TEPELNÁ ZAŘÍZENÍ TZ7 Vakuové a rozprašovací chlazení. Rudolf Žitný, Ústav procesní a zpracovatelské techniky ČVUT FS 2010

Sprejové chlazení TZ7  Sprchové kondenzátory (rozprašování chladných kapiček na jejichž povrchu kondenzuje pára – směšovací kondenzátory brýd)  Rozprašovací bazény (spray ponds, rozprašování vody tryskami nad hladinu bazénu v němž má být chlazena voda; kapičky během letu nad hladinou chladnou tím, že se odpařují a je jim odebíráno výparné teplo). Popis procesu musí zahrnovat stanovení trajektorií kapek, úbytek hmotnosti a změna jejich teploty během letu.  Sprejové chlazení horkého povrchu (kapičkami vody, které se odpařují při dopadu na horký povrch; je to asi nejúčinnější způsob chlazení, dosažitelné hustoty tepelného toku jsou dokonce vyšší než při chlazení povrchu souvislým proudem chladné kapaliny =jet impingement). Klíčem procesu je interakce kapky se stěnou, deformace kapky, a vytvoření tenké vrstvy páry na rozhraní. Demente Michele Ciofalo *, Antonino Caronia, Massimiliano Di Liberto, Salvo Puleo: The Nukiyama curve in water spray cooling: Its derivation from temperature–time histories and its dependence on the quantities that characterize drop impact. International Journal of Heat and Mass Transfer 50 (2007) 4948–4966

Chladicí bazény JETE TZ7 Příklad: havarijní chladicí systémy v jaderné elektrárně Temelín. Z několika sprchových systémů JETE (např. havarijní chlazení aktivní zóny sprchováním kyseliny borité) se zaměřím na systém venkovních otevřených dochlazovacích nádrží se 120ti rozprašovacími tryskami. Tento systém má zajïstit odvod zbytkového tepla při plánovaném i havarijním odstavení jednoho bloku elektrárny a to po dobu minimálně 30 dní bez dodávky vody a pro nejnepříznivější atmosférické podmínky za období 1961 až 1994.Temelín sprchových systémů JETE Co má být výsledkem analýzy:  Teploty v bazénu pro zadaný průběh tepelného výkonu  Ztráty vody odparem  Ztráty vody úletem kapek mimo obvod bazénu Jaká jsou vstupní data:  Informace o průbězich denních teplot, vlhkosti, směru a síle větru, slunečním záření v dané lokalitě (meteorologický ústav)  Kompletni dokumentace bazénů, potrubí a rozprašovacích trysek.  Výkon čerpadel (průtoky) a časové průběhy tepelného výkonu v různých modelových havarijních situacích.

TZ7 JETE – dochlazovací bazény (270x60m, hloubka 3m, 120 tangenciálních trysek B-50) Musí se počítat i teplotní pole v podloží bazénů (Fourierova Kirchhoffova rovnice) a zimní režim (zamrzání bazénů) Chladicí bazény JETE

TZ7 Trajektorie letící kapky Putna m 1961 Chladicí bazény JETE Trajektorie je třeba počítat numerickou integrací a respektovat zmenšování rozměru kapky (r) během letu

TZ7 Přenos hmoty a tepla během letu kapky Součinitel přenosu hmoty Chladicí bazény JETE Součinitel přenosu tepla Rychlost úbytku hmotnosti kapky Proč 3 ? Povrch koule = 4  r 2, objem = 4  r 3 /3 Ztráta tepla odparem Ztráta tepla konvekcí

TZ7 Při výpočtu tangenciální trysky je třeba stanovit  Výtokovou rychlost (axiální a radiální) paprsku v ústí trysky  Střední průměr kapek d k  Distribuční funkci rozložení kapek (dle jejich průměrů) Lefebvre A.H.: Atomization and Sprays. Hemisphere Publ.,N.Y., 1989 Atomizace paprsku kapaliny a návrh trysky je složitá věda (existuje i speciální časopis „Atomization and sprays“) a nečekejte jednoduché vysvětlení těchto vztahů. Všimněte si jen toho, že výtoková rychlost je zhruba nepřímo úměrná výtokovému průřezu (d 0 2 ), roste s klesajícím průřezem nátoku A p (zvyšuje tangenciální rychlost) a progresivně roste s průtokem (exponent 1.4) Velikost kapky se s průtokem zmenšuje V(D)dD udává relativní objem kapek jejichž průměr je v intervalu. Uvedená distribuce (Bratuta 1978) je má jenom jeden parametr (  ), K 1 je modifikovaná Besselova funkce Chladicí bazény JETE A p =plocha nátoku d 0 =průměr výtokového otvoru

Vakuové chlazení TZ7 O’Keefe Není to zvláštní, že se dá horká pára využít pro chlazení?

Vakuové chlazení TZ7 Rychlým snížením tlaku lze i rychle chladit – pokud ovšem chlazená látka obsahuje vodu, která se dá snadno odpařit a odebrat chlazené látce výparné teplo. Technologie vakuového chlazení se používá především v potravinářském průmyslu, kde je rychlost chlazení důležitá nejen z hlediska zkrácení výrobních časů, ale i k minimalizaci teplotní destrukce chlazených materiálů a aktivity nežádoucích mikroorganizmů či metabolických procesů.  Chlazení řezaných květin. Tím, že se odvede tzv. polní teplo (field heat), potlačí se metabolizmus a prodlouží skladovatelnost (shelf life)  Salát, kapusta (kropení), zelí, květák, houby, špenát. Vakuové chlazení hlávkového salátu je standard v EU i US (zchlazení na 1 0 C trvá cca 30 minut a prodlouží dobu skladovatelnosti 2 až 3 krát). Existují i aplikace na vakuové chlazení jahod, bobulovin, špenátu, zelí, okurek (problémy s vysycháním se řeší kropením vodou). Vakuové chlazení hub které obsahují 90% vody a jsou porézní se komerčně používá v US i EU, i když se vedou diskuse o možné ztrátě kvality u některých druhů (příliš velký úbytek vlhkosti, změna barvy, enzymatické hnědnutí).  Pekařské produkty, chleba, rohlíky. Chlazení z 98 na 30 0 C je ovšem doprovázeno ztrátou cca 7% vlhkosti (Bradshaw 1976).  Chlazení masa. Hlavním důvodem pro použití vakuového chlazení je zkrácení doby chlazení, které potlačí možné zotavení patogenních mikroorganizmů po předchozí tepelné úpravě (vaření). Šunka 5 kg ze 70 na 4 0 C za 2h, zatímco ponořením do vody (immersion cooling) to trvá 14 h, při ofukování mrazivým vzduchem 10 h (někdy se uvádí až 20ti násobné zkrácení doby chlazení). Karl McDonald, Da-Wen Sun:Vacuum cooling technology for the food processing industry: a review. Journal of Food Engineering 45 (2000) 55-65

Vakuové chlazení TZ7 M. Dostal, K. Petera: Vacuum cooling of liquids: mathematical model. Journal of Food Engineering 61 (2004) 533–539 Hmotnostní tok odpařované vody Výparné teplo Hmotnos t vsádky

Vakuové chlazení vody TZ7 Technická realice je podobná jako u vakuových odparek. Používá se parní ejektor (stejně jako u TVR). Pro odtah inertů např. vodokružná vývěva (při malých výkonech). Příklad: GEA Wiegand GmbH, 2-stupňová kompaktní chladicí jednotka s parním ejektorem, Chlazení 44 m 3 /hod vody z 30 na 10 °C.

Vakuové chlazení vody TZ7 Příklad: GEA Wiegand GmbH, 2-stupňová kompaktní chladicí jednotka s parním ejektorem, který je v tomto případě použit i pro odtah inertů. Chlazení 200 m 3 /hod vody z 0 na 5 °C. Chladicí výkon: 1163 kW

Vakuové chlazení chleba TZ7 V oblasti pekařských výrobků je vakuové chlazení komerčně využíváno u některých speciálních produktů – panetonni. Jeho potenciál je ale širší, výrazné zkrácení dob chlazení vypadá lákavě ProduktKonvekční chlazení Vakuové chlazení panetonni24 h4 min Vídeňský chléb1 h1.5 min Francouzská bageta1 h2 min Krekry32 min2 min Bílý chléb (2kg)1 – 3 hod30s až 5 min Rudolph Bakeries Limited, Toronto. Konstrukce vakuového zařízení RF Systems, Itálie Problémy s pečením chleba souvisí s expanzí odpařované páry, nerovnoměrným vnitřním tlakovým zatížením a separací kůrky a střídky. U porézního bílého chleba to problém není, ale u černého chleba ano. Musí se použít přesné řízení rychlosti změny podtlaku (MVD-Modulated Vacuum Drying, počítačové řízení škrticího ventilu vakuové komory).

Vakuové chlazení masa TZ7 The visualised cross-section of the cooked meat L. Wang, D.-W. Sun / International Journal of Refrigeration 25 (2002) 862–871 Několikanásobné zkrácení doby chlazení je ovšem provázeno úbytkem hmotnosti (vody). Ten lze do jisté míry kompenzovat nástřikem vody (injekční jehly).

Vakuové chlazení květin TZ7 Tadhg Brosnan; Da-Wen Sun:Influence of Modulated Vacuum Cooling on the Cooling Rate,Mass Loss and Vase Life of Cut Lily Flowers. Biosystems Engineering (2003) 86 (1), 45–49 Vakuové chlazení bílých lilií („Bílá elegance“). Největší úbytek hmotnosti 54% byl změřen při nejrychlejší evakuaci 374 mbar/min. Úbytek hmotnosti se snížil na 37% při zmenšení rychlosti poklesu tlaku na 85 mbar/min. Měněná rychlost poklesu tlaku Úbytek hmotnosti vody je problém nejenom při chlazení masa. U kytiček se kompenzuje postřikem vodou. Tadhg Brosnan; Da-Wen Sun: Evaluation of Cut Lily FlowerVase Life by ComputerVision. Biosystems Engineering (2002) 83 (2), 191–198 Da-Wen Sun*,1, Tadhg Brosnan:Extension of the vase life of cut daffodil flowers by rapid vacuum cooling. První experimenty prokázaly až dvojnásobné prodloužení života ve váze (vase life), záleží na teplotě skladování.

Vakuové chlazení TZ7 Ejektorové odpařovací chlazení modelované v ExceluExcelu Stacionární i nestacionární režim (náběh)