EFEKTÍVNOSŤ VÝMENNÍKOV TEPLA

EFEKTÍVNOSŤ VÝMENNÍKOV TEPLA

Doc. Ing. Peter Tomlein, PhD., SZ CHKT Šamorín podľa firemných materiálov Danfoss, LuVe, Gunt a SZ CHKT

Výmenníky tepla využívajú rozdiely teplôt na pohyb tepla. Dva toky kvapaliny sa privedú do úzkeho kontaktu na oboch stranách steny alebo potrubia, čo umožňuje energii - vo forme tepla - prechádzať cez stenu alebo potrubie z horúcej strany na studenú stranu. Výmena tepla (zisk alebo strata) vedie k zmenám v médiách na oboch stranách. V prípade jednej fázy (kvapaliny alebo pary) vedie k zmene teploty. 

Akýkoľvek prenos tepla vyžaduje ako hybnú silu teplotný rozdiel

Takže teplota steny na strane vody je nižšia ako teplota pretekajúcej vody, teplota steny na strane chladiva je nižšia ako na strane vody a nakoniec teplota chladiva (vyparujúceho sa) je nižšia ako teplota steny na strane chladiva. 

Chceme dosiahnuť čo najvyššiu účinnosť

Efektívnosť výmenníkov sa hodnotí energetickou efektívnosťou chladiaceho okruhu vyjadrenú buď vykurovacím súčiniteľom COP ale chladiacim súčiniteľom EER. Na oba súčinitele najviac vplýva tlakový, alebo teplotný zdvih kompresora. Zdvih kompresora vieme ovplyvniť maximalizáciou rozdielu entalpií na výparníku. Zväčšovanie rozdielu entalpií na výparníku dosiahneme zmenšovaním rozdielu  teplôt vstupujúcej a vystupujúcej chladenej vzduchu (vody) z výparníka respektíve zmenšujúcim sa rozdielom teploty vstupujúceho vzduchu (vody) a výparnej teploty.

Ln p-h diagram zobrazuje stredné teplotné rozdiely medzi teplotami vstupujúcich médií Tvzd do výmenníkov a teplotami kondenzujúceho ∆Tkond  alebo vyparujúceho ∆Tvýp  sa chladiva

Z obrázku je zjavné, že zmenšovanie ∆Tvýparníka  zvyšuje výparnú teplotu a zmenšovanie ∆Tkond  znižuje kondenzačnú teplotu. Približovaním oboch teplôt kondenzačnej a výparnej sa znižuje teplotný a tlakový zdvih kompresora, čím znižujeme jeho energetickú náročnosť. Znižovanie oboch teplotných rozdielov je možné zväčšovaním plochy výmenníkov však limitované ekonomikou veľkosti zvoleného výmenníka a ceny spotrebovanej energie. 

Výkon výmenníka tepla

Vo výparníkoch vedie výmena tepla k vyparovaniu chladiacej kvapaliny (pozri Správy 4/2021) a v kondenzátoroch výmena tepla vedie ku kondenzácii pár chladiva. Výkon výmenníka tepla môže byť všeobecne vyjadrený:

Q = U. A. ∆T

Kde: 

• Q je výkon [W] 
• U je súčiniteľ prechodu tepla [W / (m2. K)] 
• A je plocha prenosu tepla [m2] 
• ΔT je teplotný rozdiel [K alebo °C]

Súčiniteľ prechodu tepla – U

Celkový súčiniteľ prechodu tepla, U, popisuje, ako dobre sa prenáša teplo vo výmenníku tepla. Celkový koeficient prechodu tepla závisí od prietokových vlastností ohriateho média a ochladeného média vo výmenníku tepla, veľkosti steny / potrubia a jeho tepelnej vodivosti (hodnota λ), ako aj od faktorov, ako je znečistenie (špinavé povrchy), ... 

Pre jednotlivé - fázové toky (voda, glykol, para alebo kvapalné chladivo), koeficient prechodu tepla závisí od vlastností kvapaliny a od rýchlosti kvapaliny vo výmenníku tepla. 

Vyššia rýchlosť poskytuje vyšší súčiniteľ prechodu tepla, ale vedie tiež k vyššej tlakovej strate. Vyššie prietoky kvapalín majú zvyčajne najvyššie koeficienty prechodu tepla.

Plocha na prenos tepla – A

Oblasť na prenos tepla nie je vždy tak jednoduchá, ako to vyzerá. V mnohých výmenníkoch tepla nie je povrch, ktorý je k dispozícii z dvoch strán, rovnaký. Napríklad v tepelných výmenníkoch typu rúrka-rúrka nie je povrch rúry zvnútra ani zvonka rovnaký z dôvodu rozdielu v priemere (hrúbky steny) alebo použitia „zväčšeného povrchu“, napr. rískami, zvlnením, .... 

Toto je faktor, ktorý ovplyvňuje celkový súčiniteľ prechodu tepla a je dôležité (pri programovaní výpočtového nástroja) zabezpečiť, aby použitá plocha bola v súlade s korekciou na celkový súčiniteľ prechodu tepla. 

V prípadoch, ako sú doskové výmenníky tepla, je plocha rovnaká na oboch stranách, a preto predstavuje niekoľko problémov pri výpočte. Celková intenzita prechodu tepla, UA uvedená v [W/K], sa zvyčajne počíta na základe individuálneho príspevku z hodnoty U každého typu prenosu tepla a zodpovedajúcej plochy prenosu tepla - A.

Teplotný rozdiel - ΔT

Teplotný rozdiel je hnacou silou výmeny tepla. Teplo prúdi z teplej strany na studenú. Keď sa však teploty prietokov menia, nie je vždy zrejmé, aký je teplotný rozdiel v danom bode. Vo výmenníku tepla s fázovou zmenou je to trochu zložitejšie. Počas fázovej zmeny zostane chladivo pri konštantnej teplote alebo pre zeotropné zmesi chladiva s kĺzavou teplotou (sklonom, teplotným sklzom), keď dochádza ku fázovej zmene. 

Kondenzátory

Chladivo vstupuje do kondenzátora s výstupnou teplotou pár z kompresora, napr. 80 °C. Pary sa ochladzujú, kým nedosiahnu teplotu nasýtenia napríklad  40 °C - kedy začne kondenzácia. Pokiaľ dôjde ku kondenzácii, teplota zostane na saturačnej teplote. Na konci je chladivo skvapalnené a dôjde k malému podchladeniu. Na strane chladiaceho média (vzduch, voda) pri znižovaní teplotného rozdielu sa ohrieva na teplotu blízku kondenzačnej teplote s postupne sa znižujúcim výkonom. Pred koncom voda vstupuje do oblasti, v ktorej je ochladzovaný horúci výstupný plyn z kompresora, a voda získava malé zvýšenie teploty zo zvyšujúceho sa teplotného rozdielu.

V kondenzátore sa pary ochladzujú, kým nedosiahnu teplotu nasýtenia napríklad , kedy začne kondenzácia. Na konci kondenzácie je chladivo skvapalnené a dôjde k malému podchladeniu

Vo výparníku s priamou expanziou (DX) zostáva výparná teplota konštantná, kým sa neodparí všetko chladivo a potom sa plyn prehreje na výstupnú teplotu.

Závislosť energetickej efektívnosti COP od relatívnej veľkosti  výmenníka

Obrázok podľa Daniela Coulbourna, GIZ Cooling summit 2025, zobrazuje závislosť energetickej efektívnosti COP od relatívnej veľkosti  výmenníka. Veľkosť výmenníka závisí od stredného teplotného rozdielu ∆T vyjadreného v Kelvinoch 

Z obrázku vyplýva, že čím menší teplotný rozdiel pri návrhu výmenníka sa zvolí, tým vyššia energetická efektívnosť. Výkon výmenníka závisí priamoúmerne od súčiniteľa prechodu tepla, plochy výmenníka a stredného teplotného rozdielu:

Q=U.A.∆T

Energetická efektívnosť výmenníka je limitovaná

Veľkosť výmenníka sa dá optimalizovať

Z predchádzajúceho obrázku vidieť, že ak by sme stredný teplotný rozdiel zmenšovali pod 5 K, výmenník tepla by sa prudko zväčšoval, zväčšoval by sa jeho výkon vyjadrený rozdielom entalpií hx na vstupe a výstupe výmenníka.

Z ekonomického a veľkostného hľadiska je teplotný rozdiel 5 K nachádzajúci sa  približne v strede oblúka rastu na oranžovej čiare považovaný sa primeraný relatívnej veľkosti výmenníka.

Pod limitom  ∆T5 K sa už výmenník, ktorý síce znižuje spotrebu energie, ale výrazne sa zväčšuje, tým aj predražuje a zaberá veľkú časť v chladeného priestoru. 

Z uvedeného je zrejmé, že veľkosť výmenníka sa dá optimalizovať na základe vynaložených nákladov a dosiahnutých úspor. Uvedieme príklad.

Zo vzťahu Q = U. A. ∆T vyplýva

Že výkon výmenníka, môžeme meniť vo výrobe súčiniteľom prechodu tepla U. Pri projektovaní volíme plochu výmenníka A a stredný teplotný rozdiel ∆T, ktorý je vyšší v protiprúdnom výmenníku. V prevádzke zabezpečujeme, aby naprojektované parametre výkonov výmenníkov boli dodržané najmä čistotou výmenníkov, správnou náplňou chladiva, výkonom, kompresora, expanzného ventilu, ...

Akýkoľvek prenos tepla vyžaduje teplotný rozdiel ako hybnú silu 

Teplota steny na strane chladiva je nižšia ako teplota chladeného média, teplota steny na strane chladiva je nižšia ako na strane média a nakoniec teplota chladiva (vyparujúceho sa) je nižšia ako teplota steny na strane chladiva. 

Lákavé pracovať s nižšou výparnou teplotou

Bolo by lákavé pracovať s nižšou výparnou teplotou - vyššia teplotná odchýlka by znamenala menší a lacnejší výmenník tepla. Avšak nižšia teplota odparovania posúva výparnú teplotu nižšie.

Z pohľadu energetickej efektívnosti je potrebné udržať teplotu vyparovania tak vysoko, ako je to len možné. Odovzdanie tepla vo výparníku z okolia by malo byť maximalizované, pokiaľ možno čo najvyššou teplotou chladiaceho média. 

Je dôležité udržovať výparníky čisté a bez nánosov. Výparníky prijímajúce teplo z atmosféry musia byť dostupné veľkému množstvu čerstvého vzduchu a musia byť chránené proti možnej recirkulácii ochladeného vzduchu k opätovnému  vstupu do výparníka. 

Výparníky

Výparníky by mali pracovať pri minimálnom ekonomickom teplotnom rozdiele, teda tak aby teplota odberu tepla chladivom bola čo najvyššia pre danú teplotu chladenej látky. 

Zvyšovanie teploty odberu tepla znižuje veľkosť potrebného kompresora, preože pary majú nižší merný objem, vyššiu hustotu a tým vyššiu objemovú chladivosť. Hustejšie pary napríklad v 1 m3 obsahujú viac kg chladiva. Chladiaci výkon sa vypočíta vynásobením:

Q= = kg/s . kWs/kg = kW

Z uvedeného vzorca vyplýva, že chladiaci výkon závisí priamoúmerne od prietoku chladiva v kg a merného chladiaceho výkonu v kJ/kg.

Podobne ako veľkosť výparníka, na chladiaci výkon ovplyvňujú ďalšie parametre ako:

• distribúcia chladiva, 
• rýchlosť cirkulovaného chladiva, 
• použitie kvalitných povrchov, 
• rýchlosť vzduchu pre vzduchom chladené výparníky, ... ktoré môžu významne vplývať na energetickú efektívnosť. 

Obrázok kladie otázku:

ktorý výparník by sa mal zvoliť, aby sa dosiahla vyššia energetická efektívnosť a tým úspory, ktoré by zaplatili vyššiu investíciu?

Výber  veľkosti výparníka

Ponúkané sú dve veľkosti výparníkov:

1. Výparník s menšou plochou a s väčším rozdielom teplôt teploty vzduch vstupujúceho do výparníka a výparnej teploty ∆ T1 (-29-(-20))= 9K

1. Výparník s väčšou plochou a s menším rozdielom teplôt teploty vzduch vstupujúceho do výparníka a výparnej teploty ∆ T1 (-27-(-20))= 7K

Teplota v chladenom boxe sa nemení (-20oC), mení sa len teplota výparná, ktorá pri menšom výparníku klesne. Tým pary nasávané kompresorom budú redšie (budú obsahovať v 1 m3 menej kg chladiva). 

Chladiaci výkon kompresora pri rovnakom objemovom výkone sa zníži. To znamená na dosiahnutie rovnakého chladiaceho výkonu ak s väčším výparníkom, bude musieť kompresor s menším výparníkom pracovať dlhšie.

Výsledky pre dizajn výparníkov z nižším a vyšším rozdielom teplôt

Z výsledkov na obrázku vyplýva, že pri daných teplotných podmienkach to=-27oC a tk=45oC bude chladiaci výkon pre vybrané chladivo s nulovým prehriatím a podchladením 24,9 kW a príkon 14,15 kW. Pri odpracovaní 14,5 hodín denne a 5220 hodín ročne, pri cene elektriny 0,2 €/kW, náklady na energiu budú 14 773 €/rok.

Z výsledkov na obrázku vyplýva, že pri daných teplotných podmienkach to=-29oC a tk=45oC bude chladiaci výkon pre vybrané chladivo s nulovým prehriatím a podchladením 20,7 kW a príkon 13,39 kW. Pri odpracovaní 14,5 hodín denne a 6279,1 hodín ročne, pri cene elektriny 0,2 €/kW, náklady na energiu budú 16 816 €/rok.

Závery

Z porovnania výparníkov z nižším a vyšším rozdielom teplôt vyplýva že:

1. Výparník s väčšou plochou a s menším rozdielom teplôt teploty vzduch vstupujúceho do výparníka a výparnej teploty ∆ T1 (-27-(-20))= 7K je síce drahší (5203 €) ale kompresor spotrebuje menej pohonnej energie v hodnote 14773€
2. Výparník s menšou plochou a s väčším rozdielom teplôt teploty vzduch vstupujúceho do výparníka a výparnej teploty ∆ T1 (-29-(-20))= 9K je síce lacnejší (3439 €) ale kompresor spotrebuje viac pohonnej energie v hodnote 16816€.

Z tabuľky vyplýva, že zvýšené náklady na výparník sa zaplatia v úsporách na spotrebe pohonnej energie kompresora za necelý rok.

Rovnovážny stav sústavy kompresor, výparník

Zmena rozdielu teplôt ∆t vzduchu vstupujúceho do výparníka a výparnej teploty z 10 na  5°C  Pre Qo=16 kW pri to=+5°C s chladivom R404A a Qo=8 kW pri to=-15°C s chladivom R404A. Expanzný ventil výkonovo vyhovuje pri to=-15°C, ale už nemá dostatočný výkon pri to=+5°C

Z obrázku vyplýva, že hoci objemový výkon kompresora pri znižujúcej sa výparnej teplote neklesá, jeho chladiaci výkon pri zmene výparnej teploty z +5 na -15°C klesol až o 50 %. Rozdiel teplôt ∆t vzduchu vstupujúceho do výparníka a výparnej teploty klesol tiež o 50 % z 10 na  5°C.Chladiaci výkon preto klesol tiež o 50 % z Qo=16 kW pri to=+5°C na Qo=8 kW pri to=-15°C. Dôležitý záver je, že pri poklese chladiaceho výkonu v dôsledku poklesu výparnej teploty a tiež poklesu  ∆t vzduchu vstupujúceho do výparníka a výparnej teploty, síce stúpne energetická efektívnosť výparníka, ale s menším chladiacim výkonom.

Literatúra:

Firemná literatúra, Danfoss, Luve, SZ CHKT

Viac informácií nájdete v časopise Správy 2/2026