Vďaka unikátnemu mechanizmu prenosu tepla zabezpečovanému tepelne excitovaným oscilujúcim pohybom dvojfázovej paro-kvapalnej sústavy pracovného média si okamžite získali pozornosť svetovej vedeckej obce. Univerzálny potenciál využiteľnosti tejto technológie v rôznych praktických výstupoch dokumentujú mnohé publikácie, v ktorých sa podarilo preukázať použiteľnosť OHP (OHP z anglického Oscillating Heat Pipes) v technických aplikáciách, ako sú napríklad chladenie elektroniky a mikroelektroniky alebo výmenníky tepla v rôznych prevádzkových podmienkach [2, 3].

* * * * *
V príspevku je experimentálne skúmaný výmenník tepla zložený z tepelných trubíc s oscilujúcim pracovným médiom v aplikácií rekuperácie tepla vo vzduchotechnickom systéme.
* * * * *

PRINCÍP PRÁCE ZARIADENIA
Tepelné trubice s oscilujúcim pracovným médiom sú vo všeobecnosti tvorené meandrovito stočenou rúrkou, ktorá je uzavretá do nekonečnej slučky (obr. 1.). Rúrka sa v danej terminológií označuje ako kapilára, pretože vnútorné priemery rúrky sa pohybujú rádovo v milimetroch (0,5 – 5 mm) v závislosti od vlastností použitého pracovného média. OHP je z hľadiska smeru tepelného toku principiálne rozdelená na tri zóny alebo časti. Časť OHP, do ktorej je privádzaný tepelný tok z externého zdroja tepla, je označovaná ako tzv. výparníková časť a časť OHP, v ktorej dochádza k odvodu tepla von z tepelnej trubice do externého chladiča, je označovaná ako kondenzačná časť. Medzi výparníkovou a kondenzačnou časťou môže ale nemusí byť prítomná adiabatická časť. Ako už z jej názvu vyplýva, v adiabatickej časti nedochádza ani k prívodu ani k odvodu tepla do, resp. z, OHP.
Pred spustením je OHP vyvákuovaná a potom čiastočne naplnená pracovným médiom na určitú hodnotu plniaceho pomeru, ktorý je definovaný ako pomer objemu kvapalného pracovného média k celkovému objemu vnútorného pracovného priestoru. Vďaka kapilárnym silám a povrchovému napätiu kvapaliny sa kvapalné pracovné médium v OHP rozdelí na rad oddelených kvapalných stĺpcov a parných bublín tak, ako je znázornené na obr. 1. Nakoľko sa pary a kvapalina pracovného média nachádzajú pri danom tlaku a teplote v stave dynamickej rovnováhy, prívod tepla do OHP vo výparníkovej časti okamžite spôsobuje var a premenu kvapalného pracovného média na paru. Objem expandujúcej pary prirodzene prúdi smerom od výparníkovej časti ku kondenzačnej časti, pričom pred sebou tlačí celý dvojfázový systém oddelených kvapalných stĺpcov a parných bublín pracovného média. Pary pracovného média po dosiahnutí kondenzačnej zóny kondenzujú a zanikajú vplyvom odvodu tepla do externého chladiča. Vznik pár vo výparníkovej časti, ich následná expanzia a kontrakcia nasledovaná zánikom pár v kondenzačnej časti, spôsobujú v uzavretom systéme tlakové pulzácie, ktoré slúžia ako hnací element oscilujúceho pohybu pracovného média.

Obr. 1: Schematické znázornenie tepelnej trubice s oscilujúcim pracovným médiom – rozdelenie zón a popis hlavných funkčných častí

Vyššie uvedený popis principiálne opisuje komplikovaný dej tepelne iniciovaného oscilujúceho pohybu pracovného média v OHP. Samozrejme, daný pohyb pracovného média je sprevádzaný prenosom tepla, čo predstavuje primárny účel OHP. Prenos tepla z globálneho hľadiska predstavuje kombináciu mechanizmov vynútenej konvekcie pri oscilujúcom pohybe média, mechanizmy varu a filmovej kondenzácie a mechanizmus kondukcie jednak vedením v objeme média, ako aj vedením v stene rúrky.
Jednu z najväčších výziev v oblasti výskumu danej problematiky predstavujú snahy o kvantifikáciu preneseného tepelného výkonu pri rôznych prevádzkových parametroch a procesných podmienkach. Kvôli komplikovanosti celého deja kombinujúceho rôzne mechanizmy prenosu tepla v kombinácií s ťažko predpovedateľným charakterom prúdenia dvojfázovej sústavy pracovného média je analytický prístup k problematike neaplikovateľný a vyžaduje vykonanie empirických experimentálnych meraní.
Predkladaný príspevok je zameraný na jednu z čiastkových úloh v procese kvantifikácie preneseného tepelného výkonu cez OHP, ktorá predstavuje určenie súčiniteľa prestupu tepla pri vonkajšom obtekaní výmenníka tepla zloženého z tepelných trubíc s oscilujúcim médiom.

ANALÝZA PROBLEMATIKY
Veľkosť súčiniteľa prestupu tepla pri konvektívnom prenose tepla medzi prúdiacim médiom a povrchom rúrky výmenníka tepla môže byť vypočítaná na základe Newtonovho ochladzovacieho zákona v tvare:

Veľkosť hustoty tepelného toku prenášaného cez skúmaný výmenník tepla je možné určiť na základe zmeny entalpie prúdiacieho vzduchu pri uvažovaní predpokladu, že tepelný tok medzi oboma prúdmi vzduchu je vedený len výmenníkom tepla. Pri praktických návrhových výpočtoch sa veľkosť súčiniteľa prestupu tepla určuje na základe bezrozmerných kriteriálnych vzťahov. Podľa Nusseltovej teórie môže byť veľkosť súčiniteľa prestupu tepla určená z nasledujúceho vzťahu:

Hodnota Nusseltovho čísla sa určuje na základe prislúchajúcej bezrozmernej kriteriálnej rovnice. Tú je možno získať z dostupných zdrojov a pri jej výbere je nutné brať do úvahy vhodnosť jej použitia pre danú konkrétnu aplikáciu v rozsahu okrajových podmienok definovaných autormi danej rovnice. Pre prípad prestupu tepla pri vynútenej konvekcii pri vonkajšom obtekaní rúrok má kriteriálna rovnica pre výpočet Nusseltovho čísla všeobecný tvar:

Kombináciou rovníc (1) a (2) je možné vypočítať veľkosť súčiniteľa prestupu tepla pre vykonané experimentálne merania. Pre možnosť vyhodnotenia daných experimentov je nutné monitorovať nasledujúce parametre: rýchlosť vzduchu v potrubí a k tomu prislúchajúcu teplotu kvôli určeniu prietoku vzduchu, teploty v oboch prúdoch pred a za výmenníkom tepla kvôli určeniu zmeny entalpie vzduchu a teploty na povrchoch rúrok výmenníka tepla. Takto určený súčiniteľ prestupu tepla môže byť následne konfrontovaný a porovnaný s hodnotou súčiniteľa prestupu tepla získanou pomocou konkrétne zvolenej kriteriálnej rovnice, ktorej všeobecný predpis má tvar podľa rovnice (3).

EXPERIMENTÁLNA ČASŤ
Skúmaný výmenník tepla (obr. 2) je zložený z meandrovito skrútenej medenej kapiláry s vnútorným priemerom Di = 2,5 mm a hrúbkou steny s = 0,75 mm. Kapilára je skrútená do matrice, ktorá je tvorená 12-timi radmi, pričom v každom párnom rade je 9 trubíc a v každom nepárnom rade je 8 trubíc. Pôdorys výmenníka (obr. 2b) tak tvorí bežne v praxi používané usporiadanie rúrkových výmenníkov tepla do rovnoramenného trojuholníka.

Obr. 2: a) Skúmaný výmenník tepla b) Pôdorysné usporiadanie jednotlivých trubíc

Merania parametrov výmenníka tepla boli vykonané na experimentálnej stanici vybudovanej v priestoroch laboratórií Ústavu procesného inžinierstva na Strojníckej fakulte Slovenskej technickej univerzity v Bratislave, obr. 3. Experimentálna stanica pozostáva z dvoch oddelených vzduchovodných slučiek v protiprúdovom usporiadaní, medzi ktorými je v testovacej komore umiestnený rekuperačný výmenník tepla.

Obr. 3: Experimentálna stanica: 1 – radiálne ventilátory, 2 – turbínový prietokomer, 3 – hot-wire anemometrické sondy, 4 – testovacia komora, 5 – frekvenčné meniče, 6 – prevodníky vlhkosti, 7 – multifunkčný prevodník rýchlosti

Monitorovanie teplôt vzduchu pred a za výmenníkom tepla sa uskutočňuje v testovacej komore pomocou štyroch zapuzdrených teplotných senzorov typu DS18B20. Uvedené teplotné senzory sú použité aj na meranie teplôt na povrchu rúrok výmenníka tepla. Všetky merané teploty sú vyvedené na jeden spoločný monitorovací systém. Prúdenie vzduchu v potrubiach je zabezpečené dvomi radiálnymi ventilátormi (model DALAP TURBINE M Ø 150 mm). Veľkosť prietoku v potrubiach je regulovaná zmenou otáčok ventilátorov pomocou pripojených frekvenčných meničov. Ohrev vzduchu v slučke s vyhrievaným vzduchom zabezpečuje elektrický potrubný ohrievač (EKA NV 100-0,9-lf) s výkonom 0,9 kW a reguláciou teploty od 0 °C do 30 °C.
Chladenie vzduchu pred výmenníkom tepla v slučke s chladeným vzduchom zabezpečuje chladiaca slučka zložená z rebrovaného výmenníka tepla, v ktorom prúdi chladiaca kvapalina chladená v cirkulačnom chladiacom zariadení (HAAKE K15 s riadením HAAKE DC30). Meranie rýchlosti vzduchu v jednotlivých slučkách je vykonávané pomocou hot-wire anemometrických sond s meracím rozsahom 0-30 m.s-1 pripojených na multifunkčný prevodník rýchlosti (KIMO C310).
Anemometrické sondy boli kalibrované pomocou turbínového prietokomera Elster TRZ DN100. Okrem uvedených parametrov bola monitorovaná vlhkosť vzduchu v oboch slučkách pomocou teplotno-vlhkostných sond a prevodníka vlhkosti (KIMO TH110). Monitorovanie vlhkosti sa vykonávalo kvôli sledovaniu rosného bodu vzduchu.

VYHODNOTENIE EXPERIMENTOV
Matica experimentálnych meraní pozostávala zo šiestich rôznych prietokov vzduchu prúdiaceho vo vyhrievanej slučke (50 – 150 m3.hod-1) pre dve rôzne pracovné médiá. Ako pracovné médiá boli použité dietyléter a izopentán. Prietok vzduchu v slučke s chladeným vzduchom bol pre každý experiment nastavený na konštantnú hodnotu 50 ± 2 m3.hod-1. Každý experiment trval približne šesť hodín, pričom prvých 4,5 hodiny nastávalo temperovanie stanice, ktoré bolo ukončené po dosiahnutí stabilných teplotných prevádzkových podmienok. Následne bola vykonaná samotná fáza merania výkonových parametrov výmenníka, ktorá trvala približne 1,5 hodiny.
Súčiniteľ prestupu tepla vo vetve s ohrievaným vzduchom určený na základe údajov získaných z experimentálnych meraní bol následne porovnávaný so súčiniteľom prestupu tepla vypočítaným na základe Nusseltovho čísla určeného pomocou bezrozmernej kriteriálnej rovnice, ktorú publikovali Churchill a Bernstein v tvare:

Porovnanie hodnôt súčiniteľa prestupu tepla vypočítaných na základe experimentálnych meraní a na základe výpočtov kritériálnej rovnice pre jednotlivé prietoky vo vetve s horúcim vzduchom je zobrazené na obr. 4. Priemerná odchýlka pre merania s dietyléterom použitým ako pracovné médium sa pohybuje okolo 13 % a pre merania s izopentánom okolo 5,5 %.

Obr. 4: Porovnanie výsledkov vypočítaných z experimentálnych meraní a výpočtov na základe kriteriálnej rovnice pre experimenty s dietyléterom a) a izopentánom b)

ZÁVER
Určenie súčiniteľa prestupu tepla zo vzduchu na vonkajší povrch rúrok výmenníka tepla predstavuje jeden z kľúčových krokov pre celkovú kvantifikáciu prenášaného tepelného výkonu. Pomocou vykonania experimentálnych meraní sa podarilo preukázať vhodnosť použitia zvolenej bezrozmernej kriteriálnej rovnice pre uvažovanú aplikáciu v rozsahu obmedzení vyplývajúcich z vykonaných meraní. Priemerná odchýlka meraní sa pohybovala okolo 10 %, pričom maximálna odchýlka dosahovala 22 %. Pri výpočte súčiniteľa prestupu tepla sa vo všeobecnosti uvádzajú možné prípustné odchýlky až do 40 %, na základe čoho je možné konštatovať, že daná kriteriálna rovnica v dobrej zhode popisuje reálny stav.

TEXT/FOTO: Juraj KABÁT, Viera PEŤKOVÁ, Štefan GUŽELA

POUŽITÁ LITERATÚRA
[ 1] AKACHI, H. 1990. Structure of a heat pipe. US Patent No. 4921041.
[2] NIKOLAYEV, V. S.; MARENGO, M. 2018. Encyclopedia of two-phase heat transfer and flow IV, Chapter 1: Experimental analysis, design and applications. Scientific Publishing Co Pte Ltd 2018, ISBN 978-9813234369
[3] MA, H. B. 2015. Oscillating heat pipes. Springer 2015. ISBN 978-1-4939-2503-2
[4] CHURCHILL, S. W.; BERNSTEIN, M. 1977. A correlating equation for forced convec-tion from gases and liquids to a circular cylinder in crossflow. Journal of Heat Transfer Vol 99, May 1977.

Príspevok bol vypracovaný vďaka grantovej schéme Nadácie EPH Projekt Vedátor v rámci grantového projektu: Experimentálna štúdia prototypu rekuperátora tepla zloženého z tepelných trubíc s oscilujúcim médiom v aplikácii rekuperácie tepla vo vzduchotechnike.