POLITECHNIKA GDAŃSKA. Wydział Mechaniczny. Temat: Zasadność uŝytkowa stosowania oddzielaczy cieczy w małych i średnich urządzeniach chłodniczych.

Transkrypt

1 POLITECHNIKA GDAŃSKA Wydział Mechaniczny Temat: Zasadność uŝytkowa stosowania oddzielaczy cieczy w małych i średnich urządzeniach chłodniczych. Wykonał: Artur Papierz Systemy Chłodnicze i Urządzenia Klimatyzacyjne Sem. VIII, Rok 2005\2006

2 1. Zasada działania oddzielaczy cieczy SpręŜarki tłokowe przewidziane są tylko do spręŝania par czynnika chłodniczego. JeŜeli w zasysanym przez nie strumieniu płynu roboczego znajduje się większa ilość cieczy, wówczas moŝe dojść do spieniania oleju w skrzyni korbowej i do uszkodzenia łoŝysk lub teŝ do uderzeń cieczy w zaworach roboczych. Tego typu problemy pojawiają się głównie w urządzeniach z oszranianiem parowników przy uŝyciu gorącego gazu. Po przeprowadzeniu takiej operacji przy przełączaniu na cykl chłodzenia moŝe zdarzyć się, Ŝe spora porcja ciekłego czynnika zostanie porwana z parownika wraz z zasysaną parą. Jest to szczególnie niebezpieczne przy krótkich przewodach ssawnych, w których na skutek niewielkiej ilości napływającego ciepła z otoczenia, ciekły czynnik nie zdąŝy odparować. W takim przypadku naleŝy wbudować w przewód ssawny przed spręŝarką oddzielacz cieczy, nazywany równieŝ osuszaczem pary. Działa on jak zbiornik buforowy. Ciekły czynnik chłodniczy zbiera się na jego dnie, odparowuje na skutek napływającego ciepła z otoczenia i w postaci pary suchej jest odsysany przez spręŝarkę z jego górnej części. Dla niskich temperatur parowania zaleca się stosowanie oddzielacza cieczy ogrzewanego gorącymi parami. Dzięki temu z jednej strony szybciej odparowuje zgromadzony w tym zbiorniku ciekły czynnik, z drugiej zaś doprowadzony wraz z cieczą olej staje się przez ogrzanie rzadszy, co zapewnia jego łatwiejszy powrót do spręŝarki. Wielkość oddzielacza cieczy zaleŝy przede wszystkim od średnicy przewodu ssawnego, poniewaŝ do skutecznego odprowadzenia oleju wymagana jest prędkość pary wynosząca ok m/s. Jest to szczególnie waŝne i wymagające sprawdzenia przy częściowych obciąŝeniach cieplnych układu. 2. Funkcje oddzielacza cieczy w obiegu pompowym. Oddzielacz cieczy w obiegu pompowym zwany teŝ centralnym oddzielaczem cieczy, zbiornikiem zasilającym lub zbiornikiem akumulacyjnym, wypełnia cztery waŝne zadania, związane z regulacją przepływu czynnika w urządzeniu chłodniczym: Zasila obieg pompowy czynnikiem chłodniczym, zapewniając stabilną pracę pomp Oddziela ciecz z pary mokrej powracającej z parowników Kompensuje zmiany w ilości cieczy, zachodzące w parownikach podczas ich pracy przy róŝnych obciąŝeniach cieplnych Stabilizuje ciśnienie parowania przy zmianach obciąŝenia cieplnego

3 Osuszenie mokrej pary czynnika chłodniczego polega głównie na oddzieleniu kropli cieczy od pary Z parowników pracujących obiegu pompowym przy określonym obciąŝeniu cieplnym, wraca do oddzielacza cieczy mieszanina dwufazowa, o względnie niskim współczynniku suchości, zawierająca jednak objętościowo bardzo duŝo pary. Cząstki cieczy są w związku z tym stosunkowo mocno rozproszone w parze, tworząc krople o róŝnej wielkości. Nie wszystkie z nich udaje się oddzielić od strumienia par zasysanych do spręŝarek. Oddzieleniu ulegają jednak krople większe. Krople mniejsze niewyrządzające Ŝadnych szkód w spręŝarce, zostają porwane wraz ze strumieniem par, które posiadają na ogół kilkustopniowe przegrzanie. Stopień suchości powracających z parownika par nie jest stały. Zmienia się on przede wszystkim pod wpływem zmian obciąŝenia cieplnego parowników i co za tym idzie, pod wpływem zmian wydajności spręŝarek. Spadek obciąŝenia cieplnego oznacza odparowanie mniejszej masy czynnika chłodniczego, więc w parowniku pozostaje więcej cieczy, natomiast pary na wylocie z niego stają się bardziej mokre. JeŜeli obciąŝenie cieplne spada do zera, wówczas czynnik nie odparowuje w ogóle i parownik zapełnia się całkowicie cieczą podawaną przez pompy. Równocześnie w oddzielaczu cieczy zaczyna się obniŝać poziom cieczy. Przyrządy regulacyjne doprowadzają ciecz, ale prędkość napływu cieczy ze skraplacza jest duŝo wolniejsza od tempa ubywania cieczy w oddzielaczu. Wskutek czego, stan niedoboru cieczy w oddzielaczu utrzymuje się przez pewien czas. Spada teŝ ciśnienie, co w rezultacie jest impulsem do obniŝenia wydajności spręŝarek. Odwrotnie: przy maksymalnym obciąŝeniu cieplnym, stosunkowa duŝa masa dopływającego do parownika ciekłego amoniaku szybko odparowuje, wypierając gwałtownie z niego ciecz do oddzielacza. Im bliŝej końcowej części parownika, tym większy jest udział par w mieszaninie dwufazowej przy maksymalnej w tych warunkach wartości stopnia suchości par. Wskutek dopływu cieczy, w oddzielaczu podnosi się jej poziom, a wzrost obciąŝenia cieplnego w parowniku i związane z tym zwiększenie się ilości par powoduje wzrost panującego w nim ciśnienia parowania i ciśnienia w oddzielaczu, co z kolei staje się impulsem do wzrostu wydajności spręŝarek. Następuje to jednak z pewnym opóźnieniem. PoniewaŜ w praktyce spotykamy się na ogół z układami chłodniczymi, w których występuje zmienne obciąŝenie cieplne, naleŝy w tym kontekście zwrócić uwagę na istotne cechy procesów odbywających się w oddzielaczu cieczy, a są to: Największe zmiany stopnia suchości mokrych par dopływających przewodem powrotnym do oddzielacza cieczy i związane z tym

4 przemieszczenia cieczy, spowodowane są przez wahania obciąŝenia cieplnego parownika(równoznaczne ze zmianami wydajności spręŝarek) Zmiany obciąŝenia cieplnego mają odpowiedni przebieg w czasie i cechują się odpowiednią dynamiką Charakter zmian obciąŝenia cieplnego parownika decyduje o zmianach poziomu cieczy w oddzielaczu Zdolność do oddzielania cieczy i do kompensowania poziomów cieczy, wzajemnie na siebie oddziaływają Zmiany stopnia suchości strumienia dwufazowego wypływającego z parowników mają na ogół charakter względnie powolny, jednak nieraz np. podczas skokowego podłączenia nowych parowników, mogą przebiegać gwałtownie, co moŝe spowodować równie gwałtowne zmiany poziomu cieczy w oddzielaczu. Rys.1 Schemat ideowy poziomego oddzielacza cieczy: a) przekrój wzdłuŝny: 1- obszar mokry, 2- obszar intensywnego oddzielania kropli cieczy od par, 3- obszar względnie suchy; b) przekrój poprzeczny, oddzielacz zasilany zaworem pływakowym wysokiego ciśnienia; c) przekrój poprzeczny, zasilanie sterowane przez niskociśnieniowy układ regulacji poziomu cieczy; oznaczenia: A- pola przekrojów poprzecznych, V-pojemność, H- wysokość poziomu cieczy

5 Minimalna wielkość oddzielacza cieczy, określona jego średnicą i długością, musi być dostosowana do wszystkich zmian. Pojemność ta wyraŝa się wzorem: V s = V 0 + V b + V p = (π *D 2 /4)* L [m 3 ] gdzie: V s [m 3 ]- pojemność całkowita oddzielacza; V 0 [m 3 ]- pojemność minimalna oddzielacza wypełniona cieczą do określonego poziomu minimalnego, zapewniającego jeszcze ciągły i niezaburzony dopływ cieczy z oddzielacza do pomp; V b [m 3 ]- pojemność buforowa, czyli część pojemności oddzielacza niezbędna do kompresowania zmian poziomu cieczy zachodzących przy zmianach obciąŝenia cieplnego parowników, wraz z rezerwą na dodatkowe zmiany poziomu z innych powodów; V p [m 3 ]- minimalna pojemność parowa oddzielacza, w której odbywa się osuszanie par; D[m]- średnica wewnętrzna oddzielacza L[m]- długość oddzielacza cieczy; do obliczeń przyjmuje się wymiary części cylindrycznej oddzielacza, przyjmując załoŝenie, Ŝe pojemność jego czasz dennych stanowi niewielką rezerwę pojemności. Stopień napełnienia parownika cieczą (rys.2) Rys.2

6 3. Zastosowanie oddzielaczy cieczy w małych i średnich urządzeniach chłodniczych Zastosowanie oddzielaczy cieczy w systemach chłodniczych zapobiega wpadaniu ciekłego czynnika chłodzącego do spręŝarki. Zabezpiecza tym samym jej normalną, niezawodną pracę. Wykorzystanie oddzielaczy cieczy w duŝych i średnich urządzeniach chłodniczych jest szeroko znane i wystarczająco dobrze przestudiowane. W małych urządzeniach chłodniczych (wydajność chłodnicza do 10 KW) oddzielacze cieczy do ostatniego czasu nie były prawie uŝywane. Uwarunkowane to jest tym, Ŝe w takich urządzeniach moŝliwe jest do osiągnięcia wystarczające przegrzanie. Oprócz tego małe maszyny pracują zwykle z hermetycznymi spręŝarkami, w których jak uwaŝano wcześniej trafienie ciekłego czynnika chłodniczego do spręŝarki, nie przynosi szkody, a nawet poprawia ochładzanie wmontowanego silnika elektrycznego. Tymczasem ostatnie badania pokazują, Ŝe osiągnięcie pełnego odparowania czynnika chłodniczego w małych urządzeniach chłodniczych jest niemoŝliwe w większości przypadków, co doprowadza do znacznego obniŝenia efektywności ich pracy. Przede wszystkim odnosi się to do pomp ciepła, gdzie temperatury parowania są wysokie, a zmiany ciśnienia między czynnikiem chłodniczym na ssaniu, a powietrzem cyrkulacyjnym są małe, co nie gwarantuje pełnego zasysania kropli ciekłego czynnika chłodniczego. Stwierdzono takŝe, Ŝe natrafienie czynnika chłodniczego na uzwojenie silnika elektrycznego moŝe doprowadzić do zniszczenia jego izolacji, natomiast kontakt tego czynnika z powierzchnią tarcia wzajemnie pracujących ze sobą elementów do zniszczenia warstwy smarnej i przedwczesnemu zuŝyciu pracujących powierzchni. W małych urządzeniach chłodniczych, gdzie przede wszystkim były zastosowane oddzielacze cieczy, w następstwie niewielkiej ilości unoszonego z parownika czynnika chłodniczego, oddzielacze cieczy mają nieduŝe rozmiary i z reguły są montowane bezpośrednio na dolocie do spręŝarki. Takie zamontowanie umoŝliwia owiewanie ich ciepłym powietrzem, co z kolei powoduje bardziej intensywne odparowanie. Cechą tych oddzielaczy cieczy jest automatyczny powrót nie tylko czynnika chłodniczego w postaci pary, ale i oleju, który się z nich oddzielił. W urządzeniach chłodniczych sprzętu handlowego oddzielacze cieczy zaczęto uŝywać stosunkowo niedawno. W związku z rozprzestrzenieniem automatycznego odmraŝania parownika przez gorące pary czynnika chłodniczego i szerokie wdroŝenie wbudowywanych agregatowych maszyn chłodniczych. Podanie gorących par pod wysokim ciśnieniem do parownika doprowadza do ostrego wyrzucenia czynnika chłodniczego do przewodu ssawnego, co zwiększa pojawienie się wskazanych powyŝej minusów, a takŝe doprowadzenie do nadmiernego obciąŝenia silnika elektrycznego, uszkodzenia zaworów i do innych zakłóceń pracy spręŝarki. W związku z tym rząd zagranicznych firm Sanyo i Toshiba (Japonia), Dorin (Włochy),

7 Trimar (Francja), Jorle (USA) i inne, uzupełnia wszystkie niskotemperaturowe i część średniotemperaturowych agregatów przez oddzielacze cieczy (rys.3). Rys.3 Agregat chłodniczy firmy Toshiba 1- zbiornik 2- spręŝarka 3- kondensator z węzłem wentylacyjnym 4- oddzielacz cieczy Analiza patentowych i prospektowych materiałów świadczy o tym, Ŝe oddzielacze cieczy (rys.4) róŝnią się przede wszystkim systemem odprowadzenia oleju. Pojemność ich jest przykładowo o 1,5-2 razy większa od pojemności pojedynczych oddzielaczy. W oddzielaczach cieczy pokazanych na rysunkach 4 a i b podwyŝszenie efektywności separacji osiąga się przy uŝyciu odprowadzającej U-rurki ze spiralnym odgałęzieniem. Olej jest unoszony przez parę przez nieduŝy otwór w kolanku rury lub zrzucany przez zawór automatyczny do spręŝarki. W oddzielaczu cieczy na rysunku 4b do odprowadzającej U-rurki są przymocowane mniejsze rurki umieszczone pod poziomem cieczy, których zadaniem jest odprowadzanie oleju. Znane są teŝ konstrukcje oddzielaczy cieczy połączone z urządzeniami przez regeneracyjny wymiennik ciepła 4 c,d,e,f.

8 Rys.4 Firma Dorin uzupełnia agregaty chłodnicze oddzielaczami cieczy jednego typu (rys.5).

9 Rys.5 Czynnik chłodniczy zostaje zassany z parownika przez zawór spustowy (4) przechodzi przez U-rurkę, a następnie jest odsysany przez spręŝarkę. Powrót oleju, który wydzielił się wraz z czynnikiem chłodniczym w przestrzeni oddzielacza 1) wykonuję się przez otwór (5) w dolnej części U-rurki odprowadzającej. Dla wyrównania ciśnienia między zbiornikiem, a częścią ssawną U-rurki, umieszcza się nieduŝe otwory (2) na wylocie z U-rurki. W 1978 r. zaczęła się produkcja niskotemperaturowych komór chłodniczych obsługiwanych przez 2 agregaty chłodnicze typu BC7 1250(2) R22 z automatycznym topnieniem szronu poprzez gorące pary czynnika chłodniczego. Eksploatacyjne badanie zbiorników przeprowadzone przez Moskiewski Kombinat ukazały, Ŝe w spręŝarkach miało miejsce znaczne zuŝycie powierzchni naraŝonych na tarcie (np.korbowód). Jako przyczynę ustalili wpadanie czynnika chłodniczego w procesie odtajania i pogorszenie smarowania powierzchni trących. W celu sprawdzenia tego w fabryce w Jarosławiu były przeprowadzone badawcze porównania komór chłodniczych KXH-2-6CM. W tym celu był zmontowany specjalny stelaŝ imitujący pracę systemu z agregatem BC7 1250(2) (Rys.6)

10 Rys.6 Czynnik chłodniczy R22 kierował się ze spręŝarki 1 przez zawór zwrotny 2, kondensator 3, zbiornik 4, zawór zwrotny 5, osuszający filtr 6 i zawór termoregulujący 7 połoŝony w komorze niskotemperaturowej 8 i parownik 9. Z parownika pary czynnika chłodzącego powracały do spręŝarki poprzez zawory zwrotne 11 i 13. Przy odmraŝaniu przekaźnik czasowy 14 otwierał zawór 15 i czynnik chłodniczy mijając kondensator wchodził do parownika i wypychał znajdującą się w nim ciecz bezpośrednio do spręŝarki. Następnie czynnik chłodniczy przechodził z parownika przez zawór 16 do oddzielacza cieczy 17 i zostawał zasysany przez spręŝarkę. W celu wizualnej obserwacji powrotu czynnika chłodniczego, wbudowane zostały szybki 10 i 12. W charakterze oddzielacza cieczy stosowane były takŝe konstrukcje pokazane na rysunku (7).

11 Rys.7 1-wejście pary, 2-wyjście pary, 3-korpus, 4-U-rurka Pojemność oddzielacza 2,2l, średnica U-rurki 16mm. Badania odbywały się przy ciśnieniu na ssaniu 0,15 MPa w czasie pracy urządzenia przy cyklu chłodzenia oraz ciśnieniu 0,42 MPa w cyklu odmraŝania gorącymi parami. Temperaturę otaczającego powietrza utrzymywano na poziomie 20 0 C. Przy pracy w cyklu chłodzenia temperatura w chłodzonej komorze była równa C, natomiast przy cyklu odmraŝania wynosiła 7 0 C. Przed i po badaniu sprawdzono części naraŝone na tarcie, czyli np. pary typu tłok-cylinder. Do pomiaru zuŝycia powierzchni ciernych wykorzystano mikroskop. Doświadczalny agregator przepracował 200 godzin(po 100 godzin w cyklu chłodzenia i odmraŝania). Badania pokazały, Ŝe przy braku oddzielacza cieczy zuŝycie powierzchni naraŝonych na tarcie zaczyna się wcześniej i przebiega gwałtowniej. Szczególne duŝe jest zuŝycie pary sworzeń-korbowód. Dla korbowodu wynosiło ono 8 mikrometrów, a dla sworznia 25 mikrometrów. Przy czym przy zastosowaniu oddzielacza cieczy zuŝycie obu detali wynosiło 2 mikrometry. W celu dobrania optymalnych parametrów konstrukcyjnych, objętość oddzielaczy cieczy tego typu była zmniejszana do wartości 0,7l. Zmniejszano takŝe średnicę U-rurki do 12mm przy objętości oddzielacza 2,2l. W początkowym wariancie doświadczalnym(objętość 2,2l) wyrzucenie czynnika chłodniczego z parownika do spręŝarki trwało zaledwie sekund. W przypadku zmniejszonej objętości oddzielacza czas ten wydłuŝył się do 3 minut. Zmniejszenie przekroju U-rurki wydłuŝało czas wyjścia czynnika chłodzącego do 1-1,5 minuty. Zatem moŝna zauwaŝyć, Ŝe pierwszy wariant oddzielacza cieczy na schemacie z agregatorem chłodzącym BC7 1250(2) okazał się najbardziej trafny.

12 Według Rosjan optymalna konstrukcja oddzielaczy cieczy powinna zabezpieczać stopień suchości pary na wyjściu(nie mniej niŝ 0,9) przy maksymalnym obciąŝeniu cieplnym. Prędkość pary powinna wynosić 2-6 m/sek, aby zapewnić normalną cyrkulacje oleju, przy czym straty ciśnienia na przewodzie ssawnym nie powinny przekraczać 5-10 kpa. Badania dotyczące optymalnej konstrukcji oddzielacza cieczy przeprowadzone przez Rosjan polegały na porównaniu konstrukcji, przygotowanych na bazie agregatu chłodniczego BC (1). W oddzielaczu cieczy O HC-2 przedstawionym na poniŝszym rysunku (8a) kropelki oleju są zabierane przez przechodzące przez U-rurkę potoki pary, po czym są zasysane przez spręŝarkę. W czasie pracy maszyny w cyklu odmraŝania i przy wypełnieniu oddzielacza cieczą na 2/3 wysokości para przechodząca przez U-rurkę zabiera znaczną część cieczy i wypycha ją przez rurkę o średnicy D2. Rys.8 W oddzielaczu cieczy O HC-2M przedstawionym na powyŝszym rysunku (8b) olej powraca dzięki istnieniu róŝnicy ciśnień pomiędzy rurką na wyjściu do spręŝarki, a częścią rurki zanurzonej w cieczy. Tworzy się podciśnienie i drobiny oleju są zasysane do spręŝarki. MoŜemy zauwaŝyć, Ŝe znaczną część strumienia pary G1 (rys.8c) stanowi para sucha wypełniająca oddzielacz. Strumień G2 tworzy ciecz osadzona na dole zbiornika buforowego. Strumienie G1 i G2 łączą się i potok pary wraz z kropelkami oleju są zasysane do spręŝarki. Otwory o średnicy d y mają na celu dodatkowo zmniejszyć stopień suchości pary wychodzącej z oddzielacza w czasie cyklu odmraŝania. Jak pokazuje praktyka eksploatacji średniotemperaturowych urządzeń chłodniczych zaopatrzonych w czynnik chłodniczy R12 przy niskich temperaturach otaczającego powietrza ( C) proces odmraŝania naturalnym

13 sposobem trwa min. W celu skrócenia czasu odmraŝania stosuje się ogrzewanie czynnika gorącymi parami. Rząd zagranicznych firm zaleca stosowanie oddzielaczy cieczy w urządzeniach chłodniczych pracujących z czynnikiem chłodniczym R12, gdyŝ zwiększa to niezawodność pracy spręŝarki, przy nagłym wyrzucaniu czynnika chłodniczego z parownika. Badania oddzielaczy cieczy były przeprowadzane na czynnikach R12 i R22. W celu oceny moŝliwości wykorzystania rezultatów badań do całego rzędu agregatów chłodniczych. Rys.9 Schemat stelaŝa do badań optymalnej konstrukcji oddzielacza cieczy: 1- kondensator 2- spręŝarka 3- szybka 4- oddzielacz cieczy 5- wizjer 6- zbiornik Podczas badań jako uzupełnienie parametrów mierzonych wg TOCT , określono temperatury pary na wejściu i wyjściu z oddzielacza cieczy, stratę ciśnienia na ssaniu, koszty czynnika chłodniczego, stopień suchości pary na wejściu i wyjściu przy uŝyciu kalorymetru. W celu zabezpieczenia przed dopływem ciepła z zewnątrz oddzielacze izolowano podwójnie. Agregaty chłodnicze badano przy temperaturach otaczającego powietrza rzędu 20 0 C i stopniu suchości pary na wejściu do oddzielacza 0,4-1,0, prędkości pary wynoszącej 0,015-0,035 m/s, przy czym temperatury wrzenia wynosiły kolejno -25, -15, -10, +5 0 C. Przy temperaturze wrzenia 5 0 C imitowano proces bliski do przeciekającego parownika. W czasie jego odmraŝania gorącymi parami, pierwsza seria była przeprowadzana w celu określenia wielkości próŝni (6), a

14 takŝe rozmiaru i ilości otworów poziomych. Badania pokazały (rys.9), Ŝe straty ciśnienia w oddzielaczach cieczy są jednakowe. Rys.10 ZaleŜność strat ciśnienia w oddzielaczu cieczy pracującym z agregatem BM 400 od temperatury wrzenia (stopień suchości na wejściu do oddzielacza cieczy x=1). 4. Wnioski PowyŜsza praca ukazuje jak duŝe zastosowanie mają oddzielacze cieczy w obecnie produkowanych urządzeniach chłodniczych, szczególnie w pompach ciepła, gdzie odwrócenie obiegu powoduje napływanie ciekłego czynnika do spręŝarki powodując jej uszkodzenie. WaŜne jest takŝe, aby dobrać odpowiednie parametry konstrukcyjne oddzielacza, oraz umieścić go w odpowiednim miejscu (w małych urządzeniach chłodniczych na dolocie do spręŝarki), gdyŝ źle dobrany oddzielacz moŝe nie spełniać swojego zadania, a nawet powodować szkody.

15 5. Literatura 1. Chołodilnaja technika 8/81 2. Chołodilnaja technika 10/79 3. Konrad Kalinowski Amoniakalne urządzenia chłodnicze Tom 1 4. Hans Jurgen Ullrich Technika Chłodnicza- Poradnik Tom 1