Upload
others
View
0
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
1Institutt for energi- og prosessteknikk
Varmevekslerei kuldeanlegg og varmepumper
Jostein Pettersen
13. mars 2003
2Institutt for energi- og prosessteknikk
Innhold
! Oversikt! Definisjoner! Typer varmevekslere - eksempler
! Fordampere! Forhold på kuldemediesiden � varmeovergang, optimalisering! Forhold på luftsiden i luftkjølere � kjøling av fuktig luft
! Kondensatorer! Varmeovergang
! Kompaktvarmevekslere
3Institutt for energi- og prosessteknikk
Definisjoner (1)! Temperaturforløp i kondensator
og kondenseringstemperatur! Temperaturforløp i fordamper
og fordampningstemperatur
T
L
x = 1.0 x = 0
Tsat(p)
Tk h Tsat(pinnløp)
T
L
Innløp tørrfordamper
Tsat(p)
x = 1.0
To h Tsat(putløp)Dvs at temperaturen defineres som metningstemperatur ved trykket�nærmest� kompressoren. Denne temp. brukes i LMTD
4Institutt for energi- og prosessteknikk
Definisjoner (2)! Totalt varmegjennomgangstall, ref �ytre� flate
i
y
im
y
y
y
AA
hAA
kh
U11
1
++=
δ W/(m2K)
Am : Midlere flate for varmeledningδ : Materialtykkelsek : Termisk konduktivitet
! For varmevekslere med finner el. lameller (�extended surface�) må finnevirkningsgrad η inkluderes i effektivt varmeovergangstall h
tot
rørrør
tot
finnefinne A
AhA
Ahh += η
! I tillegg kan det forekomme beleggdannelse (�fouling�), som det tas hensyn til ved ekstra motstandsledd Rf [m2K/W]
rørfluid
finnefluid
TTTT
−−
=η
5Institutt for energi- og prosessteknikk
Definisjoner (3)
! Av og til karakteriseres �kompakthet� ved tall for �flatetetthet�, eng. Area Density (AD)
AD = Varmeoverførende areal / Volum av varmeveksler
Enhet m2/m3
! Kompaktvarmeveksler AD > 700 m2/m3
6Institutt for energi- og prosessteknikk
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
7Institutt for energi- og prosessteknikk
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)
8Institutt for energi- og prosessteknikk
Rørkjelvarmeveksler
9Institutt for energi- og prosessteknikk
Rørkjelvarmeveksler
10Institutt for energi- og prosessteknikk
Rørkjelvarmeveksler
11Institutt for energi- og prosessteknikk
Rørkjelvarmeveksler
12Institutt for energi- og prosessteknikk
Platevarmeveksler i stativ(Plate heat exchanger / Plate-and-frame heat exchanger)
13Institutt for energi- og prosessteknikk
14Institutt for energi- og prosessteknikk
Platevarmeveksler i stativ
15Institutt for energi- og prosessteknikk
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
16Institutt for energi- og prosessteknikk
Brazed plate heat exchanger (PHE)AD usually less than 500 m2/m3
17Institutt for energi- og prosessteknikk
Helloddet platevarmeveksler
! Vakuumloddet! Ingen pakning, forsegling ved
loddede falser langs kanten! Nikkel-lodding for NH3
18Institutt for energi- og prosessteknikk
Plate-in-shell heat exchanger
Higher pressure capability than ordinary PHX
19Institutt for energi- og prosessteknikk
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)
20Institutt for energi- og prosessteknikk
Dobbeltrørvarmeveksler(Double pipe heat exchanger)
21Institutt for energi- og prosessteknikk
Plate-finnevarmeveksler
22Institutt for energi- og prosessteknikk
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)
23Institutt for energi- og prosessteknikk
Fin TypesPlain Perforated
Serrated/Offset Strip FinHerringbone
24Institutt for energi- og prosessteknikk
Configurations
25Institutt for energi- og prosessteknikk
Lamellbatterier (luft/kuldemedium)
26Institutt for energi- og prosessteknikk
Luftkjølere m/vifter
27Institutt for energi- og prosessteknikk
Konstruksjonsdetaljer! Loddede returbend! Manifold (sugesiden)! Kuldemediefordeler
med kapillarrør(Fordeler tofase-strømmen ut av ekspansjonsventil på flere rørkurser)
28Institutt for energi- og prosessteknikk
Rør og lameller med ”enhancements”
29Institutt for energi- og prosessteknikk
ProduksjonEkspandering av rør med dor
Trykk/tetthetsprøving i vannbad
Lodding av returbend
30Institutt for energi- og prosessteknikk
Microchannel / parallel flow / multiflow heat exchanger
! Developed for automotive air conditioning applications
! AD ≃ 1500 m2/m3 (condenser)! Conv. condensers: AD ≃ 700 m2/m3
! 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
31Institutt for energi- og prosessteknikk
Extended-surface geometry (air side) (Garimella, Coleman and Wicht, 1996)
Multilouver
32Institutt for energi- og prosessteknikk
Extended-surface performance(Garimella, Coleman and Wicht, 1996)
33Institutt for energi- og prosessteknikk
Strømningsmønstre i horisontale fordamperrør
34Institutt for energi- og prosessteknikk
2
0.5 x qo
x
x
h,W/m2K
h,W/m2K
Innv. varme-overgangs-tallvedfordampningi rør
35Institutt for energi- og prosessteknikk
Metningstrykk
R-744
R-290R-134a
R-22
R-12
R-717
R-410A
0
20
40
60
80
100
-40 -20 0 20 40 60 80 100t [°C]
p [b
ar]
36Institutt for energi- og prosessteknikk
Fordampere – forhold på kuldemediesiden / optimalisering
To(put)
L
Veggtemperatur∆T1
∆T2
∆T1 er gitt av ∆p (Øker med G)∆T2 er gitt av 1/h (Reduseres med G)
h∆p
T
G, kg/(m2s)
37Institutt for energi- og prosessteknikk
Kjøling av fuktig luft
Overflate, tilstand ”w”
Luft inn, tilstand ”a”
∆htot
∆htørr
∆x
38Institutt for energi- og prosessteknikk
Kjøling av fuktig luft (forts.)! Fuktovergang (analogt varmeovergang)
dmd = σ·dA·(xa-xw) [kg/s]dQfukt=dmd·(∆hfg+∆hfrys)
! Total overført varmedQtot= dQtørr+ dQfukt = αtørr·dA·(Ta-Tw) + σ·dA·(xa-xw)·(∆hfg+ ∆hfrys)
! Lewis� lovσ = αtørr/cp [kg/m2s] cp : Spes. varmekapasitet for fuktig luft
! Dvs at overført varme kan skrivesdQtot = (αtørr/cp)·dA·[cp(Ta-Tw) + (xa-xw)·(∆hfg+ ∆hfrys)]
dQtot ~ (αtørr/cp)·dA·[(ha-hw) + (xa-xw)·∆hfrys)]
( fordi h = cpT + x· ∆hfg )
39Institutt for energi- og prosessteknikk
Kjøling av fuktig luft (forts.)! Definerer totalt varmeovergangstall
αtot = dQtot/[dA·(Ta-Tw)]
αtot= [αtørr/cp(Ta-Tw)][(ha-hw) + (xa-xw)·∆hfrys)]
! Endelig uttrykk for totalt varmeovergangstall, inkludert følbar og latent varmeoverføring:
αtot= αtørr · [(∆htot + ∆x·∆hfrys)/ ∆htørr]
Størrelsene kan tas ut av hx-diagrammetVed Tw>0oC faller leddet som inneholder frysevarmen bort
40Institutt for energi- og prosessteknikk
Varmeovergang fra vannfilm (sjøvann) i overrislingsvarmeveksler
41Institutt for energi- og prosessteknikk
Varmeoverføring ved kondensasjoninnvendig i rør
4/13
)()(
−−
=LTThkg
Chwsatl
fglvll
µρρρ
Laminært område, Nusselt:
42Institutt for energi- og prosessteknikk
Eksemplerpåarrangementav resirkulasjons-fordamper m/pumpe-sirkulasjonoghøytrykks-flottørregulering
43Institutt for energi- og prosessteknikk
Kuldemediepumpe, hermetisk (NH3)
44Institutt for energi- og prosessteknikk
SelvsirkulasjonsfordampereLavtrykks-flottørregulering
Kan være uheldig mht fordeling av væske mellom væskeutskillerne
45Institutt for energi- og prosessteknikk
Luftkjølte kondensatorer
46Institutt for energi- og prosessteknikk
Fordunstningskondensator
47Institutt for energi- og prosessteknikk
Vertikalrørkjel-konden-sator
48Institutt for energi- og prosessteknikk
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
LL
L, mm AD, m2/m3
1 6000 10 600 100 60
Laminar flow, Nu = constant
h ~ 1/D
49Institutt for energi- og prosessteknikk
Heat exchangers: Area Density (AD)(Wadekar, 2000)
Compact heat exchangers: AD > 700 m2/m3 (gas-side area)
50Institutt for energi- og prosessteknikk
Shell-and-tube vs compact heat exchanger geometries
Shell and tube vs plate-fin:
51Institutt for energi- og prosessteknikk
Printed-circuitCompactgeometriesAD = 800 – 2000 m2/m3
Porous-matrix
�Marbond�
52Institutt for energi- og prosessteknikk
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
Dh ~ 1.5 - 3.0 mm! Multistreaming possible