Metody Poprawy Efektywności Energetycznej - Dariusz Butrymowicz

Transkrypt

1 Metody Poprawy Efektywności Energetycznej - Dariusz Butrymowicz METODY POPRAWY EFEKTYWNOŚCI ENERGETYCZNEJ UKŁADÓW SPRĘŻARKOWYCH PRACUJĄCYCH Z NATURALNYMI CZYNNIKAMI ROBOCZYMI Dariusz Butrymowicz*,**, Jarosław Karwacki*, Robert Matysko*, Kamil Śmierciew*, Marian Trela*, Adam Dudar** * Instytut Maszyn Przepływowych PAN, ul. Gen. Fiszera 14, Gdańsk **Politechnika Białostocka, Wydział Mechaniczny, ul. Wiejska 45C, Białystok Streszczenie. W referacie zaprezentowano zasadnicze przesłanki stosowania w technice chłodniczej naturalnych czynników roboczych. Przedstawiono wybrane zagadnienia badawcze w zakresie poprawy efektywności energetycznej układów chłodniczych pracujących z takimi czynnikami. Do jednej z takich metod należy ograniczenie jednej z najistotniejszych strat w układach sprężarkowych, jaką jest strata dławienia. Stratę tę można wyeliminować poprzez zastosowanie strumienicy dwufazowej w roli podprężarki. Inną z metod podwyższenia efektywności energetycznej układów sprężarkowych jest zastosowanie takiej strumienicy w roli nadprężarki. Istotnego znaczenia nabiera także zastosowanie układów kaskadowych z dwutlenkiem węgla jako czynnikiem roboczym w dolnej kaskadzie. Zaprezentowano wybrane wyniki własnych prac badawczych w tym zakresie. 1. WSTĘP Zagadnienie wpływu podstawowych parametrów roboczych na efektywność energetyczną obiegu chłodniczego jest podejmowane coraz częściej jako wciąż aktualny problem badawczy, zwłaszcza dla naturalnych czynników chłodniczych. Zagadnienie to staje się szczególnie aktualne obecnie z uwagi na wycofanie z zastosowań chłodniczych wszystkich substancji roboczych zaliczanych do grup CFC oraz HCFC zgodnie z europejskimi oraz krajowymi aktami legislacyjnymi, a także wobec dyrektywy dotyczącej stosowania gazów cieplarnianych (tzw. Dyrektywa F-Gases) [1]. Celem tej Dyrektywy jest ograniczenie emisji do atmosfery czynników należących do grupy HFC. Ponieważ czynniki należące do grupy HFC cechują się zazwyczaj bardzo wysokimi wartościami potencjału tworzenia efektu cieplarnianego GWP należy liczyć się z tym, iż technologie oparte na zastosowaniu tych płynów roboczych nie powinny być traktowane jako długofalowe. Jak dotąd nie wprowadzono na rynek płynów roboczych syntetycznych, których potencjał GWP przyjmowałby akceptowalne wartości pomimo, iż tuż po wprowadzeniu. Dyrektywy F-Gases czołowi dostawcy czynników roboczych dla techniki chłodniczej i pomp ciepła rozbudzili takie nadzieje. Należy dodać, iż biorąc pod uwagę wskaźniki zawarte w powyższej Dyrektywie dla

2 roztworów czynników za akceptowalny poziom należy uznać wartość GWP <150. W aktualnej sytuacji - nie są dostępne na rynku dojrzałe rozwiązania techniczne dla całego obszaru techniki chłodniczej, klimatyzacyjnej i pomp ciepła, które byłyby oparte wyłącznie na czynnikach o niskim potencjale tworzenia efektu cieplarnianego. Zasadniczą przyczyną tego stanu rzeczy jest bowiem to, iż rozwiązania te musiałyby być oparte wyłącznie o zastosowania płynów naturalnych, dla których potencjał GWP jest zerowy lub bardzo niski. Do płynów tych należą takie czynniki jak: amoniak, dwutlenek węgla oraz węglowodory. Wybór tych właśnie płynów w roli czynników roboczych nie jest przypadkowy, bowiem są to substancje stosowane w technice chłodniczej od bardzo dawna. Nie znaczy to jednak, że ponowne wprowadzenie do techniki chłodniczej tychże płynów jest zagadnieniem łatwym przede wszystkim z racji bezpieczeństwa, efektywności energetycznej, a także specyficznych trudności konstrukcyjnych dla danego czynnika roboczego. Wedle najnowszych poglądów [2], o tworzeniu efektu cieplarnianego nie decydują jednak same własności czynnika roboczego, lecz przede wszystkim efektywność energetyczna urządzeń. Dla wielu czynników o pożądanych z ekologicznego punktu widzenia cechach uzyskuje się niską lub umiarkowaną efektywność energetyczną urządzeń, a ta z kolei skutkuje znaczną emisją dwutlenku węgla i innych gazów cieplarnianych w trakcie produkcji energii napędowej. W większości przypadków udział pośredni w tworzeniu efektu cieplarnianego (wynikający z emisji gazów cieplarnianych w procesie produkcji energii) to 80 95% całkowitego wkładu urządzenia w tworzenie efektu cieplarnianego. Dlatego wedle najnowszych poglądów kluczową rolę należy przypisać tym rozwiązaniom, które zapewniają jak najniższą energochłonność, a zatem najwyższą efektywność energetyczną. Podwyższenie efektywności energetycznej omawianej grupy urządzeń jest zadaniem bardzo pilnym z racji na ograniczenie zastosowań czynników, dla których uzyskiwano szczególnie wysokie wartości COP (na przykład wiele czynników należących do grupy HCFC, takich jak: R-22 oraz R-123). Sytuacja ta stwarza zatem szczególną potrzebę badań nad możliwymi sposobami skutecznej poprawy efektywności wykorzystania energii napędowej w technice chłodniczej oraz pomp ciepła [3]. 2. EFEKTYWNOŚĆ ENERGETYCZNA URZĄDZENIA JEDNOSTOPNIOWEGO Efektywność energetyczna jednostopniowego obiegu chłodniczego jest w zdeterminowana własnościami czynnika roboczego. Oznacza to, że w aspekcie substytucji czynników syntetycznych jednym z zasadniczych problemów jest zagadnienie oceny poziomu efektywności energetycznej układu pracującego z perspektywicznym czynnikiem roboczym. Na Rys. 1 zamieszczono porównanie wartości względnej efektywności energetycznej urządzenia chłodniczego jednostopniowego ε zdefiniowanej jako stosunek COP dla urządzenia pracującego z analizowanym czynnikiem do wartości COP dla urządzenia pracującego z czynnikiem R-134a. Z zamieszczonego wykresu można wywnioskować, iż czynniki węglowodorowe posiadają zbliżoną efektywność energetyczną w odniesieniu do przyjętego za wzorcowy czynnika R-134a. Efektywność ta w przypadku dwutlenku węgla (R-744) może być na tyle niska, że jego zastosowanie wymaga podjęcia szeregu działań zmierzających do wyeliminowania najistotniejszych strat w układzie [3,4]. Jednym z bardzo istotnych parametrów roboczych układu chłodniczego sprężarkowego jest dochłodzenie ciekłego czynnika przed zaworem regulacyjnym. Obniżenie temperatury skroplonego czynnika o ΔTd jest związane z przekazaniem do otoczenia większej ilości ciepła, bowiem jednostkowa wydajność chłodnicza zwiększa się o wartość Δqo równą jednostkowemu ciepłu dochłodzenia Δqd. Oznacza to, że dochłodzenie ciekłego czynnika zawsze gwarantuje uzyskanie wyższych wartości COP. Istnieje wiele sposobów podwyższenia efektywności energetycznej układów chłodniczych, spośród których zasadnicze znaczenie mają:

3 ograniczenie straty dławienia; poprawa wymiany ciepła (wzrost ciśnienia parowania oraz spadek ciśnienia skraplania); poprawa efektywności energetycznej sprężarki; modyfikacja obiegu tak, aby ograniczyć nieodwracalność przemian. Autorzy niniejszego referatu podejmują w pracy badawczej wszystkie te metody. W niniejszym referacie szczególna uwaga zostanie zwrócona na zagadnienia poprawy efektywności energetycznej poprzez ograniczenie straty dławienia oraz modyfikację obiegu. 3. OCENA STRAT DŁAWIENIA Proces dławienia w zaworze rozprężnym jest przemianą nieodwracalną, podczas której czynnik traci możliwość wykonania pracy, pomimo, że jego poziom energetyczny reprezentowany wartością entalpii właściwej - nie ulega zmianie. Praca ta nie byłaby stracona, gdyby w układzie została zastosowana rozprężarka, w której ciecz nasycona ulegałaby izentropowej ekspansji od ciśnienia skraplania do ciśnienia parowania (Rys. 2). W trakcie procesu dławienia następują straty dwojakiego rodzaju: strata jednostkowej masowej wydajności chłodniczej spowodowana większą wartością stopnia suchości pary mokrej zasilającej parownik w porównaniu z przemianą iznetropowego rozprężania (dającą najmniejszą wartość stopnia suchości na końcu tego procesu); strata wynikająca z faktu, że w procesie dławienia izentalpowego nie ma wykonanej pracy zewnętrznej przez rozprężający się czynnik, zaś praca wewnętrzna przemiany

4 zostaje całkowicie i nieodwracalnie zamieniona na wewnętrzne ciepło tarcia. Strata ta jest liczbowo równa stracie jednostkowej masowej wydajności chłodniczej. Straty dławienia są zdeterminowane zarówno wartościami temperatury parowania, temperatury skraplania, jak również własnościami czynnika chłodniczego. Stratę dławienia można zmniejszyć poprzez: dochładzanie cieczy przed zdławieniem; wielostopniowe dławienie i sprężanie bądź zastosowanie rozwiązania kaskadowego; zastosowanie elementów lub urządzeń, w których obniżanie ciśnienia czynnika zachodzi bezdławieniowo. Każde z wymienionych powyżej rozwiązań posiada swoje wady oraz zalety. Pierwszy z wymienionych sposobów, stosunkowo najłatwiejszy do realizacji, znajduje powszechne zastosowanie w chłodniczych urządzeniach sprężarkowych. Należy wziąć pod uwagę, iż dochłodzenie ciekłego czynnika wymaga dodatkowej powierzchni wymiany ciepła oraz wystarczającej ilości medium chłodzącego, a także stabilnych warunków pracy instalacji, pozwalających utrzymać dochłodzenie na zadanym poziomie. Warunki te nie zawsze są możliwe do spełnienia. Zastosowanie regeneracyjnej wymiany ciepła powoduje zaś, oprócz uzyskania dochłodzenia ciekłego czynnika, dodatkowe negatywne skutki, takie jak zwiększenie mocy napędowej sprężarki. Redukuje to przynajmniej częściowo korzyści energetyczne wynikające z faktu dochłodzenia cieczy. Zastosowanie rozwiązania wielostopniowego bądź kaskadowego stanowi znaczne skomplikowanie układu, przy czym stratę dławienia redukuje się tylko częściowo, w stopniu zależnym od konkretnej konfiguracji układu. Zastosowanie dochłodzenia umożliwia częściowe odzyskanie straty dławienia. W wyniku dochłodzenia ulega bowiem obniżeniu stopień suchości czynnika na wlocie do parownika o wartość Δx = x4 x4', gdzie 4 oznacza stan czynnika na wylocie z zaworu rozprężnego w warunkach bez dochłodzenia, zaś 4 odpowiada temu stanowi dla warunków z dochłodzeniem. W pracy [3] zaproponowano następujące oszacowanie tej wielkości oraz wzrostu COP wynikającego ze spadku stopnia suchości o Δx i otrzymano:

5 Z zależności (1) wynika, że dochłodzenie ciekłego czynnika jest tym efektywniejszym sposobem podwyższania COP urządzenia, im bardziej jest stroma krzywa nasycenia T = f(p), bardziej stroma krzywa graniczna cieczy nasyconej s =f(t) oraz mniejsza objętość właściwa pary nasyconej. Wniosek ten jest istoty z punktu widzenia doboru nowych czynników chłodniczych, gdyż dochłodzenie ciekłego czynnika jest najprostszym oraz skutecznym sposobem poprawy efektywności energetycznej urządzenia.

6 Stratę dławienia, wynikającą z większego odparowania rozprężnego cieczy w zaworze rozprężnym niż w procesie rozprężania izentropowego, można wyeliminować wówczas, gdy ciekły czynnik zostanie dochłodzony do takiej temperatury Td,gr, w której punkt końcowy przemiany dławienia 3-4 gr pokrywa się z punktem końcowym rozprężania izentropowego cieczy nasyconej 3-4 gr. Sytuację taką pokazano na Rys. 2.Konieczną do uzyskania tego stanu różnicę temperatur można obliczyć z przybliżonej zależności [5]: Zwiększenie dochłodzenia ponad podane wartości spowoduje dalszy wzrost jednostkowej wydajności chłodniczej, co jednak ogranicza brak łatwo dostępnego czynnika chłodzącego o temperaturze znacznie niższej od otoczenia. Na Rys. 3 pokazano wyniki obliczeń [3] zależności współczynnika wydajności chłodniczej COP od dochłodzenia ciekłego czynnika dla trzech wybranych płynów roboczych. Biorąc pod uwagę własności tych czynników ujęte w Tabeli 1, uzyskano w ten sposób potwierdzenie zależności (1). Największy wzrost COP uzyskano dla propanu (R-290), zaś najmniejszy dla amoniaku (R-717), pomimo, iż właśnie dla tego czynnika uzyskuje się największy przyrost jednostkowej masowej wydajności chłodniczej. Przyczyną tego stanu rzeczy jest przede wszystkim znacznie większa zmiana objętości właściwej czynnika w procesie wrzenia vfg, a przede wszystkim znaczna objętość właściwa pary nasyconej v. Dochłodzenie ciekłego czynnika okazuje się najbardziej efektywne dla propanu (R-290), który posiada najmniej strony przebieg krzywej granicznej cieczy nasyconej. Porównanie krzywych nasycenia dla amoniaku oraz propanu z krzywymi dla czynnika R-22 przedstawiono na Rys. 5. Z zaprezentowanych obliczeń wynika ponadto, że dochłodzenie ciekłego czynnika przed zaworem rozprężnym pozwala w praktycznym zakresie zmian ΔTd na podwyższenie COP w granicach około 10%. Proces dławienia jest typowym procesem nieodwracalnym, toteż znacznie korzystniejsze byłoby w tym przypadku zastosowanie rozprężarki ciekłego czynnika, mającej możliwość pracy w obszarze dwufazowym. Układ taki pokazano w sposób ideowy na Rys. 2. W obiegu z rozprężarką COPr jest zawsze większy w odniesieniu do obiegu z zaworem rozprężnym, gdyż:

7 Aktualnie prowadzi się wiele prac badawczych w zakresie zastosowań rozprężarki w układach sprężarkowych w celu wyeliminowania procesu dławienia [6,7,8,9,10]. Szczególnie wiele prac koncentruje się nad aplikacją tego typu rozwiązania dla dwutlenku węgla, gdyż dla tego czynnika różnica ciśnień w układzie (pk po) przekracza nawet 100 bar, w związku z czym straty wynikające z dławienia ciekłego czynnika są tu szczególnie dotkliwe. Należy jednak podkreślić, że zastosowanie rozprężarki w układach chłodniczych jest jeszcze dalekie od praktycznej

8 realizacji, przede wszystkim z uwagi na poważne trudności związane z opracowaniem konstrukcji rozprężarek o wystarczającej, z aplikacyjnego punktu widzenia, sprawności procesu rozprężania. Na Rys. 6 pokazano wyniki obliczeń [3] zależności względnych strat dławienia ltr/qo (patrz Rys. 5) od temperatury parowania to. Straty te są najbardziej dotkliwe dla dwutlenku węgla (R-744), zaś najmniej dla amoniaku (R-717). W tym ostatnim przypadku zasadniczą przyczyną tak małych strat są bardzo korzystne własności tego czynnika, ujęte w Tabeli 1, co jest również przyczyną niskiej efektywności dochłodzenia cieczy dla tego czynnika (Rys. 1). Na Rys. 7 pokazano wyniki obliczeń [3] zależności zmiany współczynnika wydajności chłodniczej COP z tytułu zastosowania rozprężarki od temperatury parowania to. Należy po kreślić, iż są to maksymalne możliwe zmiany tego współczynnika, bowiem w obliczeniach założono zarówno proces sprężania, jak i rozprężania jako przemiany izentropowe. W przypadku dwutlenku węgla (R-744) korzyści wynikające z zastosowania rozprężarki są zdecydowanie największe i dla najniższych temperatur parowania sięgają około 90%, zaś dla amoniaku (R-717) wynoszą one od około 10 do 15%. Dla propanu (R-290) zmiany te wynoszą z kolei od około 20% do 35%. Z zamieszczonych danych wynika, że zastosowanie rozprężarki ciekłego czynnika jest najbardziej efektywnym sposobem podniesienia efektywności energetycznej urządzeń sprężarkowych. Jak jednak wykazały dotychczasowe prace badawcze [11], jest to również rozwiązanie najbardziej kłopotliwe, jak dotąd bardzo mało efektywne (uzyskuje się zazwyczaj wzrost COP na poziomie około 10%), a zarazem bardzo kosztowne. Nie udało się jak dotąd opracować efektywnej konstrukcji rozprężarki dwufazowej, możliwej do aplikacji w sprężarkowych urządzeniach chłodniczych. 4. STRUMIENICOWA PODPRĘŻARKA DWUFAZOWA Najbardziej obiecującym sposobem odzyskiwania energii dławienia jest zastosowanie strumienicy dwufazowej w przewodzie pomiędzy parownikiem a oddzielaczem cieczy. W takim rozwiązaniu strumienica pełni rolę podprężarki. Sposób ten został opatentowany przez Gaya w 1931 roku (U.S. Patent No. 1,836,318) chociaż wydaje się, że układ ten ma wielu niezależnych pomysłodawców. Schemat ideowy takiego urządzenia pokazano na Rys. 8. W tym rozwiązaniu ciekły czynnik również pełni rolę czynnika napędowego. Ciecz rozprężając się w dyszy może ulegać częściowemu odparowaniu, zatem dyszę może opuszczać strumień cieczy bądź pary mokrej. Strumień ten wskutek wymiany pędu zasysa parę z parownika. Ze strumienicy mieszanina obu strumieni kierowana jest do oddzielacza cieczy. Ciekły czynnik zasila poprzez zawór rozprężny parownik, natomiast para zasysana jest przez sprężarkę. W rozwiązaniu tym sprężarka zasysa parę o ciśnieniu międzystopniowym, co jest bezpośrednią przyczyną wzrostu COP. Należy jednak wziąć pod uwagę, iż zaprojektowanie strumienicy dwufazowej w takim układzie jest nadzwyczaj skomplikowanym zagadnieniem.

9 Na Rys. 9 przedstawiono uproszczony obieg realizowany w urządzeniu, którego schemat ideowy pokazano na Rys. 8. Należy zaznaczyć, że poszczególne części obiegu dotyczą różnych strumieni mas czynnika. Rozprężanie cieczy w dyszy napędowej idealnej przebiega według izentropy przemiana 3-4s. Gdyby zastosowano dławienie w zaworze rozprężnym od ciśnienia pk do po, wówczas przemiana przebiegałaby izentalpowo krzywa 3-4d. Rzeczywistej przemianie zachodzącej w dyszy napędowej odpowiada zaś krzywa pośrednia 3-4. Spadek ciśnienia wytwarzany w dyszy ssącej, do której dopływa para z parownika o stanie 5, jest w szerokim zakresie parametrów pracy urządzenia możliwy do pominięcia: p5 po. Czynnik częściowo jest sprężany w komorze mieszania z uwagi na powstanie fali mieszającej, wskutek czego ciśnienie wzrasta od po do ciśnienia p6. Z kolei sprężanie idealne w dyfuzorze przebiega według izentropy 6-7s. Rzeczywisty proces sprężania systemu dwufazowego w strumienicy przebiega według krzywej 6-7. Ciśnienie ssania sprężarki pm jest w tym układzie zawsze wyższe od ciśnienia parowania po, co zmniejsza zapotrzebowanie mocy napędowej tej maszyny. W przeprowadzonych dotąd pracach badawczych wskazywano na możliwość zwiększenia COP nawet o ponad 20% w wyniku zastosowania strumienicy, jednak oceny te nie były oparte na racjonalnych analizach obiegu sprężarkowo-strumienicowego, wobec czego różnią się one znacznie pomiędzy sobą. Kluczowe znaczenie ma tutaj również względna strata dławienia (Rys. 6), wobec czego zastosowanie takiego rozwiązania jest najbardziej efektywne dla dwutlenku węgla, zaś najmniej dla amoniaku.

10 Autorzy przeprowadzili systematyczne prace badawcze [3,11,12] w zakresie zagadnień hydrodynamiki przepływu dwufazowego w strumienicy dwufazowej cieczowoparowej. W omawianym zagadnieniu konstrukcja strumienicy dwufazowej kest bowiem zagadnieniem o kluczowym znaczeniu. Z racji na wyjątkowo dogodne własności termodynamiczne badania te zrealizowano dla czynnika modelowego R-123. Przykładowe, lecz reprezentatywne, charakterystyki pracy strumienicy o długości komory mieszania 40 mm oraz średnicy komory mieszania 6 mm, z dyszą napędową ostro krawędziową - zaprezentowano graficznie na Rys. 10. Na rysunku przyjęto oznaczenia: ΔTp przegrzanie zasysanej pary, ΔTd dochłodzenie cieczy na wlocie do dyszy napędowej, ΔTm różnica pomiędzy temperaturą pary oraz cieczy w komorze ssawnej strumienicy. Sprawność strumienicy autorzy definiują następującym związkiem: gdzie wn jest prędkością wylotową cieczy z dyszy napędowej, ρ jest gęstością fazy ciekłej na wylocie z dyszy napędowej, pk, pm, po to ciśnienia odpowiednio: cieczy napędowej przed dyszą, wylotowe (za dyfuzorem) oraz zasysania, zaś χ jest objętościowym stosunkiem zasysania. Bezwymiarowy spręż

11 dany jest zależnością: Wraz ze zmianą średnicy dyszy napędowej ulega zmianie opór przepływu przez tę dyszę co powoduje, że zmienia się ciśnienie cieczy napędowej, wobec czego ulega również zmianie dochłodzenie ciekłego czynnika przy zachowaniu stałej temperatury cieczy zasilającej. Najwyższą sprawność strumienicy uzyskano dla dyszy o największej średnicy i jej wartość maksymalna przekracza 80%. Jest to niezmiernie istotny rezultat, bowiem w literaturze panuje pogląd, iż dla strumienic dwufazowych cieczowo-parowych sprawność nie przekracza 40%. Z kolei sprawność strumienicy zaopatrzonej w dyszę ostrokrawędziową o średnicy Dn = 2 mm nie przekracza 3% w całym zakresie pracy.

12 Aktualnie prowadzone są przez autorów referatu prace badawcze w zakresie zastosowania strumienicy dwufazowej w układach z izobutanem [13,14] oraz z dwutlenkiem węgla [15] jako czynnikami roboczymi. Teoretyczne charakterystyki pracy strumienicy w układzie współrzędnych spręż Π oraz masy stosunek zasysania U przedstawiono na Rys. 11. W oparciu o uzyskane wyniki można stwierdzić, iż dostępne są wyższe stosunki zasysania dla wyższych temperatur parowania oraz niższych temperatur skraplania. Wyższe wartości sprężu dostępne są dla wyższych wartości temperatur parowania oraz wyższych temperatur skraplania, jakkolwiek dla odpowiednio niskich temperatur skraplania występuje zależność niemonotoniczna. Praca strumienicy dwufazowej w układzie z izobutanem jest aktualnie badana na stanowisku przedstawionym schematycznie na Rys. 12. Na stanowisku wykonano dodatkowy obieg z pompą (13), co umożliwia przeprowadzenie badań charakterystyk pracy strumienicy w szerszym zakresie parametrów, niż wynikającym wyłącznie z warunków pracy układu sprężarkowego. Zwłaszcza w przypadku dwutlenku węgla można liczyć się ze szczególnie dużym wzrostem COP z tytułu zastosowania podprężarki strumieniowej. Jak wykazano w oparciu o analizę teoretyczną [15], w urządzeniu możliwy jest do uzyskania wzrost COP na poziomie od około 25% do

13 ponad 30% - patrz Rys. 13. Konstrukcja strumienicy dwufazowej napotyka w tym przypadku na szczególne trudności z racji bardzo małych rozmiarów oraz bardzo wysokich różnic ciśnień roboczych. 5. STRUMIENICOWA NADPRĘŻARKA DWUFAZOWA Efektywne zastosowanie strumienicy dwufazowej w roli odprężarki w układach chłodniczych sprężarkowych skłania do rozważenia zastosowania tego aparatu w roli nadprężarki. Po raz pierwszy tego typu rozwiązanie zaproponował Bergander [16]. Istotą rozwiązania przedstawionego na Rys. 14 jest to, iż sprężarka spręża parę do ciśnienia międzystopniowego. Od tego ciśnienia do ciśnienia skraplania para jest sprężana w strumienicy dwufazowej, przy czym czynnikiem napędowym jest ciecz podawana do strumienicy poprzez pompę. Wzrost efektywności energetycznej układu wynika stąd, iż dla tego samego strumienia masy czynnika i dla zadanej różnicy ciśnień - moc napędowa pompy jest co najmniej o rząd wielkości mniejsza od mocy napędowej sprężarki. Kluczowe znaczenie w omawianym rozwiązaniu ma konstrukcja strumienicy dostosowana do własności czynnika roboczego, bowiem potencjalny wzrost COP w zasadniczej mierze zależy od masowego stosunku zasysania. Korzystne duże wartości stosunku gęstości pary do gęstości cieczy występujące w omawianym rozwiązaniu stwarzają możliwości uzyskania szczególnie wysokich wartości sprawności energetycznych strumienicy, a tym samym osiągnięcie atrakcyjnego z aplikacyjnego punktu widzenia wzrostu COP. Autorzy rozpoczęli intensywne prace badawcze w zakresie eksperymentalnego oraz teoretycznego modelowania pracy strumienicy dwufazowej w roli nadprężarki. 6. UWAGI KOŃCOWE W referacie przeanalizowano zagadnienie jednostkowych strat dławienia dla urządzeń chłodniczych sprężarkowych pracujących z naturalnymi czynnikami roboczymi. Wskazano, iż strata ta nie odgrywa zasadniczej roli w przypadku amoniaku, jednak jest już istotna dla propanu, zaś zdecydowanie ogranicza ona efektywność energetyczną urządzeń pracujących z dwutlenkiem węgla. Stratę tę można częściowo wyeliminować poprzez zastosowanie dochłodzenia

14 ciekłego czynnika przed zaworem rozprężnym. Przeanalizowano wpływ własności termodynamicznych czynnika na możliwość redukcji tejże straty wskazując na szczególne znaczenie dochłodzenia ciekłego czynnika dla propanu. Zasadniczym kierunkiem poprawy efektywności energetycznej urządzeń sprężarkowych jest jednak zmniejszenie straty dławienia poprzez całkowite lub częściowe wyeliminowanie procesu dławienia, co jest przedmiotem własnych prac badawczych autorów. Szczególną nadzieję budzi w tym aspekcie zastosowanie strumienicy dwufazowej w roli elementu rozprężnego, co jest szczególnie atrakcyjne dla układów pracujących z dwutlenkiem węgla, a także z węglowodorami. LITERATURA [1] Regulation of the European Parliament and of the Council on certain fluorinated greenhouse gases, PE-CONS 3604/2006, Brussels, [2] Peixoto R.A., Butrymowicz D., Crawford J., Godwin D., Hickman K., Keller F., Onishi H.: Residential and Commercial Air Conditioning and Heating, Chapter 5 of the Special Report on Safeguarding the ozone layer and the global climate system: issues related to hydrofluorocarbons and perfluorocarbons, IPCC and UNEP, Cambridge University Press, New York, USA, [3] Butrymowicz D.: Problemy poprawy efektywności energetycznej obiegów lewobieżnych, Zeszyty Naukowe Instytutu Maszyn Przepływowych PAN, nr 538/1497/2005, Gdańsk, [4] Butrymowicz D.: Ograniczenie strat dławienia poprzez wykorzystanie strumienicy dwufazowej w sprężarkowych urządzeniach chłodniczych, Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna, 2000, rok 7, nr 3, str [5] Karpiński W.: Termodynamiczne podstawy budowy urządzeń przemysłu spożywczego, chłodnictwa i klimatyzacji. Część 1. Urządzenia chłodnicze, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łodź, [6] Fukuta M., Yanagisawa T., Radermacher R.: Performance Prediction of Vane Type Expander for CO2 Cycle, 21st IIR International Congress of Refrigeration, Washington D.C. USA, 2003, Paper No. ICR0251. [7] Brasz J.J.: Throttle Loss Power Recovery in Refrigeration and Cryogenics, Short Course, 21st IIR International Congress of Refrigeration, Washington D.C. USA, 2003, paper No. SC3. [8] Granryd E.: A regenerative refrigeration cycle, 14th International Congress of Refrigeration, Moscow, 1974, str [9] Szargut J., Skorek J., Szargut P.: Badania eksperymentalne bezdławieniowej ziębiarki Granryda, Chłodnictwo, rok 33, nr 1, 1998, str [10] Smith I.K., Stošić N., Kovačević A.: Twin screw machines to replace throttle valves in refrigeration systems, International Thermal Sciences Seminar, Bled, Slovenia, 2000, str [11] Butrymowicz D., Karwacki J., Miąskowska D., Trela M.: Performance of two-phase ejector of various geometries, 22nd International Congress of Refrigeration, Pekin, Chiny, 2007, Paper No ICR07-B [12] Butrymowicz D., Miąskowska D., Karwacki J., Śmierciew K.: Experimental ivestigation of isothermal liquid-vapour refrigeration ejector, 5th International conference on transport phenomena in multiphase systems, Vol. 2, Białystok, str , [13] Dudar A., Butrymowicz D.: Stanowisko do badań strumienic dwufazowych pracujących w sprężarkowych urządzeniach chłodniczych węglowodorowych, VI Warsztaty Modelowanie przepływów wielofazowych w układach termochemicznych. Metody numeryczne, Stawiska, 2006, referat nr PPW06_030. [14] Butrymowicz D., Dudar A.: Analiza pracy strumienicy dwufazowej w sprężarkowym

15 ureządzeniu chłodniczym pracującym z izobutanem, XIII Sympozjum Wymiany Ciepła i Masy, Koszalin, str , [15] Angielczyk W., Butrymowicz D. Nartosiewicz Y., Dudar A.: Analysis of Transcritical CO2 Refrigeration Cycle with Two-Phase Ejector, 5th International conference on transport phenomena in multiphase systems, Vol. 2, Białystok, [16] Bergander M., Schmidt D.P., Herbert D.A., Wojciechowski J., Szklarz M.: Condensing ejector for second step compression in refrigeration cycles, International Refrigeration and Air Conditioning Conference, Purdue, USA, Paper No. 2174, Źródło: Chłodnictwo i klimatyzacja w Polsce - NOWE TRENDY ROZWOJU Warszawa 26 listopada 2008 KONTAKT Chłodnictwo & Klimatyzacja Tel: Fax: Adres: al. Komisji Edukacji Narodowej Warszawa