SEMINARIUM Z AUTOMATYKI CHŁODNICZEJ I KLIMATYZACYJNEJ

Transkrypt

1 SEMINARIUM Z AUTOMATYKI CHŁODNICZEJ I KLIMATYZACYJNEJ Temat: Automatyzacja procesu odszraniania wentylatorowych chłodnic powietrza gorącymi parami czynnika w małych i średnich urządzeniach chłodniczych. PRACĘ WYKONAŁ: ZELMAŃSKI RAFAŁ Sem.9 SiUChK GDAŃSK 2007

2 SPIS TREŚCI 1. Wstęp. 2. Metody odszraniania Odszranianie za pomocą grzejników elektrycznych Odszranianie za pomocą zraszania wodą Odszranianie gorącymi parami czynnika chłodniczego. 3. Automatyzacja procesu odszraniania gorącymi parami czynnika chłodniczego. 4. Literatura.

3 1. Wstęp Efektem pracy urządzeń chłodniczych jest niska temperatura chłodzonego powietrza, co w konsekwencji powoduje, Ŝe ich uŝytkownicy spotykają się z procesem fizycznym, który nie występuje w innych urządzeniach. Wspomnianym zjawiskiem jest tworzenie się warstwy szronu na powierzchni chłodnicy powietrza. Tworzenie się szronu na powierzchniach chłodnic powietrza jest zjawiskiem nieuniknionym w czasie ich normalnej eksploatacji. Ma miejsce wówczas, gdy dochodzi do kontaktu wilgotnego powietrza z powierzchnią o temperaturze niŝszej od temperatury punktu rosy powietrza ją omywającego oraz, gdy temperatura ta jest niŝsza od 0 o C. W pracy urządzeń chłodniczych warunki te są najczęściej spełnione. Szronienie powierzchni chłodnic jest procesem niekorzystnym podczas ich eksploatacji. Początkowo szron poprawia wprawdzie wymianę ciepła pomiędzy czynnikiem chłodniczym a powietrzem, jednak po dłuŝszym okresie pracy parowników obecność szronu powoduje skutki negatywne, a mianowicie: zmniejszenie współczynnika przenikania ciepła k pomiędzy chłodzonym powietrzem a czynnikiem chłodniczym oraz zmniejszenie masowego natęŝenia przepływu chłodzonego powietrza. Skutkiem tych negatywnych efektów jest wydłuŝenie czasu pracy spręŝarki urządzenia chłodniczego, przez co zwiększa się jej pobór energii elektrycznej. Warstwa szronu o grubości 3-4 cm na powierzchni parownika szafy chłodniczej moŝe zwiększyć zuŝycie energii elektrycznej prawie o 60% (rysunek poniŝej). Dodatkowo tworzący się szron powoduje ususzkę przechowywanych towarów. Pomimo, Ŝe proces szronienia chłodnic powietrza ma negatywny wpływ na prace całego urządzenia chłodniczego zarówno z punktu widzenia eksploatacyjnego jak i ekonomicznego, problem ten jest wciąŝ niedoceniany, a często wręcz ignorowany przez obsługę. Proces usuwania szronu z powierzchni chłodnicy nazywany jest procesem odszraniania lub odtajania. Odszranianie polega na stopieniu narosłego na chłodnicy szronu, względnie lodu i na odprowadzeniu powstałej podczas tego procesu wody poza chłodnicę. Pomocniczym zadaniem odszraniania niejednokrotnie jest oczyszczenie chłodnicy z substancji

4 zanieczyszczających, naniesionych na powierzchnię chłodnicy przez strumień powietrza obiegowego. Odszranianie chłodnic powietrza jest procesem cyklicznym. Oznacza to, Ŝe powierzchnia chłodnicy powietrza przez określony czas pracuje w warunkach narastania szronu do momentu, w którym musi nastąpić przerwanie cyklu chłodzenia i załączenie cyklu odtajania. Po jego zakończeniu włącza się chłodnicę ponownie do cyklu chłodzenia. 2. Metody odszraniania. Najprostszą metodą odszraniania parowników o temperaturach dodatnich i temperaturach parowania niewiele niŝszych od 0 o C jest wyłączenie spręŝarki z ruchu, ręcznie lub automatycznie. SpręŜarka moŝe być wyłączona przez przekaźnik ciśnienia minimalny lub termostat parownikowy z wbudowanym półautomatycznym przełącznikiem zwiększającym zakres łączeń. Włączenie następuje wtedy, kiedy ciśnienie w parowniku wzrośnie do wartości odpowiadającej temperaturze parowania wyŝszej niŝ 1 o C, po czym przekaźnik ciśnienia lub termostat automatycznie przełącza układ do normalnego połoŝenia roboczego. Wyłączenie spręŝarki w określonych odstępach czasu, np. raz lub dwa razy na dobę, moŝe równieŝ nastąpić dzięki zastosowaniu przekaźnika czasowego (Rysunek poniŝej) Procesy odszraniania dzieli się ze względu na rodzaj wykorzystywanego w nich źródła ciepła. Pod tym względem wyróŝnia się odszranianie: grzejnikami elektrycznymi. za pomocą zraszania wodą. gorącymi parami czynnika chłodniczego mieszane, wykorzystujące odpowiednie kombinacje wyŝej wymienionych źródeł ciepła, a w szczególności połączenie odszraniania gorącymi parami z odszranianiem wodą (mycie), lub połączenie odszraniania baterii lamelowej gorącymi parami, z odszranianiem elektrycznym tacy ściekowej.

5 2.1. Odszranianie za pomocą grzejników elektrycznych. Odszranianie za pomocą grzejników elektrycznych jest najpopularniejszym sposobem usuwania szronu z powierzchni chłodnic powietrza. Ta metoda jest najczęściej stosowana w małych i średnich instalacjach chłodniczych. Przykład odszraniania za pomocą grzejników elektrycznych przedstawia poniŝszy rysunek. Jeden z grzejników, odpowiednio izolowany, ogrzewa parownik, a drugi tacę pod chłodnicą (w celu niedopuszczenia do zamarznięcia skroplin). Przekaźnik czasowy zatrzymuje silnik, wyłącza wentylator chłodnicy oraz włącza prąd do obu grzejników. Po odszranianiu ciśnienie ssania wzrasta aŝ do chwili, kiedy zadziałanie wyłącznika niskiego ciśnienia przywróci normalną pracę. Modyfikacja tej metody, dość powszechnie stosowanej w handlowych urządzeniach chłodniczych, a zwłaszcza w ladach otwartych niskotemperaturowych, oparta jest na ustalonym doświadczalnie cyklu czasowym, a realizowanym przez wyłączniki czasowe zwane przekaźnikami czasowymi. Najczęściej produkowane są przekaźniki czasowe o cyklu pracy 4, 6, 8, 12, 24 h, z moŝliwością nastawienia czasu odszraniania od 1 do 60 min, czyli indywidualnego doboru programu do konkretnych warunków pracy handlowych urządzeń chłodniczych. Zaletą procesu odszraniania za pomocą grzejników elektrycznych jest niski koszt urządzenia i niewielke wymagania techniczne, natomiast do wad naleŝy zaliczyć: znaczne zuŝycie energii, duŝy wzrost temperatury w komorze chłodniczej i pomimo technicznych środków bezpieczeństwa ryzyko wystąpienia poŝaru.

6 2.2. Odszranianie za pomocą zraszania wodą. Odszranianie parownika za pomocą ogrzania przez dopływającą wodę pokazuje powyŝszy rysunek. Przekaźnik czasowy wyłącza spręŝarkę 1 i wentylator chłodnicy 5, otwiera elektromagnetyczny zawór 9, doprowadzający wodę do rury zraszającej 7, i włącza grzałki elektryczne 8, obejmujące przewód odprowadzania skroplin, aby nie dopuścić do ich zamarznięcia. Po upływie czasu potrzebnego do zakończenia procesu odszraniania przekaźnik najpierw zamyka zawór elektromagnetyczny 9, a następnie po upływie kilku minut, potrzebnych do spłynięcia skroplin, wyłącza grzałkę elektryczną 8, a włącza spręŝarkę 1 i wentylator 5. Metoda ta wyróŝnia się duŝą prostotą, a równocześnie duŝą skutecznością Odszranianie gorącymi parami czynnika chłodniczego. Metoda odszraniania parowników gorącymi parami lub gorącym gazem jest metodą najszerzej rozpowszechnioną. Metoda ta wykorzystuje ciepło zawarte w spręŝonych parach amoniaku, doprowadzonych przy pomocy specjalnego rurociągu gorących par, bezpośrednio z przewodu tłocznego spręŝarek do parownika. Na czas odszraniania parownik zostaje przekształcony w skraplacz grzejnik. Odtajanie szronu gorącymi parami jest znacznie bardziej efektywne, niŝ odtajanie grzałkami elektrycznymi, ze względu na to, Ŝe ciepło dostarczane jest w to miejsce chłodnicy powietrza, gdzie podczas procesu chłodzenia było ono najintensywniej odbierane (jest najbardziej zaszronione).konsekwencją dostarczenia ciepła w tym miejscu jest podgrzewanie obszarów w chłodnicy powietrza, które są najbardziej naraŝone na zaszronienie. Koszt ciepła przy podgrzewaniu chłodnicy powietrza gorącymi parami czynnika w instalacjach prostych jest trzykrotnie niŝszy niŝ przy podgrzewaniu energią elektryczną.

7 PoniŜszy schemat przedstawia metodę odszraniania gorącymi parami W procesie oszraniania gorącymi parami moŝna wyróŝnić kilka etapów tj.: 1. Wyłączenie wentylatorów pracujących w danej chłodnicy, co spowoduje prawie całkowite zatrzymanie wymiany ciepła pomiędzy chłodnicą powietrza i powietrzem w komorze. Wymiana ciepła i masy między powierzchnią chłodnicy i powietrzem obiegowym moŝe się odbywać tylko wtedy na drodze promieniowania i przewodzenia. 2. Odcięcie dopływu ciekłego czynnika chłodniczego zasilającego parownik. Amoniak od tego momentu przestaje dopływać do parownika, a ciśnienie w parowniku zaczyna spadać wskutek dalszego odsysania par z parownika do przewodu ssawnego. 3. PodwyŜszenie ciśnienia w parowniku i wyparcie znajdującej się tam cieczy oraz podgrzanie tacy ściekowej. Na początku tej fazy parownik napełniony jest jeszcze mieszaniną zimnych par i zimnej cieczy o ciśnieniu parowania. Doprowadzone do parownika gorące pary o wysokim ciśnieniu powinny wyprzeć pozostały w parowniku ciekły czynnik chłodniczy do przewodu ssawnego. Im większy parownik tym wolnie powinno wzrastać w nim ciśnienie. MoŜliwe, a często i konieczne jest otwarcie dopływu gorących par dopiero po przeprowadzeniu całkowitego odessania z parownika ciekłego amoniaku. OpróŜnienie parownika z ciekłego amoniaku ma na celu umoŝliwić szybkie podgrzanie ścianek rur i szybkie przejście do etapu odtajania. 4. Odtajanie. Wskutek dopływu gorących par o ciśnieniu skraplania do zamkniętej przestrzeni parownika, ciśnienie w nim szybko rośnie, a równocześnie podnosi się temperatura wypełniającej go mieszaniny. Ze względu na skuteczność procesu wymiany ciepła, poŝądane jest jak najszybsze skroplenie doprowadzonych par. Im wyŝsze ciśnienie mają doprowadzone pary i im bardziej intensywny jest ich dopływ, tym szybciej ustali się temperatura ścianek parownika pozwalająca na szybkie topnienie szronu. Równocześnie ze względu na sprawność energetyczną procesu wzrost ciśnienia w parowniku powinien zostać ograniczony do wartości wystarczającej do zainicjowania i podtrzymywania procesu tylko tak długo, jak to jest potrzebne do całkowitego stopienia lodu. Znajdujący się na zewnętrznej powierzchni

8 parownika szron lub lód w pierwszej kolejności topi się bezpośrednio na rurach, a następnie na lamelach (Ŝebrach), po czym w postaci wody lub płatami spada na tace ściekową. Taca ta moŝe się stosunkowo szybko napełniać lodem, śniegiem i ściekającą wodą, co moŝe spowodować zmroŝenie się tej masy. Aby do tego nie dopuścić taca musi być przez cały czas prowadzenia procesu intensywnie ogrzewana, gdyŝ to dopiero w niej topi się duŝa część szronu i lodu. 5. Zakończenie oszraniania i obniŝenie ciśnienia w parowniku. Odszranianie moŝna uznać za zakończone, jeŝeli cały szron został stopiony, a powstała ze szronu woda została z tacy ściekowej odprowadzona poza pomieszczenie chłodnicze. 6. Osuszenie powierzchni chłodnicy. Jest konieczne w celu zapobieŝenia porywania kropel wody z powierzchni chłodnicy do przestrzeni ładunkowej komory chłodniczej. MoŜna to uzyskać przez opóźnione, w stosunku do momentu otwarcia zaworów ssawnego i zasilającego, załączenie do pracy wentylatorów chłodnicy powietrza. Czas opóźnienia załączenia wentylatorów powinien być wystarczający dla zamroŝenia ewentualnych kropel wody na powierzchni chłodnicy. Na ogół jest to ok. 5 min. 7. Przejście do fazy chłodzenia. Po załączeniu wentylatorów ustalają się normalne warunki pracy chłodnicy, umoŝliwiające chłodzenie powietrza obiegowego w komorze. 3. Automatyzacja procesu odszraniania gorącymi parami czynnika chłodniczego. Na poniŝszym rysunku przedstawiono schematycznie cały węzeł sterowania procesem chłodzenia i odtajania chłodnicy powietrza zasilanej pompowo z niskotemperaturowego POC.

9 Podczas procesu chłodzenia, zawory elektromagnetyczne typu PMLX zainstalowane w przewodzie ssawnym i typu EVRA w rurociągu cieczowym są otwarte. W tym przypadku zastosowano w przewodzie ssawnym zawór główny, który jest otwierany ciśnieniem sterującym (równym ciśnieniu tłoczenia), co zapewnia mały spadek ciśnienia w tym zaworze. Proces odtajania gorącym gazem rozpoczyna się od zamknięcia zaworów elektromagnetycznych zainstalowanych w rurociągach: zasilającym i powrotnym oraz z pewnym opóźnieniem od otwarcia zaworu elektromagnetycznego w przewodzie doprowadzającym gorące pary czynnika chłodniczego. Opóźnienie wynika z czasu przeznaczonego na zamknięcie zaworu głównego na linii ssawnej, aby zawór z gorącymi parami otworzył się po zamknięciu zaworu głównego znajdującego się w rurociągu ssawnym. Ciśnienie wewnątrz chłodnicy rośnie i po pewnym czasie osiąga poziom nastawiony w zaworze pilotowym stałego ciśnienia (CVP) i analogicznie jak w chłodnicy z wyŝszą temperaturą roboczą, rozpoczyna się proces odtajania. Gorący gaz skraplając się podgrzewa konstrukcję chłodnicy i w postaci cieczy jest usuwany z niej przez zawór utrzymujący ciśnienie odszraniania w tym aparacie (PM+CVP(HP)). Po stopieniu szronu na powierzchni chłodnicy i osiągnięciu zadanej temperatury przez blok lamelowy, wewnątrz jej rur panuje ciśnienie odpowiadające temperaturze odtajania. W takiej sytuacji zawory elektromagnetyczne zainstalowane w przewodzie ssawnym nie powinny zostać gwałtownie otwarte, poniewaŝ duŝa róŝnica ciśnień moŝe spowodować uszkodzenie armatury i automatyki. W celu zapewnienia łagodnego obniŝania ciśnienia wewnątrz chłodnicy i nie zaburzania ciśnienia w układzie chłodniczym, powinny być stosowane zawory dwukrokowe typu PMLX lub standardowe zawory PML z elektromagnetycznym zaworem obejściowym. W dalszej części zostaną przedstawione dwa rozwiązania procesu odtajania gorącymi parami proponowane przez firmę Danfoss.

10 PowyŜszy system odtajania jest szeroko stosowany w przemysłowych instalacjach chłodniczych z parownikami suchymi. Zainstalowanie zaworu typu PML (9) na przewodzie ssawnym zapewnia całkowitą szczelność podczas procesu odtajania oraz minimalny spadek ciśnienia podczas cyklu chłodzenia. Elementy układu: (1) PM1 Zawór główny (zawór odcinający) (2) EVM Zawór pilotowy elektromagnetyczny (3) TE55 Termostatyczny zawór rozpręŝny (4) PM1 Zawór główny (zawór odcinający) (5) EVM Zawór pilotowy elektromagnetyczny (6) NRVA Zawór zwrotny (7) PM1 Zawór główny (8) CVP (HP) Zawór pilotowy stałego ciśnienia (9) PML Zawór główny (zawór odcinający) pracujący przy minimalnym spadku ciśnienia (10) EVM(NC) Zawór pilotowy elektromagnetyczny (11) EVM(NO) Zawór pilotowy elektromagnetyczny normalnie otwarty Cykl chłodzenia: Ciekły czynnik przepływa przez zawór główny typu PM1 (1), który jest otwarty przez zawór pilotowy typu EVM (2). Wtrysk ciekłego czynnika jest realizowany, za pomocą termostatycznego zaworu rozpręŝnego typu TE55 (3). Para jest odprowadzana do osuszacza przez zawór główny typu PML (9), który jest otwierany przez zawory pilotowe elektromagnetyczne EVM (10) i (11). Podczas obiegu chłodniczego zawór zwrotny typu NRVA (6) zabezpiecza przed powrotem ciekłego czynnika do podgrzewanej węŝownicy zainstalowanej w tacy. Cykl odtajania: Zawory główne typu: PM1 (1) i PML (9) są zamknięte. Gorący gaz przepływa do górnej części parownika przez zawór główny typu PM1 (4), który jest sterowany przez zawór elektromagnetyczny typu EVM (5). Kiedy ciśnienie w parowniku przekroczy wartość nastawioną na zaworze typu CVP(HP) (8) ciśnienie to zazwyczaj odpowiada temperaturze +5 0 C, wówczas skroplona para wraca do osuszacza przez zawór główny typu PM1 (7).

11 Drugim rozwiązaniem jest odtajanie parownika od dołu za pomocą gorącego gazu obieg pompowy. PowyŜszy system jest stosowany w instalacjach chłodniczych z obiegiem pompowym i umoŝliwia utrzymanie ciśnienia parowania na stałym poziomie. Elementy układu: (1) PM1 Zawór główny (zawór odcinający) (2) EVM Zawór pilotowy elektromagnetyczny (3) NRVA Zawór zwrotny (4) 6F Zawór dławiący ręczny (5) PM3 Zawór główny (6) EVM Zawór pilotowy elektromagnetyczny (7) CVP (LP) Zawór pilotowy stałego ciśnienia (niskociśnieniowy) (8) CVP (HP) Zawór pilotowy stałego ciśnienia (wysokociśnieniowy) (9) PM1 Zawór główny (10) EVM Zawór pilotowy elektromagnetyczny (11) NRVA Zawór zwrotny Cykl chłodzenia: Ciekły czynnik przepływa przez zawór odcinający typu PM1 (1), sterowany za pomocą zaworu pilotowego elektromagnetycznego typu EVM (2). Wtrysk ciekłego czynnika jest realizowany, przez zawór dławiący typu 6F (4). Zawór zwrotny typu NRVA (3) zapobiega powrotowi czynnika podczas procesu odtajania. Zawór główny typu PM3 (5) jest otwarty przez zawór pilotowy elektromagnetyczny typu EVM (6). Utrzymuje stale ciśnienie w parowniku za pomocą zaworu stałego ciśnienia niskociśnieniowego typu CVP (LP) (7).

12 Proces odtajania: Zawór główny typu PM1 (1) jest zamknięty przez zawór pilotowy elektromagnetyczny typu EVM (2). Zawór główny typu PM1 (9) jest otwarty przez zawór pilotowy elektromagnetyczny typu EVM (10). Gorący gaz wpływa do dolnej części parownika. Zawór zwrotny typu NRVA (11) zapobiega powrotowi ciekłego czynnika podczas normalnego cyklu pracy (cykl chłodzenia). Skroplony czynnik powraca do osuszacza przez zawór główny typu PM3 (5). W tym przypadku zawór główny typu PM3 (5) sterowany jest przez zawór pilotowy stałego ciśnienia typu CVP (HP) (8), który utrzymuje odpowiednią wartość ciśnienia niezbędną do oszronienia parownika. Literatura: 1. Z. Bonca Amoniakalne urządzenia chłodnicze 2. H.J.Ullrich - Technika chłodnicza-poradnik 3. Katalogi firmy Danfoss. 4. Technika chłodnicza i klimatyzacyjna nr 11/2005