Jostein Pettersen - NTNU · Forhold på luftsiden i luftkjłlere Œ kjłling av fuktig luft! ......

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