem njihove zapremine i nivoa tečnosti u njima.
3. Smanjenje količine rashladnog fluida u cevima obično
se postiže smanjenjem unutrašnje zapremine (prečnika, a moguće i dužine). Smanjenjem prečnika dobija se
veći pad pritiska. Pad pritiska u cevovodima za tečnost
ne utiče na učinak sistema, ali može da izazove neželjeno isparavanje, koje utiče na rad regulatora protoka. Pad
pritiska u usisnim vodovima utiče na efikasnost sistema,
te stoga nije preporučjiv.
4. Najprivlačnija i najznačajnija strategija jeste da se smanji punjenje, tj. količina rashladnog fluida u razmenjivačima toplote. Smanjenje količine rashladnog fluida
u razmenjivaču toplote uvek je povezano sa smanjenjem
unutrašnje zapremine. Potrebno je sa pažnjom izvagati negativne efekte koji se odnose ili na veći pad pritiska,
ili na smanjenje prenosa toplote.
Strategije za smanjenje količine
rashladnog fluida u razmenjivačima toplote
Svaka strategija za smanjenje količine rashladnog fluida odnosi se na smanjenje unutrašnje zapremine. Velika
je prednost da smanjenje zapremine bude proporcionalno
kvadratu prečnika kanala, a da površina prenosa toplote
bude linearna funkciju prečnika. Ipak, smanjenje unutrašnje zapremine predstavlja samo jedan, relativno trivijalan,
način da se postigne cilj.
U slučajevima isparivača sa raspršivanjem, postignuto je
značajno smanjenje punjenja u poređenju sa dobošastim
isparivačima iste zapremine.
Da bi se obezbedio dovoljan kapacitet kod razmenjivača
toplote sa strujanjem unutar cevi, neophodno je obezbediti
strujanje rashladnog fluida koje je inverzno u odnosu na latentnu toplotu isparavanja (hfg). Na taj način, rashladni fluidi
koji imaju veću latentnu toplotu imaće manji maseni protok
za isti kapacitet, i sa svim ostalim istim vrednostima, imaće
manji pad pritiska u poređenju sa onima koji zahtevaju veći
protok. Ovaj manji pad pritiska može da omogući korišćenje cevi manjeg prečnika.
kgh 4 • 2012
30
Uticaji strategija za smanjenje količine fluida na prenos toplote odnose se na prenos toplote na strani rashladnog fluida. Veći koeficijenti prelaza toplote znače da su manje
površine potrebne za dati zadatak. Uticaj koeficijenta prelaza toplote rashladnog fluida je veći kod razmenjivača toplote u kojima strana rashladnog fluida predstavlja relativno
veliku komponentu ukupnog otpora prolazu toplote. Drugim
rečima, lakše je smanjiti količinu rashladnog fluida u razmenjivačima toplote, kao što su kondenzatori hlađeni vodom
ili isparivači u čilerima, gde se voda greje ili hladi, a ne vazduh. To je zbog toga što je potrebna veća površina prenosa toplote za dati kapacitet u slučaju razmenjivača toplote
u kojima se koristi vazduh, zbog njegovog manjeg ukupnog
koeficijenta prolaza toplote. Na taj način biće lakše smanjiti količinu rashladnih fluida koji imaju termofizička svojstva
koja daju veće koeficijente prolaza toplote (specifična toplota, provodljivost, latentna toplota isparavanja itd.). Pored
toga, oni rashladni fluidi koji omogućavaju režime strujanja
koji su bolji za prolaz toplote (prstenasti ili isprekidani pri isparavanju ili magleni pri kondenzaciji), ili geometrije koje
stimulišu takve režime strujanja (to jest mikrorebra) daju bolju mogućnost da se smanji količina rashladnog fluida. Pitanje da li će ove mogućnosti biti realizovane, predstavlja
funkciju adekvatnosti projekta.
Svako smanjenje unutrašnjeg prečnika, uz sve ostale nepromenjene vrednosti, povećava pad pritiska. Opcija da se
smanji pad pritiska u cevi istog prečnika sa istim fluidom jeste da se smanji dužina cevi, ili da se smanji protok kroz
tu cev. Zbog toga se razmenjivač toplote projektuje tako
da ima paraleno strujanje u cevima sa malim prečnikom sa
najkraćim mogućim tokom. To praktično označava jednoprolazni model sa vrlo malim prečnicima kanala, što ukazuje na paralelni model razmenjivača toplote sa jedinim
prolazom kao asimptotom.
U svakom slučaju, stvarnost je složenija od ovog jednostavnog pravca. glavni cilj bi trebalo da bude optimizacija koeficijenta hlađenja sistema za dati maseni tok proučavanjem
uzajamnog dejstva prenosa toplote i pada pritiska. Ovu
temu dobro razmatra cavallini, 2011.
Prilikom izračunavanja količine rashladnog fluida u razmenjivaču toplote, inženjeri obično koriste sadržaj pare, α
(α = zapremina pare/zapremina pare+tečnosti) kao glavnu promenljivu vrednost. Na slici 1 je prikazan odnos između R314 i sadržaja pare u mikronanalskoj cevi (Nino i
dr., 2002).
Sadržaj pare – void fraction – udeo praznog prostora – je
pogrešan naziv. Ne postoje “praznine” ni u jednom razmenjivaču toplote. Bolji naziv bio bi “udeo zapremine pare”.
Štaviše, nas ne zanima para, već tečnost, zato što tečnost
nosi masu rashladnog fluida koju pokušavamo da smanjimo. Stoga, masa tečnosti Ml može da se izračuna na sledeći način:
L
Ml = ∫ (1 − α ) ρl Adz
0
a ukupna masa se izračunava na sledeći način:
M = Ml + Mv = ∑ (1 − α i ) ρl A ⋅ zi + ∑ (α i ) ρv A ⋅ xzi
Vrlo je važno imati na umu da sadržaj pare predstavlja
funkciju masenog fluksa (ova činjenica se često zanemaruje čak i u nekim korelacijama vezanim za sadržaj pare).
Ovaj odnos predstavlja vrlo važnu alatku kada se projektuje smanjenje količine rashladnog fluida. Tendencija je ista
kao što je već navedeno: smanjenjem prečnika povećava
se maseni fluks i povećava se sadržaj pare, što kao posle-
Nino i grupa autora (2002) pokazali su
uticaj masenog fluksa na sadržaj pare
za R134a u mikrokanalskim cevima (slika 1), dok su Adams, Hrnjak i Newell
(2003) proučavali sadržaj pare za amonijak (prikazan na slikama 2 i 3), ugljen‑
dioksid i R245fa u mikrokanalima. Slike
2 i 3 prikazuju sadržaj pare kao funkciju stepena suvoće za tri masena fluksa, zajedno sa predviđanjima korelacije
za homogene modele i model Nino i dr.
(2002). Očigledno je, uprkos nesređenosti eksperimentalnih podataka, da veći
maseni fluks kao rezultat daje veće sadržaje pare (smanjenu količinu rashladnog fluida). Fotografije na slikama 4, 5 i
6 (od autora Ninoa, Hrnjaka i Newella,
2002) pružaju vizuleni dokaz iste tendencije, u providnim mikrokanalima, za
R134a, R410A i vazduh–vodu (čije strujanje fluida podseća na amonijak).
Slika 1. Sadržaj pare: odnos, koncept i neke vrednosti
dicu ima smanjenje količine rashladnog fluida (punjenja).
Ova tendencija je prikazana na slici 1.
Druga vrsta efikasnih razmenjivača toplote sa malim punjenjem jesu pločasti razmenjivači toplote. Oni se češće
primenjuju u čilerskim instalacijama i obično se prave od
nerđajućeg čelika koji se spaja tvrdim lemljenjem bakrom ili
niklom, ili pomoću zaptivki. Slične varijantne su odnedavno
rasprostranjene kod pločastih i dobošastih razmenjivača.
Pločasti razmenjivači toplote u funkciji isparivača sa vazduhom na drugoj strani danas se prevashodno koriste u automobilskim klimatizacionim sistemima.
Tipične količine rashladnog fluida u većim razmenjivačima
toplote (Pearson, 2003) iznose 1 kg/kW, 0,5 kg/kW i 0,25
kg/kW za dobošaste, pločaste i gravitaciono napajane pločaste razmenjivače toplote.
Z. Ayub (1996) izveštava o malom punjenju (54 g/kW) velikih amonijačnih isparivača sa raspršivanjem (4 MW).
Uticaj masenog fluksa na
smanjenje punjenja
Iako je sadržaj pare dosta istraživan (vidi Zivi, 1964, Butterworth, 1975, Newell, 1999, Adams i dr., 2003. i 2006.
itd.), uticaji masenog fluksa nisu uvek uzimani u obzir. Uobičajeno je da se za dati fluid i stepen suvoće, povećanjem
masenog ili toplotnog fluksa menja režim strujanja tako da
se povećava sadržaj pare, čime se smanjuje punjenje.
0,8
Void Fraction [–]
Verovatno najpoznatiji razmenjivači toplote sa malim punjenjem, zasnovani na smanjenju unutrašnje zapremine,
jesu oni mikrokanalskog tipa. Za njih je karakteristično izuzetno malo punjenje (manje od 10 g/kW čak i ako je drugi fluid vazduh), osim ako kolektorske cevi nisu pogrešno
projektovane. Hrnjak i Litch (2001) navode punjenje, tj. količinu rashladnog fluida, od 18 g/kW za vazduhom hlađeni
mikrokanalski amonijačni čiler sa punjenjem kondenzatora
od 6 g/kW. Traeger i Hrnjak (2005) navode sistem u kojem
se koristi R290 sa punjenjem od 8 do 10 g u serpentinskom
mikrokanalskom isparivaču od 1 kW. Postoje projekti mikrokanalskih razmenjivača toplote u kojima je voda drugi fluid (vidi Palm, 2009).
0,9
0,7
0,6
G = 100
G = 200
G = 300
Homogeneous
Nino G = 100
Nino G = 200
Nino G = 300
0,5
0,4
0,3
Dh = 1,54±0,02 mm,
A = 16,7±0,1 mm2
0,2
0,1
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4 0,5 0,6
Kvalitet [–]
0,7
0,8
0,9
1
Slika 2. Sadržaj pare za amonijak u šestoprolaznom mikrokanalu,
Admas, Hrnjak i Newell, 2003.
1
0,9
0,8
Void Fraction [–]
Postoji praktična teškoća u primeni gore opisane strategije. Kada se želi postići veći kapacitet razmenjivača toplote,
povećava se broj paralelnih prolaza; kao posledica toga,
kolektorske cevi gde se kanalne struje sjedinjuju postaju
veće. Režimi strujanja u kolektorskim cevima su nedovoljno opisani i znatno su manje predvidivi, ali obično su sadržaji pare manji u kolektoru nego u cevima.
1
0,7
0,6
G = 100
G = 200
G = 300
Homogeneous
Nino G = 100
Nino G = 200
Nino G = 300
0,5
0,4
0,3
Dh = 1,02±0,01 mm,
A = 15,0±0,01 mm2
0,2
0,1
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4 0,5 0,6
Kvalitet [–]
0,7
0,8
0,9
1
Slika 3. Sadržaj pare za amonijak u četrnaestoprolaznom mikroka‑
nalu, Adams, Hrnjak i Newell, 2003.
Potencijal za smanjenje punjenja
nekih rashladnih fluida
Kao što je ranije u tekstu razmatrano, jasno je da malo punjenje donosi koristi za svaki rashladni fluid, i to u svakoj
primeni.
Rashladni fluidi se često porede na osnovu efikasnosti.
Osnova za dobro poređenje jeste analiza ciklusa (obično
31
4 • 2012
kgh
Slika 4. Vizuelizacija uticaja masenog fluksa i stepena suvoće na udeo sadržaja pare potvrđuje izmerene vrednosti (R134a, 1 mm, 9 prolaza),
Nino, Hrnjak, Newell, 2003.
Slika 5. Vizuelizacija uticaja masenog fluksa i stepena suvoće na sadržaj pare potvrđuje izmerene vrednosti (R410A, 1 mm, 9 prolaza), Nino,
Hrnjak, Newell, 2003.
kgh 4 • 2012
32
Slika 6. Vizuelizacija uticaja masenog fluksa na sadržaj pare (vazduh–voda, 1 mm, devet prolaza), Nino, Hrnjak, Newell, 2003.
Rankinov ili Evans‑Perkinsov) u kojoj se koriste termofizička svojstva. Analiza ciklusa podrazumeva značajno pojednostavljenje koje bi, u nekim slučajevima, moglo čak da
dovede do pogrešnih rezultata. Ona ne obuhvata stvarne
vrednosti razmenjivača toplote (prenos toplote, pad pritiska, energija za pokretače vazduha ili vode itd.). Taj pristup
se zasniva na termodinamici i prihvaćen je kao prva aproksimacija u komparativnoj analizi.
Bilo bi zanimljivo znati da li se rashladni fluidi mogu porediti na osnovu njihovog potencijala za smanjenje punjenja.
Ovde ćemo pokušati da predstavimo zamisao da se rashladni fluidi porede na osnovu njihovog potencijala za smanjenje punjenja u razmenjivačima toplote i da to ilustrujemo
na primeru. Ova zamisao se u principu zasniva na pretpostavci da rashladni fluid koji je manje osetljiv na smanjenje
unutrašnje zapremine i koji sadrži manju količinu tečnosti
(veći udeo gasne faze) i čija je tečnost lakša (ima manju gustinu), ima veći potencijal za redukciju punjenja. Osetljivost
na smanjenje unutrašnje zapremine definiše se smanjenjem koeficijenta hlađenja usled pada pritiska. Pad pritiska
predstavlja funkciju obično masenog protoka određenog
(raspoloživim) delom latentne toplote, specifične zapremine
pare i viskoznosti tečnosti.
Pristup
Kao što je navedeno ranije u tekstu, najlogičniji početak za
smanjenje punjenja u razmenjivačima toplote jeste smanjenje unutrašnje zapremine. Posledica smanjenja prečnika
cevi jeste veći pad pritiska. Dobro poređenje rashladnih fluida ne treba da bude zasnovano samo na jednakom padu
pritiska, već na uticaju koji pad pritiska ima na efikasnost
(koeficijent hlađenja), dok kapacitet ostaje isti.
Prenos toplote na obe strane (ne samo na rashladni fluid
koji trpi najveći uticaj kada se menjanju konstruktivne opcije za smanjenje punjenja) važan je i utiče na rezultat. To je
razlog zbog koga je važno da strana vazduha ostane ista.
Da bi se održavali istovetni spoljašnji uslovi (strana vazduha) za svaki rashladni fluid, izabrani tip razmenjivača toplote jeste mikrokanalski serpentinski (dva kola), koji je
prikazan na slici 7 i čije su dimenzije date u tabeli 1. Mikronalaski razmenjivač toplote je izabran zbog njegovog značaja danas i zbog toga što se očekuje da će ga prihvatiti
sve više proizvođača. Pored toga, veliki koeficijenti prelaza
toplote i unapređenje rebara stavljaju ovaj tip razmenjivača
toplote u red sa konvencionalnim sa kružnim cevima i lamelastim rebrima i razmenjivačima koji se hlade vodom, čime
se stvara univerzalnija osnova za zaključivanje. Serpentinski model je izabran da bi se izbegla neizvesnost prilikom
predviđanja količine rashladnih fluida u kolektoriskim cevima. Serpentisnki model ne smanjuje opštost zaključaka, pa
čak ne ograničava ni povećanje masenog fluksa.
U ovde pomenutom primeru, unutrašnji prečnik kanala bio
je jedina promenljiva u modelu koja je korišćena za podešavanje pada pritiska rashladnog fluida. U eksperimentima
je bilo lakše da se varira broj aktivnih kanala i model je bio
podešen kako bi se omogućila validacija.
Da bi se procenila količina različitih rashladnih fluida u kondenzatoru za različite rashladne fluide, unutrašnje zapremine (prečnici) istovetnih osnovnih razmenjivača toplote
smanjene su kako bi se stvorio pad pritiska koji izaziva jednako smanjenje (ovde izabrano smanjenje iznosi 1%) koeficijenta hlađenja. Bez sumnje, 1% predstavlja proizvoljnu
vrednost, ali je ona ista za sve rashladne fluide. Moguće je
upitati se da li je pravično da svi dobiju istu “kaznu” (Wujek, 2012). Više o ovoj temi može se naći u (Hrnjak, 2009)
i (Padilla i Hrnjak, 2012).
Usvojeni model uzima u obzir uticaj odnosa između rashladnog fluida i površine prenosa toplote na strani vazduha
kada se vrši ponavljanje radi pronalaženja rešenja.
Pravično poređenje mininalnih punjenja zahteva održavanje kapaciteta sistema dok se modelira razmenjivač toplote sa istom ulaznom površinom, spoljašnjim dimenzijama
33
4 • 2012
kgh
ći: Tevaporation = 0 ºc, Tairin = 20 ºc, pregrevanje 5
K. Na osnovu modela isparivača i kondenzatora,
punjenje koje je potrebno da se postigne rashladni kapacitet od 1 kW za različite rashladne fluide
vidi se na slici 9. Pored toga, može se naći “stvarni” hidraulični prečnik kondenzatora za smanjenje
punjenja, a da se koeficijent hlađenja smanji samo
za 1%. Amonijak zahteva najmanje punjenje, ali ne
i najmanju veličinu cevi. Izobutan zahteva mnogo
veći prečnik cevi.
Slika 7. Osnovni model sa serpentinskim kondenzatorom
Pritisak
cevi, identičnim rebrima i istim radnim uslovima na strani
vazduha (brzina, temperatura, vlažnost). Pored toga, uticaj
kondenzatora na preostali deo sistema na strani rashladnog fluida treba da bude isti. Ovde je to definisano kao razlika od 1% između koeficijenta hlađenja sistema sa pravim
kondenzatorom i sa onim bez pada pritiska na strani rashladnog fluida. Prečnik kanala kondenzatora je promenjen
kako bi se izazvalo isto pogoršanje koeficijenta hlađenja
usled pada pritiska na strani rashladnog fluida u poređenju
sa idealnim kondenzatorom (bez pada pritiska), dok kapacitet isparivača ostaje isti. Slična opcija bila bi da se menja
broj aktivnih kanala dok prečnik kanala i spoljašnje dimenzije ravne cevi ostaju isti. Ovaj pristup je eksperimentalno
ispitan u (Hoehne i Hrnjak, 2004).
2’
3
2
4
1
Entalpija
Δp 1% Δ COP
h1 – h4
COPideal = –––––––
h 2 – h4
COPnon_ideal = 0,99 • COPideal
Slika 8. Ilustracija procesa – pad pritiska koji izaziva promenu koe‑
ficijenta hlađenja od 1%
Na slici 8 se poredi “idealan” osnovni ciklus, koji je prikazan punom linijom, sa “stvarnim” ciklusom u kojem postoji pad pritiska, a koji je prikazan isprekidanom linijom. Pad
pritiska u “stvarnom” kondenzatoru podešen je da izazove
smanjenje koeficijenta hlađenja od 1% u poređenju sa “idealnim” ciklusom. Izentalpijsko širenje i izentropijska kompresija pretpostavljeni su u idealnom ciklusu za sve fluide.
Zivijev model sadržaja pare korišćen je zato što ne zavisi od rashladnog fluida, ali zbog toga se ne odražava uticaj masenog fluksa. Ove pretpostavke ne utiču na opštost
zaključaka. Radni uslovi ciklusa u ovom primeru su slede-
R717 i R744 pokazuju najbolji potencijal za sisteme sa malim punjenjem, ali iz različitih razloga.
Poznato je da R717 ima vrlo veliki pad pritiska za dati maseni fluks, zbog vrlo male gustine pare (vidi pretposlednju
kolonu u tabeli 2), što uzrokuje veću brzinu za dati maseni
protok u poređenju sa drugim fluidima. Međutim, usled njegove veoma velike latentne toplote (hfg = 1167 kJ/kg), maseni tok potreban za isti kapacitet znatno je manji za R717
nego za bilo koji drugi fluid. Osetljivost amonijaka na pad
pritiska nije ni preterano mala niti velika u poređenju sa drugim fluidima prikazanim u tabeli 2 (kolona 5, ΔP). Budući da
je za amonijak gustina pare vrlo mala, ukupna masa je najmanja za dati sadržaj pare. Para male težine korisna je za
konstrukcije sistema sa malim punjenjem.
Ugljen‑dioksid (R744) ima drugačije karakteristike od amonijaka. R744 ima malu osetljivost na pad pritiska, što znači
da veliki pad pritiska neće uzrokovati veliki pad temperature. Osetljivost na pad pritiska data je u tabeli 2, u koloni 5.
Potencijal za pravljenje sistema sa malim punjenjen R744
nalazi se u malom padu pritiska (usled guste pare) i u vrlo
maloj osetljivosti na pad pritiska. Male veličine kanala, gusta para i mala osetljivost na pad pritiska ukazali su na to da
su mikrokanalski razmenjivači toplote idealni za R744. Zbog
toga što R744 ima gustu paru, imaće veću masu rashladnog
fluida pri datom sadržaju pare i unutrašnjoj zapremini.
Najveći hidraulični prečnik potreban je za R600a (izobutan), prevashodno zbog lakše pare (druga posle amonijaka). Zbog kombinacije lake pare i tečnosti, punjenje biva
prilično malo, čak i kada je prečnik najveći.
Dva rashladna fluida koja zahtevaju najveće punjenje jesu
R1234yf i R134a, čak iako su njihova pojedinačna termofizička svojstva uravnotežena. Velika gustina tečnosti zajedno sa velikom osetljivošću na pad pritiska zahteva znatno
veće punjenje od ostalih prikazanih fluida.
Rezime i zaključci
U ovom radu su dati razlozi za smanjenje punjenja i strategije kojima se to postiže:
1. Uvođenje još jednog (sekundarnog) fluida.
2. U kompresoru:
Tabela 1. Karakteristike kondenzatora
– smanjenjem unutrašnje zapremine,
Rebra
Cevi
Opšte
– smanjenjem količine ulja za podmazivanje,
– smanjenjem rastvorljivosti kako bi se smaVisinarebra[mm]
8
Brojcevi(krugova)
2
Širina[mm]
275
njila apsorpcija rashladnog fluida.
Dubinarebra[mm]
Debljinarebra[mm]
Rebara po inču [in-1]
35
0,15
15
Debljinacevi[mm]
2.3
Visina[mm]
200
Dubinacevi[mm]
35
Dubina[mm]
30
Brojportova[–]
25
Krugova[–]
2
Korakrebra[mm]
1,41
Hidraulični prečnik
[mm]
Varira
Prolazapokrugu[–]
Visinaotvoraza
vazduh[mm]
7,84
Apsolutna
hrapavost[mm]
0,001
Površinaprenosa
toplotevazduha[m2]
Korakotvoraza
vazduh[mm]
1,72
Ugaootvoraza
vazduh[°]
27
kgh 4 • 2012
34
10
1,612
3. U posudama smanjenjem zapremine i nivoa
tečnosti.
4. U cevima smanjenjem unutrašnje zapremine
(prečnik, a možda čak i dužina).
5. U razmenjivačima toplote smanjenjem prečnika i dužine cevi.
Budući da je najpogodnija, poslednja strategija je detaljno razrađena. Jasno je da je za redukciju punjenja, potrebno smanjiti unutrašnju
zapreminu, ali najvažnije je uzeti u obzir uticaj
bilansa prenosa toplote i masenog fluksa na sadržaj pare.
Tabela 2. Punjenje rashladnog fluida u procenjenom kondenzatoru koji opslužuje isparivač od 1 kW na osnovu pada pritiska koji uzrokuje sma‑
njenje koeficijenta hlađenja od 1%, u poređenju sa idealnim (ΔP = 0 ciklusa)
Fluid
AP [1 % smanjenje Idealni koef.
Temp.
koef. hlađenja]
hlađenja
kondenzacije
[kPa]
[–]
[C]
Maseni
protok
[g/s]
R717
13,4
0,86
0,86
7,45
10,0
24,6
1,043
604
7,72
1169,0
R744
29,8
0,59
5,94
35,79
7,0
24,3
1,103
725
234,70
125,9
R290
34,4
1,14
3,15
6,58
9,6
25,2
1,048
492
20,72
335,7
R32
44,9
0,92
3,63
11,46
9,4
24,8
1,054
963
47,12
271,7
R600a
59,1
1,61
3,31
3,17
9,8
25,5
1,067
550
R410A
65,6
0,98
5,32
11,65
9,4
25,1
1,067
1063
66,15
187,8
R134a
124,2
1,38
5,96
5,52
9,5
25,6
1,094
1206
32,88
177,7
R1234yf
132
1,46
7,52
5,41
9,3
25,6
1,077
1091
38,42
145,6
R1234yf
R134A
120
80
R410A
60
40
20
0
0,5
R32
R744
�
Masa [g]
100
� R600a
R290
R717
0,75
1
1,25
1,5
1,75
Hidraulički prečnik [mm]
Slika 9. Punjenje rashladnog fluida i hidraulični prečnik serpentin‑
skog kondenzatora za rashladni sistem od 1 kW koji stvara razli‑
ku od 1% od idealnog koeficijenta hlađenja usled pada pritiska u
kondenzatoru
Posebna pažnja je posvećena istraživanju i izradi metodologije za objektivno poređenje rashladnih fluida na osnovu
njihovih potencijala da budu korišćeni u kondenzatorima sa
manjim punjenjem.
Nomenklatura
A
α
L
m
–
–
–
–
površina [m2]
sadržaj pare [–]
ukupna dužina [m]
masa [g]
ρ – gustina [kg/m3]
x – stepen suvoće [–]
Z – dužina [m2]
Indeksi
l – tečnost
v – para
i – suprotno
Literatura
[1] Adams, D., P. Hrnjak, and T. Newell, 2003, Pressu‑
re Drop and Void Fraction in Microchannels Using Car‑
bon Dioxide, Ammonia, and R245FA as Refrigerants,
AcRc Report TR221.
[2] Adams, D. C., j. D. Burr, P. S. Hrnjak, and T. A.
Newell, 2006, “Void Fraction of CO2 and Ammonia in
Multiport Aluminum Microchannel Tubes,” Proc. of the
11th Int. Ref. and Air cond. conf. at Purdue, W. Lafayette, IN.
[3] Butterworth, D., 1975. A Comparison of Some Void‑
Fraction Relationships for Co‑Current Gas‑Liquid Flow”
International Journal of Multiphase Flow, 1: 845‑850.
Gustina
tečnosti
[kg/m3]
Latentna
toplota
[kJ/kg]
Hidr.
prečnik
[mm]
140
Odbačena
toplota
[kW]
Gustina
zasićene pare
[kg/m3]
Ref.
masa
[g]
9,285
329,4
[4] Cavallini, A., 2012. IIR Gustav Lorentzen conference
on natural refrigerants, Delft.
[5] Hoehne, M. R., P. S. Hrnjak, 2004, Charge minimiza‑
tion in systems and components using hydrocarbons
as a refrigerant, Air condition and Refrigeration center, University of Illinois, Technical Report 224.
[6] Hrnjak, P. S., 2010, Developments in charge reducti‑
on and microchannel technology: Mass flux as a way
to affect void fraction – charge, 2nd IIR Workshop on
Refrigerant charge Reduction, KTH, Stockholm.
[7] Hrnjak, P. S., 2009, Refrigerant charge reduction: stra‑
tegies and experience, 1st IIR Workshop on Refrigerant charge Reduction, cemagref Antony, France.
[8] Hrnjak, P., 2012, Technologies needed to advance the
position of major natural refrigerants: HC, NH3 or CO2,
IIR gustav Lorentzen conference on natural refrigerants, Delft.
[9] Litch A. D., P. S. Hrnjak, 1999, Condensation of am‑
monia in microchannel heat exchangers, Air condition
and Refrigeration center, University of Illinois, contract Report 22.
[10] Hrnjak, P., A. Litch, 2001, Charge Reduction in Am‑
monia Chiller Using Air‑Cooled Condensers with Alu‑
minum Microchannel Tubes, Proceedings of IIAR
conference Long Beach, cA, 235–267.
[11] Newell, T. A. et al. 1999, An Investigation of Void
Fraction in the Stratified/Annular Flow Regions in Smo‑
oth, Horizontal Tubes In Review for International Journal of Multiphase Flow.
[12] Niño v., P. Hrnjak, T. Newell, 2002, Characterization
of Two‑Phase Flow in Microchannels ACRC TR202.
[13] Palm, B., 2009, Summarizing a Decade of Experience
on Charge Reduction for Small HC, Ammonia and HFC Sy‑
stems, 1st IIR Workshop on Refrigerant charge Reduction,
Paris.
[14] Padilla y, P. Hrnjak, 2012, Experimentally Validated
Microchanel Heat Exchanger Performance And Char‑
ge Predictions Used To Compare Charge Reduction
Potentials Of Some Refrigerants, 10th IIR gustav Lorentzen conference on Natural Refrigerants, Delft, The
Netherlands Traeger K. M., Hrnjak P. S., 2005, charge minimization of microchannel heat exchangers, Air
condition and Refrigeration center, University of Illinois, TR 251.
[15] wujek, S.,2012, Personal communication.
[16] Zivi S. M., 1964, Estimation of steady‑state steam void
fraction by means of the principle of minimum entro‑
py production, J. Heat Transfer, 86 Trans. Am. Soc.
Mech. Engrs, Series c (1964), 247–252.
kgh
35
4 • 2012
kgh
Download

smanjenje punjenja različitim fluidima u rashladnim i