COMPARATIVE ANALYSIS OF THERMOPHYSICAL PROPERTIES OF WATER AND PROPYLENE GLYCOL AS COOLANTS FOR AIR CONDITIONING SYSTEMS

Abstract


Development of air conditioning systems require to solve problem of a selection of the coolant which transfers heat from the air coolers to the evaporator of the refrigeration machine and from the condenser of one to the heat recovery units. To increase the reliability of the system and to avoid the possibility of freezing aqueous solutions of various chemical compounds, such as propylene glycol, ethylene glycol, calcium chloride salts and sodium chloride, as well as aqueous solutions of alcohol, can be used. An essential indicator in the operation of central air conditioning systems is the toxicity of the coolants. For this reason, air conditioning systems with an aqueous solution of propylene glycol are widely used. This paper is a case study of thermal parameters of conditioning systems using two intermediate heat-transfer agents: water and propylene glycol. The main laws determining thermal and hydraulic properties of conditioning system are presented. A comparative calculation of the thermophysical parameters of the air conditioning system for specific conditions of its operation is performed. As a conclusion, we consider applicability for each of two agents subject to terms and initial conditions in working areas where the conditioning system is used.

Full Text

Современное состояние техники и технологии предполагает широкое применение различных систем кондиционирования воздуха с промежуточным теплоносителем [1-4]. Системы кондиционирования такого рода состоят из следующих основных элементов: холодильная машина, воздухоохладитель, система трубопроводов с промежуточным теплоносителем, циркуляционные насосы, теплообменное оборудование испарителя и конденсатора, теплообменное оборудование для утилизации тепловой энергии [5, 6]. В качестве промежуточного теплоносителя системы кондиционирования воздуха может применяться пропиленгликоль, этиленгликоль, соли хлористого кальция и хлористого натрия, а также спиртовые растворы [7, 8]. Важнейшими параметрами работы системы кондиционирования, влияющими на материалоемкость и габаритные размеры теплообменного оборудования, а следовательно, на себестоимость установки в целом, являются коэффициенты теплопередачи теплообменного оборудования и температурный напор между теплообменивающимися средами. Коэффициент теплопередачи зависит от теплофизических свойств применяемых материалов, конструкторских решений и в существенной степени от теплофизических свойств теплообменивающихся сред. Температурный напор в контуре теплообмена с испарителем холодильной машины ограничивается по нижней границе температурой замерзания теплоносителя, что при определенных факторах обусловливает применение исключительно раствора пропиленгликоля. Удаление излишков теплоты производится, как правило, на периферийные участки. Суммарная длина трубопроводов для транспортировки излишков тепловой энергии от места размещения холодильной машины может составлять сотни метров, что требует значительных энергозатрат на поддержание циркуляции теплоносителя в контуре. По этой причине энергоэффективность системы кондиционирования воздуха существенно зависит от гидравлических параметров систем промежуточной транспортировки тепловой энергии от источников тепловыделения (воздушная среда с воздухоохладителем) к холодильной машине и от холодильной машины к утилизаторам тепловой энергии. При использовании пропиленгликоля в качестве промежуточного теплоносителя системы кондиционирования необходимо принять во внимание, что основные характеристики элементов системы будут отличаться от рассчитанных при нормальной температуре с применением воды в качестве теплоносителя. Производители теплообменного оборудования, как правило, приводят параметры теплообмена для воды и эмпирические поправочные коэффициенты для других теплоносителей. Пример приводимых зависимостей представлен на рис. 1 [7, 9, 10]. Рис. 1. Поправочные коэффициенты при различном процентном содержании пропиленгликоля в растворе Fig. 1. Correction factors for different percentage of propylene glycol in solution Также следует учитывать, что пропиленгликоль обладает более высокой вязкостью, и, как следствие, значительно возрастают гидравлические потери в трубопроводах. На рис. 2 приведены поправочные коэффициенты падения давления в зависимости от температуры и концентрации раствора [7, 9]. В данной работе приведены результаты теоретического сравнения воды и водного раствора пропиленгликоля по следующим параметрам, определяющим энергоэффективность системы кондиционирования воздуха: коэффициенты теплопередачи в теплообменном оборудовании, располагаемых температурных напор, гидравлические потери при транспортировке теплоносителя. Коэффициент теплопередачи рекуперативных теплообменников в существенной степени определяется наименьшей из следующих величин: коэффициенты теплообмена на внутренней и внешней поверхности стенок, теплопроводность стенки. В данной работе рассматриваются два типа теплообменников: воздухоохладитель (типа вода-воздух) и теплообменник испарителя холодильной машины (типа фреон-вода), так как в данном контуре возможны пониженные температуры теплоносителя. Рис. 2. Поправочные коэффициенты падения давления при различной температуре и концентрации пропиленгликоля Fig. 2. Correction factors for pressure drop at different temperatures and concentrations of propylene glycol В воздухоохладителе коэффициент теплопередачи слабо зависит от коэффициента теплообмена на поверхности «стенка - вода» и определяется режимом течения воздуха, так как коэффициент теплообмена для воздуха на два порядка ниже, чем для жидкостей. Коэффициенты теплоотдачи для жидкости и фреона в процессе испарения сопоставимы, поэтому коэффициент теплоотдачи на стороне воды (раствора пропиленгликоля) в существенной степени определяет результирующий коэффициент теплопередачи теплообменника. Коэффициент теплообмена на границе «стенка - вода» (раствор пропиленгликоля) определяется решением системы уравнений пограничного слоя, впервые выполненного Лоренцом и Польгаузеном [11]. Использование этого решения в сочетании с опытными данными по теплообмену в условиях естественной конвекции газов и жидкостей на вертикальных и горизонтальных плитах и трубах позволяет получить приближенную зависимость для среднего коэффициента теплообмена α: , (1) где λ - коэффициент теплопроводности среды, Вт/(м·град); d - диаметр трубы, м; Nu - число Нуссельта, являющееся соотношением интенсивности конвективной теплоотдачи в пограничном слое и диффузионного теплообмена. В зависимости от вида теплообмена (свободная конвекция, вынужденная конвекция) и режима течения (ламинарный или турбулентный) коэффициент теплопроводности среды принимается либо при температуре T = Tair, либо при температуре T = Tair + Twall, где Tair и Twall - температуры воздуха и стенки. На основании обработки результатов многочисленных экспериментов для случая течения жидкости по трубе академик М.А. Михеев составил формулу для определения числа Нуссельта при теплоотдаче в турбулентном режиме течения теплоносителя внутри трубы на участке стабилизированного теплообмена [12]: (2) Физические константы среды в формуле (2) определяются по средней по длине температуре теплоносителя Число Прандтля определяется при температуре стенки. В формулу (2) входит поправка, учитывающая зависимость физических свойств текучей среды от температуры: (3) Данная формула применима для течений с высокими градиентами температур в поперечном сечении трубопровода. Для определения турбулентного числа Прандтля в ядре потока и на границе со стенками используется следующая эмпирическая формула [13]: (4) Здесь - молекулярное число Прандтля, являющееся свойством среды; - безразмерный параметр, определяющийся по формуле , (5) где R - радиус поперечного сечения трубопровода, а y - переменная, характеризующая то, в каком месте - в ядре потока (y = 0) или на стенке (y = R) - вычисляется число Прандтля. Молекулярное число Прандтля для растворов пропиленгликоля различной концентрации может быть определено по диаграмме, представленной на рис. 3 [14]. Для примера выполнен расчет с характерными параметрами теплообменного оборудования системы кондиционирования воздуха, определяющими интенсивность теплообмена: диаметр трубок теплообменного оборудования и скорость движения теплоносителя. Исходные данные: Параметр Значение Диаметр трубки, мм 15 Скорость движения теплоносителя, м/с 1 25%-ный раствор пропиленгликоля замерзает при температуре порядка -10 °C и является наиболее частой альтернативой воде для обеспечения «безопасного запаса» при проектировании системы кондиционирования воздуха с температурой кипения фреона, близкой к 0 °С. В данной статье приведен пример сравнения воды и 25%-ного раствора пропиленгликоля с тем, чтобы оценить изменение теплофизических и гидравлических параметров системы при подобной замене хладоносителя. Рис. 3. Зависимость молекулярного числа Прандтля от температуры среды при различных процентных характеристиках раствора пропиленгликоля Fig. 3. The dependence of the Prandtl molecular number on the temperature of the fluid at different percentages of the propylene glycol solution Теплофизические параметры исследуемых сред (воды и 25%-ного раствора пропиленгликоля), полученные для указанных выше исходных данных, представлены в табл. 1. Таблица 1 Расчетные параметры теплоносителя Table 1 Designed parameters of coolant Параметр Вода Пропиленгликоль (25-ный %) Плотность, кг/м3 998 1030 Теплоемкость, Дж/кг/°С 4218 3980 Теплопроводность, Вт/°С/м 0,56 0,47 Число Рейнольдса 10000 3433 Число Прандтля молекулярное 6,12 30 Число Прандтля турбулентное в ядре потока 1,39 2,61 Число Прандтля турбулентное у стенки 1,61 2,45 Число Нуссельта 39,0 21,8 Коэффициент теплообмена, Вт/°С/м2 728 341 Температура кристаллизации, °С 0 -10 Анализ физических параметров, влияющих на соотношение коэффициентов теплообмена воды и 25%-ного раствора пропиленгликоля, показывает, что турбулентное число Прандтля 25%-ного раствора пропиленгликоля на 31 % выше турбулентного числа Прандтля воды, число Рейнольдса пропиленгликоля на 53 % ниже числа Рейнольдса воды, теплопроводность пропиленгликоля на 16 % ниже теплопроводности воды, поправка εt на неоднородность температуры в поперечном сечении для пропиленгликоля на 10 % ниже, чем аналогичная поправка для воды. Влияние каждой группы физических параметров на результирующее значение коэффициента теплообмена для 25%-ного раствора пропиленгликоля относительно воды представлено в виде диаграммы на рис. 4. Из вышесказанного на основании формул (1) и (2) следует, что применение в качестве промежуточного теплоносителя в системе кондиционирования воздуха 25%-ного раствора пропиленгликоля снижает коэффициент теплообмена на 53 % относительно случая применения воды. Данный факт существенно влияет на интенсивность процесса теплообмена в теплообменнике фреон - вода (раствор пропиленгликоля), но не оказывает существенного влияния на процесс теплообмена в воздухоохладителе. С точки зрения обеспечения требуемого теплового потока более низкий коэффициент теплопередачи может быть скомпенсирован увеличением температурного напора. Рис. 4. Диаграмма изменения коэффициента теплообмена (α) пропиленгликоля (Pr, Re, λ, εt) относительно воды в зависимости от каждого из физических параметров Fig.4. Diagram of the change in the heat transfer coefficient (α) of propylene glycol (Pr, Re, λ, εt) relative to water, depending on each of the physical parameters Обеспечение более высокого температурного напора (для 25%-ного раствора пропиленгликоля требуемое значение в 2,13 раза больше, чем для воды) в теплообменнике увеличивает требуемое давление компрессора и, соответственно, нагрузку на электродвигатель. В условиях невысоких (ниже 30 °C) температур воздуха, поступающего для охлаждения, применение раствора пропиленгликоля позволяет обеспечивать больший тепловой поток, так как температура замерзания раствора пропиленгликоля может быть существенно ниже, чем аналогичный параметр для воды. Гидравлическое сопротивление трубопроводов и теплообменного оборудования в существенной степени зависит от вида применяемого теплоносителя и определяет энергои металлоемкость системы кондиционирования воздуха. Сравнение энергозатрат на транспортировку промежуточного теплоносителя основано на расчете коэффициентов гидравлических потерь теплоносителя в контуре для общего случая. Расчеты выполнены для различных чисел Рейнольдса по формулам, представленным в табл. 2. Таблица 2 Расчетные формулы Table 2 Calculation formulas Диапазон чисел Рейнольдса Формула Области чисел Рейнольдса, приведенные в табл. 2, соответствуют различным возможным шероховатостям стенок трубопровода в режиме развитой турбулентности. Формулы для 1-й и 3-й областей являются частными случаями формулы для 2-й области (формулы Альтшуля) [15]. - эквивалентная абсолютная шероховатость, м. Соотношение значений коэффициентов гидравлических потерь 25%-ного раствора пропиленгликоля и воды при фиксированном расходе воды через трубу Q варьируется при изменении значений шероховатости и принимает наименьшее значение при наибольшей шероховатости (случай стальных труб Δ £ 0,15 мм). (6) При уменьшении шероховатости до нуля соотношение значений коэффициентов гидравлических потерь увеличивается до 1,33. Таким образом, гидравлическое сопротивление трубопровода, по которому подается 25%-ный раствор пропиленгликоля, выше на величину от 15 до 33 %, чем сопротивление трубопровода того же диаметра, изготовленного из того же материала, для движущейся по нему воды. Следовательно, применение раствора пропиленгликоля потребует либо увеличения мощности привода насоса, либо увеличения диаметров трубопроводов. В дополнение к вышесказанному отметим, что 25%-ный раствор пропиленгликоля обладает более высокой текучестью по сравнению с водой, легче проникает в мелкие зазоры в местах соединений трубопроводов. Это связано с более низким значением коэффициента поверхностного натяжения пропиленгликоля (40-45 мН/м) по сравнению с аналогичным значением для воды - 73 мН/м. Данное свойство накладывает более высокие требования на герметичность резьбовых соединений трубопроводов, заполненных пропиленгликолем. Аналогичные зависимости получаются и при отличных от вышеприведенных параметрах элементов системы кондиционирования воздуха. Заключение В результате проведенного сравнительного анализа установлено, что применение 25%-ного раствора пропиленгликоля снижает коэффициент теплопередачи теплообменника испарителя холодильной машины более чем в два раза, что необходимо компенсировать либо увеличением поверхности теплообмена, либо увеличением температурного напора. При требуемом охлаждении воздуха до положительных температур выбор в качестве теплоносителя 25%-ного раствора пропиленгликоля увеличивает общую энерго- или материалоемкость системы кондиционирования воздуха и является нецелесообразным. Кроме того, использование раствора пропиленгликоля в качестве теплоносителя накладывает более высокие требования на герметичность резьбовых соединений ввиду более низкого коэффициента поверхностного натяжения.

About the authors

L. Yu Levin

MI UB RAS

Yu. A Klyukin

MI UB RAS

M. D Popov

NPO “Aerosfera”

References

  1. Галкин М.Л. Повышение энергоэффективности и промышленной безопасности систем холодоснабжения с промежуточным хладоносителем: дис. … д-ра техн. наук. - М., 2013.
  2. Нечаева А.А., Бурков А.И., Мишнева Г.С. Проблемы микроклимата узлов связи и телекоммуникационных центров // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. - 2017. - T. 8, № 2. - С. 27-35. doi: 10.15593/2224-9826/2017.2.03.
  3. Левин Л.Ю., Семин М.А., Клюкин Ю.А. Оценка эффективности системы распределенной подачи охлажденного воздуха как способа управления микроклиматическими параметрами шахт // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2013. - № 12. - С. 185-189.
  4. Thermophysical properties of brines: Models. - Zurich: M. Conde Engineering, 2011. -
  5. p.
  6. Левин Л.Ю. Разработка шахтной подземной установки кондиционирования воздуха для условий глубокого рудника «Таймырский» // Стратегия и процессы освоения георесурсов: сб. науч. трудов. - Пермь, 2013. - С. 253-255.
  7. Теплотехнические системы нормализации микроклиматических параметров воздуха в глубоких рудниках ЗФ ПАО «ГМК «Норильский никель» / А.В. Зайцев, Л.Ю. Левин, Б.П. Казаков, Ю.А. Клюкин // Горный журнал. - 2018. - № 6. - С. 34-40.
  8. Pratt S. Proper fluid selection and maintenance for heat transfer applications // Technical Note, Thermo Fisher Scientific. - Newington, New Hampshire, 2016. - 12 p.
  9. Roser R. Common Coolant Types and their uses in Liquid Cooling Systems // Laird Engineered Thermal Systems. - 2016.
  10. Желиба Ю.А., Войтко Д.А. Промежуточные теплоносители и хладоносители. - Одесса: Феникс, 2012. - 320 с.
  11. Экспериментальное исследование теплофизических свойств нанотеплоносителей на основе растворов пропиленгликоль/вода / В.П. Железный, Д.А. Ивченко, С.С. Рябикин, Н.А. Шимчук // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - № 19. - С. 64-66.
  12. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. - 3-е изд. - М.: Наука, 1974. - 800 с.
  13. Ильин В.А., Позняк Э.Г. Основы математического анализа: учебник для вузов в
  14. ч. - 6-е изд., стер. - М.: Физматлит, 2002. - 646 с.
  15. Azer N.Z., Chao B.T. Turbulent heat transfer in liquid metals-fully developed pipe flow with constant wall temperature // Int. J. Heat Mass Transfer. - 1961. - № 3. - P. 77-83.
  16. Thermophysical properties of brines: Models. - Zurich: M. Conde Engineering, - 2011. - 11 p.
  17. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / под ред. М.О. Штейнберга. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1992. - 672 с.

Statistics

Views

Abstract - 13

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2018 Levin L.Y., Klyukin Y.A., Popov M.D.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies