W technice chłodniczej znajduje zastosowanie wiele rodzajów wymienników ciepła. Dzięki wysokiemu współczynnikowi przenikania ciepła i hermetycznej budowie, jako parowniki w pompach ciepła i agregatach chłodniczych, przeważnie stosuje się lutowane wymienniki płytowe.

   Stosowanie parowników w postaci wymienników płytowych niesie ze sobą pewne osobliwości. Parownik płytowy składa się z dużej liczby równoległych kanałów, do których dopływa z zaworu rozprężnego dwufazowy czynnik chłodniczy i w których musi być zapewniony równomierny przepływ tego czynnika. Zwłaszcza przy stosowaniu mieszanin zeotropowych z poślizgiem temperaturowym szczególnego znaczenia nabiera staranne zestrojenie zaworu rozprężnego (regulatora) i parownika (obieg regulacyjny). Badania doprowadziły do rozwiązania systemowego, które obejmuje całkowity obieg regulacyjny zawór rozprężny/rozdzielacz czynnika chłodniczego/wymiennik płytowy.

Płytowy wymiennik ciepła, jako parownik w instalacji chłodniczej
   Przy doborze parowników dla pomp ciepła i agregatów wody lodowej, lutowany wymiennik płytowy gwarantuje wiele takich zalet jak:
- hermetyczna budowa bez uszczelek, pozwalająca na uniknięcie strat czynnika chłodniczego,
- zwarta budowa minimalizująca zapotrzebowanie na przestrzeń,
- wysokie wartości współczynników przenikania ciepła,
- małe gabaryty przestrzeni po stronie czynnika chłodniczego, pozwalające na redukcję napełnienia instalacji,
- niewielkie straty ciśnienia po stronie nośnika chłodu w parowniku, gwarantujące ekonomiczną pracę instalacji,
- korzystne relacje ceny do wydajności.
   Często parowniki wraz zaworami rozprężnymi stanowią element instalacji chłodniczej wpływający istotnie na efektywność energetyczną całego urządzenia. Z tego powodu zadowalającą pracę instalacji można osiągnąć tylko przy doborze właściwego rodzaju i wielkości parownika oraz dopasowanie (doregulowanie) doń zaworu rozprężnego. Jeżeli w danym urządzeniu chłodniczym zostanie podniesiona temperatura odparowania o 1 do 2 K, to znacznie poprawia się wartość współczynnika wydajności chłodniczej (COP).
   W wyniku spadku temperatury nośnika chłodu po stronie wtórnej do wartości temperatury odparowania po stronie pierwotnej, czynnik chłodniczy w całości odparowuje, a nawet następuje niewielkie przegrzanie pary, tzn., że na wylocie z parownika występuje wyłącznie czynnik w fazie gazowej.
   Dla zapewnienia wystarczającego stopnia przegrzania pary parownik pracuje w układzie przeciwprądowym.

Zasada działania termostatycznego zaworu rozprężnego
   Termostatyczne zawory rozprężne są regulatorami stopnia przegrzania i mają za zadanie zapewnienie optymalnego stopnia przegrzania na wyjściu z parownika. Ponadto zawór rozprężny (z zewnętrznym wyrównaniem ciśnienia) decyduje o temperaturze i ciśnieniu pary na wyjściu z parownika. Dla tych wielkości pomiarowych otrzymuje się wielkość nastawczą tj. stopień otwarcia zaworu rozprężnego.
   W układach chłodniczych w połączeniu z parownikami płytowymi i rozdzielaczami czynnika chłodniczego należy pamiętać, że stosowane muszą być wyłącznie zawory termostatyczne z zewnętrznym wyrównaniem ciśnienia. Zewnętrzne wyrównanie ciśnienia oznacza, że ciśnienie czynnika chłodniczego jest mierzone za parownikiem. Zawory rozprężne z wewnętrznym wyrównaniem ciśnienia pracują przy ciśnieniu panującym na wejściu do parownika.
(...) 



Rozdział czynnika chłodniczego w parowniku płytowym
   Dla optymalizacji wydajności parownika konieczny jest równomierny rozdział czynnika chłodniczego do równoległych kanałów wymiennika płytowego. Rysunki 1 i 2 pokazują rozdział czynnika chłodniczego przy różnych głębokościach wymiennika płytowego. Do parownika płytowego czynnik chłodniczy z zaworu rozprężnego w postaci mieszaniny dwufazowej, cieczowo-parowej doprowadzany jest z dość dużą prędkością. W wymiennikach płytowych o małej liczbie płyt (rys. 1), w wyniku dużej energii kinetycznej przepływającej cieczy, występuje nadmierny przepływ cieczy przez dalsze kanały wymiennika. Przy wymiennikach płytowych o dużej liczbie kanałów (rys. 2), dopływający strumień masowy czynnika chłodniczego wyhamowuje na ostrych krawędziach poszczególnych płyt. Nadmierny przepływ występuje mniej więcej między 20 i 30 płytą. Zwłaszcza w ostatnich kanałach nie ma zapewnionego prawidłowego przepływu ciekłego czynnika chłodniczego.
   Kanalik o maksymalnym przepływie czynnika chłodniczego decyduje o charakterystyce regulacyjnej zaworu rozprężnego, tzn. tylko ten kanalik jest regulowany termostatycznie. Pozostałe kanaliki wobec zbyt małego przepływu czynnika chłodniczego nie są w pełni wykorzystane pod względem wydajności energetycznej.
(...) 


Rys. 1. Schemat rozdziału czynnika chłodniczego do pojedynczych kanalików dla parowników płytowych o małej liczbie płyt, bez rozdzielacza 


Rys. 2. Schemat rozdziału czynnika chłodniczego do pojedynczych kanalików dla parowników płytowych o dużej liczbie płyt, bez rozdzielacza

Wpływ rozdzielacza czynnika chłodniczego na charakterystykę MSS obiegu z poślizgiem temperaturowym
   Gdy parowniki pracują przy niewielkim stopniu przegrzania, powstaje zagrożenie niestabilnego sygnału przegrzania. Oznacza to periodyczne wahania sygnału temperaturowego na wyjściu z parownika. Gdy tylko stopień przegrzania zostanie powiększony, wraca stabilność sygnału przegrzania. Punkt, w którym sygnał przegrzania przechodzi ze stabilnego w niestabilny oznaczmy symbolem Minimalny Sygnał Stabilny (MSS). Przy zmianie warunków pracy urządzenia, np. wydajności chłodniczej w wyniku zmiany temperatury skraplania, zmienia się także punkt MSS.
   Szereg MSS parowników płytowych wykazuje stosunkowo wysoki poziom stopnia przegrzania, jeżeli nie zostaną podjęte specjalne zabiegi mające na celu zapewnienie równomiernego rozdziału czynnika chłodniczego.
   Ponieważ przedstawiony tu system parowników zawiera specjalnie zaprojektowany rozdzielacz czynnika chłodniczego, to tego typu parownik płytowy może pracować stabilnie przy niewielkim stopniu przegrzania. Operację obniżenia minimalnej wymaganej wartości stopnia przegrzania należy sprowadzić do równomiernego rozdziału czynnika chłodniczego do poszczególnych kanalików. Na rys. 4 przedstawiono przykładowy kształt charakterystyk MSS parownika z rozdzielaczem i bez niego. 


Rys. 4. Charakterystyka MSS parownika płytowego z rozdzielaczem czynnika i bez rozdzielacza

(...)

Podsumowanie
   Dzięki zainstalowaniu odpowiednich rozdzielaczy czynnika chłodniczego i zastosowaniu odpowiednich zaworów rozprężnych, parowniki płytowe mogą stabilnie pracować przy niewielkim stopniu przegrzania. Ten efekt prowadzi w zasadzie, w połączeniu z właściwym obciążeniem parownika płytowego, do wzrostu jego wydajności lub też w praktycznych zastosowaniach oznacza on podniesienie temperatury odparowania i tym samym do podwyższenia sprawności urządzenia chłodniczego.
   Dzięki przedstawionemu w tym artykule rozwiązaniu systemowemu - parownik płytowy/rozdzielacz czynnika chłodniczego/zawór rozprężny - użytkownik ma do dyspozycji, nawet przy mieszaninach zeotropowych o dużym poślizgu temperaturowym, optymalnie dobrane elementy składowe obiegu.

Josef OSTHUES, Stellan BJERNALT

Więcej informacji na łamach miesięcznika Chłodnictwo&Wentylacja nr 6/2005. 

www.chlodnictwo.euro-media.pl