środa, luty 09th, 2011 | Author: admin

Płytowe wymienniki ciepła pracujące jako skraplacze klimatyzacji znajdują szerokie zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu, gdzie wymagana jest intensywna wymiana ciepła - głównie chemicznego, farmaceutycznego i spożywczego.
Duże zainteresowanie tymi wymiennikami wynika z wyraźnej w ostatnich latach tendencji do ograniczenia ilości czynnika chłodniczego w instalacji klimatyzacji, podyktowanej jego szkodliwością dla środowiska, czyli wpływem (w przypadku wycieku) danego czynnika na warstwę ozonową oraz współtworzeniem tzw. efektu cieplarnianego. Na korzyść wymienników płytowych przemawiają również uwarunkowania cenowe. Wymienniki ciepła stosowane w urządzeniach klimatyzacji stanowią przeciętnie od 30 do 50% kosztów całej instalacji klimatyzacji. Fakt ten był i jest stymulatorem prac rozwojowych w zakresie optymalizacji ich konstrukcji.

Budowa i opis stanowiska badawczego
Jednym z kilku celów, dla których powstało stanowisko badawcze  znajdujące się w Laboratorium Zakładu Chłodnictwa i Klimatyzacji Instytutu Aparatury Przemysłowej i Energetyki Politechniki Krakowskiej, jest badanie wymienników płytowych. Na stanowisku tym przeprowadzono badania wymienników płytowych firmy WTT typ WP5-14 i WP22-20. Ich celem było doświadczalne wyznaczenie wydajności cieplnej skraplaczy płytowych dla jej porównania z danymi producenta (opartych o dostępny pro¬gram do dobru wymienników ciepła firmy WTT).
Podczas badań doświadczalnych, zmianę temperatury skraplania uzyskiwano poprzez ręczną zmianę nastaw zaworu regulacyjnego strumienia wody. Temperaturę parowania czynnika zmieniano za pomocą ręcznego zaworu rozprężnego. Przegrzanie par czynnika uzyskiwano natomiast przy pomocy grzałek elektrycznych zainstalowanych w naczyniu kalorymetrycznym. Po ustaleniu się warunków, dokonywano odczytu, między innymi następujących parametrów:

  • strumienia objętości wody,
  • temperatury wody na wlocie do skraplacza,
  • temperatury wody na wylocie ze skraplacza,
  • strumienia objętości czynnika chłodniczego,
  • temperatury par czynnika na wlocie do skraplacza,
  • temperatury cieczy czynnika na wylocie ze skraplacza,
  • ciśnienia czynnika na wlocie do skraplacza,
  • ciśnienia czynnika na wylocie ze skraplacza.

Na rysunku 2. przedstawiono schemat stanowiska do badań skraplaczy płytowych, gdzie głównymi elementami są:

  • sprężarka hermetyczna firmy Copeland typu CRMQ- 0400,
  • kalorymetr,
  • skraplacz płytowy firmy WTT (WP22-20 lub WP5-14),
  • zbiornik ciekłego czynnika,
  • naczynie pomiarowe służące do pomiaru ilości czynnika w instalacji,
  • naczynie pomiarowe służące do pomiaru zawartości oleju,
  • elementy armatury i automatyki,
  • czujniki pomiarowe.

Stanowisko wyposażone jest w komputerowy system zbierania danych. Dane pochodzą z pomiarów temperatury oraz pomiaru strumienia czynnika chłodniczego i wody chłodzącej. System oparty jest na modułach przetwarzających typu IDAM, co umożliwia tworzenie rozproszonych systemów pomiarowych i sterowania. Dane z pomiarów zapisywane są na twardym dysku komputera, z którego mogą być wykorzystywane do późniejszych obliczeń. Istnieje możliwoość ustawienia odstępu czasu w jakich system będzie dokonywał pomiarów.

Funkcję parownika na przedstawionym schemacie  spełnia umieszczona w kalorymetrze wężownica wykonana z rury stalowej. W dolnej części kalorymetru znajdują się grzałki elektryczne. Zespół grzałek, dla polepszenia wymiany ciepła, jest zanurzony w ciekłym czynniku chłodniczym (dla potrzeb stanowiska wykorzystano do tego inny czynnik niż czynnik R 22 używany w obiegu sprężarkowym). Do kontroli poziomu ciekłego czynnika w kalorymetrze służą wzierniki zamontowane na jego płaszczu. Moc grzałek elektrycznych regulowana jest za pomocą autotransformatora.

Skraplacz płytowy zasilany jest wodą z sieci. Przepływ wody regulowany jest za pomocą automatycznego zaworu wodnego typu WVFX. Zawór ten stwarza możliwość regulacji ciśnienia skraplania i praktycznie utrzymuje je na stałym poziomie. W momencie zatrzymania pracy instalacji chłodniczej zawór zamyka się automatycznie. Ilość wody jaką zasilany jest skraplacz mierzona jest za pomocą przepływomierza turbinkowego firmy HOFFER serii HO typu MS . Po stronie czynnika jego przepływ mierzony jest za pomocą turbinkowego czujnika przepływu typu PMB 300 . Za przepływomierzem umieszczono wzierniksłużący do obserwacji stanu czynnika. Przed przepływomierzem umieszczono filtr mechaniczny  oraz zawór elektromagnetyczny. Do dławienia czynnika z poziomu ciśnienia skraplania do poziomu ciśnienia parowania oraz płynnej regulacji ilości cieczy doprowadzanej do parownika zastosowano uniwersalny zawór regulacyjny ZRP . Do pomiaru temperatury użyto termometrów oporowych Pt-100. Pomiar temperatury prowadzony jest w następujących punktach: przed sprężarką (T1), za sprężarką (T2), przed skraplaczem po stronie czynnika (T3), za skraplaczem po stronie czynnika (T4), przed parownikiem (T5), za parownikiem (T6), przed skraplaczem po stronie wody (T7), za skraplaczem po stronie wody (T8), za naczyniami pomiarowymi (T10, T11). Do pomiaru ciśnienia użyto manometrów laboratoryjnych z rurką Bourdona. Jego pomiar prowadzono w następujących punktach: przed sprężarką (M1), za sprężarką(M2), przed skraplaczem po stronie czynnika (M3), za skraplaczem po stronie czynnika (M4), przed parownikiem (M5), za parownikiem (M6), w kalorymetrze (M7). Pewne elementy układy można wyłączać przy użyciu zaworów odcinających typu BM (Z1 - Z28).

Badane wymienniki ciepła
Badaniami objęto dwa skraplacze płytowe typu WP22-20 oraz WP5-14 firmy WTT. Wymienniki tego typu (rysunek 3) zbudowane są z pakietu zlutowanych (za pomocą miedzi) ze sobą, w piecu próżniowym, płyt stalowych. Stero¬wany komputerowo proces lutowania zapewnia wzajemne zespolenie sąsiednich płyt w wielu punktach styczności oraz idealną szczelność wymiennika. W efekcie konstrukcja jest bardzo sztywna i wyjątkowo wytrzymała na wysokie ciśnienia, temperatury oraz wibracje.

Tłoczone we wzór w kształcie litery V płyty w trakcie montażu są odwracane względem siebie o 180°. Powstająw ten sposób dwa systemy szczelnych kanałów. Wykorzystane w badaniach wymienniki płytowe WP22-20 oraz WP5-14 (pracujące jako skraplacze R 22 chłodzone wodą) składają się odpowiednio z 20 i 14 płyt tworzą¬cych jeden pakiet. Pakiet ten osłonięty jest z zewnątrz płytą czołową. W płycie tej umieszczone są króćce przyłączenio¬we. Płyty wymiennika wykonane są ze stali odpornej na korozję w gatunku AISI 316.
Grubość płyt wymiennika:

  • dla płyt wewnętrznych - 0,3 mm
  • dla płyty czołowej - 2,5 mm. Pozostałe dane techniczne przedstawiono w tabeli 1.

Dzięki temu, że wszystkie płyty są takie same, ale co druga jest odwrócona przy montażu o 180°, otrzymuje się wytłoczenia tworzące siatkę przecinających się kanalików. Skomplikowana geometria kanałów (rysunek 4) powoduje silną turbulencję przepływu czynnika, co w połączeniu z niskim oporem cieplnym płyt stwarza idealne warunki transportu ciepła. Dzięki temu wymienniki te charakteryzują się wysoką sprawnością, także przy niewielkich prędkościach przepływu czynnika. Rysunek 4 przedstawia przekroje kanałów płyt.

Zakres badań
Badania zostały wykonane w możliwie szerokim zakresie i jedynymi ich ograniczeniami były możliwości stanowiska badawczego i poszczególnych urządzeń.

  1. Badania zostały przeprowadzone dla skraplaczy płytowych (WP5-14, WP22-20) zasilanych czynnikiem R 22 i chłodzonych wodą wodociągową. Wymienniki te sąwykonane ze zlutowanych ze sobą pofałdowanych płyt ze stali nierdzewnej AISI 316.
  2. Strumień objętościowy czynnika R 22 wynosił od 0.87 ÷ 2.98 l/s w zależności od parametrów pracy.
  3. Strumień objętościowy wody wynosił od 0.04 ÷ 0.48 l/s i ograniczony był wydajnością zaworu wodnego, oporami rurociągu, ciśnieniem w sieci wodociągowej oraz zakładaną temperaturą skraplania.
  4. Zakres temperatury wody na wejściu do skraplacza(temperatura wody w sieci wodociągowej) wynosił od 5.2 ÷ 20.5°C.
  5. Zakres temperatury wody na wyjściu ze skraplacza był zakresem wynikowym zależnym od wydajności wymiennika i wynosił od 10.9 ÷ 50.1°C.
  6. Zakres wydajności nagrzewnicy w kalorymetrze (wydajności  chłodniczej  parownika)  wynosił  od 4350 ÷ 11370 W.
  7. Zakres temperatury przegrzania za parownikiem wynosił od 5 ÷ 20°C przy badaniu wymiennika WP22-20 oraz 10 °C i 20 °C przy wymienniku WP5-14.
  8. Zakres temperatury dochłodzenia wynosił od 4.2 ÷ 8.0°C przy badaniu wymiennika WP22-20 (dla wymiennika WP5-14 badania wykonano przy braku dochłodzenia ciekłego czynnika R 22).
  9. Zakres temperatury skraplania wynosił od 20 ÷ 35°C przy badaniu wymiennika WP22-20 oraz od 30 ÷ 40°C przy wymienniku WP5-14.
  10. Zakres temperatury parowania wynosił od -5 ÷ -10°C przy badaniu wymiennika WP22-20 oraz od -5 ÷ -20 °C przy wymienniku WP5-14.

Wyniki badań
Na podstawie wyników pomiarów wyznaczono średnie wartości strumienia masy czynnika chłodniczego oraz wydajności skraplacza dla obu wymienników.

Średnią wydajność skraplacza wyznaczono biorąc pod uwagę następujące metody:

  • Wyznaczenie wydajności cieplnej skraplacza z bilansu wody chłodzącej skraplacz

Metoda ta pozwala na wyznaczenie wydajności skraplacza na podstawie bilansu cieplnego od strony wody chłodzącej. Szczegółowe informacje na temat badań sprężarkowych urządzeń chłodniczych można znaleźć w Polskich Normach (PN-EN1117:2001). Omawiana metoda jest nazywana metodą G - bilans energetyczny skraplacza chłodzonego wodą. Pomiary w tej metodzie przeprowadza się poprzez nastawę temperatury i strumienia wody chłodzącej skraplacz (ma to bezpośredni wpływ na ciśnienie skraplania). Temperatura wody dopływającej do skraplacza powinna być stała (w zakresie ±0,3K), a przepływ wody powinien być tak dobrany, aby przyrost jej temperatury w skraplaczu wynosił co najmniej 6 K. Temperatura wody na wyjściu ze skraplacza klimatyzacja powinna być stała (w zakresie ±0,3K). Ciekły czynnik chłodniczy na wypływie ze skraplacza musi być przechłodzony.

  • Wyznaczenie wydajności cieplnej skraplacza z bilansu kalorymetru

Wydajność cieplną skraplacza określa się w tej metodzie na podstawie pomiaru strumienia czynnika chłodniczego korzystając z bilansu kalorymetru z wtórnym czynnikiem chłodniczym (pośredniczącym). Metoda ta jest nazywana metodą A - kalorymetr z czynnikiem pośredniczącym. W tej metodzie ciśnienie ssania nastawia się na zadaną wartość za pomocą zaworu dławiącego, a temperaturę parowania czynnika przez zmianę mocy grzejnej doprowadzonej do czynnika pośredniczącego. Ciśnienie tłoczenia jest regulowane poprzez zmianę tem¬peratury i przepływu medium chłodzącego skraplacz lub za pomocą zaworu dławiącego w przewodzie tłocznym. Jeżeli grzejnik działa w sposób ciągły, to jakiekolwiek wahania mocy grzejnej nie mogą powodować zmiany w obliczanej wartości mocy sprężarki przekraczającej 1%.

  • Wydajność cieplna skraplacza z bilansu czynnika chłodniczego

Metoda ta jest nazywana metodą F - pomiar strumienia ciekłego czynnika licznikiem lub miernikiem. Przy pomiarach strumienia ciekłego czynnika można stosować liczniki objętości cieczy (cieczomierze) wyposażone w mechanizm zliczający liczbę jednostek objętości przepływającego czynnika lub przepływomierze (mierniki) posiadające mechanizm wskazujący chwilowy strumień objętości czynnika.

Sposób prowadzenia pomiaru w tej metodzie jest następujący:
Urządzenie należy uruchomić przy otwartym zaworze obejściowym przyrządu pomiarowego. Po osiągnięciu warunków podanych dla pomiaru wydajności zawór obejściowy należy zamknąć. Ciekły czynnik wypływający z przyrządu pomiarowego powinien być jeszcze przechłodzony co najmniej o 3 K poniżej temperatury nasycenia. Odczyt z licznika lub miernika należy dokonywać równocześnie z odczytami pomiaru głównego i w tych samych odstępach czasu.

Dla porównania wyników wydajności cieplnej otrzymanych z badań, przeprowadzono obliczenia wydajności cieplnej skraplaczy oparte o program WTTCalc (Wersja 3.5.2) dla parametrów pracy skraplaczy takich samych jak w badaniach. Analizę porównawczą przeprowadzono dla różnych wartości temperatury parowania oraz różnych wartości temperatury przegrzania.

Na rysunkach 5 i 6 przestawiono przykładowe porównanie wartości wydajności cieplnej skraplacza płytowego WP5-14 (rys. 5) oraz WP22-20 (rys. 6) dla wybranej wartości temperatury parowania i przegrzania par na wlocie do wymiennika.

Porównując wartości wydajności cieplnej skraplaczy otrzymane z badań z wynikami otrzymanymi z programu producenta stwierdzono:

  • lepsze dopasowanie wartości dla wymiennika płytowego WP22-20,
  • maksymalne różnice procentowe wydajności cieplnej dochodzące do 8% w przypadku   wymiennika WP5-14,
  • maksymalne różnice procentowe wydajności cieplnej dochodzące do 4% w przypadku   wymiennika WP22-20,
  • wyższe wartości wydajności skraplacza płytowego otrzymane z badań w stosunku do wartości otrzymanych z programu w przypadku wymiennika WP5-14,
  • wyższe wartości wydajności skraplacza płytowego
  • otrzymane z programu w stosunku do wartości wydajności skraplacza otrzymanych z badań w przypadku wymiennika WP22-20.
You can follow any responses to this entry through the RSS 2.0 feed. Both comments and pings are currently closed.

Comments are closed.