Automatyka chłodnicza i klimatyzacyjna

Transkrypt

1 Automatyka chłodnicza i klimatyzacyjna Temat: Automatyzacja procesu odszraniania wentylatorowych chłodnic powietrza gorącymi parami czynnika w małych i średnich urządzeniach chłodniczych. Piotr Chełstowski Sem. 9 SUChiKl

2 Spis treści: 1. Wstęp. 2. Metody odszraniania. 3. Automatyzacja procesu odszraniania gorącymi parami czynnika chłodniczego. 4. Literatura.

3 1. Wstęp. Na zimnej, zewnętrznej powierzchni parownika w pracującym urządzeniu chłodniczym osiada wilgoć, wydzielająca się z otaczającego powietrza. W przypadku temperatury powierzchni parownika poniŝej 0 C woda ta zamarza. Początkowo, po włączeniu urządzenia i przy czystej powierzchni parownika, wilgoć osadza się w postaci szronu. Z upływem czasu szron ten przekształca się w dość zwartą skorupę lodu. W temperaturze znacznie niŝszej niŝ 0 C, np.-25 C, początkowo tworzy się bardzo puszysty szron. W obu przypadkach warstwa zamarzniętej wilgoci zawiera pęcherzyki powietrza podnoszące jej właściwości izolacyjne. Parownik zostaje więc pokryty jakby warstwą izolacji, utrudniającą wymianę ciepła. Strumień powietrza owiewający parownik maleje a temperatura w komorze rośnie. 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% rys.1.1. Rys.1.1 ZaleŜność zuŝycia energii elektrycznej od grubości warstwy szronu na parowniku szafy chłodniczej T 125, wg badań A. Wesołowskiego Dla zapewnienia efektywnej pracy urządzenia chłodniczego konieczne jest usuwanie tej lodowej warstwy. Proces ten nazywa się odszranianiem, lub odtajaniem parowników. Odszranianie jest konieczne równieŝ ze względu na pochłanianie przez szron zapachów mogących się przenosić z produktu na produkt, nawet w przypadku niejednoczesnego ich przechowywania. Dodatkowo na skutek odparowania wilgoci z przechowywanych towarów tworzy się na ich powierzchni ususzka. Pomimo, Ŝe proces szronienia chłodnic powietrza ma negatywny wpływ na pracę całego urządzenia chłodniczego, zarówno z punktu widzenia eksploatacyjnego, jak i ekonomicznego, problem ten jest wciąŝ niedoceniany, a często wręcz ignorowany przez obsługę.

4 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 Proces odszraniania najprościej jest przeprowadzić w komorach, w których panuje temperatura 2 do 5 C. W takich przypadkach wystarczy bowiem zatrzymać dopływ czynnika do parownika, czego skutkiem, po pewnym czasie, jest roztopienie się warstwy szronu lub lodu pokrywającego parownik. Procesy odszraniania dzieli się wtedy 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. 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 układu odszraniania za pomocą grzejników elektrycznych przedstawia rys2.2 Rys.2.2 Odszranianie za pomocą grzejników elektrycznych: 1 spręŝarka, 2 parownik, 3 przekaźnik ciśnienia 4 przekaźnik elektryczny 5 silnik elektryczny 6 przekaźnik czasowy 7 grzałki elektryczne 8 wentylator 9 taca ociekowa

5 Jeden z grzejników, odpowiednio izolowany, ogrzewa parownik, a drugi tacę pod chłodnicą, w celu niedopuszczenia do zamarznięcia skroplin. Przekaźnik czasowy inicjujący odszraniaie zatrzymuje silnik asynchroniczny, wyłącza wentylator chłodnicy oraz włącza zasilanie 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 niewielkie wymagania techniczne, natomiast do wad naleŝy zaliczyć: znaczne zuŝycie energii, duŝy wzrost temperatury w komorze chłodniczej i ryzyko wystąpienia poŝaru pomimo technicznych środków bezpieczeństwa. Inny sposób odszraniania, przedstawiony na rys1.3, to stosowanie natrysku wody do odszraniania. Polega on na ogrzaniu zaszronionej powierzchni parownika przez polewanie jej wodą. Przekaźnik programowy zatrzymuje silnik spręŝarki, otwiera elektromagnetyczny zawór wodny, zatrzymuje wentylator i włącza dopływ prąd do grzejnika elektrycznego, obejmującego takŝe przewód odprowadzenia skroplin, aby nie dopuścić do ich zamarznięcia. Po upływie czasu tak dobranego, aby cały szron uległ stopieniu, zamyka się zawór elektromagnetyczny, po czym po upływie kilku minut przekaźnik włącza spręŝarkę i wentylator. Przez ten czas woda spływa z powierzchni parownika. Rys 2.3 Odszranianie za pomocą zraszania wodą. 1 spręŝarka, 2 parownik, 3 przekaźnik elektryczny, 4 silnik elektryczny, 5 wentylator, 6 przekaźnik czasowy, 7 rura zraszająca, 8 grzejniki elektryczne, 9 zawór elektromagnetyczny

6 Najszerzej rozpowszechnioną jest metoda zwana popularnie odszranianiem gorącymi parami", lub gorącym gazem" przedstawiona na rys.2.4. Metoda ta, polegająca na przekształceniu parownika na czas odtajania w skraplacz - grzejnik, wykorzystuje ciepło zawarte w spręŝonych parach czynnika, doprowadzonych przy pomocy specjalnego rurociągu gorących par", bezpośrednio z przewodu tłocznego do parownika. W procesie odszraniania gorącymi parami moŝna wyróŝnić szereg etapów. Rys.2.4 Schemat połączeń przy odszranianiu parowników z zasilaniem dolnym [1] (a) i zasilaniem górnym (b): 1 - zawór elektromagnetyczny, 2 - zawór zwrotny, 3 -zawór rozpręŝny, 4 - zawór regulacyjny ciśnienia odtajania na powrocie cieczy Faza 1: Wyłączenie wentylatorów pracujących w danej chłodnicy. Wyłączenie wentylatora spowoduje prawie całkowite zatrzymanie wymiany ciepła pomiędzy powietrzem w komorze i chłodnicą powietrza. Wymiana ciepła i masy moŝe się wtedy odbywać tylko na drodze promieniowania i przewodzenia. Chroni to przestrzeń ładunkową przed szkodliwym wzrostem temperatury, a z drugiej strony umoŝliwia szybsze odszronienie po wierzchni chłodnicy. Faza 2: Odcięcie dopływu ciekłego czynnika chłodniczego zasilającego parownik poprzez automatyczne lub ręczne zamknięcie zaworu zasilającego nr1 na rys Czynnik od tego momentu przestaje dopływać do parownika, a ciśnienie w parowniku zaczyna spadać wskutek dalszego odsysania par z parownika do przewodu ssawnego. Faza 3: PodwyŜszenie ciśnienia w parowniku i wyparcie znajdującej się tam cieczy oraz podgrzanie tacy ściekowej. W tym celu doprowadza się do parownika, poprzez ręczne lub automatyczne otwarcie zaworu odtajania, gorące pary czynnika o ciśnieniu zbliŝonym do ciśnienia skraplania. Równocześnie naleŝy ręcznie lub automatycznie odciąć wypływ par zasysanych z parownika do spręŝarek.

7 Faza 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 dwufazowej. Ze względu na efektywność procesu wymiany ciepła, poŝądane jest jak najszybsze skroplenie doprowadzonych par. Faza 5: Zakończenie odszraniania 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 chłodzone Faza 6: Osuszenie powierzchni chłodnicy.w celu zapobieŝenia porywania kropel wody z powierzchni chłodnicy do przestrzeni ładunkowej komory chłodniczej, konieczne jest osuszenie powierzchni chłodnicy powietrza. MoŜna to uzyskać przez opóźnione, w stosunku do momentu otwarcia zaworów ssawnego i zasilającego, załączenie do pracy wentylatorów chłodnicy powietrza Faza 7: Przejście do fazy chłodzenia. Po załączeniu wentylatorów ustalają się normalne warunki pracy chłodnicy, umoŝliwiające chłodzenie powietrza obiegowego w komorze. Metoda odszraniania za pomocą gorącej pary czynnika ma wiele zalet, z których najwaŝniejszymi są: niezawodność, skuteczność działania, nawet przy bardzo niskich temperaturach, krótki czas operacji i związany z tym niewielki wzrost temperatury w komorze, gdzie jest umieszczony parownik oraz niezbyt wysokie koszty energii na przeprowadzenie tego procesu. W porównaniu do odszraniania elektrycznego nie ma równieŝ zagroŝenia poŝarowego. Wadą tej metody jest dość skomplikowana technicznie operacja przełączania układu, która jednak obecnie jest zwykle zautomatyzowana. 3. Automatyzacja procesu odszraniania gorącymi parami czynnika chłodniczego. W procesie odszraniania gorącymi parami czynnika chłodniczego moŝemy wyróŝnić: a) Odszranianie gorącym gazem w układzie z dolnym zasilaniem pompowym b) Odszranianie gorącym gazem od góry parownika suchego (Danfoss) c) Odszranianie gorącym gazem od dołu parownika w układzie pompowym (Danfoss)

8 Odszranianie gorącym gazem w układzie z dolnym zasilaniem pompowym A zasilanie gorącym gazem B zasilanie ciekłym czynnikiem C do oddzielacza cieczy 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 odszraniania 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. Ciśnienie wewnątrz chłodnicy rośnie i po pewnym czasie osiąga poziom nastawiony w zaworze pilotowym stałego ciśnienia (CVP) i rozpoczyna się proces odszraniania. 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 odszraniania. 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.

9 Odszranianie gorącym gazem od góry parownika suchego (Danfoss) (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 (odcinający) pracujący przy minimalnym spadku ciśnienia (10) EVM(NC) Zawór pilotowy elektromagnetyczny (11) EVM(NO) Zawór pilotowy elektromagnetyczny normalnie otwarty W cyklu 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. Natomiast w cyklu odszraniania 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

10 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 oc, wówczas skroplona para wraca do osuszacza przez zawór główny typu PM1 (7). Odszranianie gorącym gazem od dołu parownika w układzie pompowym (Danfoss) (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 Podczas cyklu chłodzenia ciekły czynnik przepływa przez zawór odcinający typu PM (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 odszraniania. 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). Przy odszranianiu 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

11 pilotowy stałego ciśnienia typu CVP (HP) (8), który utrzymuje odpowiednią wartość ciśnienia niezbędną do oszronienia parownika. 4. Literatura 1) Z. Bonca Amoniakalne urządzenia chłodnicze 2) H.J. Ullrich Technika chłodnicza poradnik 3) Technika chłodnicza i klimatyzacyjna 4) Katalog firmy Danfoss