Pompy ciepła są urządzeniami, które umożliwiają efektywne wykorzystanie niskotemperaturowej energii cieplnej odnawialnych i odpadowych źródeł ciepła, przez co z roku na rok zwiększa się zainteresowanie tego tupu urządzeniami. W pompach ciepła typu powietrze-woda jednym ze sposobów podniesienia sezonowego wskaźnika efektywności cieplnej jest wyeliminowanie wentylatora w parowaczu. Parowacze tego typu skonstruowane są jako swobodny układ rur ożebrowanych wzdłużnie, pracujący w warunkach konwekcji swobodnej lub mieszanej w zależności od warunków otoczenia. Ze względu na zmienne warunki wymiany ciepła, zasadniczą trudnością związaną z projektowaniem tego typu parowaczy jest określanie wartości współczynników przejmowania ciepła po stronie powietrza.
W ramach pracy doktorskiej przeprowadzono badania doświadczalne dla różnych wariantów pracy wymiennika. Wykonano szereg badań procesu wymiany ciepła dla analizowanego profilu żebra o specyficznej konstrukcji żeber. Badania zostały wykonane dla różnych przypadków wymiany ciepła: konwekcja swobodna, wymuszona w różnym zakresie prędkości oraz przepływ wzdłużny i poprzeczny. W celu uzyskania różnych wartości różnic temperatur pomiędzy temperaturą wewnętrznej powierzchni żebra a powietrzem zastosowano jako medium wodę lodową oraz czynniki chłodnicze R507 i R 407C.
Otrzymane wyniki pomiarów stworzyły obszerną bazę danych pomiarowych, które pozwoliły opracować zależności kryterialne do wyznaczania średnich wartości współczynników przejmowania ciepła dla warunków konwekcji swobodnej i wymuszonej. Zaproponowany sposób wyznaczania lokalnych wartości współczynników przejmowania ciepła jest indywidualną metodą, która można wykorzystać przy dowolnych powierzchniach rur z ożebrowaniem pryzmatycznym. Uzyskane zależności mają ponadto znaczenie utylitarne, ze względu na to, że badany profil można wykorzystywać do projektowania wymiennika ciepła będącego ujęciem dolnego źródła ciepła w powietrznych pompach ciepła.
W cel weryfikacji wyznaczonych zależności kryterialnych zaproponowano model obliczeniowy badanego profilu i przeprowadzono szereg symulacji CFD. Modelowanie wykonano przy użyciu oprogramowania Ansys-fluent w przestrzeni 3D dla identycznych wymiarów geometrycznych oraz warunków otoczenia jak badany profil. Weryfikacji modelu dokonano poprzez analizę rozkładu temperatury u podstawy i na końcu żebra i porównaniu go z wartościami doświadczalnymi. Kolejnym elementem potwierdzającym założenia i poprawność modelu było wyznaczenie sprawności żebra na podstawie rozkładu temperatury uzyskanego doświadczalnie i z przeprowadzonych symulacji. Otrzymane wyniki potwierdziły poprawność modelu.
Zaproponowany model wykorzystano do wyznaczenie wartości współczynników przejmowania ciepła zarówno dla warunków konwekcji swobodnej jak i wymuszonej. Otrzymane wartości dla konwekcji swobodnej były zbliżone do wartości doświadczalnych i mieściły się w zakresie 3-7 Wm-2K-1. W przypadku konwekcji mieszanej wartości znajdowały się w przedziale 9-21 Wm-2K-1 w zależności od kąta osadzenia żebra.
Kolejny etap pracy obejmował wykonanie procesu optymalizacyjnego. Optymalizację przeprowadzono ze względu na dwa kryteria poprzez wykonanie szeregu symulacji CFD. Pierwsze kryterium dotyczyło uzyskania maksymalnej wydajności przy minimalnej masie wymiennika w zależności od ilości, grubości i wysokości żebra. Kolejnym kryterium optymalizacyjnym było wyznaczenie parametrów wymiennika i uzyskaniu maksymalnej wydajności profilu przy stałej masie profilu odpowiadającej masie profilu doświadczalnego. Ponadto rozwiązanie zagadnienia optymalizacyjnego dla maksymalnej wydajności i stałej masy wymiennika pozwoliło zaproponować ogólną metodę poszukiwania optymalnych parametrów h, s, n dla dowolnej masy profilu aluminiowego i danego profilu wymiennika.
Heat pumps are devices that allow efectively use of low temperature renewable energy and waste heat sources, which increases the interest in this device year after year. In air-to-water heat pumps, one way to raise the seasonal efficiency factor is to eliminate the fan in the evaporator. This type of evaporator is designed as a free arrangement of pipes finned longitudinally, working in free or mixed convection conditions depending on the ambient conditions. Due to the variable heat transfer conditions, the fundamental difficulty in designing such evaporators is to determine the heat transfer coefficients on the air side. In the doctoral thesis, experimental studies were carried out for various variants of work conditions heat exchanger. A number of studies were conducted on the heat exchange process for the analyzed fin profile with specific fin construction. The investigations were made for various type of heat exchanges: free convection, forced at different speeds and longitudinal and transverse flow. In order to obtain different values of temperature differences between the temperature of the inner surface of the fin and the air, ice water and refrigerants R507 and R407C were used as the medium. The obtained measurements results created an extensive measurement database, which allowed to develop dimensionless equations to determine average values of heat transfer coefficients for free and forced convection. The proposed method of determining local values of heat transfer coefficients is an individual method that can be used on any surface of prismatic finned pipes. Obtained equations are also utilitarian because the investigated profile can be used to design a heat exchanger that is a source of heat in the air-water heat pump. For the purpose of verifying the dimensionless equations, a model of calculation of the examined profile was proposed and a series of CFD simulations were performed. Modeling was performed using the ANSYS-fluent software in 3D space for identical geometric dimensions and environmental conditions as the real profile. Model validation was performed by analyzing the temperature distribution at the base and at the end of the fin and comparing it with the experimental values. Another element confirming the assumptions and correctness of the model was to determine the efficiency of the fins based on the temperature distribution obtained experimentally and from the CFD simulations. The results confirmed the correctness of the model. The proposed model was used to determine the values of the heat transfer coefficients for both free and forced convection conditions. The values obtained for free convection were similar to the experimental values and ranged from 3-7 Wm-2K-1. In the case of mixed convection, the values were in the range 9-21 Wm-2K-1depending on the anchoring angle of the fin. The next stage of the work involved performing the optimization process. The optimization was performed for two criteria by performing a series of CFD simulations. The first criterion was to obtain maximum efficiency at the minimum weight of the heat exchanger depending on the number, thickness and height of the fin. Another optimization criterion was the determination of the heat exchanger parameters and the maximum efficiency of the profile at a constant mass of the profile corresponding to the mass of the experimental profile. Optimization calculations performed for forced convection conditions gave the following optimal solutions:
- h=0,065 m, s=0,0015 m, n=6 for objective function
- h=0,11 m, s=0,0018 m, n=10 for objective function for MPR=10,88 kg
In addition, the optimum solution for the maximum efficiency and constant mass of the heat exchanger proposed the general method for finding optimal parameters h, s, n for any mass of aluminum profile and a given heat exchanger profile.
371920 Maszyny i urządzenia energetyczne
371942 Przemysłowe urządzenia chłodnicze
371945 Urządzenia klimatyzacyjno-wentylacyjne
442900 Energetyka o źródłach odnawialnych i inne rodzaje energetyki
371900 Przemysł maszynowy
440000 Energetyka
370000 Budowa maszyn. Przemysł maszynowy i metalowy
