Politechnika Gdańska

Transkrypt

1 Politechnika Gdańska SEMINARIUM Z PRZEDMIOTU AUTOMATYKA CHŁODNICZA I KLIMATYZACYJNA. Temat: Celowość płynnej regulacji wydajności chłodniczej w urządzeniach o mocy do 1 kw. wykonał : Kamil Karasiewicz semestr : IX specjalność : SiUChKl wydział : Mechaniczny rok akademicki: 2008/2009

2 Podział pracy: 1. Wstęp. 2. WSPÓŁPRACA SPRĘŻARKI Z PAROWNIKIEM (charakterystyka pracy urządzenia chłodniczego). 3. Metody regulacji wydajności sprężarek. 4. Wpływ zmniejszenia wydajności na moc efektywną przy regulacji wydajności. 5. Podsumowanie. 6. Literatura. 1. WSTĘP Jedną z podstawowych cech każdego urządzenia chłodniczego jest zmienność jego parametrów pracy. Zadaniem urządzenia jest odprowadzenie ciepła od danego obiektu chłodniczego w określonym czasie lub w sposób ciągły i przekazywanie tego ciepła przez skraplacz do otocznia. Strumień cieplny odbierany od chłodzonego obiektu stanowi obciążenie cieplne urządzenia chłodniczego. Aby spełnić swoje zadanie urządzenie chłodnicze musi posiadać odpowiednią wydajność (moc) chłodniczą dobraną do konkretnych potrzeb. Przez wydajność chłodniczą (moc chłodniczą) rozumiemy wydajność sprężarki, obsługującej dany obiekt chłodniczy, przy ściśle określonych temperaturach parowania i skraplania. Obciążenie cieplne w większości urządzeń podlega znacznym wahaniom, a między innymi: Różnicą temperatur otoczenia pomiędzy dniem a nocą, Różnicą temperatur podczas ich eksploatacji w porze zimowej i letniej, ma znaczne różnice w stratach przenikania ciepła przez przegrody budowlane, co związane jest ze zmianami obciążenia cieplnego, Różnicą w zapełnianiu komór chłodniczych towarami oraz ich temperaturą podczas załadunku, Różnicą wykorzystania pomieszczeń w okresie tygodnia roboczego oraz w dni świąteczne. Urządzenia chłodnicze powinny zawsze być projektowane z uwzględnieniem najwyższych temperatur otoczenia (użytkowanie w okresie letnim) oraz maksymalnego obciążenia cieplnego (wypełnienie towarem i czas pracy). Takie warunki ich eksploatacji spotyka się jednak zwykle bardzo rzadko i w krótkich okresach działania, zatem sprężarka, skraplacz i parownik są przez większość czasu użytkowania przewymiarowane. Zmieniające się warunki zewnętrzne powodują, że stale zakłócana jest równowaga między wydajnościami poszczególnych elementów składowych tych urządzeń.

3 2. WSPÓŁPRACA SPRĘŻARKI Z PAROWNIKIEM (charakterystyka pracy urządzenia chłodniczego w okresie letnim i zimowym). Rys Charakterystyka pracy urządzenia chłodniczego. [3] Wydajność chłodnicza sprężarki w zimie, przy wzrastającej temperaturze parowania t 0 i obniżającej się temperaturze skraplania t, powiększa się, natomiast wydajność cieplna parownika, przy rosnącej temperaturze parowania t 0 i malejącej skutkiem tego różnicy temperatur, ulega zmniejszeniu. W punktach przecięcia charakterystyk pokazanych na (rys. 2.1), zachodzi równowaga między wydajnością sprężarki, skraplacza i parownika. Są to punkty pracy urządzenia chłodniczego podczas jego działania w okresie letnim i zimowym. Z ich położenia wynika, że zapotrzebowanie na wydajność chłodniczą wynoszące w lecie Q 0 spadnie w zimie do Q 0. Obniży się przy tym temperatura w komorze, od t R do t R. Aby zapobiec takiemu jej spadkowi należy dopasować do nowych warunków wydajności: sprężarki, skraplacz, parownik, np. zmieniając ilość pracujących cylindrów sprężarki regulując liczbę obrotów wentylatora skraplacza, czy też zmieniając poziom dławienia czynnika chłodniczego wtryskiwanego do parownika.

4 3. METODY REGULACJI WYDAJNOŚCI SPRĘŻAREK CHŁODNICZYCH. Zadaniem regulacji jest utrzymanie na stałym poziomie wymaganych warunków np. temperatura w komorze, przy czym stan roboczy elementów składowych regulatora (jego nastawy) jest stale dopasowywany do zmieniających się warunków zewnętrznych (wymuszeń zakłócających np. temperatura otoczenia). Wydajność można obniżyć przez zmniejszenie wydajności parownika lub sprężarki. Aby zmniejszyć wydajność parownika trzeba zmienić współczynnik przenikania ciepła. Sposób ten daje w efekcie obniżenie temperatury parowania czynnika, praca sprężarki staje się mniej efektywna, dlatego wykorzystuje się całą powierzchnie parownika z optymalnym napełnieniem. Możemy wyróżnić następujące metody regulacji wydajności sprężarek: Praca przerywana. Metoda regulacji wydajności określona też mianem on-off. Regulacja odbywa się za pomocą termostatu lub presostatu zainstalowanego w przewodzie ssawnym sprężarki, którego czujkę umieszcza się w pomieszczeniu chłodniczym. Przy wahaniach obciążenia cieplnego parownika sprężarka jest automatycznie wyłączana na krótszy lub dłuższy okres.(rys. 3.1) Wada: - prowadzi niekiedy do wahań temperatury w przestrzeni chłodniczej, jeżeli w elemencie sterującym ustawi się mała różnicę wówczas sprężarka będzie często się wyłączać, co prowadzi do uruchomienia zabezpieczenia przed jej przegrzaniem i skrócenia ogólnej żywotności. - pobór dużego prądu rozruchowego przy każdym włączeniu urządzenia oraz częstsza praca sprężarki w stanie nieustalonym. Rys Schemat regulacji wydajności sprężarki chłodniczej poprzez okresowe wyłączenie silnika pod wpływem obniżenia temperatury parowania [1]: 1- termostatyczny zawór rozprężny, 2 parownik, 3 wyłącznik ciśnieniowy (bezpieczeństwa), 4 wyłącznik niskiego ciśnienia (presostat lub termostat), 5 skraplacz, 6 sprężarka, 7 silnik elektryczny

5 Zmiana regulacji prędkości obrotowej sprężarki. Jest to najbardziej ekonomiczny sposób regulacji wydajności. Przy regulowanej w sposób ciągły liczbie obrotów, przy zmniejszonym obciążeniu sprężarki, występują mniejsze straty energii ponieważ jej straty wewnętrzne i mechaniczne, a także wydajność zmieniają się prawie proporcjonalnie do prędkości obrotowej. Pobór energii zmniejsza się proporcjonalnie do zmian wydajności chłodniczej, a to powoduje że przy częściowym obciążeniu utrzymywana jest wysoka sprawność jej działania. Wyróżnimy następujące sposoby regulacji wydajności przez zmianę prędkości obrotowej: - zmiana prędkości obrotowej za pomocą przekładni, (Rys. 3.2) - zmiana liczby obrotów przez zmianę liczby par biegunów, - zmiana liczby obrotów przez redukcję napięcia, - redukcja liczby obrotów przez zmianę częstotliwości.(rys. 3.3) Rys 3.2. Bezstopniowo regulowana przekładnia pasowa typu Vario firmy Bock.[3]

6 Rys 3.3. Hermetyczna sprężarka śrubowa firmy Bitzer pracująca z regulacją częstotliwości.[3] Dławienie zassanej pary czynnika (regulator ciśnienia parowania). W przewodzie przed sprężarką instaluje się regulator ciśnienia parowania. Stabilizuje on to ciśnienie, dławiąc strumień pary zasysany przez sprężarkę.(rys. 3.4.) Skutkiem dodatkowego spadku ciśnienia jest zmniejszająca się gęstość zasysanej pary czynnika chłodniczego przed sprężarką a także i strumień masowy przetłaczanego przez nią czynnika. W efekcie dławienia pary czynnika zasysanej przez sprężarkę, pogorszeniu ulegają warunki chłodzenia jej silnika oraz rośnie końcowa temperatura sprężania Metoda jest prosta i opłacalna. Rys Regulator ciśnienia parowania typu KVP firmy Danfoss.[3]

7 Regulacja upustowa (by - pass). Zmianę wydajności nadążającą za zmianami aktualnego ich obciążenia cieplnego, najłatwiej uzyskujemy dzięki zastosowaniu regulatora upustowego (obejściowego) gorących par (by pass), zwanego tez regulatorem wydajności. (Rys.3.5) Układ by-pass może być włączony między przewodem tłocznym za sprężarką (gorąca para) lub przestrzenią parową zbiornika ciekłego czynnika (chłodna para), a stroną ssawną sprężarki lub też wlotem do parownika. Chłodna para posiada tę zaletę, że nie jest ona obarczona ciepłem przegrzania, które zostało oddane już w skraplaczu. Rys Regulator wydajności typu CPCE firmy Danfoss. a) By-pass na dopływie gorących par do parownika Rys. 3.6 By pass na dopływie par parownika [3]. Sposób wykorzystywany w urządzeniach posiadających jeden parownik. Odprowadzenie ciepła przegrzania wnoszonego przez pochodzące z upustu gorące pary zachodzi bezpośrednio w parowniku przez termostatyczny zawór rozprężny. W rozdzielaczu cieczy najlepiej jest jak występują niewielkie straty ciśnienia. Doprowadzenie gorących par powinno

8 następować od góry, przez trójnik umieszczony między zaworem rozprężnym a rozdzielaczem cieczy. b) By-pass gorących par do przewodu ssawnego. Metody tej używamy w urządzeniach posiadających więcej niż parownik. Do odprowadzania dodatkowego ciepła stosuje się dodatkowy termostatyczny zawór wtryskowy. Przewód obejściowy gorących par czynnika oraz dodatkowy przewód wtryskowy wlutowujemy w przeciwległe ramiona trójkąta, uzyskujemy dzięki temu wymieszanie się strumieni. Regulator obejściowy gorących strumieni par otwiera się po przekroczeniu na nim wartości ciśnienia, utrzymując stałe ciśnienie ssania i dzięki temu odsysanie czynnika z parownika przestaje być możliwe. Zawór elektromagnetyczny stanowi zabezpieczenie przed przedostaniem się ciekłego czynnika chłodniczego do sprężarki podczas przerw w jej pracy. Rys. 3.7 By-pass gorących par do przewodu ssawnego.[3] 1 gorąca para- zawór elektromagnetyczny, 2 gorąca para-regulator obejściowy, 3 termostatyczny zawór wtryskowy, 4 ciekły czynnik zawór elektromagnetyczny. Regulacja wydajności przez wyłączenie cylindrów. Metoda stosowana jest w sprężarkach o większej liczbie cylindrów, których pojedyncze cylindry lub ich pary są wyłączone. Cylindry możemy wyłączyć przez następujące metody: - upust ze strony tocznej na ssawną. Przy pracy w wydajnością nominalną cewka elektromagnetyczna nie jest zasilana prądem. Sprężona para czynnika chłodniczego przepływa przez zawór regulacyjny do komory tłocznej. Podczas pracy przy częściowym obciążeniu cewka elektromagnetyczna zostaje pobudzona i dzięki czemu czynnik przepływa przez zawór główny z powrotem na stronę ssawną. Przepływ taki jest ekonomiczny, gdyż płyn roboczy z odciążanego cylindra kierowany jest na stronę ssawną bez sprężania. Silnik w cylindrze wykona tylko pracę biegu jałowego pokonując siły tarcia i bezwładności.(rys. 3.8.)

9 [3] - Regulacja wydajności przez podnoszenie płytek zaworów ssawnych. Tłoczki utrzymujące płytki zaworów ssawnych w stanie otwarcia poruszane są ciśnieniem oleju z układu smarowania sprężarki lub ciśnieniem par czynnika ze strony tłocznej urządzenia. Przy niewzbudzonej cewce elektromagnetycznej kanały parowe w płycie zaworowej są otwarte (B), natomiast przy jej wzbudzaniu kanał ssawny odpowiedniej głowicy jest odcinany przez zawór siłownikowy (A). Tłok tego cylindra porusza się ruchem jałowym bez ciśnienia par czynnika.(rys. 3.9).

10 Rys.3.9 [3]. Regulacja upustowa w sprężarkach śrubowych. Upustowa regulacja wydajności polega na zmniejszeniu lub powiększeniu przestrzeni międzyzębnej na początku procesu sprężania. Efekt taki przy stałych obrotach wirników uzyskuję się poprzez zastosowanie suwaka upustowego, zmieniającego w zależności od otrzymanych z regulatora impulsów, położenie krawędzi okna upustowego, łączącego komorę międzyrębną z komorą ssawną. Przesuwanie tej krawędzi przyspiesza lub opóźnia początek procesu sprężania.(rys ) Rys Zasada regulacji wydajności i sprężu wewnętrznego sprężarki śrubowej [2]: 1 suwak główny, 2 suwak pomocniczy ze sprężynami i sworzniami rozpórczymi, 3 tłok nastawny suwaka głównego, 4 cylinder siłownika hydraulicznego, 5 wirnik, 6 komora ssawna, 7 komora tłoczna

11 Zasada działania suwaków zastosowanych w sprężarce śrubowej: Suwak główny i pomocniczy umożliwiają każdej komorze międzyzębnej podtrzymanie przez pewien czas połączenia z komorą ssawną poprzez specjalne okno upustowe w korpusie sprężarki dostosowanej kształtem do suwaka. Zasysane pary czynnika chłodniczego zamiast być sprężane, są zawracane z powrotem do komory ssawnej tak długo, jak komora międzyrębna będzie zamknięta. Położenie suwaka musi odpowiadać potrzebnej aktualnie wydajności chłodniczej sprężarki, związku z tym do tłoka napędzanego hydraulicznie dochodzą sygnały sterujące. Proces sterowania wydajnością może być prowadzony w zależności od: - ciśnienia ssania, - temperatury, - wilgotności względnej powietrza w przestrzeni chłodzonej, - z wykorzystaniem presostatów, - z wykorzystaniem czujników ciśnienia, - z wykorzystaniem termostatów lub higrostatów. 4. WPŁYW ZMNIEJSZENIA WYDAJNOŚCI NA MOC EFEKTYWNĄ PRZY REGULACJI WYDAJNOŚCI. Wpływ zmniejszenia wydajności na moc efektywną sprężarki przy różnych sposobach regulacji wydajności.(rys. 3.11) Zmiana mocy Ne dla wydajności częściowej Qo w stosunku do mocy i wydajności nominalnej (Nen, Qon) przy zastosowaniu różnych sposobów regulacji wydajności: 1 zatrzymanie i uruchomienie silnika, 2 dodatkowa przestrzeń szkodliwa, 3 podwieszenie zaworów ssawnych, 4 dławienie na ssaniu, 5 połączenie ssania z tłoczeniem Idealna byłaby metoda której charakterystyka leżałaby zupełnie poziomo przechodząc przez początek układu współrzędnych. Widzimy że najbliższa idealnej jest metoda regulacji przez zatrzymania i uruchamianie sprężarki.

12 Rys Wpływ zmniejszenia wydajności na moc efektywną sprężarki przy różnych sposobach regulacji wydajności. [1] 5. PODSUMOWANIE Ilość ciepła odprowadzana do parownika(ów) wywołuje zmianę strumienia masy czynnika, który odparuje i zostanie skierowany do sprężarki stwarza to konieczność regulacji wydajności chłodniczej sprężarki. Gdyby urządzenia chłodnicze nie posiadały regulacji wydajności to wraz ze spadkiem obciążenia cieplnego spadała by temperatura w komorze chłodniczej nawet o kilka stopni, co jest negatywnym skutkiem, ponieważ w pomieszczeniu klimatyzowanym chcemy mieć temperaturę 18 0 C plus minus 1 0 C, a w chłodni bananów 13 0 C plus minus 0,1 0 C. Dlatego regulacja wydajności jest potrzebna we wszystkich urządzeniach chłodniczych. Dla tej wielkości regulację wydajności zapewnia się poprzez odpowiednie zaprojektowanie całego urządzenia chłodniczego, np. wyposażenie go w termostat, który to w zależności od obciążenia będzie włączał i wyłączał sprężarkę. W urządzeniach tej wielkości stosowanie są najczęściej sprężarki tłokowe. Płynna regulacja wydajności poprawia parametry techniczne powietrza w pomieszczeniu jak również powoduje znaczne obniżenie kosztów eksploatacyjnych. Elementy automatyki zaprojektowane w urządzeniu zapewniają także regulację poprzez np. dławienie na ssaniu. Z powyżej przedstawionych argumentów można stwierdzić, że regulacja wydajności chłodniczej w urządzeniach do 1 kw jest celowa. Urządzenie chłodnicze ze stale z pracującą sprężarką oraz z na, stale ustawionym elementem dławiącym nie mogłoby zapewnić takiej samej temperatury komory chłodniczej w okresie zimowym i letnim nie spełniło by oczekiwań odbiorcy. Przeglądając katalogi firm produkujących sprężarki o wydajności do 1kW nie spotkałem się z wcześniej omawianych metod regulacji samych sprężarek.

13 Regulacja niesie także niekorzystne skutki i zagrożenia dla sprężarki miedzy innymi: - rozwarstwianie się olejów - pienienie się oleju, - możliwość wystąpienia uderzenia hydraulicznego, - problemy z powrotem oleju do sprężarki z układu chłodniczego. 6. BIBLIOGRAFIA [1] Centek L., Białas M.: Sprężarki chłodnicze [2] Kalinowski K., Paliwoda A., Bonca Z., Butrymowicz D., Targański W.: Amoniakalne urządzenia chłodnicze Tom 1 [3] Ullrich H. J.: Technika chłodnicza. Poradnik Tom 1 i 2 [4] Warczak W.: Sprężarki ziębnicze 1987r. [5] - z dnia r