Joachim Claesson, M.Sc.Dept. of Energy TechnologyDiv. of Applied Thermodynamics and RefrigerationRoyal Institute of TechnologySweden

Effektiva Plattvärmeväxlare som Effektiva Plattvärmeväxlare som Förångare i VärmepumparFörångare i Värmepumpar

--Vidare StudierVidare Studier

Joachim Claesson, Civ.Ing., DoktorandInst. Energiteknik

Avd. Tillämpad Termodynamik och KylteknikKTH

Stockholm

Joachim Claesson, M.Sc.Dept. of Energy TechnologyDiv. of Applied Thermodynamics and RefrigerationRoyal Institute of TechnologySweden

IntroduktionIntroduktion

Joachim Claesson, M.Sc.Dept. of Energy TechnologyDiv. of Applied Thermodynamics and RefrigerationRoyal Institute of TechnologySweden

IntroduktionIntroduktion

2·

W

L p

b

Joachim Claesson, M.Sc.Dept. of Energy TechnologyDiv. of Applied Thermodynamics and RefrigerationRoyal Institute of TechnologySweden

EnfaskarakteristikEnfaskarakteristikJämförelse med publicerade korrelationer

Joachim Claesson, M.Sc.Dept. of Energy TechnologyDiv. of Applied Thermodynamics and RefrigerationRoyal Institute of TechnologySweden

EnfaskarakteristikEnfaskarakteristik

1

10

100

1 000

10 000

100 000

1 000 000

1 10 100 1 000 10 000 100 000 1 000 000

Re

Nu

1

10

100

f

Nu

f

Kontinuerlig övergång mellan låga och höga Reynoldstal

Joachim Claesson, M.Sc.Dept. of Energy TechnologyDiv. of Applied Thermodynamics and RefrigerationRoyal Institute of TechnologySweden

TvåfaskarakteristikTvåfaskarakteristikHög ånghalt Låg ånghalt

Joachim Claesson, M.Sc.Dept. of Energy TechnologyDiv. of Applied Thermodynamics and RefrigerationRoyal Institute of TechnologySweden

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2

X [-]

f l [-]

G = 48 kg/(s·m²)G = 36 kg/(s·m²)G = 25 kg/(s·m²)G = 18 kg/(s·m²)Regr. Eqn.

l 0.6

13.611.64

Xf

tp2l

l

p L

p L

f

2 l

g

p LX

p L

TvåfaskarakteristikTvåfaskarakteristik

Joachim Claesson, M.Sc.Dept. of Energy TechnologyDiv. of Applied Thermodynamics and RefrigerationRoyal Institute of TechnologySweden

25.951.929 15.721 x 1372.74 x

0.2 x 0.72

2l02

0; x 01

1; x 11

f

g0 l0p p

l0 tp l0p pf

0

2

4

6

8

10

12

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00

Vapor quality, x [-]

[-

]TvåfaskarakteristikTvåfaskarakteristik

Joachim Claesson, M.Sc.Dept. of Energy TechnologyDiv. of Applied Thermodynamics and RefrigerationRoyal Institute of TechnologySweden

0

200

400

600

800

1 000

1 200

1 400

1 600

1 800

0 200 400 600 800 1 000 1 200 1 400 1 600 1 800

Measured pf [mbar]

Pre

dic

ted

p

f [m

bar

]

L-M

'Norm'

TvåfaskarakteristikTvåfaskarakteristik

Joachim Claesson, M.Sc.Dept. of Energy TechnologyDiv. of Applied Thermodynamics and RefrigerationRoyal Institute of TechnologySweden

1 2

T

t2

t1

tb´´t in ,b

tout,b

t in ,ref r

tout,ref r

in,b out,bm,Dutto

b out,b in,b b

m,Evap m,Sup

t tt t t t

Tryckfallet i förångaren försummas!

FörångareFörångareTypisk temperaturprofil

Joachim Claesson, M.Sc.Dept. of Energy TechnologyDiv. of Applied Thermodynamics and RefrigerationRoyal Institute of TechnologySweden

FörångareFörångareBoiling visualization

Joachim Claesson, M.Sc.Dept. of Energy TechnologyDiv. of Applied Thermodynamics and RefrigerationRoyal Institute of TechnologySweden

FörångareFörångareVariera yteffekt och massflöde

-5°C, 20%

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 1 000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000 7 000

q´´

re

fr CBE 1

CBE 2

CBE 3

CBE 4

CBE 5

CBE 6

Joachim Claesson, M.Sc.Dept. of Energy TechnologyDiv. of Applied Thermodynamics and RefrigerationRoyal Institute of TechnologySweden

FörångareFörångareVariera yteffekt och massflöde

-5°C, 30%

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 1 000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000 7 000

q´´

re

fr CBE 1

CBE 2

CBE 3

CBE 4

CBE 5

CBE 6

Joachim Claesson, M.Sc.Dept. of Energy TechnologyDiv. of Applied Thermodynamics and RefrigerationRoyal Institute of TechnologySweden

FörångareFörångareVariera yteffekt och massflöde

-5°C, 40%

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 1 000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000 7 000

q´´

re

fr

CBE 1

CBE 2

CBE 3

CBE 4

CBE 5

CBE 6

Joachim Claesson, M.Sc.Dept. of Energy TechnologyDiv. of Applied Thermodynamics and RefrigerationRoyal Institute of TechnologySweden

FörångareFörångareVariera massflöde och ingående ånghalt vid konstant yteffekt

2.43 bar(a)

0

200

400

600

800

1 000

1 200

1 400

1 600

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50xin [-]

HT

C [

W/m

²·K]

2 100 W/m² 2 300 W/m² 2 500 W/m² 2 700 W/m²2 870 W/m² 3 100 W/m² 3 380 W/m² 3 700 W/m²4 000 W/m² 4 300 W/m² 4 600 W/m² 4 900 W/m²5 100 W/m² 5 350 W/m²

2.43 bar(a)

0

200

400

600

800

1 000

1 200

1 400

1 600

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50xin [-]

HT

C [

W/m

²·K]

2 100 W/m²

2.43 bar(a)

0

200

400

600

800

1 000

1 200

1 400

1 600

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50xin [-]

HT

C [

W/m

²·K]

2 300 W/m²

2.43 bar(a)

0

200

400

600

800

1 000

1 200

1 400

1 600

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50xin [-]

HT

C [

W/m

²·K]

2 500 W/m²

2.43 bar(a)

0

200

400

600

800

1 000

1 200

1 400

1 600

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50xin [-]

HT

C [

W/m

²·K]

2 700 W/m²

2.43 bar(a)

0

200

400

600

800

1 000

1 200

1 400

1 600

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50xin [-]

HT

C [

W/m

²·K]

2 870 W/m²

2.43 bar(a)

0

200

400

600

800

1 000

1 200

1 400

1 600

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50xin [-]

HT

C [

W/m

²·K]

3 100 W/m²

2.43 bar(a)

0

200

400

600

800

1 000

1 200

1 400

1 600

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50xin [-]

HT

C [

W/m

²·K]

3 380 W/m²

2.43 bar(a)

0

200

400

600

800

1 000

1 200

1 400

1 600

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50xin [-]

HT

C [

W/m

²·K]

3 700 W/m²

2.43 bar(a)

0

200

400

600

800

1 000

1 200

1 400

1 600

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50xin [-]

HT

C [

W/m

²·K]

4 000 W/m²

2.43 bar(a)

0

200

400

600

800

1 000

1 200

1 400

1 600

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50xin [-]

HT

C [

W/m

²·K]

4 300 W/m²

2.43 bar(a)

0

200

400

600

800

1 000

1 200

1 400

1 600

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50xin [-]

HT

C [

W/m

²·K]

4 600 W/m²

2.43 bar(a)

0

200

400

600

800

1 000

1 200

1 400

1 600

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50xin [-]

HT

C [

W/m

²·K]

4 900 W/m²

2.43 bar(a)

0

200

400

600

800

1 000

1 200

1 400

1 600

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50xin [-]

HT

C [

W/m

²·K]

5 100 W/m²

2.43 bar(a)

0

200

400

600

800

1 000

1 200

1 400

1 600

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50xin [-]

HT

C [

W/m

²·K]

5 350 W/m²

Joachim Claesson, M.Sc.Dept. of Energy TechnologyDiv. of Applied Thermodynamics and RefrigerationRoyal Institute of TechnologySweden

FörångareFörångareVariera yteffekt och mass flöde

V80

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 10 20 30 40 50 60 70 80Nuexp [-]

Nu p

red

[-]

2.00, 202.00, 302.00, 402.43, 202.43, 302.43, 402.93, 102.93, 202.93, 302.93, 403.50, 103.50, 20-20%+20%

5

432

C

g

lCClo.r

C1 CoReBoCNu

C1 0.059500536C2 -0.826456531C3 0.522957184C4 0.318879653C5 -0.312867951

Joachim Claesson, M.Sc.Dept. of Energy TechnologyDiv. of Applied Thermodynamics and RefrigerationRoyal Institute of TechnologySweden

FörångareFörångareMotströms och medströmskoppling

0

200

400

600

800

1 000

1 200

1 400

0 2 4 6 8 10tbrine [°C]

re

fr [

W/m

²·K]

CBE A, CounterCBE A, CoCBE B, CounterCBE B, Co

Joachim Claesson, M.Sc.Dept. of Energy TechnologyDiv. of Applied Thermodynamics and RefrigerationRoyal Institute of TechnologySweden

FörångareFörångareInverkan av brineflödet

0

200

400

600

800

1 000

1 200

1 400

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16tbrine [°C]

R

,Dut

to [

kW

/m²·

K]

10kW 5kW

Joachim Claesson, M.Sc.Dept. of Energy TechnologyDiv. of Applied Thermodynamics and RefrigerationRoyal Institute of TechnologySweden

FörångareFörångare

t2 = 2.5 °C

0

200

400

600

800

1 000

1 200

1 400

1 600

0 1 000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000q´´ [W/m²]

re

fr [

W/m

²·K

]

5°C

10°C

15°C

Inverkan av brineflödet

Joachim Claesson, M.Sc.Dept. of Energy TechnologyDiv. of Applied Thermodynamics and RefrigerationRoyal Institute of TechnologySweden

FörångareFörångare

t2 = 0.5°C

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

0 1 000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000q´ ́[W/m²]

EB

T -

t 2,s

at

5°C

10°C

15°C

2,sat b,in outEBT t t t p

Joachim Claesson, M.Sc.Dept. of Energy TechnologyDiv. of Applied Thermodynamics and RefrigerationRoyal Institute of TechnologySweden

FörångareFörångare

q´´

EB

T -

t 2,s

at

tsup

t3 = tsup

t1

t2

t4

brinesat ttEBT ,2

brinesat ttEBT ,2

“Optimal” brinetemperaturdifferens

Joachim Claesson, M.Sc.Dept. of Energy TechnologyDiv. of Applied Thermodynamics and RefrigerationRoyal Institute of TechnologySweden

FörångareFörångare

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

0 2 4 6 8 10

LMTD [K]

F [

-]

3 K, 2 000 W/m²K

5 K, 2 000 W/m²K

10 K, 2 000 W/m²K

LMTD korrektionsfaktor

Joachim Claesson, M.Sc.Dept. of Energy TechnologyDiv. of Applied Thermodynamics and RefrigerationRoyal Institute of TechnologySweden

FörångareFörångareAreafördelning

Joachim Claesson, M.Sc.Dept. of Energy TechnologyDiv. of Applied Thermodynamics and RefrigerationRoyal Institute of TechnologySweden

FörångareFörångareFlödesdistribution

0. 0 0. 0

2. 0 2. 0

4. 0 4. 0

6. 0 6. 0

8. 0 8. 0

10. 0 10. 0

12. 0 12. 0

14. 0 14. 0

16. 0 16. 0

RG: 1 : 0 . 98 SC: NORM

(200.0)

(-10.0)

02/05/24

01:21:48

a21.2

0. 0 0. 0

2. 0 2. 0

4. 0 4. 0

6. 0 6. 0

8. 0 8. 0

10. 0 10. 0

12. 0 12. 0

14. 0 14. 0

16. 0 16. 0

RG: 1 : 0 . 98 SC: NORM

(200.0)

(-10.0)

02/05/24

14:54:35

a8.8

0. 0 0. 0

2. 0 2. 0

4. 0 4. 0

6. 0 6. 0

8. 0 8. 0

10. 0 10. 0

12. 0 12. 0

14. 0 14. 0

16. 0 16. 0

RG: 1 : 0 . 98 SC: NORM

(200.0)

(-10.0)

02/05/24

16:34:25

a18.2

0. 0 0. 0

2. 0 2. 0

4. 0 4. 0

6. 0 6. 0

8. 0 8. 0

10. 0 10. 0

12. 0 12. 0

14. 0 14. 0

16. 0 16. 0

RG: 1 : 0 . 98 SC: NORM

(200.0)

(-10.0)

02/05/24

17:33:28

a16.8

0. 0 0. 0

2. 0 2. 0

4. 0 4. 0

6. 0 6. 0

8. 0 8. 0

10. 0 10. 0

12. 0 12. 0

14. 0 14. 0

16. 0 16. 0

RG: 1 : 0 . 98 SC: NORM

(200.0)

(-10.0)

02/05/24

19:15:57

a18.4

tsup=2°C tsup= 4°C

tsup= 6°C tsup= 8°C tsup= 10°C

Compressor speed

50 Hz

Joachim Claesson, M.Sc.Dept. of Energy TechnologyDiv. of Applied Thermodynamics and RefrigerationRoyal Institute of TechnologySweden

FörångareFörångareFlödesdistribution

tsup=2°C tsup= 4°C

tsup= 6°C tsup= 8°C tsup= 10°C

Compressor speed

70 Hz

Joachim Claesson, M.Sc.Dept. of Energy TechnologyDiv. of Applied Thermodynamics and RefrigerationRoyal Institute of TechnologySweden

VärmepumpVärmepump35°C - 28°C Heating S ystem

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

20 24 28 32 36 40 44 48

Treturn [°C]

hH

[-]

VariableSpeed

ConstantSpeedJ . Claesson, 2002

KTH

45°C - 35°C Heating S ystem

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

20 24 28 32 36 40 44 48

Treturn [°C]

hH

[-]

VariableSpeed

ConstantSpeed

J . Claesson, 2002

KTH

55°C - 45°C Heating S ystem

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

20 24 28 32 36 40 44 48

Treturn [°C]

hH

[-]

VariableSpeed

ConstantSpeed

J . Claesson, 2002

KTH

Joachim Claesson, M.Sc.Dept. of Energy TechnologyDiv. of Applied Thermodynamics and RefrigerationRoyal Institute of TechnologySweden

VärmepumpVärmepump35 °C - 28 °C He ating Syste m

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

20 24 28 32 36 40 44 48

Treturn [°C]

CO

P1

Variable Speed

Constant SpeedJ . C l aesson, 2002

K T H

45 °C - 35 °C He ating Syste m

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

20 24 28 32 36 40 44 48

Treturn [°C]

CO

P1

Variable Speed

Constant SpeedJ . C l aesson, 2002

K T H

55 °C - 45 °C He ating Syste m

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

20 24 28 32 36 40 44 48

Treturn [°C]

CO

P1

Variable Speed

Constant SpeedJ . C l aesson, 2002

K T H

Joachim Claesson, M.Sc.Dept. of Energy TechnologyDiv. of Applied Thermodynamics and RefrigerationRoyal Institute of TechnologySweden

Under construction …Under construction …