Det energieffektiva kylbatteriet

Transkript

1 Croline Hglund, Civ.ing. SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut, Energiteknik, Borås, Per Fhlén, Prof. Inst. för Instlltionsteknik, CTH, Göteorg, Det energieffektiv kyltteriet SAMMANFATTNING Försök hr utförts på ett fullskligt kyltteri vsett för en kyldisk med tre olik köldärre som hr smm fryspunkt (-2 C). De nvänd köldärrn vr propylenglykol, 39 vikts-%, Temper -2 och Hycool 2. Uppmätt värden på värmeövergångskoefficienter och tryckfll på vätske- och luftsidn hr jämförts med korreltioner från litterturen och en eräkningsmodell hr skpts med hjälp v de korreltioner med vilk mätdt hde äst överensstämmelse. När det gäller värmeövergångskoefficientn på vätskesidn fås r överensstämmelse med Gnielinskis korreltion, med konstnt tempertur som rndvillkor, om det nts tt en ny inloppssträck ilds efter vrje rörkrök. Enligt resultt från eräkningsmodellen kn därför kyltterier görs effektivre genom tt h kortre vstånd melln rörkrökrökrn. Kyltteriern kn även i viss fll li effektivre genom tt minsk rördimetern och ök ntlet prllell slingor. BAKGRUND Olik typer v flänstterier med luminiumflänsr på expnderde kopprrör nvänds oft som kyltterier i kyl- och frysdiskr. Dess kyltterier är ursprungligen frmtgn för direktförångning v köldmedium, men den stor omställning som skett på senre tid eträffnde krven på syntetisk köldmedier hr lett till tt det lir llt vnligre med indirekt kylsystem i livsmedelsutiker. Vid indirekt kylning med trditionell köldärre lir värmeövergångskoefficienten på rörsidn i kyltteriet mycket lägre jämfört med vid direktexpnsion, om inte tteriet modifiers. Det finns således nledning tt nlyser hur den optiml fördelningen melln ytorn på luft- och köldärrsidn påverks vid övergång till köldärrkylning smt vilk åtgärder som är tekniskt och ekonomiskt möjlig för tt förättr värmeöverföringen på rörsidn utn tt pumpretet ökr för mycket. Det finns dessutom stor fördelr om mn med förättrd värmeöverföring kn höj tteriets tempertur så mycket tt påfrysning kn undviks. Det gäller såväl energimässigt som eträffnde vrukvliteten. Eftersom det är ont om experimentell dt från försök med fullsklig köldärrkyld kyltterier i litterturen hr sådn försök utförts i dett projekt. FÖRSÖK MED FULLSKALIGA KYLBATTERIER Försöksutrustning för fullskleprovning v konventionell kyltterier vsedd för indirekt kyld kyldiskr hr yggts upp (se figur ). Försök gjordes först med propylenglykol som köldärre. Därefter utfördes försök med två ndr köldärre estående v vttenlösningr v orgnisk slter vrs försäljningsnmn är Hycool 2 och Temper 2. All tre köldärrn hde en fryspunkt på -2 C. Figur. Schemtisk skiss över försöksuppställning för utvärdering v fullsklig kyltterier vsedd för kyldisk. Syftet med fullskleförsöken vr tt t frm värden på värmeövergångskoefficienter och tryckfll vid olik flöden på åde vätske- och luftsidn för kyltteriern. För tt kunn eräkn dess värden mättes följnde prmetrr: lufttempertur in till kyltteriet lufttempertur ut från kyltteriet luftens reltiv ångkvot in till kyltteriet luftens reltiv ångkvot ut från kyltteriet luftflöde tryckfll på luftsidn över kyltteriet köldärrtempertur in till kyltteriet köldärrtempertur ut från kyltteriet köldärrflöde in till kyltteriet tryckfll över kyltteriet på vätskesidn Med hjälp v ovnstående prmetrr smt ämnesdt för luft och de olik köldärrn kunde sedn värmeövergångskoefficienter, α, smt Nusselttl, Nu, (dimensionslös värmeövergångskoefficient)

2 Croline Hglund, Civ.ing. SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut, Energiteknik, Borås, Per Fhlén, Prof. Inst. för Instlltionsteknik, CTH, Göteorg, eräkns. Ämnesdt för propylenglykol tgits från Melinder [7] och från tillverkrn när det gäller de övrig köldärrn. Vid försöken tillämpdes principen tt då flödet vrierdes på vätskesidn skulle luftflödet smt luftens medeltempertur hålls konstnt och då flödet vrierdes på luftsidn skulle köldärrflödet smt köldärrens medeltempertur hålls konstnt. På så sätt hölls Reynoldstlet smt Prndtltlet, och därmed även värmeövergångskoefficienten någorlund konstnt på luftsidn då värmeövergångskoefficienten på köldärrsidn undersöktes och tvärtom. TEORI Värmeöverföring Det verklig genomsnittlig Nusselttlet, Nu, på kyltteriets vätskesid eräkndes utifrån de uppmätt prmetrrn på följnde sätt: Q V ρ Q t V ρ Q U t c p ( t t ) out ( h h ) in out in ( tin tout ) ( tout tin ) ( t ) in tout ln ( t ) out tin Eftersom äst mätnoggrnnhet erhålls på vätskesidn nvändes denn effekt vid övrig eräkningr. U α α + λ A U λ tue δ tue tue δ tue, tue tue, + α α α d h Nu λ Det verklig genomsnittlig Nusselttlet, Nu, på kyltteriets luftsid eräkndes utifrån de uppmätt prmetrrn på följnde sätt: α δtue A U λtue tue, α Nu α Dc λ RESULTAT FRÅN FÖRSÖK Vätskesidn De uppmätt värden på det totl värmeöverföringsmotståndet (/UA) för olik köldärre vid konstnt luftflöde och konstnt medeltempertur på luften kn ses som en funktion v köldärrflödet i figur 2. I figur 3 är det totl värmeöverföringsmotståndet uppritt som en funktion v Reynoldstlet, Re. Det ör tilläggs tt denn kurv inte enrt är en funktion Re eftersom köldärrns medeltempertur skiljer något mätpunktern emelln, vilket påverkr Prndtltlet och därmed även värmeövergångskoefficienten på vätskesidn, α. Värmeöverföringsmotstånd (K/kW) 2,5,5 Propylenglykol Temper Hycool,, 2, 3, 4, 5, Volymflöde (m3/h) Figur 2. Totlt värmeöverföringsmotstånd i kyltteriet som en funktion v köldärrens volymflöde. Värmeöverföringsmotstånd (K/kW) 2,5,5 Propylenglykol Temper Hycool Reynoldstl (köldärre) Figur 3. Totlt värmeöverföringsmotstånd i kyltteriet som en funktion v Reynoldstlet på köldärrsidn. De uppmätt Nusselttlen på kyltteriets vätskesid jämfördes med Nusselttl eräknde för ktuell förhållnden med olik korreltioner för inär flöden funn i litterturen. Jämförelse melln uppmätt och eräknde värden för propylenglykol (39 vikts-%) kn ses i figur 4 och för Temper 2 i figur 4.

3 Croline Hglund, Civ.ing. SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut, Energiteknik, Borås, Per Fhlén, Prof. Inst. för Instlltionsteknik, CTH, Göteorg, Nusselttl Nu(uppmätt) Nu(Gnielinski, T) Nu(Gnielinski, H) Nu(Sieder&Tte) Nu(Hong&Hrnjk) Nu(konstnt, T) Nu(konstnt, H) Tryckfll (r) 2,5 2,,5, dp(uppmätt) dp(-vdi) dp(,inlopp) dp(tur-vdi) dp(tur-gnielinski), Reynoldstl, Reynoldstl Figur 4. Nusselttl Nu(uppmätt) Nu(Gnielinski, T) Nu(Gnielinski, H) Nu(Seider&Tte) Nu(Hong&Hrnjk) Nu(konstnt, T) Nu(konstnt, H) Reynoldstl Figur 4. Uppmätt genomsnittlig Nusselttl jämförd med Nusselttl eräknde med olik korreltioner från litterturen [, 2, 5] för )propylenglykol och )Temper -2. Vid eräkning v Nusselttlen med de olik korreltionern hr det ntgits tt en ny inloppssträck ilds efter vrje rörkrök. Som det går tt se i de olik figurern erhålls då r överensstämmelse för köldärrn propylenglykol och Temper 2 med Gnielinskis korreltion [2] för inär konvektiv värmeöverföring med konstnt tempertur som rndvillkor. Överensstämmelsen gäller ungefär upp till ett Reynoldstl på 7 och därefter örjr flödet få en mer turulent krktär. När det gäller Hycool hr dock kurvn för det uppmätt Nusselttlet en lutning som skiljer sig från de korrelerde värden. Uppmätt tryckfll på vätskesidn hr även de jämförts med tryckfll eräknde för ktuell förhållnden med olik korreltioner för inär och turulent flöden funn i litterturen. Som synes i figur 5 fås äst överensstämmelse upp till Re2 med en korreltion från [2] och [6] som även tr hänsyn till inloppssträckn tryckfllsmässigt. Rörkrökrn hr ehndlts som två på vrndr följnde 9 -krökr och engångsmotstånd för dess hr tgits från [4]. Figur 5. Uppmätt tryckfll jämförd med tryckfll eräknde med hjälp v olik korreltioner från litterturen [2, 6, 8] för propylenglykol. Luftsidn Uppmätt Nusselttl på kyltteriets luftsid jämfördes med Nusselttl eräknde för ktuell förhållnden med olik korreltioner funn i litterturen. De utvärderde kyltteriern hde vågde flänsr (eller). För de luftlöden (Re5-) som är ktuell i kyldiskppliktioner erhölls dock äst överensstämmelse med korreltioner för pln flänsr enligt Gry och We [3]. Även då jämförelse melln uppmätt och eräknde tryckfll på luftsidn görs fås äst överensstämmelse med korreltionen för pln flänsr i Reynoldsområden ktuell för kyldisksppliktioner. BERÄKNINGSMODELL Korreltioner och smnd En eräkningsmodell för eräkning v värmeöverföring och tryckfll för kyltterier hr skpts med hjälp v de korreltioner som uppvisde äst överensstämmelse med uppmätt värden. För eräkning v värmeöverföringen på vätskesidn nvändes Gnielinskis (T) korreltion [2], upp till Re7, med ntgndet tt en ny inloppssträck ilds efter vrje krök. Vid Re>37 nvändes Dittus-Boelters korreltion []. I intervllet 7<Re<37 nvändes en linjär smmnlgring v dess korreltioner. När det gäller eräkning v tryckfll på vätskesidn nvändes för eräkning v friktionsfktorn en korreltion för inär flöden enligt VDI-Wärmetls [2] kompletterd med en korreltion för inloppssträckn föreslgen v Lnghr [6]. Vid Re>2 nvändes Gnielinskis korreltion för turulent flöden [8]. Eftersom vågorn inte verkde h så stor inverkn vre sig värmeöverföringsmässigt eller tryckfllsmässigt vid de Reynoldstl som är ktuell i kyl-

4 Croline Hglund, Civ.ing. SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut, Energiteknik, Borås, Per Fhlén, Prof. Inst. för Instlltionsteknik, CTH, Göteorg, diskppliktioner nvändes korreltioner enligt Gry och We [3] åde vid eräkning v värmeövergångskoefficienten och tryckfllet. Flänsverkninggrden eräkndes med smnd enligt Schmidt [9]. Dess korreltioner gäller då ingen fuktutfällning sker. Eftersom huvudsyftet i dett fll är tt studer kyltteriets vätskesid hr utfällning v fukt inte ektts i eräkningsmodellen även om fuktutfällning och i viss fll även påfrysning sker i kyltterier plcerde i kyldiskr. Denn förenkling hr kompenserts v tt nt tt upptgen värmeeffekt på vätskesidn, Q, är 25 % större än kyleffekten på luftsidn, Q. Med hjälp v ovn eskrivn eräkningsmodell kn olik prmetrr såsom rördimter, rörlängd, rörvstånd, flänsvstånd, ntl prllell slingor etc. vriers och värmeöverföring och tryckfll för olik föreslgn geometrier eräkns. Optimeringskriterium För tt kunn jämför de olik föreslgn kyltterigeometriern sinsemelln för en kyldiskppliktion hr optimeringskriterium fstställts. I dess hr kyltteriets yttermått smt kyldiskens energiförrukning fstlgts. Kyltteriets ytterdimensioner estämdes till följnde: totl redd: 2,25 m höjd djup:,5 m 2 Beräkningr hr gjorts för två kyldiskr med olik stor energiförrukning. kyldisk : Q 5 W Q 2 W t in 6 C t out C kyldisk 2: Q 225 W Q 8 W t in 8 C t out - C Målet hr stts till tt producer ngiven kyleffekt med så låg totl elförrukning som möjligt, d.v.s. summn v kompressor-, pump- och fläktelförrukning. Vid eräkningen v dess eleffekter gjordes följnde ntgnden eträffnde verkningsgrd för kompressor, pump och fläkt. Köldfktor: 2,7 vid en förångningstempertur på - C och kondenseringstempertur på 4 C, en temperturdifferens på 5K melln förångningstempertur och utgående köldärrtempertur. Kompressorns eleffektförrukning minskr/ökr med 2,4 %/K då förångningstemperturen höjs/sänks från referenstemperturen - C. Pumpverkningsgrd:,3 (erforderligt pumprete/förrukd eleffekt) Fläktverkningsgrd:,5 (erforderligt fläktrete/förrukd eleffekt) RESULTAT FRÅN BERÄKNINGSMODELL Den totl erfordrde eleffekten för tt producer den ngivn kyleffekten, W etot är definierd enligt W etot W em + W ep + W ef Den elektrisk effekten förrukd v kompressor, W em, kn i sin tur definiers enligt W em W em,min + W em, e där W em, min är den miniml eleffekten förrukd v kompressorn, dvs den eleffekt kompressorn hde förrukt om köldärrens frmledningstemperturen, t in, hde vrit densmm som lufttemperturen ut från kyltteriet, t out. W em, e, är då definierd som den extr eleffekt som förruks v kompressorn på grund v tt köldärrens frmledningstempertur måste vr lägre än lufttemperturen ut från kyltteriet för tt tillräcklig kyleffekt sk uppnås. Beloppet på W em, min kn inte minsks v en förättring v kyldisken kyltteri utn för tt minsk denn eleffekt krävs förättringr i övrig delr v systemet. Den extr eleffekten, W em, e, påverks däremot v kyltteriet. I figurern nedn, se figur 6, viss summn v den extr kompressoreleffekten,, pumpeleffekten, W em, e W ep, och fläkteleffekten, W ef, för ett ntl kyltterier som enligt eräkningsmodellen och uppstt optimeringskriterium erfordrr en lägre eleffekt jämfört med det referenstteri, B2, försöken gjordes på. Referenstteriets dimensioner vr: D och d: 2,5 och,7 mm p t och p l : 3 och 24 mm ntl prlell slingor: 4 p fin : 4 mm δ fin :,25 mm L tue : 2,25 m n t och n l : 8 och 8 Dess dimensioner gv tt kyltteriets redd vr 2,25 m, dess djup vr,28 m och dess höjd,24 m.

5 Croline Hglund, Civ.ing. SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut, Energiteknik, Borås, Per Fhlén, Prof. Inst. för Instlltionsteknik, CTH, Göteorg, Från försöken med kyltteri B2 vr det möjligt tt dr slutstsen tt vståndet melln rörkrökrn påverkde kyltteriet såväl värmeöverföringsmässigt som tryckfllsmässigt. Därför undersöktes det med hjälp v eräkningsmodellen hur stor den totl förrukde eleffekten skulle li om ett kyltteri ersttes v två hälften så red prllellkopplde kyltterier. Totl eleffekt för ett större ntl mindre red prllellkopplde kyltterier undersöktes därefter också. Dessutom undersöktes effekten v tt minsk och ök rördimetern och vståndet melln rören smt ntlet prllell slingor. I tellen nedn finns en smmnställning över värden för de prmetrr som vrierdes. d/d mm B2,7/ 2,5 B2-8,7/ 2,5 D22-9,2/, B2-8-,7/ 2,5 D22-9,2/ -, D22-9,2/ -, Erforderlig eleffekt (W) p t/p l mm 3,/ 26, 3,/ 26, 24,/ 2,8 3,/ 26, 24,/ 2,8 24,/ 2,8 n t/n l L tue ntl ntl m slingor tterier 8/8 2,25 4 8/8 2,25 8 / 2,25 8/8, /,75 2 /,5 4 B2 B2-8 D22- B2-8- D22-- Figur 6. Eleffektern W em, e, W ef och W ep för olik kyltterier i kyldisk med propylen-glykol (39 vikts-%) som köldärre. Den miniml eleffekten förrukd v kompressorn, W, är 489 W. em, min Wem,e Wef Wep D22-- De olik kyltteriern är jämförd sinsemelln vid det köldärrflöde och den köldärrtempertur in till kyltteriet som ger lägst totl eleffektförrukning. De är lltså jämförd vid sitt optiml flöde. Dett optiml flöde vrierr för de olik kyltteriern, vilket kn ses i figur 7. I de fll ett kyltteri hr erstts v fler mindre red prllellkopplde kyltterier motsvrr stpeln det totl flödet in till dess kyltterier. Optimlt volymflöde (m3/h) Figur 7. Optimlt köldärrflöde för olik kyltterier i kyldisk med propylenglykol (39 vikts-%) som köldärre. Om den ngivn kyleffekten för kyldisken öks med 5 % lir de förrukde eleffektern enligt figur 8. Den inördes reltionen kyltteriern emelln för det optiml köldärrflödet lir enligt eräkningsmodellen liknnde det för kyldisk. Erforderlig eleffekt (W) B2 B2-8 D22- B2-8- D22-- Figur 8. Eleffektern W em, e, W ef och W ep för olik kyltterier i kyldisk 2 med propyleglykol (39 vikts- %) som köldärre. Den miniml eleffekten förrukd v kompressorn, W, är 753 W. em, min Om köldärren propylenglykol yts ut mot köldärren Temper 2 lir enligt eräkningsmodellen den totl eleffektförrukningen enligt figur 9. Den inördes reltionen för det optiml köldärrflödet lir enligt eräkningsmodellen liknnde även här. Erforderlig eleffekt (W),2,8,6,4, V(tot) B2 B2-8 D22- B2-8- D22-- B2 B2-8 D22- B2-8- D22-- Figur 9. Eleffektern W em, e, W ef och W ep för olik kyltterier i kyldisk med Temper -2 som köldärre. Den miniml eleffekten förrukd v kompressorn, W, är 489 W. em, min D22-- Wem,e Wef Wep D22-- Wem,e Wef Wep D2--

6 Croline Hglund, Civ.ing. SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut, Energiteknik, Borås, Per Fhlén, Prof. Inst. för Instlltionsteknik, CTH, Göteorg, DISKUSSION Resultten från försöken visr tt det totl värmeöveföringsmotståndet i ett kyltteri lir olik eroende på vilken köldärre som nvänds. Dett gäller särskilt i omslgsområdet och eror främst på tt de olik köldärrn hr olik viskositet. Resultten från gjord försök visr också tt en ny inloppssträck ilds efter vrje rörkrök på kyltteriets kortsid. Dett leder till tt ättre värmeöverföring fås jämfört med om det vrit fullt utvecklt inärt flöde i hel rörlängden. Denn inloppssträck leder visserligen även till ett ökt tryckfll, men kn ändå nyttjs för tt skp kyltterier som erfordrr en lägre totl eleffektförrukning för tt producer den ngivn kyleffekten. Eleffektförrukningen kn också minsks genom tt minsk dimetern på kyltterierns rör. För tt den minskde dimetern inte sk led till en tryckfllsökning krävs dock i viss fll tt ntlet prllell slingor i kyltteriet öks. De kyltterier som erfordrr lägst totl eleffektförrukning hr även hög optiml vätskeflöden, vilket kn vr en nckdel för det övrig systemet i utiken. En minskning v rördimtern motverkr dock dett till viss del. FORTSATT ARBETE För närvrnde pågår försök med kyltterier vrs dimensioner i stort sett överensstämmer med D22- - och D22-- för tt verifier tt de nvänd smnden även kn nvänds vid ännu lägre Reynoldstl än de i de redn utförd försöken. Därefter sk det undersöks huruvid ett kyltteris prestnd kn förättrs ytterligre med hjälp v olik former v instser i rören eller genom tt nvänd sig v ndr knlgeometrier. REFERENSER. ASHRAE Hndook - Fundmentls. 989, Atlnt, USA: Americn Society of Heting, Refrigerting nd Air Conditioning Engineers. 2. VDI-Wärmetls - Berechnunslätter für den Wärmeuergng. 997, Berlin: Springer- Verlg. 3. Gry, D L nd We, R L. Het trnsfer nd friction correltions for plte finned-tue het exchngers hving plin fins. in The Eighth Interntionl Het Trnsfer Conference Sn Frncisco, CA, USA: Hemisphere Pulishing Corportion. 4. Hellsten, G, Teller och digrm, Energi- och kemiteknik. ed. 992: Aqvist & Wiksell Förlg AB. 5. Hong, S H nd Hrnjk, P S, Het trnsfer in thermlly developing flow of fluids with high Prndtl numers preceding nd following U- end, 999, University of Illinois, Urn, USA. p Lnghr, H L, Stedy flow in the trnsition length in stright tue. Journl of Applied Mechnics, : p. A55-A Melinder, Å, Termofysiklisk dt för köldärrvätskor - teller och digrm. second ed. Hndook No 2 of the Swedish Society of Refrigertion Mirth, D R nd Rmdhyni, S, Performce of chilled-wter cooling coils. HVAC&R Reserch, 995. (2). 9. Schmidt, T E, Het trnsfer clcultions for extended surfces. Refrigerting Engineering, 949(April): p BETECKNINGAR A Are; m 2 Suskript c p Specifik värme- Luft (ir) kpcitet; J/kg/K Köldärre D Ytterdimter; mm (rine) d Innerdimeter c Krge (collr) h Entlpi; kj/kg e Extr n Antl f Fläkt L Längd; m fin Fläns, ell Nu Nusselttl h Hydrulisk p Avstånd; mm in In i kyltteri Q Värme/kyleffekt; W l Longitudinell Re Reynoldstl Logritmisk U Värmegenomgångs- medel koefficient (totl) m Motor (till V Volymflöde; m 3 /h kompressor) W Elektrisk effekt; W e min Miniml α Värmeövergångskoefficient; W/m 2 /K out Ut från kyltteri t Temperturdifferens; K p Pump δ Tjocklek; mm t Trnsversell ρ Densitet; kg/m 3 tot Totl tue Tu, rör