Condensatie van ammoniak in platenwarmtewisselaars

11 januari 2021

Platenwarmtewisselaars in NH₃-systemen zijn met een kleine hoeveelheid van het werkmedium in staat om veel warmte over te brengen. Zo wordt het veiligheidsrisico van NH₃-toepassing verminderd. Op 12 januari promoveert Xuan Tao aan de TU Delft op onderzoek naar condensatie van NH₃ in platenwisselaars, met als doel om ontwerpmethoden aan te dragen voor compacte plaatcondensors. Dit artikel is een samenvatting van zijn proefschrift.

Tekst: Xuan Tao (Technische Universiteit Delft)

De uitdagingen die energiegerelateerde milieuproblemen met zich meebrengen worden steeds groter. Restwarmte is een herbruikbare energiebron en biedt een duurzame oplossing voor de energievraag. De thermodynamische cyclus, die gebruikt wordt voor het omzetten van restwarmte in bruikbare energie, vereist milieuvriendelijke werkmedia en efficiënte warmteoverdrachtsprocessen. Ammoniak (NH₃) is een natuurlijk koudemiddel met uitstekende thermische eigenschappen, zoals hoge thermische geleidbaarheid. De toepasbaarheid van NH₃ is echter beperkt vanwege veiligheidsrisico’s.

Voordelen van platenwisselaars
Platenwarmtewisselaars kunnen in NH₃-systemen worden gebruikt voor het omzetten van restwarmte naar elektriciteit. Deze compacte apparaten zijn met een kleine hoeveelheid van het werkmedium in staat om veel warmte over te brengen. Zo wordt het veiligheidsrisico verminderd. De Organic Rankine Cycles van NH₃, die zijn uitgerust met platenwarmtewisselaars, zijn kleiner van formaat dan de installaties waarin andere koudemiddelen worden gebruikt. Bovendien hebben platenwarmtewisselaars het voordeel dat ze veel ontwerpflexibiliteit hebben en dat ze eenvoudig te onderhouden zijn om de warmteoverdracht zo efficiënt mogelijk te houden. Door deze voordelen worden platenwarmtewisselaars veel gebruikt voor koeling, en in de chemische en farmaceutische industrie.

Ontwerpmethoden voor compacte plaatcondensors
In Xuans proefschrift wordt de condensatie van NH₃ in platenwarmtewisselaars onderzocht, zowel experimenteel als theoretisch. Het belangrijkste doel is om ontwerpmethoden aan te dragen voor compacte plaatcondensors die kunnen worden gebruikt in NH₃-systemen en die niet beschikbaar zijn in openbare literatuur. Correlaties van warmteoverdracht en drukverlies door wrijving van HFC’s, HC’s en HFO’s worden beoordeeld aan de hand van een experimentele database.

Kenmerken van platenwarmtewisselaars
In hoofdstuk 1 worden de kenmerken van platenwarmtewisselaars gespecificeerd. De belangrijkste parameters zijn de ‘chevron’-hoeken, oppervlaktevergroting en hydraulische diameters. De gegolfde vorm van de kanalen in platenwarmtewisselaars brengt nieuwe uitdagingen met zich mee. In Xuans proefschrift worden deze uitdagingen zowel theoretisch als experimenteel aangepakt. Met experimenten worden stromingspatronen, warmteoverdracht en drukverlies door wrijving geanalyseerd van NH₃-condensatie.

Voorblad van het proefschrift van Xuan Tao.

Overgang tussen stromingspatronen
Voor de analyse van NH₃ wordt verwezen naar de resultaten van andere werkvloeistoffen. De stromingspatronen van lucht/watermengsels laten zien dat filmstroming een groot gebied dekt van de massafluxen en dampkwaliteiten. De warmteoverdracht en het drukverlies door wrijvingcorrelaties van HFC’s, HC’s en HFO’s kunnen worden verdeeld in correlaties voor homogene stromingen en gescheiden stromingen. Tijdens de condensatie van NH₃ is er een gescheiden stroming. De correlaties tussen warmteoverdracht en drukverlies door wrijving van NH₃ worden bepaald aan de hand van experimentele data. Deze modellen beschrijven de overgang tussen de stromingspatronen.

Zwaartekracht en convectie         
In hoofdstuk 2 wordt een overzicht gemaakt van de dimensieloze getallen waarmee tweefase-stromingen en condensatie beschreven kunnen worden. De manier waarop condensatie plaatsvindt, is onderverdeeld in de door zwaartekracht gestuurde condensatie en condensatie door convectie. De overgang hiertussen wordt voornamelijk bepaald door de massaflux, de dampfractie en de eigenschappen van de vloeistof. De condensatiedruk, inlaatoververhitting, plaatgeometrie en temperatuurverschillen hebben een relatief kleine invloed op de overgang.

Invloed op de warmteoverdrachtscoëfficiënten
De overgang heeft voornamelijk invloed op de warmteoverdrachtscoëfficiënten, en weinig invloed op de drukverliezen door wrijving. De stromingspatronen van luchtwatermengsels worden gekarakteriseerd door dimensieloze getallen. Het spectrum van stromingsvormen gebaseerd op het Reynolds-nummer van vloeistof, ReL versus de dimensieloze dampsnelheid, J_G/Λ^0.5 reproduceert de resultaten van de verschillende onderzoeken beter dan de andere spectra.

Experimentele database
In hoofdstuk 3 worden de correlaties van de warmteoverdracht en wrijvingsdrukval voor condensatie in platenwarmtewisselaars samengevat. Er wordt een experimentele database opgebouwd met data voor HFC’s, HC’s, HFO’s en CO₂. De massaflux ligt tussen 2 en 150 kgm^-2s^-1. De ‘chevron’-hoeken en hydraulische diameters liggen respectievelijk tussen 25,7° en 70° en 3,23 en 8,08 mm. De verzadigde temperatuur ligt tussen -34,4 en 72,1 °C, en de gereduceerde druk tussen 0,03 en 0,49.

Correlaties van wrijvingsdrukverlies
Acht warmteoverdrachtcorrelaties worden vergeleken aan de hand van de database en de meest geschikte worden geselecteerd. Zes correlaties van wrijvingsdrukverlies worden vergeleken met de database en de voorspelling is relatief slecht. Er wordt een nieuwe correlatie ontwikkeld met behulp van een multivariabele regressieanalyse met dimensieloze getallen. Deze nieuwe correlatie voorspelt 87,5% van de experimentele gegevens binnen een marge van ±50%.

Methoden van datareductie
De experimentele opzet en de methoden van datareductie worden beschreven in hoofdstuk 4. De thermodynamische cycli, de meetinstrumenten en het testgedeelte worden gespecificeerd. De berekeningen van de warmteoverdrachtscoëfficiënten en de wrijvingsdrukval worden gepresenteerd.

Experimentele resultaten van NH₃ -condensatie 
In hoofdstuk 5 worden de experimentele resultaten van NH₃-condensatie gepresenteerd, inclusief stromingspatronen, warmteoverdrachtscoëfficiënten en wrijvingsdrukval. Visualisatie-experimenten werden uitgevoerd tussen 20 en 100 kgm^-2s^-1, met het observeren van volledige filmstroom en gedeeltelijke filmstroom. De stromingspatronen zijn de fenomenologische gevolgen van de condensatiemechanismen.

Effect van hogere dampkwaliteiten
De warmteoverdracht en wrijvingsdrukexperimenten variëren van de massastromen van 21-78 kgm^-2s^-1, met de gemiddelde dampkwaliteit van 0,05-0,65 en de verzadigde druk van 630 tot 930 kPa. Hogere dampkwaliteiten verhogen opmerkelijk de warmteoverdrachtscoëfficiënten en de wrijvingsdrukval. Grotere massafluxen dragen aanzienlijk bij aan de wrijvingsdrukval en verbeteren de warmteoverdracht matig. Daarbij is het effect van verzadigde druk op de wrijvingsdrukval gering. De experimentele gegevens worden vergeleken met de correlaties die worden aanbevolen in hoofdstuk 3, maar de overeenkomsten zijn slecht. Er moeten nieuwe voorspellende modellen worden ontwikkeld voor de NH₃-condensatie in platenwarmtewisselaars.

Voorspellende modellen
In hoofdstuk 6 worden voorspellende modellen ontwikkeld voor de condensatie in platenwarmtewisselaars, inclusief warmteoverdracht en wrijvingsdrukverlies. De modellen maken gebruik van de experimentele resultaten in hoofdstuk 5. Het warmteoverdrachtmodel identificeert de overgang van volledige filmstroom naar gedeeltelijke filmstroom, die de overgang tussen condensatiemechanismen weergeeft. De fysieke interpretatie van het model wordt behandeld. Het overgangscriterium is verantwoordelijk voor de bevochtigingseigenschappen.

Aangepast Lockhart-Martinelli-model
Voor de wrijvingsdrukval wordt een aangepast Lockhart-Martinelli-model voorgesteld dat gescheiden stromingskarakteristieken vertoont. Het model telt de vloeistofdrukval, de dampdrukval en de interfacedrukval op. De voorgestelde modellen voor warmteoverdracht en wrijvingsdrukverlies vertonen goede voorspellende prestaties. NH₃-flow heeft een niet te verwaarlozen tweefasen-slip vanwege de grote dichtheidsverhouding. Platenwarmtewisselaars hebben golfkanalen en hebben de neiging om de vloeistoffilm te breken. Deze verschillende stromingskarakteristieken worden getoond door stromingspatronen en worden geïdentificeerd door de voorspellende modellen.

Modellen voor warmteoverdracht en wrijvingsdrukverlies
De conclusies van het onderzoek staan vermeld in hoofdstuk 7. De experimentele gegevens van NH₃-condensatie in platenwarmtewisselaars worden verzameld, inclusief stromingspatronen, warmteoverdrachtscoëfficiënten en wrijvingsdrukverlies. De modellen voor warmteoverdracht en wrijvingsdrukverlies zijn hierbij dan ook ontwikkeld. De resultaten voor HFC’s, HC’s en HFO’s worden verkregen door verschillende correlaties te vergelijken met de experimentele database in de literatuur.

Grotere tweefasige dichtheidsverhouding
Omdat NH₃ een grotere tweefasige dichtheidsverhouding heeft dan de meeste HFC’s, HC’s en HFO’s, worden deze gescheiden stromingsmodellen voorgesteld voor NH₃, terwijl homogene stromingsmodellen worden gesuggereerd voor andere werkende media. Aanbevelingen worden gedaan om breed toepasbare voorspellende methoden te ontwikkelen voor verschillende werkmedia en bedrijfsomstandigheden.

Het proefschrift kan worden gedownload op de website van de TU Delft.