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.