POLITECHNIKA GDAŃSKA

Transkrypt

1 POLITECHNIKA GDAŃSKA AUTOMATYKA CHŁODNICZA I KIMATYZACYJNA SEMINARIUM Temat: Automatyzacja procesu odszraniania wentylatorowych chłodnic powietrza gorącymi parami czynnika w małych urządzeniach chłodniczych. Marcin Szymański SUChiK 2008/2009

2 Spis treści: 1. Wstęp 2. Zjawisko szronienia 3. Skutki szronienia chłodnic 4. Metody przeciwdziałania 5. Systemy odszraniania 6. Rozwiązania stosowane w małych urządzeniach chłodniczych 7. Podsumowanie 8. Literatura

3 1. Wstęp Bardzo ważnym i pożądanym parametrem pracy urządzenia chłodniczego jest wysoka sprawność wymienników ciepła. W przypadku wentylatorowych chłodnic powietrza, które są stosowane zarówno w instalacjach o małej jak i o dużej wydajności chłodniczej, producenci chłodnic stosują następujące rozwiązania techniczne w celu polepszenia ich sprawności: ożebrowanie rur wewnątrz przekroju, mające na celu poprawę współczynnika wnikania ciepła; montowanie dystrybutorów czynnika chłodniczego, zapewniające optymalne warunki pracy chłodnicy nawet przy minimalnych wahaniach temperatury; stosowanie systemu wielopunktowego wtrysku (równomierne zasilanie czynnikiem bloku lamelowego); zwiększenie powierzchni żeber, czyli powierzchni wymiany ciepła; stosowanie zmiennego rozstawu lamel, w celu równomiernej wymiany ciepła na całej powierzchni chłodnicy; izolowanie tac ociekowych, prowadzących do ograniczenia zysków ciepła chłodni podczas odszraniania chłodnicy. Wydajność chłodniczą określa się wzorem: Q = kf(t P -t O ),gdzie: k współczynnik przenikania ciepła [W/(m 2 K)], F powierzchnia wymiany ciepła [m 2 ], t P temperatura powietrza [ C], t O temperatura parowania czynnika [ C]. Generalnie dążymy do poprawy współczynnika przenikania ciepła, aby osiągnąć jak najmniejszą zewnętrzną powierzchnię wymiany ciepła stanowiącą o kształcie aparatu. Współczynnik ten określa zależność: 1/k = R αw + ΣR λi + R αz,gdzie: R αw opór wnikania ciepła od strony czynnika chłodniczego [(m 2 K)/W], R λi opór przewodzenia ciepła w i-tej przegrodzie [(m 2 K)/W], R αz opór wnikania ciepła od strony powietrza [(m 2 K)/W]. następująco: Wartości głównych wielkości fizycznych i konstrukcyjnych powinny zachowywać się dążyć do największych, możliwych wartości αz, αw, λ;

4 dążyć do najmniejszych grubości przegród δ. Zakładając, że opór wnikania ciepła od strony czynnika i opór przewodzenia ciepła przez przegrody jest stały, można zauważyć odwrotnie proporcjonalną zależność między oporem wnikania ciepła od strony powietrza (Rαz) i współczynnika przenikania ciepła (k). Wynika z tego, że im większy opór Rαz (np. spowodowany warstwą szronu), tym mniej efektywny odbiór strumienia ciepła z komory chłodniczej, spowodowany właśnie spadkiem współczynnika przenikania ciepła. 2. Zjawisko szronienia Podczas pracy wymienników ciepła przy temperaturach zbliżonych do 0 C i niższych, oraz jednoczesnym omywaniu ich ścian wilgotnym powietrzem, mamy do czynienia ze zjawiskiem tworzenia się na ich powierzchni szronu. Zjawisko to jest związane bezpośrednio z zejściem temperatury powierzchni zewnętrznej chłodnicy poniżej punktu potrójnego. Dla wody punkt ten (stan równowagi między lodem, ciekłą wodą i parą wodną) odpowiada temperaturze 0,01 C i ciśnieniu 611,73 Pa, co przedstawiono na rysunku 3.1. Rys. 3.1 Wykres punktu potrójnego dla wody. 3. Skutki szronienia chłodnic Proces szronienia jest procesem niepożądanym, gdyż oprócz wspomianego we wstępie pogorszenia współczynnika przenikania ciepła, może prowadzić do: oporów termicznych, a więc dodatkowego zużycia energii;

5 wzrostu oporu przepływu powietrza powodując zwiększenie pracy i wydzielanego ciepła do komory z silnika wentylatora; całkowitego zamknięcia przepływu powietrza. Dodatkowo zjawisko to wymusza przystosowanie konstrukcji chłodnicy do obecności szronu (większa podziałka żebrowania, ogrzewanie tacy na skropliny, przewód drenażowy na spływ skroplin, wyposażenie w system odszraniania). 4. Metody przeciwdziałania polegają na: Są różnorodne metody usuwania szronu z powierzchni chłodnic. Generalnie metody te zapobieganiu tworzenia się szronu, doprowadzeniu energii cieplnej, zraszaniu (rozpylaniu) soli, usuwaniu mechanicznym, usuwaniu ręcznym. problemami: Ogólnie kierunki doskonalenia procesu odszraniania są związane z następującymi wykorzystaniem niskotemperaturowego ciepła (zimna), zachowanego w szronie i w konstrukcji oziębiacza, wykorzystaniem ciepła odpadowego urządzeń chłodniczych do procesu odszraniania parowaczy, racjonalizacją częstotliwości cykli odszraniania, zmiejszeniem obciążenia cieplnego przewidzianego do przejmowania w procesach ziębniczych, a wynikającym z procesu odszraniania, podniesieniem współczynnika efektywności rzeczywistych ziębiarek, wprowadzeniem nowych kryteriów (wskaźnika TEWI) do oceny systemów odszraniania i urządzeń ziębniczych czy pomp ciepła.

6 5. Systemy odszraniania Systemy odszraniania można sklasyfikować następująco: odszranianie doprowadzoną energią (gorącymi parami, elektryczne itd.); odszranianie z odzyskiem zakumulowanego zimna ; inne systemy odszraniania: ręczne i mechaniczne czyszczenie powierzchni; usuwanie szronu przez zmianę kształtu powierzchni lub jej gwałtownym przemieszczeniu (nie oddziałujące niemal na pracę urządzenia); pokrycie powierzchni substancją hydrofobową (również nie wpływa na pracę urządzenia); system rozpylania roztworu soli; System siatki ulowej pod wysokim napięciem jonizującym powietrze wilgotne (spowolnienie osiadania szronu, brak praktycznych zastosowań); System zdmuchiwania szronu sprężonym powietrzem w połączeniu z systemem cieplnego odszraniania. Tematem mojej pracy jest odszranianie wentylatorowych chłodnic powietrza gorącymi parami czynnika w małych urządzeniach chłodniczych. Dlatego też, w dalszej części opracowania skupię się głównie na tym wątku. 6. Rozwiązania stosowane w małych urządzeniach chłodniczych W małych urządzeniach chłodniczych, w których pracuje jeden parownik w instalacji, popularnym rozwiązaniem jest odszranianie gorącym gazem przez odwrócenie obiegu, pokazano to na rysunku 6.1. Skraplacz pracuje wówczas jako parownik, odbierając ciepło od medium ziębniczego. W tym systemie należy upewnić się, czy skraplacz może pracować jak parownik i czyjego wydajność będzie wystarczająca w całym okresie pracy. Wydajność skraplacza pracującego jako parowacz jest zależna od temperatury medium chłodzącego (woda, powietrze). W przypadku skraplacza o małej pojemności ciekłego czynnika, układ należy wyposażyć w dodatkowy zbiornik 2 mający wbudowaną wężownice do przechłodzenia ziębnika (rys. 6.2). Ma to na celu uniemożliwienie gromadzenia się cieczy w skraplaczu 1, a w cyklu odszraniania zapewnienie spływu skroplin z parownika 2. Dla zwiększenia przepływu wody instalacja wyposażona jest w zawór elektromagnetyczny 4, umożliwiający obejście regulacyjnego zaworu wodnego 3. Temperatura parowania w

7 skraplaczu nie powinna spadać poniżej 0 C, aby nie występowało obmarzanie lodem. Zapewnia to użycie regulatora wydajności sprężarki 5, nastawionego na temperaturę parowania t > 0 C. Może to okazać się szczególnie trudne w przypadku dysponowania wodą chłodzącą o niskiej temperaturze (6 7 C), z powodu małej różnicy między temperaturą wody na wlocie, a temperaturą parowania. W takim przypadku nastąpi znaczne wydłużenie czasu odszraniania. Wtedy też wydajność skraplacza jest stosunkowo niewielka i powierzchnia wymiany może być zbyt mała. Natomiast w przypadku zasilania ciepłą wodą o temperaturze C, występująca różnica temperatur jest wystarczająca i tym samym zastosowanie takiego systemu odszraniana wydaje się być dobrym rozwiązaniem. Rys. 6.1 Schemat odszraniania gorącym gazem czynnika przez odwrócenie obiegu w systemie CGGo: 1 sprężarka, 2 parownik, 3 skraplacz, 4 zawór rozprężny, 5 zawór zwrotny, 6 zawór czterodrożny, 7 grzałki ścieku, 8 zawór pływakowy ścieku. Interesującym rozwiązaniem systemu odszraniania gorącym gazem przez odwrócenie obiegu, jest przedstawiony na rysunku 6.3, układ z tacą ogrzewaną elektrycznie. Dotyczy on skojarzenia dwóch średniej wielkości urządzeń chłodniczych (o wydajności 3,5 do 7 kw), ze skraplaczami chłodzonymi powietrzem.

8 Rys. 6.2 Schemat odszraniania gorącym gazem czynnika przez odwrócenie obiegu z dodatkową wężownicą w zbiorniku w systemie CGGo: 1 skraplacz, 2 zbiornik cieczy, 3 regulacyjny zawór wodny, 4 zawór elektromagnetyczny, 5 zawór regulacyjny wydajności, 6 zawór czterodrożny, 7 zawór rozprężny, 8 sprężarka, 9 parownik, 10 grzałki ścieku, 11 zawór pływakowy, 12 zawór zwrotny. W czasie odszraniania gorące pary czynnika płyną przez otwarte zawory 6 i 8 do chłodnicy powietrza 2. Spływająca z chłodnicy mieszanina par i cieczy odparowuje w osuszaczu - wymienniku regeneracyjnym 3 dzięki intensywnej wymianie ciepła z ciekłym czynnikiem płynącym ze zbiornika drugiego urządzenia chłodniczego (pracującego w cyklu chłodzenia). W efekcie zasysane przez sprężarkę pary są suche, a jednocześnie jest dochładzana ciecz w drugim urządzeniu. Praktyczne zastosowanie tego systemu pozwala na poprawę wydajności i efektywności obiegu, oraz daje znaczne efekty ekonomiczne dzięki oszczędności energii. Stosowane w wielu urządzeniach rozwiązanie z ochroną przed zasysaniem mokrych par czynnika przedstawiono na rys Dotyczy ono w szczególności niewielkich urządzeń chłodniczych z oddzielaczem cieczy 3 w obiegu. Pełni on rolę zbiornika na powstały ciekły czynnik w czasie odszraniania parownika i musi mieć wystarczającą pojemność. Chroni to sprężarkę przed zasysaniem cieczy. Udoskonaleniem tego rozwiązania ilustruje rysunek 6.5. Ciecz zgromadzona po odszranianiu w oddzielaczu 3 odparowuje, dochładzając w wężownicy ciekły czynnik zasilający parownik. Następuje więc regeneracja ciepła, rozwiązanie to jest szczególnie zalecane w urządzeniach niskotemperaturowych z uwagi na wzrost efektywności termicznej obiegu.

9 Rys. 6.3 Schemat odszraniania gorącym gazem przez odwrócenie obiegu dwóch skojarzonych urządzeń w systemie CGEo: 1 sprężarka, 2 osuszacz, 3 osuszacz-wymiennik regeneracyjny, 4 skraplacz, 5 zbiornik, 6 zawór elektromagnetyczny cieczowy gorącego gazu, 7 TZR, 8 zawór zwrotny, 9, 10 grzałki tacy i ścieku, 11 zawór pływakowy. Rys. 6.4 Schemat odszraniania gorącym gazem czynnika z oddzielaczem cieczy (oporowo) w CGEo: 1 sprężarka, 2 parownik, 3 osuszacz oddzielacz cieczy, 4 skraplacz, 5 zawór rozprężny, 6 zawór elektromagnetyczny cieczy, 7 - zawór elektromagnetyczny odszraniania, 8 - zawór zwrotny, 9 grzałki tacy, 10 grzałki ścieku, 11 zawór pływakowy.

10 Rys. 6.5 Schemat odszraniania gorącym gazem czynnika z oddzielaczem cieczy i wężownicą regeneracyjną w systemie CGEo: 1 sprężarka, 2 parownik, 3 oddzielacz cieczy (wymiennik regeneracyjny), 4 skraplacz, 5 zawór rozprężny, 6 zawór elektromagnetyczny cieczy, 7 - zawór elektromagnetyczny odszraniania, 8 - zawór zwrotny, 9, 10 grzałki tacy i ścieku, 11 zawór pływakowy. 7. Podsumowanie We wszystkich urządzeniach chłodniczych wyposażonych w wentylatorowe chłodnice powietrza pracujący przy ujemnych temperaturach, występuje problem powstawania lodu na ich powierzchniach. Typowym systemam odszraniania dla małych urządzeń chłodniczych jest odwrócenie obiegu. W małych urządzeniach nie opłaca się komplikowania konstrukcji w celu odszronienia tacek ociekowych gorącymi parami czynnika i dlatego często ogrzewa się je dodatkową energią, uzyskaną z grzałek elektrycznych. Należy pamiętać, że odszranianie chłodnic wiąże się z dodatkowym obciążeniem cieplnych chłodni. Istnieją jednak metody poprawy efektywności pracy tych systemów. Można określić optymalny czas początku i końca procesu odtajania, aby dane urządzenie przy określonych warunkach pracowało najefektywniej.

11 8. Literatura 1. Chłodnictwo 2004 r. nr 10, Dr hab. inż. Bogusław Zakrzewski, Politechnika Szczecińska. 2. Chłodnictwo 2007 r. nr 12, Dr inż. Adam Ruciński, inż. Sylwia Błaszczak, Politechnika Warszawska. 3. Chłodnictwo & Klimatyzacja 2002 r. nr 4, Aleksander Paliwoda, Warszawa. 4. Chłodnictwo & Klimatyzacja 2007 r. nr 9, Marek Steindel, Leszek Bednarczyk. 5. Chłodnictwo & Klimatyzacja 2007 r. nr 10, Bogusław Zakrzewski, Ewelina Hrycyk. 6. Chłodnictwo & Klimatyzacja 2003 r. nr 12, Joachim Kozioł, Grzegorz Toczek, Gliwice. 7. Wpływ szronienia i efektów szronienia powierzchni oziębiaczy powietrza lewobieżnych obiegów termodynamicznych na degradację środowiska.?