A hőszivattyú áramlási körében a hűtőolaj és a hűtőközeg kölcsönösen hat egymásra, befolyásolva ezáltal egymás tulajdonságait. A hűtőolaj rontja a közeg hőtechnikai jellemzőit, a hűtőközeg pedig az olaj kenési tulajdonságait módosítja. A kenőanyag csak folyékony fázisként létezik, és a hűtőközeg folyadékfázisával keveréket képez, így a kondenzátorban kétfázisú kétkomponensű áramlás valósul meg. Dolgozatban a kondenzációs hőátadási tényező értékeinek változását vizsgáltam 100%, 90% és 80% koncentrációjú hűtőközeg, R134a és hűtőolaj, POE 68 keverék függvényében. Végezetül megállapítást nyert, hogy a hűtőolaj 1,88% és 42,70% közötti hőátadás csökkenést is előidézhet a vizsgált hőátadási modellek és feltételek alapján.
A megújuló energiaforrások fokozott mértékű alkalmazásának egyik kitűnő lehetősége a hőszivattyúk alkalmazása. A hőszivattyúk a megújuló és a hulladékenergiák hasznosításával elősegítik a fosszilis tüzelőanyagok gazdaságosabb felhasználását, így jelentősen mérsékelik az építmények energiaellátásának üzemeltetési költségeit. Energetikai szempontból kedvező, hogy a hőszivattyúk alkalmazhatók épületek fűtésére, hűtésére és használati melegvíz előállítására is. Napjaink egyik leghatékonyabb eszköze annak, hogy energiát takarítsunk meg és a szén-dioxid kibocsátást csökkentsük.
A legnagyobb energia megtakarítást az energiatermelés és felhasználás ésszerűsítésével, az építmények hőveszteségének csökkentésével, valamint a fűtőberendezések optimális kiválasztásával és üzemeltetésével érhetjük el. Az épületgépészetnek a fűtési technológiák korszerűsítésével a közeljövőben várhatóan nélkülözhetetlen berendezése lehet a hőszivattyú. Elsőrendű kérdéssé vált a hőszivattyúk teljesítménytényezőjének javítása, üzemük optimalizálása.
A hőszivattyúk körfolyamatának fizikai és matematikai modellezése ma már megoldott feladat. Vizsgálataink alapján a nyert eredmények pontosságát a bevitt adatok pontossága szabja meg. Ezek között első helyen kell említenünk a hőátadási tényezők pontosságának kérdését. A hőátadási tényező meghatározásával számos kutató foglalkozott ([1], [2], [3]), eredményeik nagy szórást mutatnak. Általában nem közlik a képletek alkalmazhatóságának megbízhatóságát, korlátait és legfőképpen figyelmen kívül hagyják a hűtőolaj jelenlétét a hűtőközegben, holott befolyása a hőátadásra jelentős. Ugyanis a kenőoolaj és a hűtőközeg kölcsönösen hat egymásra, befolyásolva ezzel egymás fizikai tulajdonságait. Az olaj rontja a közeg hőtechnikai jellemzőit, a hűtőközeg pedig az olaj kenési tulajdonságait módosíthatja.
A szakirodalomban megtalálható kétfázisú kondenzációs modellek széles körben ismertek, amelyek különböző hűtőközegekre és feltételek között érvényesek. Dolgozatomban megvizsgáltam a hűtőolaj hatását a kondenzációs hőátadás értékeire és a szakirodalomban megtalálható különböző hőátadási modelleket – Akers, Dean, Crosser [4], Shah [5], Cavallini [6] és a hőátadási áramlási képet is meghatározó Thome és a többiek [7] – vettem alapul.
A kondenzációs hőátadási tényező értékeinek változását vizsgáltam R134a/POE 68 keverék függvényében, 100%, 90% és 80% koncentráció mellett.
Matematikai modell
A kenőanyag jelenléte megváltoztatja a hűtőközeg termofizikai tulajdonságait, ezért a kondenzációs hőátadási tényezők számítására szolgáló modellekben figyelembe vettem az R134a/POE 68 keverék termodinamikai jellemzőit. A POE 68 szintetikus poliészter olajokat dugattyús kompresszorokhoz használják. Az alacsony viszkozitású olaj jó elegyet képez a hűtőközeggel, és jó olajvisszatérést biztosít a kompresszorba, különösen száraz elpárologtató rendszerekben.
A hűtőközegek-kenőanyagok keverékeinek termodinamikai tulajdonságait leíró egyenletek széles körben elérhetők a szakirodalomban [8], [9]. A magas hűtőközeg koncentrációjú R134a és POE 68 kenőolaj keverék termodinamikai jellemzőit meghatározó algebrai egyenletek a következők.
A dinamikai viszkozitást meghatározó algebrai egyenlet:
A nyomás meghatározására szolgáló egyenlet:
Az egyenletekben fellelhető együtthatók értékei megtalálhatók a [9] szakirodalomban. A hőátadási modellek alkalmazhatósági tartományát az 1. táblázatban foglaltam össze.
A sűrűség meghatározására szolgáló egyenlet:
A kinematikai viszkozitást meghatározó egyenlet:
1. táblázat. Kondenzációs hőátadási modellek
Szerző
Hidraulikus átmérő (mm)
Hűtőközeg
Tartomány / alkalmazhatóság
Egyenlet
Akers, Deans, Crosser [4]
–
–
Rel>5000 Rev>20 000
ha Ree>5⋅104 akkor C=0,0265 és n=0,8 ha Ree<5⋅104 akkor C=5,03 és n=1/3 és
Az (1) – (4) egyenletben és az 1. táblázatban látható jelölések és indexek jelentése a következő.
Jelölések: Re – Reynolds-szám Nu – Nusselt-szám Pr – Prandtl-szám T [K] – hőmérséklet x [–] – gőztartalom G [kg/m² s] – tömegáram sűrűség D [m] – csőátmérő v [m/s] – sebesség λ [W/m K] – hővezetési tényező α [W/m² K] – hőátadási tényező μ [Pas] – dinamikai viszkozitás ω [–] – koncentráció (a hűtőközeg és a hűtőolaj koncentrációja)
Indexek: e – egyenértékű v – gőzfázis l – folyadékfázis tp – két fázis w – fal sat – telített c – konvektív
Az elemzésre kerülő hőátadási modellek szerzői Akers, Deans és Crosser (1959), Shah (1979), Cavallini-Zecchini (1979) és Thome (2003) (1. táblázat). Az általuk megalkotott modellek vízszintes csőköteg belsejében lejátszódó állandósult kondenzációs folyamat hőátadását írják le. A vizsgált hőátadási modellek kétfázisú áramlásra vonatkoznak.
Eredmények
A munkám során egy számítási példa keretében vizsgáltam a 100%, 90% és 80% koncentrációjú hűtőolaj és hűtőközeg keverék hatását a hőátadási tényező értékeire az 1. táblázatban megtalálható modelleket felhasználva. A 90% és 80% a magas hűtőközeg és alacsony hűtőolaj koncentrációt jelenti.
A modellek összehasonlitására szolgáló bázisadatok az alábbiak. A hűtőközeg típusa: R134a A hűtőközegolaj típusa: POE 68 A keverék tömegáram sűrűsége: G = 125,250 kg/m²·s Kondenzációs hőmérséklet: Tcon = 40 °C Gőztartalom: x = 0,1–0,9 (–)
A szimulációs eredményeket grafikusan, diagramokban mutatom be az 1–4. ábrán.
1. ábra. Az Akers-modellből [4] nyert kondenzációs hőátadási tényező értékei
2. ábra. A Shah-modellből [5] nyert kondenzációs hőátadási tényező értékei
3. ábra. A Cavallini-modellből [6] nyert kondenzációs hőátadási tényező értékei
4. ábra. A Thome-modellből [7] nyert kondenzációs hőátadási tényező értékei
A 2. táblázatban összehasonlítottam a 90%-os és a 80% -os koncentációjú R134a/POE 68 keverék kondenzációs hőátadási tényező értékekeit a tiszta, 100% hűtőközeg alapú hőátadási tényező értékeivel.
2. táblázat. A 90% és 80% koncentrációjú keverék hőátadási tényezőinek eltérése a 100% hűtőközeg hőátadási tényező értékeitől
Koncentráció
90%
80%
Hőátadási modellek
Max. eltérés
Átlagos eltérés
Max. eltérés
Átlagos eltérés
Akers [4]
3,27%
2,54%
4,99%
1,88%
Shah [5]
15,39%
14,72%
30,93%
30,17%
Cavallini [6]
21,45%
20,55%
46,43%
44,25%
Thome [7]
24%
19,91%
48,65%
42,70%
Összegzés
Jelentős számú publikáció áll rendelkezésre a hűtőközeg-olaj keverék hatásáról a hőszivattyús és hűtőrendszerek fűtési, illetve hűtési teljesítményeire, különös tekintettel a kompresszor és a hőcserélő berendezésekre, azaz az elpárologtatóra és a kondenzátorra. A kenőanyag csak folyékony fázisként létezik, amely keveredik a folyadékfázisú hűtőközeggel és kétfázisú kétkomponensű áramlást eredményez a hőszivattyú körfolyamatában.
A tiszta hűtőközeg illékonyabb, a kenőanyag nem tud kondenzálódni a gőz-folyadék határfelületen, és hajlamos a felhalmozódásra, így az olajban gazdag réteg jelentős áramlási ellenállást is eredményez a hőátadás csökkenése mellett.
A szimulációs eredményekből láthatjuk, hogy a kondenzációs hőátadási tényező értéke nagymértékben változik a hűtőolaj koncentrációjának változásával az R134a/POE 68 keverékben. Az 1–4. ábrán látható, hogy különböző szerzők modelljeiből nyert kondenzációs hőátadási tényező értékei alacsonyabbak 80% és 90% koncentrációnál, mint a tiszta hűtőközeg esetén. A 2. táblázatban pedig összehasonlítottam a kondenzációs hőátadási tényezők értékeit, és láthatjuk, hogy a 80% és 90% koncentrációnál az Akers [4] modellből nyert értékek eltérései a legkisebbek a 100%-os, azaz tiszta hűtőközeggel számított hőátadási tényező értékeinél, míg a Thome [7] modellből nyert értékek a legnagyobbak. Megállapítást nyert, hogy a hőátadási tényező értékeit jelentős mértékben befolyásolja a kenőanyag-hűtőközeg tömeghányadának (ω) a változása.
A szakirodalomban nagyszámú elpárolgási és kondenzációs hőátadási modell található, különböző feltételekre és körülményekre vonatkoztatva, de ezen modellek túlnyomó része figyelmen kivül hagyja a hűtőolaj jelenlétét és annak mennyiségét a keverékben, és emiatt a modellek pontossága erősen megkérdőjelezhető.
Irodalom
Santa R, Garbai L. Measurement testing of heat transfer coefficients in the evaporator and condenser of heat pumps, Journal of thermal analysis and calorimetry 119: 3 pp. 2099–2106, 2015.
Santa R. The Analysis of Two-phase Condensation Heat Transfer Models Based on the Comparison of Boundary Condition Acta polytechnica hungarica 9 : 6 pp. 167–180, 2012.
Garbai L, Santa R, Pacza G, Kovács Z. A new heat transfer and pressure drop correlation of single phase flow on the shell side of heat exchanger EXPRES 2014, 6th International Symposium on Exploitation of Renewable Energy Sources and Efficiency, 132 pp. 107–110, 2014.
Akers, W W, Deans, H A, Crosser, O K. „Condensing Heat Transfer Within Horizontal Tubes.” Chem. Eng. Progr. Vol: 55, Symposium Ser. No. 29, 1959.
Shah, M M. A General Correlation for Heat Transfer during Film Condensation inside Pipes. International Journal of Heat and Mass Transfer 22, no.4, pp: 547–56, 1979.
Cavallini, A, Zecchin, R. A dimensionless correlation for heat transfer in forced convection condensation. In: Vol. III, Heat Transfer, pp. 309–313 1974.
Thome, J R., El Hajal, J., Cavallini, A. Condensation in horizontal tubes. Part 2: new heat transfer model based on flow regimes. Int. J. Heat Mass Transfer 46 (18), 3365–3387, 2003.
Eckels, S J., Zoz, S C, Pate, M. B. Using solubility data for HFC-134a and ester lubricant mixtures to model an in-tube evaporator or condenser. Proceedings of the 1993 Annual Meeting of the American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc., June 27, 1993 – June 30, 1993, Denver, CO, USA, Publ. by ASHRAE.
Thomas, J B, Tara, J, Fortin, M L. Huber, A L, Eric, W L, Elisabeth, M, Mark, O M, Stephanie, L O, Richard, A P, Kimberly, N. U, Jason, A W, Thermophysical Properties of Polyol Ester Lubricants. NIST Director and Undersecretary of Commerce for Standards and Technology, 2019. doi.org
A cikkben leírt eredmény elég durva értékeket ad. Az, hogy egy berendezés 1,8%, vagy 40, igen negyven %-al kevesebbet tud, mint kellene, az igen csak kritikus problémákat jelenthet.
és
