Теплопередача
Теплопередача в низкотемпературных системах отличается от обычной: при понижении температуры растут плотность и вязкость жидкого хладагента, удельный объём пара и теплота парообразования, а теплоёмкость снижается. Из-за этого коэффициенты теплоотдачи при кипении и конденсации в нижней ветви каскада ниже, и теплообменники приходится делать больше.
Коэффициенты теплопередачи при кипении и сжатии хладагента и коэффициенты теплопередачи при конвекции вторичных хладоносителей — большинство проблем теплопередачи при низкотемпературном. В каскадной системе, например, коэффициенты теплопередачи в высокотемпературной цепи такие же, как и при обычном охлаждении. В низкотемпературной цепи, однако, более низкие температуры заметно изменяют свойства хладагента и соответственно коэффициенты при кипении и конденсации. Ожидаемые изменения в свойствах при уменьшении температуры следующие. При понижении температуры,
- Плотность жидкости увеличивается
- Удельный объем пара увеличивается
- Энтальпия при кипении увеличивается
- Удельная теплоемкость жидкости уменьшается
- Удельная теплоемкость пара уменьшается
- Вязкость жидкости увеличивается
- Вязкость пара уменьшается
- Теплопроводность жидкости увеличивается
- Теплопроводность пара уменьшается
Вообще, увеличение плотности жидкости, энтальпии кипения, удельных теплоемкостей жидкости и пара, а так же теплопроводности жидкости и пара увеличивают коэффициенты теплопередачи при кипении и конденсации. Увеличение удельного объема пара и вязкости жидкости и пара приводит к уменьшению этих коэффициентов теплопередачи. Данные лабораторных испытаний недостаточны для определения низкотемпературных коэффициентов теплопередачи. Однако, принципы теплопередачи указывают на то, что в большинстве случаев понижение температуры при теплопередаче приводит к снижению коэффициента. В низкотемпературной стороне в спроектированной по заказу каскадной системе имеется более низкие температуры кипения, а температура конденсации аналогична температурам конденсации для промышленного охлаждения.
В некоторых агрегатах, кипение хладагента происходит в трубопроводах, в то время как в других кипение происходит вне трубопроводов. Точно так же проектировщик должен определить происходит ли конденсация в каскадном конденсаторе внутри или снаружи труб. Некоторые относительные величины, основанные на корреляциях в Главе 4 1997 ASHRAE Основных принципов руководства могут помочь проектировщику определить, какие ситуации определяют выбор теплообменника конденсатора. Значения в следующих подразделах базируются на изменениях в свойствах R-22, потому что данные для этого хладагента доступны при очень низких температурах.
Другие хладагенты галогенозамещенного ряда, используемые в низкотемпературной цепи каскадной системы, вероятно, будут вести себя аналогично. Предсказания усложнены фактом, что в процессе, происходящем в трубах, коэффициент изменяется постоянно по степени прохождения хладагента через цепь. И для кипения и для сжатия, температура имеет более умеренное влияние, когда процесс происходит снаружи труб, чем тогда, когда кипение происходит в трубах. Критический коэффициент в соотношениях кипения или конденсации в трубах-массовая скорость G в г/(с*м2). Относительные величины, приведенные в следующих подразделах, базируются при постоянном G в трубах. В результате G понижается значительно, потому что удельный объем пара испытывает самое большое относительное изменение из всех свойств. Поскольку пар становится менее плотным, линейная скорость может быть увеличена и все еще дать необходимый перепад давления хладагента в трубах.
Конденсация снаружи труб. Базируется на теории пленочной конденсации Нуссельта, коэффициент конденсации при температуре −20 °C, температуры конденсации в каскадном конденсаторе, фактически будет на 17 % выше, чем коэффициент конденсации в типичном конденсаторе при 30 °C. Увеличение происходит из-за более высокой скрытой теплоты, плотности жидкости и теплопроводности. Влияние увеличения удельного объеме пара отсутствует, потому что это свойство не учитывается в уравнении Нуссельта.
Конденсация в трубах. Используя корреляцию Ackers и Rosson (Таблица 3, Глава 4 1997 ASHRAE Руководства - Основные принципы) при постоянной скорости и уменьшается значение G на 1/5, а коэффициент конденсации при −20 °C на четверть чем при 30 °C.
Кипение в трубах. Используя корреляцию Pierre [Уравнение (1) в Таблице 2, Глава 4 1997 ASHRAE Основных принципов руководства] при постоянной скорости, при понижении температуры до −70 °C коэффициент теплопередачи при кипении понижается на 46 %, чем при температуре −20 °C. Кипение снаружи труб. В затопленном испарителе с хладагентом, кипящим снаружи труб, коэффициент теплопередачи также понижается при падении температуры. И здесь высокий удельный объем пара главный фактор, ограничивающий способность жидкости контактировать со стенкой трубы, что является существенным для хорошего кипения. Рисунок 4 в Главе 4 1997 ASHRAE Основных принципов руководства, основанных на данных Stephan, показывает, что тепловой поток имеет доминирующее влияние на коэффициент. Для пределов колебания температур, представленных для R-22, снижения коэффициента теплопередачи при кипении на 12 % происходит при падении температуры от −15 °C до −41 °C.
Как низкая температура увеличивает площадь теплообменника
Площадь теплообменника обратно пропорциональна коэффициенту теплопередачи и среднему температурному напору: F = Q / (k · Δt). В низкотемпературных системах падает и k — из-за роста вязкости и снижения теплоотдачи при кипении, — и допустимый напор, потому что каждый лишний градус напора стоит дорого в энергии компрессора. Поэтому испаритель на −60 °C при той же нагрузке получается в 1,5–3 раза больше, чем на −10 °C.
Площадь теплообменника
F = Q · 1000 / (k · Δt). Ориентировочно k для кожухотрубного испарителя на фреоне с водой — 600–1000, с рассолом при низких температурах — 300–500, для воздухоохладителя — 20–40 Вт/(м²·К).
Как ведут себя при низких температурах металлы и пластики — в статье низкотемпературные материалы.
Какой температурный напор выбирать в низкотемпературных теплообменниках?
В низкотемпературных теплообменниках температурный напор держат меньше, чем в обычных: в воздухоохладителях камер −40…−70 °C — 5–7 K, в каскадном теплообменнике — 3–5 K. Каждый лишний кельвин напора снижает температуру кипения, а при низких температурах это стоит особенно дорого: производительность компрессора падает на 4–6 % на кельвин.
| Теплообменник | Напор, K |
|---|---|
| Воздухоохладитель камеры до −25 °C | 7–10 |
| Воздухоохладитель камеры −40…−70 °C | 5–7 |
| Каскадный теплообменник | 3–5 |
| Испаритель хладоносителя | 4–6 |
Пример: нагрузка 4 кВт, коэффициент теплопередачи воздухоохладителя 20 Вт/(м²·K). При напоре 8 K нужна площадь 4000 / (20 · 8) = 25 м², при напоре 5 K — 40 м². Площадь растёт в 1,6 раза, зато кипение на 3 K выше и компрессор нижнего контура отдаёт на 12–18 % больше холода. Как это сказывается на выборе схемы, видно на примере расчёта каскадных установок для камер до −75 °C; расчёт расхода жидкости для испарителей хладоносителя — в статье хладоносители для низких температур.
Частые вопросы
Как низкая температура влияет на теплопередачу хладагента?
Растёт вязкость жидкости и удельный объём пара, снижается теплопроводность и теплоёмкость, поэтому коэффициенты теплоотдачи при кипении уменьшаются.
Почему в каскадной системе разные условия теплопередачи?
Верхняя ветвь работает при обычных температурах, а нижняя — при очень низких, где свойства хладагента заметно меняются, поэтому теплообменники нижней ветви рассчитывают отдельно.
Почему в низкотемпературных системах теплообменники больше?
При понижении температуры растёт вязкость хладагента и падают коэффициенты теплоотдачи при кипении и конденсации, а температурный напор приходится держать малым; площадь F = Q / (k · Δt) растёт в 1,5–3 раза.
Какой температурный напор у каскадного теплообменника?
Обычно 3–5 K между конденсацией нижнего хладагента и кипением верхнего. Больший напор снижает температуру кипения верхнего контура и заметно увеличивает расход энергии всей системы.
Читайте также