TEHNIKA HLAENJA 7. IZMJENJIVAI TOPLINE RASHLADNIH UREAJA Da bi se toplina u rashladnom procesu prenijela s nie na viu temperaturu, potrebna su najmanje dva toplinska izmjenjivaa. Jedan od njih omoguuje da se toplina s hlaenog tijela prenese na radnu tvar procesa, a drugi da se toplina od radne tvari preda okoliu. Kod parnih procesa radna tvar mijenja agregatno stanje pri prolasku kroz ove izmjenjivae, pa govorimo o isparivau kondenzatoru.

T

T2 = T2 = T

T

T T1

T T1

T1

T T2 = T2 = T0

T1 T

AKONDENZATOR ISPARIVA

A

Sl. 7.1 Tijek promjene temperatura u kondenzatoru i isparivau Izmijenjena je toplina

& Q = kATm [W]gdje je k [W/m2 K] koeficijent prolaza topline, A [m2] povrina izmjenjivaa i Tm srednja T 'T ' ' temperaturna razlika koja se rauna kao Tm = . T ' ln T ' ' Temperatura T1 predstavlja kod kondenzatora ulaznu temperaturu medija koji hladi radnu tvar (npr. zrak iz okoline), a kod isparivaa ulaznu temperaturu hlaenog medija (npr. zrak u hladionici). Na te temperature obino nije mogue utjecati. Da bi se postigao im povoljniji faktor hlaenja treba temperatura kondenzacije biti im nia, a temperatura isparivanja im via, dakle treba T biti im manji. Poveanje faktora hlaenja moe se postii na vie naina: poveanjem povrine izmjenjivaa, poveanjem protoka tvari za prijenos topline koja u kondenzatoru hladi radnu tvar, odnosno poveanjem protoka hlaene tvari u isparivau ili pak poveanjem koeficijenta prijelaza topline. Ureaj s veim faktorom hlaenja troiti e manje snage za postizavanje istog rashladnog uinka, pa e trokovi pogona biti nii. S druge strane, povrina izmjenjivaa, a time i trokovi njihove dobave biti e manji ako su srednje razlike temperatura Tm vee. Ova dva utjecaja na trokove treba uskladiti na nain da se toplinski izmjenjivai odaberu na temelju zahtjeva za optimalnim trokovima, a pritom je od velikog znaaja da se postignu im vii koeficijenti prolaza topline.

133

TEHNIKA HLAENJA

7.1. ISPARIVAI 7.1.1. Prijelaz topline kod isparivanja

U isparivau isparuje radna tvar koja kroz stijenke isparivaa prima toplinu od hlaenog tijela ili okoline koja se na taj nain hladi. Ovisno o konstrukciji isparivaa, isparivanje se moe odvijati na ogrjevnoj povrini u velikom volumenu (isparivanje u posudi) ili u cijevima. U oba sluaja isparivanje se moe odvijati u uvjetima slobodnog (prirodnog) ili prisilnog kretanja radne tvari. Mehanizam izmjene topline pri isparivanju je sloen. Kod isparivanja u posudi velikog volumena iznad grijane povrine, koeficijent prijelaza topline s unutranje stijenke isparivaa na radnu tvar ovisi o toplinskim svojstvima radne tvari (gustoa, specifina toplina, povrinski napon i dr.), o hrapavosti povrine isparivaa koja je u dodiru s radnom tvari, o tlaku odnosno temperaturi zasienja, o toplinskom toku, odnosno razlici temperature ogrjevne stijenke stijenke i radne tvari, o geometrijskom obliku povrine isparivaa i o nizu drugih, obino manje vanih inilaca. Na slijedeoj je slici prikazan principijelni tok koeficijenta prijelaza topline radne tvari koja isparuje, kao funkcija toplinskog toka q [W/m2] (odnosno razlike temperatura stijenke isparivaa i temperature zasiene radne tvari koja isparuje).

tehnika hlaenja1 2' 2 2'' 3 C

B A

qA

qB

qC

q

Sl. 7.2. Ovisnost koeficijenta prijelaza topline radne tvari kao funkcija toplinskog toka kod isparivanja U podruju oznaenom s 1, pri malim toplinskim optereenjima toplina se prenosi prirodnom konvekcijom kapljevine od ogrjevne povrine do povrine razdvajanja izmeu pare kapljevine gdje dolazi do isparivanja. Pri veim toplinskim optereenjima (dio krivulje od A do B) na dijelovima ogrjevne povrine stvaraju se mjehurii, ali je jo uvijek znatan utjecaj konvekcije (2' nerazvijeno mjehuriasto vrenje). Pri daljnjem porastu toplinskog optereenja broj mjehura raste, prijelaz topline je sve intenzivniji (2''- razvijeno mjehuriasto vrenje). Pri q = qC dolazi do prijelaza u filmsko isparivanje. U isparivaima koji se koriste u tehnici 134

TEHNIKA HLAENJA hlaenja, toplinska optereenja su znatno manja od qC . U isparivaima sa cijevnim snopom, samo na donjim redovima cijevi promjena koeficijenta prijelaza topline pri isparivanju ima prikazanu karakteristiku, dok je na gornjim redovima cijevi koeficijent prijelaza topline vei zbog intenzivnijeg strujanja dvofaznog toka radne tvari u gornjim redovima. Poveanje ukupnog koeficijenta prijelaza topline ovisi o broju redova cijevi po visini, njihovom rasporedu i dimenzijama, vrsti radne tvari, temperaturi isparivanja i toplinskom toku. Isparivanje pri strujanju radne tvari kroz cijevi isparivaa povezano je s nekoliko razliitih mehanizama prijelaza topline, u ovisnosti o promjeni sadraja pare i odgovarajuem reimu & strujanja, gustoi masenog protoka radne tvari kroz popreni presjek cijevi m [kg/m2 s] i o gustoi toplinskog toka na unutranjoj stijenci cijevi.smjer strujanja strujanje mjehuria strujanje velikih mjehura strujanje u sloju strujanje s valovima bujiasto strujanje

strujanje u prstenu strujanje magle

Sl. 7.3. Reimi strujanja u horizontalnoj cijevi

strujanje mjehuria

strujanje velikih mjehura

uzburkano strujanje

strujanje u prstenu

strujanje strujanje magle u prstenu s pramenovima magle

Sl. 7.4. Reimi strujanja u vertikalnoj cijevi

135

TEHNIKA HLAENJA

Kako se s gornjih slika moe vidjeti, kapljevita faza radne tvari nekad je u dodiru sa samo jednim dijelom unutarnje povrine cijevi a u nekim sluajevima oplakuje cijelu unutarnju povrinu cijevi. Kako je koeficijent prijelaza topline izmeu stijenke i kapljevine vei nego je to koeficijent prijelaza topline izmeu stijenke i pare, poeljno je da cijela unutranja stijenka bude u dodiru s kapljevinom. Neke konstrukcije cijevi isparivaa omoguuju poboljani prijelaz topline upravo zahvaljujui poveanom oplakivanju cijevi kapljevinom radne tvari. Na sljedeoj je slici prikazana ovisnost srednjeg koeficijenta prijelaza topline pri potpunom & & isparivanju radne tvari, o gustoi toplinskog toka q s gustoom protoka mase m kao & & & parametrom. U podruju q < q kr dominantan utjecaj na prijelaz topline ima protok mase m , & & pa se govori o konvektivnom vrenju. U podruju q > q kr , slino kao kod vrenja u posudi, & primarni utjecaj ima gustoa toplinskog toka q pa se tu govori o mjehuriastom vrenju.

ln

& & & m1 < m2 < m3T0 = konst d i = konst& m3 & m2

& m1qkr ln q

Sl. 7.5. Ovisnost koeficijenta prijelaza topline pri potpunom isparivanju radne tvari, o gustoi toplinskog toka i gustoi protoka mase

136

TEHNIKA HLAENJA Prijelaz topline na strani hlaene tvari u isparivaima predstavlja sloen problem za razmatranje. Tako se u isparivaima za hlaenje zraka formira na cijevima i lamelama sloj inja, im je temperatura tih povrina nia od 0oC. To je nestacionaran proces koji se periodiki ponavlja izmeu dvaju prekida rada rashladnog ureaja koji se provode radi odleivanja. Promjena debljine sloja leda , njegove toplinske vodljivosti i gustoe leda , kao i promjena koeficijenta prijelaza topline na strani zraka prikazani su na slijedeoj slici. Utjecaj inja izraen je kod promjene otpora provoenju topline, ali i kod pada tlaka pri strujanju zraka kroz ispariva.

t

Sl. 7.6. Nestacionarne pojave kod stvaranja inja na isparivau i utjecaj na prijelaz topline Takoer je sloen i sluaj prijelaza topline na strani hlaene kapljevine u isparivaima za hlaenje kapljevine, zbog razliitih mogunosti prolaska kapljevine kroz zazore mimo cijevi, promjene smjera toka kapljevine u odnosu na cijevi i sl.

SL SB

SHSH glavna struja SL proputanja SB obilazna struja

Sl. 7.7. Strujanje hlaene kapljevine u isparivau

& Koeficijent prolaza topline u jednadbi Q = kAv Tm moe se izraunati iz izraza137

TEHNIKA HLAENJAk= 1 1 c + Rk + + M c R 1

gdje je M [W/m2 K] ekvivalentni koeficijent prijelaza topline na strani hlaenog medija. Ako se radi o zraku, treba uzeti uobzir utjecaj roenja ili stvaranja inja. je termika efikasnost orebrene povrine (ako nema rebara = 1 ), Rk [m2 K/W] kontaktni otpor provoenju topline izmeu rebara i cijevi sveden na 1 m2 vanjske povrine (ako nema rebara, Rk = 0 ). Faktor A orebrenja = v predstavlja odnos vanjske i unutarnje povrine, c je toplinski otpor Au c 2 stijenke cijevi, a R [W/m K] je koeficijent prijelaza topline na strani radne tvari.

& Poznavajui Q , k i Tm moe se odrediti vanjska povrina isparivaa Av , pri emu je potreban iteracijski ostupak, budui je koreficijent prijelaza topline na strani radne tvari & ovisan o toplinskom toku, tj moe se obino predstaviti u obliku R = Nq n .7.1.2. Tipovi i konstrukcije isparivaaPodjela isparivaa moe se provesti na vie razliitih naina. Prema namjeni isparivai se mogu podijeliti u slijedee grupe:

isparivai za hlaenje kapljevina, isparivai za hlaenje zraka (i plinova), isparivai za hlaenje i smrzavanje proizvoda kontaktnim prijenosom topline, specijalni isparivai, npr. isparivai kondenzatori u kaskadnim rashladnim ureajima i sl.)

Prema nainu isparivanja i regulaciji napajanja radnom tvari razlikuju se

suhi isparivai potopljeni isparivai

7.1.2.1. Podjela prema nainu isparivanja 7.1.2.1.1. Suhi isparivai Suhi se isparivai koriste za hlaenje zraka, kao i za hlaenje kapljevina. U njima radna tvar potpuno isparuje, a para se pregrijava u izlaznoj zoni isparivaa. Odgovarajuim nainom regulacije osigurava se da na izlazu iz isparivaa para bude pregrijana. Prave se od glatkih ili orebrenih cijevi, kao isparivai s cijevima u platu, kao ploasti ili kao koaksijalni isparivai.

138

TEHNIKA HLAENJA

u kompresor

iz kondenzatora

& Q0Sl. 7.8. Suhi ispariva 7.1.2.1.2. Potopljeni isparivai Potopljeni su isparivai skoro potpuno ispunjeni kapljevinom radne tvari. Izrauju se se u obliku cijevnih snopova od glatkih ili orebrenih cijevi, ili kao isparivai s cijevnim snopom u platu. Prijelaz topline na strani radne tvari je intenzivniji nego kod suhih isparivaa, jer je cijela povrina unutranjih stijenki u dodiru s kapljevinom. Cirkulacija radne tvari u potopljenim isparivaima moe biti prirodna ili prisilna, kada kroz njih cirkulira nekoliko puta vie kapljevine nego to ispari. Koriste se uglavnom u veim rashladnim instalacijama. u kompresor

iz

& Q0Sl. 7.9. Potopljeni ispariva 7.1.2.2. Oblikovanje povrine za prijenos topline Prema obliku povrine za prijenos topline isparivai mogu biti

glatkocijevni, ploasti, orebreni

139

TEHNIKA HLAENJA

a

e

b

f

c

g

d

h

Sl. 7.10 Oblikovanje povrina za prijelaz topline: a) glatka cijev; b), c) limovi oblikovani i zatim upreani kao cijevi, d) cijevi obloene limom s prostorom za akumulacijsku masu, e) limene lamele navuene na cijevi; f) spiralno orebrenje namotano na cijevi; g) orebrenje utisnuto na glatke cijevi; h) uloci za poveanje turbulencije umetnuti u cijevi 7.1.2.3. Podjela prema namjeni

Isparivai za hlaenje kapljevina obino se grade kao glatkocijevni potopljeni isparivai, kao isparivai s cijevima u platu (suhi i potopljeni) , ploasti ili koaksijalni isparivai. Glatkocijevni potopljeni isparivai

a

b

c

Sl. 7.11. Isparivai za hlaenje kapljevina a) Lindeov tip; b), c) cijevima

tipovi s oblikovanim

140

TEHNIKA HLAENJA Namijenjeni su za sustave s medijem za prijenos topline i akumulacijom. Ugrauju se u akumulacijske bazene, cirkulacija hlaenog medija oko cijevnog snopa moe biti i prisilna, pomou propelerne crpke.k = 400 800 [W/m2K] uW = 0,15 0,3 [m/s]

Tm = 5 10 K

Mogue su razliite izvedbe ovakvih isparivaa. Jedna je prikazana na slijedeoj slici.

Sl. 7.12. Izvedba glatkocijevnog potopljenog isparivaaPotopljeni isparivai s cijevima u platuizlaz radne tvari izlaz radne tvari ulaz radne tvari hlaena kapljevina

Sl. 7.13. Izvedba potopljenog isparivaa s cijevima u platu Radna tvar isparuje u prostoru plata, hlaena kapljevina protjee kroz snop cijevi. k = 500 1000 [W/m2K], uW = 0,5 1,5 [m/s], Tm = 5 15 K. Priguivanje radne tvari je u ventilu s plovkom na niskom tlaku.

141

TEHNIKA HLAENJA

eliminator kapljica

izlaz radne tvari

hlaena kapljevina

ulaz radne tvari

Sl. 7.14.- Potopljeni ispariva s cijevima u platu i eliminatorom kapljica radne tvariizlaz pare radne tvari

izlaz hlaene kapljevine ulaz hlaene kapljevine

Sl. 7.15. Potopljeni ispariva s cijevima u platu s vodoravnim odvajaem parne faze radne tvariSuhi isparivai s cijevima u platuizlaz hlaene kapljevine izlaz pare radne tvari

ulaz radne tvari ulaz hlaene kapljevine

Sl. 7.16. Suhi ispariva s cijevima u platu Radna tvar isparuje u cijevima, hlaena kapljevina protjee oko snopa cijevi u platu. k = 800 1500 [W/m2K], uW = 0,15 0,3 [m/s], Tm = 5 15 K. Priguivanje radne tvari je u termoekspanzijskom ventilu. Potrebno je osigurati pravilnu distribuciju radne tvari u cijevima. 142

TEHNIKA HLAENJA

izlaz hlaene kapljevine izlaz pare radne tvari ulaz radne tvari ulaz hlaene kapljevine

Sl. 7.17. Ispariva za hlaenje kapljevine sa suhim isparivanjem i cijevnim snopom u platu s dva prolaza radne tvariulaz hlaene kapljevine izlaz hlaene kapljevine

izlaz radne tvari

ulaz radne tvari

Sl. 7.18. Ispariva za hlaenje kapljevine sa suhim isparivanjem i cijevnim snopom u platu sa est prolaza radne tvariPloasti isparivai za hlaenje kapljevina

Isparivanje radne tvari se odvija u kanalima koje ine profilirane ploe. S jedne strane ploe protjee radna tvar koja isparuje, a s druge strane hlaena radna tvar. Krajnje ploe zatvaraju izmjenjiva. Ploe su obino izraene iz nerajueg elika i zalemljene bakrom ili niklom (nema brtvi).

izlaz pare radne tvari ulaz hlaene kapljevine

ulaz radne tvari izlaz hlaene kapljevine

Sl. 7.19. Ploasti ispariva

143

TEHNIKA HLAENJA

Koaksijalni isparivai za hlaenje kapljevina

Jedna ili vie cijevi manjeg promjera ugraene su u vanjsku cijev koja ini plat i koja je savijena u obliku zavojnice. Hlaena kapljevina struji u vanjskoj cijevi, a u suprotnom smjeru, kroz manje cijevi struji radna tvar.

ulaz hlaene kapljevine izlaz radne tvari

izlaz hlaene kapljevine

Presjek A-A

ulaz radne tvari

Sl. 7.20. Koaksijalni isparivai za hlaenje kapljevinaIsparivai za hlaenje zraka

Mogu biti s prirodnom ili prisilnom konvekcijom. Radna tvar isparuje u cijevima, a oko cijevi ili cijevi s rebrima struji zrak.Isparivai s prirodnom konvekcijom za temperature isparivanja nie od 20oC, rjee se rade od glatkih cijevi, a ee od orebrenih s veim razmakom (korakom) rebara (20-30 mm). Za temperature isparivanja vie od 20oC isparivai s prirodnom i prisilnom konvekcijom prave se od orebrenih cijevi s korakom rebara od oko 8 do 15 mm, dok je za temperature isparivanja vie od 0oC korak rebara 2 do 4 m. Ploasti se isparivai takoer mogu koristiti kao isparivai s prirodnom konvekcijom (npr. kod malih kuanskih hladnjaka).

Ispariva s glatkim cijevima za hlaenje zraka. Izrauje se iz glatke bakrene cijevi koja se oblikuje tako da zatvori prostor eljenog oblika. Koriste se uglavnom kao suhi isparivai, s dovoenje radne tvari s gornje strane, preko termoekspanzijskog ventila.

144

TEHNIKA HLAENJA

Sl. 7.21. Ispariva s glatkim cijevima za hlaenje zraka Ploasti ispariva za hlaenje zraka. esto se ugrauju u male kuanske hladnjake, oblikovani po potrebi u prostoru.

Sl. 7.22. Ploasti ispariva za hlaenje zraka Isparivai s rebrima mogu se izraivati na razne naine, a esto koritene izvedbe su sa spiralnim rebrima ili s lamelama.hR sR R

a)du dS

sR Rdu dS

sc

ds

SC

SC

hR SC

b)

c)

Sl. 7.23. Izvedbe povrina za prijelaz topline s lamelama i spiralnim rebrima

145

TEHNIKA HLAENJA

Kod konstrukcije ili odabira isparivaa s prirodnom konvekcijom usvaja se vea razlika temperature zraka u hladionici i temperature isparivanja radne tvari (10 do 15oC) radi osiguranja potrebne cirkulacije zraka. To uzrokuje smanjenje relativne vlanosti zraka u hladionici, i time poveano kaliranje. Pri njihovu se postavljanju treba osigurati dobra cirkulacija zraka kroz ispariva i u hladionici.Isparivai za hlaenje zraka s prisilnom konvekcijom

Radi poveanja koeficijenta prijelaza topline na strani zraka, ugrauje se ventilator koji ostvaruje prisilnu cirkulaciju zraka kroz ispariva i hladionicu. U kuite hladnjaka zraka ugraeni su ispariva i ventilatori. U nekim se sluajevima ugrauju i elektrini grijai za otapanje inja. Dno kuita izraeno je u obliku posude za sakupljanje vode nastale otapanjem inja. Oblik zranih hladnjaka ovisi o namjeni i mogunosti postavljanja. Ohlaivanje zraka u isparivau uobiajeno se kree od 3 do 4 oC. Pri proraunu treba voditi rauna o toplini koja se oslobaa uslijed rada ventilatora.

Sl. 7.24. Izvedbe hladnjaka zraka s prisilnom konvekcijom

146

TEHNIKA HLAENJA

7.1.3. Utjecaj temperature isparivanja na kaliranje proizvoda

to je vea razlika temperature isparivanja i zraka u hladionici to e biti vee kaliranje proizvoda u sluaju da nisu pakovani u ambalau nepropusnu za vodenu paru.h=konst

2

h

1

1' 1 m =1 2

h

1

1' 1

m'

=1

2

2'

2 a a

2' 2

1

dApx'm xm x'v xv x x'2 x2 x'1 x1 x

Sl. 7.25. Utjecaj temperature isparivanja na stanje zraka u hladionici Prolaskom kroz hladionicu zrak stanja 2 ugrijava se od temperature 2 na temperaturu 1 i ovlauje od vlanosti x2 do x1 . Na ovaj nain proizvodi gube vlagu, a time teinu, pa se kae da oni kaliraju. U isparivau se zrak hladi od 1 na 2 i iz njega se izdvaja vlaga, tako da mu se apsolutna vlanost mijenja od x1 na x2 . Sa beskonano malog elementa povrine robe d Ap ishlapljuje (ili sublimira) koliina vlaged W = d Ap (x g x ) gdje je koeficijent ishlapljivanja, faktor koji daje odnos vlanog dijela povrine i povrine d Ap (ishlapljivanje preko pora na povrini), x v apsolutna vlanost zasienog zraka temperature povrine proizvoda i x apsolutna vlanost zraka koji struji nad povrinom d Ap . Ako se pretpostavi da je temperatura povrine jednaka temperaturi vlanog termometra okolnog zraka, da nema utjecaja unutranjih izvora topline i toplinskog zraenja, da proizvodi sadre istu vodu i da se promjena stanja zraka moe prikazati pravcem u h,x-dijagramu, moe se pisati & W = A p ( xv x m ) , gdje je [kg/m2s] srednja vrijednost koeficijenta ishlapljivanja, srednja vrijednost odnosa vlanog dijela povrine prema ukupnoj povrini Ap [m2] xv [kg/kg] apsolutna vlanost zasienog zraka na temperaturi vlanog termometra i xm [kg/kg] srednja apsolutna vlanost zraka u hladionici. & Ukupna koliina topline Q0 koja se odvodi u isparivau sastoji se iz osjetne topline & & & & & Q = V c( ) i latentne topline Q = Vrx , gdje je V protok zraka kroz ispariva,

gustoa zraka a r [J/kg] toplina isparivanja vode na temperaturi povrine isparivaa. Ako se pretpostavi da je temperatura povrine isparivaa a jednolika po cijeloj povrini isparivaa,promjena stanja zraka u isparivau ii e po pravcu iji je nagib u h,x-dijagramu odreen

os

1

2

l

147

TEHNIKA HLAENJA& & & & d h h2 h1 M (h2 h1 ) Qos + Ql Q0 , a koji u dijagramu sijee presjecite = = = = & & & d x x2 x1 M ( x2 x1 ) W W izoterme a s linijom zasienja = 1 .

izrazom

Ako se snizi temperatura isparivanja, sniziti e se i temperatura vanjske povrine isparivaa, npr. na a , pa e se promjena stanja zraka pomaknuti u podruje manjih relativnih vlanosti zraka, a time e se poveati razlika vlanosti od ( xm xv ) na ( xm xv ) u odnosu na sluaj kad je temperatura granine povrine bila a . Dakle, zbog ( xm xv ) > (xm xv ) biti e intenzivnije ishlapljivanje vlage s povrine proizvoda, a time i vee kaliranje. Sniavanjem temperature isparivanja u odnosu na temperaturu hladionice smanjuje se relativna vlanost zraka u hladionici, a time se poveava kaliranje proizvoda. Intenzitet kaliranja ovisi i brzini zraka jer je koeficijent ishlapljivanja ovisan o brzini & strujanja zraka, koja opet ovisi o protoku zraka V . protok se bira na temelju prihvatljive razlike temperatura (1 2 ) koja prema danas prihvatljivoj praksi iznosi oko 3 do 4 oC. Porast osjetne topline u odnosu na latentnu utjee na poveanje nagiba pravca promjene stanja u h,x-dijagramu, pa se za istu temperaturu a stanja 1 i 2 pomiu u podruje manjih relativnih vlanosti. To znai da e u loije izoliranoj hladionici kaliranje vlanih proizvoda biti vee. Vlanost u hladionici potrebno je odravati u granicama koje se zahtijevaju za odreenu vrstu robe. Nije poeljna niti previsoka niti preniska vlaga. Hlaenjem u isparivau zrak se sui. Vlaga koja se u isparivau nataloi u obliku inja odvodi se povremenim odleivanjem isparivaa. Ukoliko treba smanjivati vlagu u hladionici, to se moe postii kombinacijom grijanja zraka pomou odgovarajuih grijalica i hlaenja u hladnjaku zraka.7.1.4. Otapanje inja s povrine zranih hladnjaka

Otapanje inja, odnosno odleivanje hladnjaka zraka moe se provesti na slijedee naine:

koritenjem zraka iz hlaenog prostora (samoodleivanje) odleivanje pomou dopunskih toplinskih izvora (vodom, glikolnom smjesom u otvorenom i zatvorenom krugu, elektrinim grijaima) odleivanje vruom parom radne tvari

Odleivanje koritenjem zraka iz hlaenog prostora moe se provesti samo za hladnjake zraka u hladionicama s temperaturom iznad 0oC (ako je temperatura isparivanja nia od 0oC) i to za manje hladnjake zraka. Pritom se zaustavlja rad kompresora (ili se, ukoliko se radi o sustavu s vie hladnjaka, hladnjak zraka odgovarajuim ventilima izdvoji iz sustava hlaenja), dok ventilatori i dalje recirkuliraju zrak iz hladionice preko isparivaa i tako se otapa inje. Odleivanje pomou dopunskih toplinskih izvora. Konstrukcija hladnjaka zraka treba biti takva da se u to je mogue veoj mjeri sprijei prijelaz dovedene topline u hladionicu. Kod ovog se odleivanja prekida rad hladnjaka (protok radne tvari i zraka kroz hladnjak), a nakon otapanja hlaenje ne poinje dok se kapljice vode nastale odleivanjem ne ocijede s povrine hladnjaka. Moe se provesti tako da se hladnjak zraka polijeva vodom preko mlaznica postavljenih tu svrhu (a). Najee se koristi ista voda iz vodovoda. Da bi se izbjegli problemi sa smrzavanjem mlaznica kod temperatura hladionice niih od 0oC, moe se

148

TEHNIKA HLAENJA hladnjak polijevati glikolnom smjesom koja se grije u posebnom grijau (b). Tu je problem to se sastav smjese mijenja tijekom rada jer joj se dodaje voda nastala otapanjem leda. To se moe izbjei tako da glikolna smjesa cirkulira kroz zatvoreni cjevovod koji je sastavni dio hladnjaka zraka (c). Najjednostavniji je nain odleivanje elektrinim grijaima ugraenim u hladnjak zraka (d).3 4 1 2 5 a 3 1 2 7 5 c 8 d 1 2 3 9 b 8 6 voda 4 1 2 3

7

5

Sl. 7.26. Naini otapanja inja s povrina zranih hladnjaka: 1 orebrena sekcija isparivaa; 2okapnica, sabirnik vode; 3- oplata kuita; 4-mlaznice za vodu; 5-sifonsko koljeno, izljev u kanalizaciju; 6-troputni ventil; 7-crpka; 8-spremnik s grijalicom; 9- elektrini grijaiOdleivanje vruom parom radne tvari. Kod ovog se naina prekida rad hladnjaka zraka iskljuivanjem ventilatora i zatvaranjem ventila na prikljucima za dovod i odvod radne tvari, a u ispariva se dovodi topla para iz tlanog cjevovoda kompresora. Ponekad se ovaj nain odleivanja kombinira s polijevanjem isparivaa vodom. Na sljedeoj je slici prikazan sluaj kad je u instalaciji jedan ispariva. Iza isparivaa postavlja se elektrini grija, da bi se sprijeilo usisavanje kapljevine u kompresor.

O

Z

ZTC TC

O

HLAENJE

ODLEIVANJE

Sl. 7.27. Odleivanje vruom parom radne tvari u instalaciji s jednim isparivaem

149

TEHNIKA HLAENJA

Kad je ureaj u izvedbi kao dizalica topline, smjer toka radne tvari moe se promijeniti prekretanjem etveroputnog ventila. U procesu odleivanja ispariva iz procesa hlaenja postaje kondenzator (grija), a kondenzator iz procesa hlaenja postaje ispariva u procesu odleivanja.TC TC

TC

TC

HLAENJE

GRIJANJE I ODLEIVANJE

Sl. 7.28. Odleivanje vruom parom radne tvari kod dizalica topline Kad je u instalaciji ugraeno vie isparivaa, otapanje toplom parom je kao na slici a). Za otapanje npr. isparivaa I1 zatvori se ventil 2 a kroz ventil 1 se uvodi topla para radne tvari u ispariva. Nastala kapljevina radne tvari kroz nepovratni ventil 3 dolazi u cjevovod izmeu sabirnika kapljevite radne tvari (receivera) i odatle ide u druge isparivae. Otapanje se moe provesti i neovisno o radu ostalih isparivaa ako se u instalaciji ugradi posuda za otapanje (ovaj se nain primjenjuje u velikim instalacijama). Zatvaranjem ventila 2 i odsisavanjem pare radne tvari preko ventila 7 zaostala kapljevina radne tvari se slijeva u posudu za otapanje otvaranjem ventila 3 i 6. Otvaranjem ventila 1 dovodi se topla para u ispariva, a kondenzat radne tvari se skuplja u posudi za otapanje. Nakon dovrenog otapanja otvaraju se ventili 4 i 5 i radna tvar ponovno krui u normalnom rashladnom procesu. Ako je ispariva ispod nivoa posude za otapanje, pa nije mogue slijevanje kapljevine iz isparivaa u posudu, onda je mogue sniziti tlak u posudi djelominim ili potpunim otvaranjem ventila 7, ime e doi do usisavanja.

1 K

2 I1

1

2 I2

1

2 I3

1

2 I4

3 KD RC

3

3 u kompresor

3

4

5 P

6

7

a

b

Sl. 7.29. Odleivanje vruom parom radne tvari u instalacijama s vie isparivaa

150

TEHNIKA HLAENJA7.2. KONDENZATORI 7.2.1. Tipovi i konstrukcije kondenzatora

7.2.1.1. Podjela prema nainu hlaenja Prema nainu hlaenja kondenzatori se mogu podijeliti na:

protoni kondenzatori hlaeni zrakom protoni kondenzatori hlaeni vodom optoni kondenzatori hlaeni zrakom i vodom koja ishlapljuje

Povrine za prijenos topline mogu biti glatke cijevi, orebrene cijevi ili profilirane ploe.Protoni kondenzatori hlaeni zrakom

Primjena je sve ira zbog sve veih problema s opskrbom vodom. Primjenjuju se za sve veliine rashladnih ureaja. Kondenzator se sastoji od vie redova (2 do 6) orebrenih cijevi s lamelama. kao i kod isparivaa, na kuite se ugrauju ventilatori radi ostvarivanja prisilne cirkulacije, a time i poveanja koeficijenta prijelaza topline.6 2 5 1 4 7 5 2 3

a

6

3 4

b7 1

7

Sl. 7.30. Shematski prikaz kondenzatora a) s horizontalnim b) s vertikalnim strujanjem zraka. 1- ulaz zraka kroz zatitnu reetku; 2-izlaz zraka; 3- ulaz pare radne tvari; 4- izlaz kondenzata radne tvari; 5- ventilator s elektromotorom; 6- oplata kondenzatora; 7orebrena cijevna sekcija Radna tvar, uglavnom freoni (rijetko amonijak) protjee kroz cijevi promjera 6 do 20 mm. Koeficijenti prolaza topline svedeni na vanjsku povrinu kreu se oko k = 15 30 [W/m2K]. Ugrijavanje zraka T1 = 3 10 K, dok je temperatura kondenzacije za T1 = 12 18 K via od ulazne temperature zraka.

151

TEHNIKA HLAENJA Ventilatori mogu biti aksijalni i radijalni.

a

b

Sl. 7.31. Kondenzatori s aksijalnim ventilatorima i horizontalnim strujanjem zraka. a) za vanjsku ugradnju na otvoren prostor b) za vanjsku ugradnju pod nadstrenicuaksijalni ventilator

prikljuak na tlani vod

prikljuak na sabirnik kapljevine RT

Sl. 7.32. Kondenzator s aksijalnim ventilatorima i vertikalnim strujanjem zraka.radijalni ventilator

izlaz zraka

ulaz izlaz radne tvari

ulaz zraka

Sl. 7.33. Kondenzator s radijalnim ventilatorima

152

TEHNIKA HLAENJA

Za male kuanske hladnjake grade se zrakom hlaeni kondenzatori s prirodnom cirkulacijom zraka. Orebrenje se izrauje od lima, ice ili s lamelama.Vodom hlaeni protoni kondenzatori

Predstavljaju najekonominije rjeenje ako na raspolaganju stoji dovoljna koliina rashladne vode odgovarajue kvalitete i ako dovoenje vode do kondenzatora nije skupo.Kondenzatori s cijevnom zavojnicom u bubnju (shell and coil)

Rade se za male toplinske uinke (1 do 5 kW) i najjednostavnije rashladne ureaje. Mogue je koritenje topline vode ugrijane u bubnju (npr. potrona voda). Nedostatak je relativno velik pad tlaka radne tvari koja struji kroz cijevnu zavojnicu i mali koeficijent prijelaza topline sa strane vode. Ovaj se koeficijent moe poveati dodavanjem mijealice. Postoji i varijanta kod koje voda struji kroz cijevnu zavojnicu a radna tvar se kondenzira na unutarnjoj povrini plata (zrak) i na cijevnoj zavojnici (voda). U tom se sluaju bubanj koristi i kao sabirnik kapljevite radne tvari, ali je oteano ienje unutranje stijenke cijevi od kamenca.ulaz pare RT izlaz vode

ulaz vode izlaz kapljevine RT

Sl. 7.34. Kondenzator s cijevnom zavojnicom u bubnju (shell and coil)Protustrujni kondenzatori tipa cijev u cijev

Jedna ili vie cijevi manjeg promjera u vanjskoj cijevi veeg promjera. Kroz unutranju cijev ili cijevi struji voda, a oko njih u unutranjosti vanjske cijevi kondenzira radna tvar. Kod viecijevnih kondenzatora poklopci na strani vode trebaju biti demontani radi ienja od vodenog kamenca. Ako se vanjska cijev savije u zavojnicu dobiva se koaksijalni kondenzator sa spiralno svijenom cijevi u cijevi (slinog vanjskog izgleda kao ranije spomenuti koaksijalni ispariva). U unutranjoj cijevi protie voda, a oko nje, u platu vanjske cijevi kondenzira radna tvar. Oko unutranje cijevi obino je u obliku zavojnice namotana i spiralna traka radi poboljanja

153

TEHNIKA HLAENJA prijelaza topline. Kod takve izvedbe nije mogue mehaniko ienje cijevi od vodenog kamenca.

3 1 3 1 3 4 1 2 4 2 2

4Sl. 7.35. Protustrujni kondenzatori. 1- ulaz vode; 2-izlaz vode; 3-ulaz pare RT; 4-izlaz kapljevine RT Vie se elemenata protustrujnih kondenzatora moe meusobno povezati3 2

1 4 6

5

Sl. 7.36. Protustrujni kondenzator s vie elemenata: 1- ulaz vode; 2-izlaz vode; 3- ulaz pare RT; 4- izlaz pothlaene kapljevine RT; 5- sabirnik kapljevite RT (receiver); 6- ispust uljaKondenzator s cijevima u platu (shell and tube)

Grade se u svim veliinama. Radna tvar kondenzira na snopu cijevi, a voda protjee kroz cijevi u jednom ili vie prolaza. Uobiajene su izvedbe s ravnim cijevima. Izvedbe su uglavnom horizontalne. Tamo gdje je na raspolaganju mali tlocrtni prostor za smjetaj cijevi mogu biti vertikalne, ali to smanjuje koeficijent prijelaza topline na strani radne tvari. Cijevi,

154

TEHNIKA HLAENJA promjera 19 do 25 mm, mogu biti glatke, ali su ee orebrene rebrima niskog profila (0,9 1,5 mm visine) i razmaka 0,64 1,3 mm. esto se poduzimaju mjere za poveanje prijelaza na unutranjoj strani cijevi (zavojnica, rebra i sl.).3 11 6 7 8 9 11 2 1 10 4 5

Sl. 7.37. Kondenzator s cijevima u platu: 1- ulaz vode; 2-izlaz vode; 3- ulaz pare RT; 4- izlaz kapljevite RT; 5- ispust ulja; 6- prikljuak za sigurnosne ventile; 7- prikljuak za izjednaenje tlaka; 8-prikljuak za manometar, termometar; 9- odvod nekondenzirajuih plinova; 10-ispust vode; 11-odzraivanjebrtva poklopac sa pregradama prikljuak za sigurnosni ventil prikljuak za odzraivanje cijevna ploa zavarena za plat ulaz pare RT prikljuak za odzraivanje

izlaz vode

ulaz vode

izlaz kapljevine RT

ulaz pare RT izlaz vode ulaz vode izlaz kapljevine RT

Sl. 7.38. Vodom hlaeni kondenzator tipa cijevi u platu a) konstrukcija b) shema tokova vode i radne tvariKondenzatori hlaeni zrakom i vodom koja ishlapljuje

Ovaj se nain hlaenja koristi u sluaju da na raspolaganju ne stoji dovoljna koliina rashladne vode. Toplina prelazi s radne tvari koja kondenzira u cijevima kondenzatora na vodu za hlaenje koja se raspruje po cijevima ili se slijeva preko njih. Voda predaje toplinu zraku tako da dio vode ishlapljuje oduzimajui toplinu preostaloj vodi. Voda koja se slijeva niz cijevi skuplja se u okapnici odakle se crpkom vraa natrag do sapnica za rasprivanje. s

155

TEHNIKA HLAENJA Cirkulacija zraka moe biti prirodna (atmosferski kondenzatori; kropni kondenzatori) ili prisilna (evaporativni kondenzatori).kropni kondenzator (atmosferski kondenzator)5 1 5

2 6 7

4 3

Sl. 7.39. kropni kondenzator: 1- ulaz pare RT; 2- izlaz kapljevine RT; 3-dodavanje svjee nepripremljene vode; 4-recirkulacija vode crpkom; 5- razdjelnik za vodu; 6- sabirnik (okapnica) za vodu; 7- preljev vode Zbog boljeg hlaenja ovakvi se kondenzatori postavljaju na nezatienim mjestima da bi se osiguralo dobro strujanje zraka. Postavljaju se uglavnom na krovovima objekata. Izrauju se od glatkih cijevi, glomazni su i teki. Danas se rjee koriste, uglavnom u industrijskim postrojenjima koja koriste nepripremljenu optonu vodu. Potrebno je esto ienje cijevi radi rasta algi i taloenja mulja. Radi pristupa u svrhu ienja potrebno je osigurati dovoljan razmak izmeu cijevnih sekcija. Postoje izvedbe s istosmjernim i suprotnosmjernim tokom radne tvari i rashladne vode.Evaporativni kondenzator kropni kondenzator s prisilnom cirkulacijom zraka9 7

8 1 2 6 3 5 4 10

Sl. 7.40. Evaporativni kondenzator: 1- ulaz pare RT; 2- izlaz kapljevine RT; 3-dodavanje pripremljene vode; 4-recirkulacija vode crpkom i rasprivanje preko sapnica; 5preljev vode; 6- ulaz zraka; 7- izlaz zraka; 8- odvaja kapljica; 9- ventilator; 10cijevne sekcije (orebrene ili od glatkih cijevi)

156

TEHNIKA HLAENJA U sabirnik za vodu (okapnicu) dodaje se omekana voda, kako bi nadoknadila vodu koja je ishlapila. Koliina ove vode je otprilike 5 15 % od optone koliine vode. Koliina optone vode je 50 100 l/m2 oplakivane povrine kondenzatora. Protok zraka kree se od 100 200 m3/h za 1 kW odvedene topline. Zbog relativno velikih brzina zraka (3-5 m/s) na izlazu se ugrauje eliminator kapljica. Protok zraka moe se ostvariti aksijalnim ventilatorima koji usisavaju zrak, ili radijalnim koji tlae zrak u evaporativni kondenzator. Ovi se kondenzatori koriste uglavnom u industrijskim postrojenjima s amonijakom (R 717). Kod njih ustvari voda poveava koeficijent prijelaza topline na strani zraka, pa mogu biti manje povrine od zrakom hlaenih kondenzatora.7.2.2. Optono hlaenje ishlapljivanjem rashladni toranj

Ovo se hlaenje takoer koristi kada na raspolaganju ne stoji dovoljna koliina svjee vode. tada se kondenzator (obino s cijevnim snopom u platu) povezuje s rashladnim tornjem. U rashladnom se tornju voda hladi na raun ishlapljivanja dijela vode. Kondenzator je smjeten u strojarnici, dok je rashladni toranj u slobodnoj okolini. Kao i kod evaporativnog kondenzatora potrebno je nadoknaivati vodu koja ishlapi (obino 2 4 % ukupnog protoka kroz toranj). Ispuna tornja slui za stvaranje velike povrine za izmjenu topline i tvari.& Z ( 0 , x0 , h0 )

8

TW0 6 1 5 2 3 4 7 TW1

11 10

& Z ( 1 , x1 , h1 )9

Sl. 7.41. Optono hlaenje ishlapljivanjem: 1- ulaz pare RT; 2-izlaz kapljevine RT; 3- ispust ulja; 4- ulaz hladne vode; 5- izlaz tople vode; 6- sapnice za rasprivanje vode; 7- ulaz okolinjeg zraka; 8- izlaz zasienog zraka; 9- dodavanje svjee vode; 10-ispuna tornja; 11- odvaja kapljica Smjer promjene stanja zraka (Z) i vode (G) dobiven metodom poluvrijednosti prikazan je u h,x-dijagramu na slijedeoj slici. Okolini zrak je vie temperature nego to je to temperatura vode na ulazu i izlazu iz tornja. Imajui u vidu uobiajene vrijednosti razlika temperatura kondenzacije i zraka na ulazu u zrakom hlaen kondenzator ( T1 = 12 18 K) i vodom hlaen kondenzator ( T1 = 6 13 K), vidi se da e temperatura kondenzacije biti nia u sluaju koritenja rashladnog tornja nego to bi bila u sluaju da se upotrijebi zrakom hlaen kondenzator. Voda se u rashladnom tornju ne moe ohladiti nie od temperature vlanog termometra okolinjeg zraka. Dakle, to je zrak manje relativne vlanosti, moi e se dostii nia temperatura vode na izlazu iz rashladnog tornja.

157

TEHNIKA HLAENJA

h

1

g 2

g1

Wg 2 Wg1x

Wg 5 Wg 4 Wg 3

Sl. 7.42. Tijek hlaenja vode i zraka u kropilu rashladnog tornja po metodi poluvrijednosti

Sl. 7.43. Rashladni tornjevi s aksijalnim ventilatorimaRashladni tornjevi sa zatvorenom cirkulacijom vode

Tamo gdje nije pogodno dovoditi cjevovod radne tvari do udaljenog tornja, a eli se ugraditi izmjenjiva topline manjih gabarita, moe se ugraditi aparat iste konstrukcije kao to je evaporativni kondenzator, samo to u cijevnom snopu na kondenzira radna tvar, nego se hladi voda. Time je znatno umanjena i mogunost zaprljanja i korozije u kondenzatoru, a u postrojenju hlaenja (npr. za potrebe klimatizacije) odrava se tlak vode u sustavu pri promjeni smjera strujanja.3 4

2 7 9 8 6 1 5

1. Crpka 2. Sapnice za rasprivanje 3. Ventilator 4. Eliminator kapljica 5. Bazen za sakupljanje vode 6. Ulaz zraka 7. Ulaz - izlaz hlaene vode 8. Kuite 9. Hladnjak vode

Sl. 7.44. Rashladni toranj sa zatvorenom cirkulacijom vode

158