IZMJENJIVAI TOPLINE RASHLADNIH UREAJA

Da bi se toplota u rashladnom procesu prenijela s nie na viu temperaturu, potrebna su najmanje dva toplotna izmjenjivaa. Jedan od njih omoguuje da se toplota s hlaenog tijela prenese na radnu tvar procesa, a drugi da se toplota od radne tvari preda okoliu.Kod parnih procesa radna tvar mijenja agregatno stanje pri prolasku kroz ove izmjenjivae, pa se radi o isparivau i kondenzatoru.

Promjene temperatura u kondenzatoru i isparivau

Izmijenjena je toplina

gdje je k [W/m2 K] koeficijent prolaza topline, A [m2] povrina izmjenjivaa i Tm srednja temperaturna razlika koja se rauna kao

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 uticati.

ISPARIVAIPrelaz topline kod isparivanjaU isparivau isparava 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 ogrevnoj povrini u velikom volumenu (isparivanje u posudi) ili u cijevima. U oba sluaja isparivanje se moe odvijati u uslovima slobodnog (prirodnog) ili prisilnog kretanja radne tvari.

Mehanizam izmjene topline pri isparivanju je sloen. Kod isparivanja u posudi velikog volumena iznad grijane povrine, koeficijent prelaza topline s unutranje stijenke isparivaa na radnu tvar ovisi o toplotnim svojstvima radne tvari (gustoa, specifina toplina, povrinski napon i dr.), o hrapavosti povrine isparivaa koja je u dodiru s radnom tvari, o pritisku odnosno temperaturi zasienja, o toplotnom toku, odnosno razlici temperature ogrevne stijenke i radne tvari, o geometrijskom obliku povrine isparivaa itd .

Na slijedeoj slici je prikazan principijelni tok koeficijenta prelaza topline radne tvari koja isparuje, kao funkcija toplotnog toka q [W/m2] (odnosno razlike temperatura stijenke isparivaa i temperature zasiene radne tvari koja isparuje).

U podruju oznaenom 1, pri malim toplinskim optereenjima toplina se prenosi prirodnom konvekcijom kapljevine od ogrevne povrine do povrine razdvajanja izmeu pare kapljevine gdje dolazi do isparivanja. Pri veim toplinskim optereenjima (dio krivulje od A do B) na dijelovima ogrevne povrine stvaraju se mjehurii, ali je jo uvijek znatan uticaj konvekcije (2' nerazvijeno mjehuriasto vrenje). Pri daljnjem porastu toplinskog optereenja broj mjehura raste, prelaz topline je sve intenzivniji (2''- razvijeno mjehuriasto vrenje). Pri q = qC dolazi do prelaza u filmsko isparivanje.U isparivaima koji se koriste u tehnici hlaenja, toplinska optereenja su znatno manja od qC .

Isparivanje pri strujanju radne tvari kroz cijevi isparivaa povezano je s nekoliko razliitih mehanizama prelaza topline, u ovisnosti o promjeni sadraja pare i odgovarajuem reimu strujanja, gustoi masenog protoka radne tvari kroz popreni presjek cijevi i o gustoi toplinskog toka na unutranjoj stijenci cijevi.

Reimi strujanja u horizontalnoj cijeviReimi strujanja u vertikalnoj cijevi

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 prelaza topline izmeu stijenke i kapljevine vei nego je to koeficijent prelaza topline izmeu stijenke i pare, poeljno je da cijela unutranja stijenka bude u dodiru s kapljevinom. Neke konstrukcije cijevi isparivaa omoguuju poboljani prelaz topline upravo zahvaljujui poveanom oplakivanju cijevi kapljevinom radne tvari.

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

Nestacionarne pojave kod stvaranja inja na isparivau i uticaj na prelaz topline

Takoer je sloen i sluaj prelaza 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.

Strujanje hlaene kapljevine u isparivau

Koeficijent prolaza topline u jednaini moe se izraunati iz izraza

gdje je M [W/m2 K] ekvivalentni koeficijent prelaza topline na strani hlaenog medija; je termika efikasnost orebrene povrine (ako nema rebara =1), Rk [m2K/W] kontaktni otpor provoenju topline izmeu rebara i cijevi sveden na 1 m2 vanjske povrine (ako nema rebara, Rk = 0 );Faktor orebrenja predstavlja odnos vanjske i unutarnje povrine,

je toplinski otpor stijenke cijevi

koeficijent prelaza topline na strani radne tvari

Poznavajui moe se odrediti vanjska povrina isparivaa Av , pri emu je potreban iteracijski ostupak, obzirom da je koeficijent prelaza topline na strani radne tvari ovisan o toplinskom toku.

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,Prema nainu isparivanja i regulaciji napajanja radnom tvari razlikuju se:suhi isparivaipotopljeni isparivai

Suhi isparivaiSuhi isparivai se koriste za hlaenje zraka, kao i za hlaenje kapljevina. U njima radna tvar potpuno isparava, 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.

Suhi ispariva

Potopljeni isparivaiPotopljeni isparivai su skoro potpuno ispunjeni kapljevinom radne tvari. Izrauju se u obliku cijevnih snopova od glatkih ili orebrenih cijevi, ili kao isparivai s cijevnim snopom u platu.Prelaz 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.

Potopljeni ispariva

Oblikovanje povrine za prijenos toplinePrema obliku povrine za prijenos topline isparivai mogu biti:glatkocijevni,ploasti,orebreni

Oblikovanje povrina za prelaz 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

Podjela prema namjeniIsparivai 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

Isparivai za hlaenje kapljevina a) Lindeov tip; b), c) tipovi s oblikovanimcijevima

Potopljeni isparivai s cijevima u platu

Izvedba potopljenog isparivaa s cijevima u platu

Potopljeni ispariva s cijevima u platu i eliminatorom kapljica radne tvari

Suhi isparivai s cijevima u platu

Ispariva za hlaenje kapljevine sa suhim isparivanjem i cijevnim snopom u platu sa dva prolaza radne tvari

Ispariva za hlaenje kapljevine sa suhim isparivanjem i cijevnim snopom u platu sa est prolaza radne tvari

Ploasti isparivai za hlaenje kapljevinaIsparivanje radne tvari se odvija u kanalima koje ine profilirane ploe. S jedne strane ploe protie 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).

Koaksijalni isparivai za hlaenje kapljevinaJedna 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.

Isparivai za hlaenje zrakaMogu biti s prirodnom ili prisilnom konvekcijom. Radna tvar isparava 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.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.

Isparivai s rebrima mogu se izraivati na razne naine, a esto koritene izvedbe su sa spiralnim rebrima ili s lamelama.Izvedbe povrina za prelaz topline s lamelama i spiralnim rebrima

Isparivai za hlaenje zraka s prisilnom konvekcijomRadi poveanja koeficijenta prelaza 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. Pri proraunu treba voditi rauna o toplini koja se oslobaa uslijed rada ventilatora.

Izvedbe hladnjaka zraka s prisilnom konvekcijom