Tvåfasströmning i platta kanaler

Kyl- och värmepumpsystem använder idag köldmedier med hög växthuseffekt (GWP). Inom de närmaste tio åren kommer dessa att behöva ersättas av naturliga eller syntetiska medier med låg GWP. Sådana medier är alltid brännbara och för att minska risken med användningen krävs att mängden köldmedium minimeras. För att uppnå detta krävs värmeväxlare med liten intern volym. Ny utformning av värmeväxlarna för lägre fyllning kan samtidigt ge bättre värmeövergång, om utformningen görs på rätt sätt, vilket ökar värmefaktorn.

Detta projekt syftar till att öka förståelsen för hur förångare och kondensorer bör utformas för att erhålla bästa möjliga prestanda och samtidigt minsta möjliga köldmediefyllning. Projektet är en grundläggande vetenskaplig studie, vars resultat relativt snabbt förväntas kunna omsättas i ny design av värmeväxlare. Projektet bygger på flera tidigare projekt som genomförts inom ramen för tidigare Effys-projekt och EU-projekt vid KTH, Inst Energiteknik.

Finansierat av:

Energimyndigheten

Tidsperiod:

2020-12-01 - 2024-07-31

Deltagare:

Kungliga Tekniska Högskolan

Bakgrund

Tvåfasströmning av gas och vätska är mycket komplex och kan svårligen modelleras i detalj med numeriska beräkningsprogram. Speciellt svårt är det då strömningen kopplas till värmeöverföring, antingen detta sker genom kondensation eller genom förångning. Ett särskilt problem i det senare fallet är att nukleering av gasbubblor beror av en mängd parametrar som inte är väl kända i det specifika fallet (ytstruktur, porer i ytan, närvaro av gas i porer/repor i ytan etc). Med förenklade antaganden om randvillkor kan bubbeltillväxt och sammanslagning av bubblor, eller övergång från en strömningsform till en annan studeras numeriskt för enkla geometrier i fall där ytspänningen har stor betydelse, dvs i smala kanaler (se redovisning av tidigare Effsys-Expand-projekt P14). För mer komplicerade geometrier är vi tills vidare hänvisade till förenklade numeriska beräkningar, analytiska beräkningar, semi-empiriska samband och till experimentella metoder. Exempel på detta är visualisering av flödet med höghastighetskamera i kanaler av glas eller annat genomskinligt material.

Mål och syfte

Detta projekt syftar till att öka den grundläggande förståelsen för tvåfasströmning vid förångning och kondensation i platta (icke-cirkulära) kanalgeometrier liknande de som kan förekomma i plattvärmeväxlare. Kvantifierbara mål är att inom projektet visa på:

Kanalgeometrier med minst lika goda värmeövergångstal vid förångning som dagens kommersiellt tillgängliga, men med intern volym minst 30% lägre räknat per enhet värmeöverförande yta.
Kanalgeometrier med minst lika goda värmeövergångstal vid kondensation som dagens kommersiellt tillgängliga, men med intern volym minst 30% lägre räknat per enhet värmeöverförande yta.
Kanalgeometrier med minst 50% högre genomsnittligt värmeövergångstal vid förångning och kondensation jämfört med dagens kommersiellt tillgängliga.

Andra mål, som inte enkelt kan kvantifieras är att inom projektet visa på:

Parallella kanalgeometrier som ger mindre risk för snedfördelning av flöde och last än dagens.
Kanalgeometrier som utformas för att ta hänsyn till övergång mellan tvåfasströmning och enfasströmning nära utloppet av kondensor och förångare.
Kanalgeometrier för förångare som säkerställer oljeåterföring till kompressorn.

Som redan nämnts är det också ett kvantifierbart mål att visa på utformning av kanaler som, vid lika värmeöverförande yta, och tillämpade vid normala driftsförhållanden i en värmepump, kan öka värmefaktorn med minst 10%