polskim - Proficool FANS

WYPEŁNIENIE TERMICZNE:
Czy wybór materiału ma wpływ na wydajność chłodni
kominowych oraz wentylatorowych?
Czy rodzaj materiału użytego jako wypełnienie ma wpływ na konstrukcję
chłodni kominowych? Badania wykazały w jaki sposób materiały użyte
w podzespołach chłodni kominowych takie jak np. wypełnienie mają
wpływ na efektywność chłodzenia.
James Wallis, Rich Aull, Brentwood Idustries
Aby dopomóc w uzyskaniu optymalnej wydajności chłodzenia
producenci chłodni kominowych przekazują projektantom chłodni kominowych
dane projektowe wypełnienia. Obejmują one wartości takie, jak spadek
ciśnienia obliczany na podstawie obciążenia wodnego (w m3/h na m2
powierzchni chłodni) i objętościowego natężenia przepływu powietrza oraz
dane dotyczące wydajności termicznej w postaci parametru kAV/L, gdzie K
jest współczynnikiem wymiany masy, natomiast wartość, a to powierzchnia
wymiany ciepła/objętość jednostkowa, V to objętość aktywna/powierzchnia
rzutu prostokątnego, a L to współczynnik masowego obciążenia wodnego.
Wartości KaV/L są obliczane dla każdego wypełnienia w testowej chłodni
wentylatorowej.
Korzystając z dostarczonych krzywych wydajności KaV/L ważne jest,
aby rozumieć, że używana jest testowa chłodnia wentylatorowa (rysunek 2).
Najlepsza komora testowa, dostarczająca danych badawczych, zminimalizuje
wpływ strefy zraszania. Pozwoli to zrozumieć konstruktorom chłodni
kominowej prawdziwe znaczenie wypełnienia. Przykładowo, dla całkowitego
chłodzenia w rzeczywistej chłodni kominowej w 10 do 20 procentach może
przyczynić się strefa zraszania, w 10 do 25 procentach strefa opadających
kropel, a wypełnienie w 55 do 80 procentach.
Producenci wypełnienia chłodni kominowej zapewniają dane dotyczące
spadku ciśnienia i wydajności KaV/L dla swoich produktów. Dane te stanowią
ważne narzędzie dla producentów nowych chłodni kominowych lub firm
remontujących istniejące obiekty, ponieważ pozwalają dostosować wielkość
systemu w oparciu o wymagania klienta i zapewnić wymagany poziom
odprowadzania ciepła.
W trakcie obserwacji i badań systemów stwierdzono, że materiał
konstrukcyjny ma wpływ zarówno na spadek ciśnienia, jak i na współczynnik
KaV/L. Uzyskane wartości spadku ciśnienia i KaV/L dotyczą sztywnego PVC,
zgodnie z normą 136 Instytutu Technologii Chłodniczych (ang. Cooling
Technologies Institute), normą dla materiałów polimerowych. W razie użycia
innego materiału wydajność może być inna.
W przeszłości nasza firma nie zapewniała współczynników obniżenia
parametrów z uwagi na zastosowanie materiałów alternatywnych ponieważ
stwierdzono, że wraz z upływem czasu materiały zmieniają właściwości
zbliżając się do właściwości najczęściej używanego wypełnienia z tworzywa
sztucznego: sztywnego PVC.
W niniejszym artykule omówione zostaną dane badawcze
potwierdzające potrzebę obniżenia parametrów w przypadku wypełnień z
tworzyw sztucznych cechujących się niską energią powierzchniową.
Ocena
przydatności
polimerów
o
powierzchniowej do chłodni kominowych
niskiej
energii
Nowa chłodnia kominowa wyposażona w wypełnienie ze sztywnego
PVC będzie wymagała około 30 dni pracy przed osiągnięciem optymalnej
wydajności. Jest to głównie spowodowane koniecznością kondycjonowania
wypełnienia termicznego odpowiedzialnego za maksymalnie 80 procent
całkowitego chłodzenia, polegającego na całkowitym zwilżeniu powierzchni
wypełnienia. Wypełnienie może być wyposażone w czynniki aktywne
powierzchniowo lub może być zabezpieczone przed utlenianiem, co utrudnia
powstawanie warstwy wilgotnej. Nasze zalecenie dla klientów to
uruchamianie prób kwalifikacyjnych dla nowych lub remontowanych chłodni
kominowych po upływie 30 do 60 dni od ich rozruchu, co pozwoli zmierzyć ich
rzeczywistą wydajność długoterminową.
Niektóre utrzymujące się warstwy procesowe utrzymujące mogą
ograniczać powstawanie warstwy wody na wypełnieniach termicznych chłodni
kominowej. Co więcej, zastosowanie alternatywnych tworzyw sztucznych
może obniżyć wydajność wypełnienia przez utrudnianie tworzenia się warstwy
wodnej (rys. 1).
Dynamika nawilżania
Wysoka energia powierzchniowa
= wypełnienie hydrofilowe
(nawilżanie)
Niska energia powierzchniowa
= wypełnienie hydrofobowe
(brak nawilżania)
Wetting=nawilżanie
Nonwetting=brak nawilżania
Adhesive = Przyczepność
High-energy surface (Easy to adhere) = Warstwa o wysokiej energii powierzchniowej (wysoka przyczepność)
Low-energy surface (Hard to adhere) = warstwa o niskiej energii powierzchniowej (niska przyczepność)
Rysunek 1. Oprócz niektórych warstw poprocesowych, które mogą utrudniać powstawanie
warstwy wodnej na wypełnieniu chłodni kominowej, użycie tworzyw sztucznych może obniżyć
wydajność termiczną wypełnienia przez opór stawiany podczas tworzenia warstwy wodnej.
W efekcie powstaje zjawisko braku zwilżania, obserwowane w
tworzywach sztucznych cechujących się niską energią powierzchniową.
Grupa polimerów o niskiej energii powierzchniowej może cechować się tak
niską energią powierzchniową, że woda będzie ściekać, mocno utrudniając
tworzenie odpowiedniej warstwy wodnej.
Tabela 1. Względna energia powierzchniowa różnych materiałów
Powierzchnia
Energia powierzchniowa (dyny/cm)
Polimery o wysokiej energii powierzchniowej
ABS
42
Poliwęglany
42
PVC
40
Polimery o niskiej energii powierzchniowej
Polietylen
31
Polipropylen
29
Teflon (DuPont)
18
Przeprowadzono badania polegające na porównaniu wartości KaV/L
oraz spadku ciśnienia dla wypełnień chłodni kominowej wykonanych ze
sztywnego polichlorku winylu (RPVC) oraz z polipropylenu (PP). Tworzywo
RPVC cechowała o 38% wyższa energia powierzchniowa w porównaniu z
polipropylenem. Ta wysoka energia powierzchniowa sprawia, że sztywne
PVC jest bardzie podatne na tworzenie się warstwy wodnej. W tabeli 2
zamieszczono typowe charakterystyki materiałów dla każdego badanego
tworzywa.
Tabela 2. Typowa charakterystyka materiałów
Właściwości materiałów
Sztywne PVC
Polipropylen (PP)
Moduł sztywności, ASTM D790
350 000 psi (2413 Mpa)*
160 000 psi (1103 Mpa)*
Temperatura ugięcia, ASTM D48
160 F (71C)
180 F (82 C)
Palność
Samogasnący
Palny
Energia powierzchniowa
40 dyn/cm
29 dyn/cm
*Zgodnie z normą CTI STD-136
W przypadku danych testowych KaC/L dostarczanych do klientów
wypełnienia są kondycjonowane zgodnie z zaleceniami tak, aby wykazać
wydajność termiczną po upływie okresu rozruchowego. Podobnie w
przypadku tworzyw o niskiej energii powierzchniowej wypełnienia były
kondycjonowane w komorze testowej tak, aby uzyskać wydajność termiczną
zbliżoną do uzyskiwanej w chłodni kominowej pracującej od 30 do 60 dni w
trybie ciągłym. Każde wypełnienie cechowało się tą samą konstrukcją. Jedyna
różnica polegała na zmianie materiału ze sztywnego PVC na polipropylen. Po
pierwszym badaniu wydłużono okres kondycjonowania, aby zmierzyć
poprawę właściwości termicznych wypełnienia.
Sądzono, że wypełnienia wykonane z tworzyw sztucznych o niskiej
energii powierzchniowej takich jak np. polipropylen będą ulegały utlenieniu
powierzchniowemu i powstawaniu złogów mineralnych, co ułatwi tworzenie
warstwy wodnej. Dlatego wielu projektantów nie modyfikowało parametrów
efektywności termicznej w zależności od rodzaju zastosowanego tworzywa.
Stwierdzono również, że niektóre wykorzystywane krzywe KaV/L powstały do
procesów malowania natryskowego matową farbą stosowanego w
zastępstwie kondycjonowania wodą cyrkulacyjną. Tego rodzaju proces mógł
pozwolić uzyskać dobre wyniki gdyby badane wypełnienie miało
charakterystykę
zwilżania
zbliżoną
do
rzeczywistego
procesu
kondycjonowanego na miejscu. Nasze badanie wykazuje, że malowanie
matową farbą wypełnienia chłodni kominowej nie pozwala uzyskać zbliżonego
efektu, dlatego uzyskane w ten sposób krzywe KaV/L nie powinny być
używane do projektowania chłodni kominowych.
Badania przeprowadzono na Uniwersytecie Technicznym w Pradze,
Czechy. Najpierw zastosowano kondycjonowanie wypełnienia w specjalnie do
tego celu zbudowanym zbiorniku. Zgodnie z rys. 2 wszystkie badania
przeprowadzono w testowej chłodni wentylatorowej o powierzchni rzutu
prostokątnego 3,94 na 3,94 stopy (1,2 na 1,2 metra).
Rysunek 2. Wszystkie badania przeprowadzono w komorze testowej chłodni wentylatorowej
o powierzchni rzutu prostokątnego 3,93 na 3,94 stopy (1,2 na 1,2 metra)
Wyniki badań dla polimerów o niskiej energii powierzchniowej
Pierwsze próbki wypełnienia ze sztywnego PVC i polipropylenu były
kondycjonowane przez około 30 dni podczas pracy chłodni wentylatorowej.
Stwierdzono, że wypełnienie ze sztywnego PVC pozwoliło uzyskać wyższą o
prawie 7 procent efektywność cieplną niż wypełnienie polipropylenowe dla
niższych obciążeń wodnych (rysunki 3 i 4). Obserwowano strumienie wody
natryskiwane na wypełnienie polipropylenowe i porównywano wyniki z
warstwą wodną na powierzchni wypełnienia ze sztywnego PVC. Ten efekt
strumieniowania zmniejsza obszar powierzchni wody wystawionej na
działanie strumienia powietrza i zwiększa spadek ciśnienia, a obydwa te
czynniki przyczyniają się do obniżenia efektywności termicznej.
Badania przeprowadzono przy różnych obciążeniach wodnych. Wyniki,
w których stwierdzono wyższe straty efektywności termicznej dla wypełnień
polipropylenowych stwierdzono w przypadku niższych obciążeń wodnych, od
2 do 3 galonów na minutę na stopę kwadratową (5 do 7,5 m3/h/m2).
Zaobserwowano, że efekt powstawania warstwy wodnej jest proporcjonalny
do obciążenia wodnego. Wyższe obciążenie wodne pozwala przezwyciężyć
opór nawilżania powierzchni z tworzyw sztucznych o niskiej energii
powierzchniowej.
Po zastosowaniu wydłużonego kondycjonowania stwierdzono poprawę
efektywności termicznej zarówno w przypadku wypełnienia ze sztywnego
PVC, jak i w wypełnienia polipropylenowego, jednak w przypadku sztywnego
PVC zaobserwowano większą poprawę. Recyrkulacja w chłodni
wentylatorowej pozwala kondycjonować wypełnienia poprzez:
•
•
•
usuwanie możliwych warstw czynników procesowych (pozostałości
obróbki);
umożliwienie utleniania powierzchni;
zapewnienie cienkiej warstwy osadów mineralnych.
Na te efekty wpływ ma zawartość minerałów w wodzie recyrkulacyjnej. Niska
twardość mineralna w chłodni spowoduje wydłużenie czasu niezbędnego na
kondycjonowanie wypełnienia.
Na rysunku 3 i 4 przedstawiono porównanie efektywności termicznej
wypełnienia ze sztywnego PVC i polipropylenu w funkcji czasu dla dwóch
różnych obciążeń wodnych. Największe rozbieżności jakie stwierdzono to
znacznie wyższa efektywność termiczna sztywnego PVC w porównaniu z
polipropylenem dla niższych obciążeń wodnych.
Rysunki 3 i 4. Porównanie wydajności termicznej wypełnienia chłodni ze sztywnego PVC i
polipropylenu w funkcji czasu, dla wentylacji grawitacyjnej i wymuszonej mechanicznie
% THERMAL PERFORMANCE = % WYDAJNOŚCI TERMICZNEJ
Fill Performance Comparision = Porównanie wydajności wypełnienia
2
3
2
Typ ND Water Loading: 2 gpm/ft (5m /h/m ) = Typowe obciążenie wodne w przypadku
2
3
2
wentylacji grawitacyjnej: 2 galony na minutę/stopę (5m /h/m )
2
3
2
Typical MD Water Loading: 6 gpm/ft (15m /h/m ) = Typowe obciążenie wodne w przypadku
2
3
2
wentylacji mechanicznej: 6 galonów na minutę/stopę (15m /h/ m )
Conditioning time (days) = Czas kondycjonowania (w dniach)
Konsekwencje dla chłodni kominowych oraz wentylatorowych
Chłodnie wentylatorowe pracujące w przeciwprądzie z reguły cechują
się wyższym obciążeniem w zakresie od 4 do 8 galonów na minutę na stopę
kwadratową (od 10 do 20 m3/h/m2). Te chłodnie będą cechowały się niższymi
stratami wydajności w wypadku zastosowania na wypełnienie tworzyw o
niskiej energii powierzchniowej. Najwyższe straty wydajności stwierdzono dla
tworzyw o niskiej energii powierzchniowej użytych w chłodniach kominowych
pracujących przy niskim obciążeniu wodnym w zakresie od 2 do 3,5 galonów
na minutę na stopę kwadratową (od 5 do 8,75 m3/h/m2). Chłodnie kominowe
wykażą najwyższe straty wydajności w przypadku zastosowania tworzyw o
niskiej energii powierzchniowej.
Podsumowując wyniki badań należy stwierdzić, że dane wydajności
termicznej (KaV/L) używane do projektowania chłodni kominowych muszą
uwzględniać materiał użyty jako wypełnienie. Można tego dokonać
prezentując dane dla każdego tworzywa oddzielnie lub przy użyciu
współczynnika obniżenia osiągów dla określonego tworzywa o niskiej energii
powierzchniowej.
W przypadku użycia tworzywa o niskiej energii powierzchniowej,
takiego jak polipropylen, w porównaniu ze sztywnym PVC, w zależności od
warunków projektowych, może zachodzić konieczność dostarczenia
większych ilości energii w celu usunięcia takiej samej ilości ciepła. W oparciu
o wyniki badań można oczekiwać straty w zakresie od 4 do 9 procent
wydajności chłodniczej w razie użycia tworzyw o niskiej energii
powierzchniowej. Chłodnie wentylatorowe, zaprojektowane tak, aby
uzyskiwać niskie temperatury podejścia (różnica między temperaturą
wskazywaną przez termometr wilgotny a temperaturą wody opuszczającej
chłodnię), będą z reguły pracować z niskimi obciążeniami wodnymi. Ponadto,
chłodnie kominowe projektuje się z reguły dla niskiego natężenia przepływu
wody, ponieważ dla prawidłowej pracy nie wymagają one dużego spadku
ciśnienia po stronie niskociśnieniowej powietrza. W przypadku chłodni
kominowych ta strata wydajności cieplnej będzie równała się większej
wysokości półek i zwiększonemu poborowi mocy niezbędnej do pompowania,
jeżeli dotyczy to nowoprojektowanych chłodni. W przypadku istniejących
instalacji może to oznaczać nawet o 1 stopień F (0,5 stopnia C) wyższą
temperaturę wody zimnej. Ten wzrost temperatury będzie miał negatywny
wpływ na efektywność pracy skraplacza podczas wytwarzania energii lub
innych funkcji wymiany ciepła w przemysłowych zastosowaniach
chemicznych, petrochemicznych, spożywczych lub ogólnoprzemysłowych,
negatywnie wpływając na produktywność operacji. Ponieważ w większych
systemach stosuje się chłodnie kominowe, straty wydajności mogą sięgać
milionów dolarów.
James Wallis jest konsultantem do spraw rozwoju operacji biznesowych. Rich
Aull to kierownik działu projektowania wdrożeń chłodni kominowych w firmie
Brentwood Industries Inc., Reading, Pa., która jest producentem podzespołów
do chłodni kominowych takich, jak np. wypełnienia. Więcej informacji na temat
firmy Brentwood Industries Inc. można uzyskać pod numerem telefonu 610236-1100 lub w witrynie internetowej pod adresem www.brentw.com.
Chłodnie wentylatorowe typowo cechują się wysokim obciążeniem wodnym i powinno w nich
dojść do niższej straty wydajności w przypadku zastosowania wypełnień z materiałów o
niskiej energii powierzchniowej