Varmevekslere i kuldeanlegg og varmepumper

Transkript

1 Varmevekslere i kuldeanlegg og varmepumper Jostein Pettersen 13. mars

2 Innhold! Oversikt! Definisjoner! Typer varmevekslere - eksempler! Fordampere! Forhold på kuldemediesiden varmeovergang, optimalisering! Forhold på luftsiden i luftkjølere kjøling av fuktig luft! Kondensatorer! Varmeovergang! Kompaktvarmevekslere 2

3 Definisjoner (1)! Temperaturforløp i fordamper og fordampningstemperatur! Temperaturforløp i kondensator og kondenseringstemperatur T T x = 1.0 x = 0 Innløp tørrfordamper x = 1.0 T sat (p) T sat (p) T o h T sat (p utløp ) L T k h T sat (p innløp ) L Dvs at temperaturen defineres som metningstemperatur ved trykket nærmest kompressoren. Denne temp. brukes i LMTD 3

4 Definisjoner (2)! Totalt varmegjennomgangstall, ref ytre flate U y = 1 h y δ + k 1 A A y m + 1 h i A A y i W/(m 2 K) A m δ k : Midlere flate for varmeledning : Materialtykkelse : Termisk konduktivitet! For varmevekslere med finner el. lameller ( extended surface ) må finnevirkningsgrad η inkluderes i effektivt varmeovergangstall h A = η finne h hfinne + Atot h rør A A rør tot η =! I tillegg kan det forekomme beleggdannelse ( fouling ), som det tas hensyn til ved ekstra motstandsledd R f [m 2 K/W] T T fluid fluid T T finne rør 4

5 Definisjoner (3)! Av og til karakteriseres kompakthet ved tall for flatetetthet, eng. Area Density (AD) AD = Varmeoverførende areal / Volum av varmeveksler Enhet m 2 /m 3! Kompaktvarmeveksler AD > 700 m 2 /m 3 5

6 Typer varmevekslere! Kuldemedium-væske! Rørkjelvarmeveksler ( shell and tube )! Platevarmeveksler ( plate heat exchanger )! Platevarmeveksler i stativ ( Plate and frame )! Helloddet PVV ( brazed PHE )! Plate in shell! Dobbeltrør! Plate-finne ( plate-fin )! Kuldemedium-luft! Lamellbatteri ( tube in fin / plate-tube / mechanically expanded )! Loddet varmeveksler ( brazed, microchannel )! Fordunstningskondensator ( evaporative condenser )! Kuldemedium-kuldemedium! Dobbeltrør! Platevermeveksler! Plate-finne 6

7 Typer arrangement! Tørrfordamper (x>1 i utløpet)! Fylt fordamper (Rør neddykket i kokende kuldemedium)! Resirkulasjonsfordamper ( Sirkulerer mer enn det som fordamper )! Pumpesirkulasjon! Selvsirkulasjon! Overrislingsfordamper (Vannfilm nedover plate)! Vertikal rørkjelkondensator (Vannfilm innv. i rør)! Fordunstningskondensator (Ekstra kjøling grunnet fordampende vann i luftstrømmen) 7

8 Rørkjelvarmeveksler 8

9 Rørkjelvarmeveksler 9

10 Rørkjelvarmeveksler 10

11 Rørkjelvarmeveksler 11

12 Platevarmeveksler i stativ (Plate heat exchanger / Plate-and-frame heat exchanger) 12

13 13

14 Platevarmeveksler i stativ 14

15 Plate geometry! Can vary number of plates and corrugation patterns! pattern characterised by angle of corrugation, θ.! Obtuse angle (flat): high turbulence, close temperature approach, high pressure drop 15

16 Brazed plate heat exchanger (PHE) AD usually less than 500 m 2 /m 3 16

17 Helloddet platevarmeveksler! Vakuumloddet! Ingen pakning, forsegling ved loddede falser langs kanten! Nikkel-lodding for NH 3 17

18 Plate-in-shell heat exchanger Higher pressure capability than ordinary PHX 18

19 Plate in shell heat exchanger! Pack of corrugated plates of circular shape contained in a shell! One fluid flowing through port holes in plates, other introduced through shell! Cylindrical shell offers high containment pressures (100 bar) 19

20 Dobbeltrørvarmeveksler (Double pipe heat exchanger) 20

21 Plate-finne varmeveksler 21

22 Plate Fin Exchangers Brazed aluminium Most used type in cryogenics cryogenic separation of industrial gases large-scale production of petrochemicals natural gas processing (NGP) liquefaction of natural gas (LNG) 22

23 Fin Types Plain Perforated Herringbone Serrated/Offset Strip Fin 23

24 Configurations 24

25 Lamellbatterier (luft/kuldemedium) 25

26 Luftkjølere m/vifter 26

27 Konstruksjonsdetaljer! Loddede returbend! Manifold (sugesiden)! Kuldemediefordeler med kapillarrør (Fordeler tofasestrømmen ut av ekspansjonsventil på flere rørkurser) 27

28 Rør og lameller med enhancements 28

29 Produksjon Ekspandering av rør med dor Trykk/tetthetsprøving i vannbad Lodding av returbend 29

30 Microchannel / parallel flow / multiflow heat exchanger! Developed for automotive air conditioning applications! AD 1500 m 2 /m 3 (condenser)! Conv. condensers: AD 700 m 2 /m 3! Flat tubes give small air-side resistance! Fin conduction not interrupted by louvers High fin efficiency! Flexible circuiting with parallel tubes (Alt: Serpentine)! Assembled by brazing 30

31 Extended-surface geometry (air side) (Garimella, Coleman and Wicht, 1996) Multilouver 31

32 Extended-surface performance (Garimella, Coleman and Wicht, 1996) 32

33 Strømningsmønstre i horisontale fordamperrør 33

34 Innv. varmeovergangstall ved fordampning i rør h, W/m 2 K h, W/m 2 K x q o x x 34

35 Metningstrykk R R-717 p [bar] 40 R-410A R-22 R-290 R-134a R t [ C] 35

36 Fordampere forhold på kuldemediesiden / optimalisering T 1 er gitt av p (Øker med G) T 2 er gitt av 1/h (Reduseres med G) h p T G, kg/(m 2 s) T 2 T 1 Veggtemperatur T o (p ut ) L 36

37 Kjøling av fuktig luft Luft inn, tilstand a h tørr h tot Overflate, tilstand w x 37

38 Kjøling av fuktig luft (forts.)! Fuktovergang (analogt varmeovergang) dm d = σ da (x a -x w ) [kg/s] dq fukt =dm d ( h fg + h frys )! Total overført varme! Lewis lov dq tot = dq tørr + dq fukt = α tørr da (T a -T w ) + σ da (x a -x w ) ( h fg + h frys ) σ = α tørr /c p [kg/m 2 s] c p : Spes. varmekapasitet for fuktig luft! Dvs at overført varme kan skrives dq tot = (α tørr /c p ) da [c p (T a -T w ) + (x a -x w ) ( h fg + h frys )] dq tot ~ (α tørr /c p ) da [(h a -h w ) + (x a -x w ) h frys )] ( fordi h = c p T + x h fg ) 38

39 Kjøling av fuktig luft (forts.)! Definerer totalt varmeovergangstall α tot = dq tot /[da (T a -T w )] α tot = [α tørr /c p (T a -T w )][(h a -h w ) + (x a -x w ) h frys )]! Endelig uttrykk for totalt varmeovergangstall, inkludert følbar og latent varmeoverføring: α tot = α tørr [( h tot + x h frys )/ h tørr ] Størrelsene kan tas ut av hx-diagrammet Ved T w >0 o C faller leddet som inneholder frysevarmen bort 39

40 Varmeovergang fra vannfilm (sjøvann) i overrislingsvarmeveksler 40

41 41 Varmeoverføring ved kondensasjon innvendig i rør 4 1/ 3 ) ( ) ( = L T T h k g C h w sat l fg l v l l µ ρ ρ ρ Laminært område, Nusselt:

42 Eksempler på arrangement av resirkulasjonsfordamper m/ pumpesirkulasjon og høytrykksflottørregulering 42

43 Kuldemediepumpe, hermetisk (NH 3 ) 43

44 Selvsirkulasjonsfordampere Lavtrykks-flottørregulering Kan være uheldig mht fordeling av væske mellom væskeutskillerne 44

45 Luftkjølte kondensatorer 45

46 Fordunstningskondensator 46

47 Vertikal rørkjelkondensator 47

48 Heat transfer enhancement! Type of (passive) heat transfer enhancement method! Extended surfaces fins, ribs! Interrupted geometries, e.g. louvers! Rough/treated surfaces! Swirl flow devices! Displaced enhancement devices! Surface tension devices! Porous coatings or structures! Active enhancement! Mechanical aids! Vibration! Electrostatic fields L L L L, mm AD, m 2 /m Laminar flow, Nu = constant h ~ 1/D 48

49 Heat exchangers: Area Density (AD) (Wadekar, 2000) Compact heat exchangers: AD > 700 m 2 /m 3 (gas-side area) 49

50 Shell-and-tube vs compact heat exchanger geometries Shell and tube vs plate-fin: 50

51 Compact geometries Printed-circuit AD = m 2 /m 3 Porous-matrix Marbond 51

52 Printed Circuit Heat Exchanger! Plates are diffusion bonded to form stack.! Passages are photochemically etched to plate! perfect join between plates! Very high pressure containment capability! Large temperature range! Passages typically semicircular D h ~ mm! Multistreaming possible 52