TEMAT: Ocena techniczna rurki kapilarnej jako elementu dławiącego w klimatyzatorach samochodowych.

Transkrypt

1 POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY Seminarium z przedmiotu AUTOMATYKA CHŁODNICZA I KLIMATYZACYJNA TEMAT: Ocena techniczna rurki kapilarnej jako elementu dławiącego w klimatyzatorach samochodowych. Wykonała: Agnieszka Bielska Semestr: 9 Specjalność: SiUChKl Spis treści: I. Urządzenia regulacyjno-zabezpieczające 3 II. Rurka kapilarna...3 III. Zalety i wady rurki kapilarnej..7 IV. Ocena techniczna....8 V. Klimatyzacja samochodowa.. 11 VI. Wnioski.. 11 VII. Literatura 12

2 I. Urządzenia regulacyjno-zabezpieczające. Urządzenia regulacyjne mają do spełnienia w instalacji chłodniczej dwa zadania: obniŝać ciśnienie czynnika chłodniczego dopływającego do parownika w stosunku do wartości ciśnienia panującego w skraplaczu, regulować strumień masy czynnika chłodniczego dopływającego do parownika w zaleŝności od chwilowych obciąŝeń cieplnych. W urządzeniach chłodniczych współpracujących z systemami klimatyzacyjnymi zadania te wykonują: rurki kapilarne, presostatyczne zawory regulacyjne (rozpręŝne), zawory pływakowe, termostatyczne zawory regulacyjne. Zadaniem urządzeń zabezpieczających jest niedopuszczenie do nadmiernych wzrostów lub spadków ciśnienia (wyłączniki ciśnieniowe) lub temperatury (termostaty) w urządzeniu chłodniczym. II. Rurka kapilarna. Rurka kapilarna jest najprostszym urządzeniem słuŝącym do obniŝania ciśnienia przez dławienie. Jest to odcinek rurki miedzianej o średnicy wewnętrznej dk = 0,7-2,5 mm i długości lk = 0,6-6,0 m wlutowany jest w rurociąg łączący skraplacz z parownikiem (rys.1a). Rysunek.1a.Zastosowanie rurki kapilarnej w urządzeniu chłodniczym bez dochładzania[7] Niekiedy, aby uzyskać dochłodzenie ciekłego czynnika, rurka kapilarna przylutowana jest na pewnej długości do ścianki przewodu ssawnego spręŝarki (rys.1b). Tworzy się w ten sposób regeneracyjny wymiennik ciepła. Ze skraplacza ciekły czynnik chłodniczy przepływa pod ciśnieniem skraplania do rurki kapilarnej. Następuje tworzenie się pęcherzyków pary na skutek spadku ciśnienia zwiększa objętość strumienia czynnika, a zatem zwiększa się równieŝ jego prędkość.

3 Rysunek.1b. zastosowanie rurki kapilarnej w urządzeniu chłodniczym z dochładzaniem[7] RóŜnica między ciśnieniem skraplania a ciśnieniem parowania czynnika zostaje wykorzystana do pokonania oporów przepływu przez rurkę oraz do przyspieszenia strumienia masy czynnika chłodniczego dopływającego do parownika. Wykres.1.Spadek ciśnienia czynnika chłodniczego w rurce kapilarnej[7] Na powyŝszym wykresie(wyk.1) pokazano schematycznie spadek ciśnienia czynnika w rurce z chłodzeniem i bez chłodzenia w zaleŝności od jej długości. Na skutek pokonywania oporów przepływu ciśnienie czynnika w rurce stopniowo obniŝa się, w chwili osiągnięcia wartości odpowiadającej temperaturze nasycenia czynnik zaczyna odparowywać. W wyniku gwałtownego wzrostu objętości czynnika w układzie dwufazowym wzrasta prędkość przepływu, a zatem i opory przepływu. Z wykresu wynika równieŝ, Ŝe bez chłodzenia rurki (krzywa 1-2-3) temperatura ciekłego czynnika przepływającego przez nią jest praktycznie stała; wrzenie rozpoczyna się w punkcie 2. W przypadku gdy ciecz płynąca w rurce kapilarnej jest dochładzana za pomocą par, jej wrzenie rozpoczyna się w punkcie 2' (krzywa 1-2'-3') przesuniętym w stosunku do punktu 2 ku wylotowi rurki, przy czym ciśnienie końcowe wynosi p3,. Całkowity spadek ciśnienia w rurce z dochładzaniem jest mniejszy p > p' Tak więc dochładzanie powoduje zwiększenie strumienia masy czynnika chłodniczego przepływającego przez rurkę.

4 Wpływ zmian obciąŝeń cieplnych na prace rurki kapilarnej moŝna ocenić na podstawie analiz charakterystyk. Podstawą do sprzędzenia charakterystyki jest równanie określające straty ciśnienia 2 λ w p = pk po = ρ lk dk 2 gdzie: pk -bezwzględne ciśnienie skraplania, MN/m2, po -bezwzględne ciśnienie parowania, MN/m2, Dla tego przykładu długość rurki kapilarnej l k moŝna obliczyć ze wzoru: lk = 0, d k pk Gdzie: d k -wewnętrzna średnica rurki kapilarnej, mm p k -bezwzględne ciśnienie skraplania, MN/m2 p 1,8 o 2,26 Przekształcając zaleŝność na straty ciśnienia otrzymujemy zaleŝność na strumień masy czynnika chłodniczego, kg/s: m = ψ ( p k po ) ρ gdzie: ψ-współczynnik wydajności określony wzorem 2,5 0,5 0,5 ψ =,354 π d λ l 0 k k Przyjmując iŝ ψ=const otrzymujemy rodzine charakterystyk, których parametrem jest p k (t k )=const. Charakterystyka taka znajduje się na poniŝszym wykresie(wyk.2). Na tym samym wykresie linią przerywaną została naniesione charakterystyka spręŝarki. Punkty przecięcia odpowiednich charakterystyk odpowiadają ustalonym warunkom pracy. V o m Wykres.2.Dzialanie rurki kapilarnej w warunkach nieustalonych[7] JeŜeli przyjmiemy prace rurki w warunkach nieustalonych przy t=const. To moŝemy zauwaŝyć, ze gdy obniŝa się ciśnienie (temperatura) parowania, zmniejsza się jednocześnie strumień masy czynnika przetłaczanego przez spręŝarkę. W wyniku tego zostaje zachwiana równowaga w układzie chłodniczym i następuje spiętrzenie cieczy w parowniku kosztem jej ubytku w skraplaczu. W krańcowym przypadku skraplacz zostaje całkowicie opróŝniony i do rurki kapilarnej dopływa mieszanina o większej zawartości pary (para o większym stopniu

5 suchości), co jest przyczyną wzrostu oporów przepływu i zmniejszenia strumienia masy czynnika dopływającego do parownika. Jednocześnie zmniejsza się właściwa wydajność chłodnicza czynnika, co powoduje zmniejszenie mocy chłodniczej urządzenia i ustalenia się nowych warunków równowagi określonych punktem B. W przypadku wzrostu ciśnienia (temperatury) parowania rośnie obciąŝenie cieplne skraplacza, gdyŝ zwiększa się strumień masy czynnika zasysanego przez spręŝarkę. Jednocześnie maleje ilość czynnika wypełniającego parownik, rośnie ilość cieczy wypełniającej skraplacz. W wyniku tego rośnie ciśnienie skraplania i w rezultacie ustala się nowy punkt równowagi C. JeŜeli warunki pracy urządzenia zmieniają się w szerokich granicach, jego praca z rurką kapilarną moŝe stać się nieefektywna. Pewien wpływ na pracę rurki kapilarnej ma jej chropowatość. Nadmierna chropowatość powoduje przede wszystkim odkładanie się wszelkich zanieczyszczeń na powierzchni wewnętrznej rurki, a to prowadzi do zmniejszenia jej efektywnej średnicy wewnętrznej. Zatem, jeŝeli chropowatość rurki jest zbyt duŝa, wówczas charakterystyka jej pracy moŝe ulec niekorzystnej zmianie. III. Zalety i wady rurki kapilarnej. Głównymi zaletami rurek kapilarnych są: prostota, niski koszt, zlikwidowanie momentu rozruchowego przy starcie spręŝarki, duŝa niezawodność działania. Ponadto zastosowanie rurek kapilarnych w urządzeniu chłodniczym umoŝliwia zmniejszenie momentu rozruchowego silników napędzających spręŝarki tłokowe, gdyŝ rozruch spręŝarki odbywa się w warunkach wyrównanego ciśnienia między stroną tłoczną i stawną spręŝarki; wyrównanie to następuje poprzez rurkę kapilarną. Głównymi wadami rurek kapilarnych są: nieekonomiczna praca urządzenia chłodniczego przy zmiennych obciąŝeniach cieplnych, duŝa czułość na zmiany ilości czynnika chłodniczego wypełniającego instalację. IV. Ocena techniczna. Zadaniem regulacji pracy parownika jest utrzymanie w nich stałego ciśnienia, stałego poziomu ciekłego czynnika lub zapewnienie odpływu gazowego czynnika z parownika w stanie przegrzania(czyli niedopuszczenie przelania się ciekłego czynnika do rurociągów ssawnych). Zastosowanie elementów dławiących o stałym przekroju, a przekroju szczególności rurek kapilarnych pozwoliło na moŝliwość samoregulacji układu. Widoczne to jest na rysunku(rys.2)

6 Rysunek.2.Schemat zasilania parownika rurką kapilarną oraz wykres spadku wydajności przy odchyleniu od obciąŝenia warunków pracy[7] Po wyłączeniu spręŝarki cała ciecz zbiera się po stronie niskiego ciśnienia, tj. w parowniku. Aby zabezpieczyć spręŝarkę przed uderzeniem cieczowym, układ chłodniczy napełnia się czynnikiem chłodniczym w ilości powodującej wypełnienie w 90% parownika. Natomiast rurkę kapilarną dobiera się tak, aŝeby średnie obliczeniowe masowe natęŝenie przepływu ciekłego czynnika przez rurkę kapilarną było równe ilości zasysanej pary przez spręŝarkę z parownika; wówczas poziom ciekłego czynnika w parowniku nie zmienia się. Przy róŝnych od obliczeniowych warunkach pracy(odpowiednim obniŝeniu temperatury i ciśnienia w skraplaczu)ilość przepływającego przez kapilarę czynnika chłodniczego zmniejsza się, natomiast moc chłodnicza wzrasta. W czego wyniku poziom czynnika w parowniku zaczyna opadać. W tym przypadku strumień cieplny płynący do parownika maleje, jednocześnie obniŝając poziom czynnika w parowniku z A do A1 i powodując podniesienie poziomu czynnika w skraplaczu z B do B1. Poprzez co powierzchnia pary maleje i ilość przepływającej przez kapilarę cieczy w wyniku róŝnicy ciśnień wzrasta. Dalsze obniŝanie poziomu ciekłego czynnika w parowniku zostaje zatrzymane. Przy wzroście temperatury zewnętrznej wydajność maleje, a ilość przepływającego czynnika wzrasta. W urządzeniach ze zbiornikiem ciekłego czynnika za skraplaczem stopień samoregulacji gwałtownie maleje, tak Ŝe przy obniŝaniu się poziomu ciekłego czynnika w parowniku poziom cieczy w skraplaczu i ciśnienie rosną bardzo wolno. W związku z tym ilość przepływającej cieczy przez rurkę kapilarną nie wzrasta i praca urządzenia moŝe być nieefektywna. Z tego powodu w układach z rurką kapilarną nie stosuje się zbiorników ciekłego czynnika. Rysunek.3. Przepustowość rurki kapilarnej w funkcji stosunku ciśnienia parowania do ciśnienia skraplania[2]

7 W praktyce często zdarza się, Ŝe rurka kapilarna pracuje w tak zwanym stanie zatkania, czyli na końcu rurki osiągana jest lokalna prędkość dźwięku i przepływ staje się krytyczny. Zjawisko to oznacza, Ŝe niezaleŝnie od dalszego spadku ciśnienia w parowniku, rurka nie jest w stanie przepuścić więcej czynnika chłodniczego(rys.3). Oczywiście wystąpienie tej sytuacji w urządzeniu jest szkodliwe, rurka bowiem traci wówczas swoje własności regulacyjne. W związku z tym zaleca się by geometria rurki była tak dobrana, aby przepływ czynnika nie był nasycony. UmoŜliwia to wówczas samoczynną regulację strumienia masy czynnika w zaleŝności od ciśnień panujących w skraplaczu oraz w parowniku. Rysunek.4. Krzywa równowagi wydajności chłodniczej rurki kapilarnej.[2] Z formalnego punktu widzenia, rurka kapilarna przewidziana jest do pracy przy zadanych, stałych parametrach pracy urządzenia do pracy w jednym punkcie na charakterystyce przedstawionej na rys.4. JeŜeli warunki pracy urządzenia zmieniają się w szerokich granicach, jego praca z rurką kapilarną moŝe stać się nieefektywna. Z reguły spada wówczas współczynnik wydajności chłodniczej, moŝe nastąpić skrócenie czasu postoju urządzenia i zwiększenie częstotliwości jego wyłączeń, co wiąŝe się bezpośrednio z obniŝeniem trwałości spręŝarki. V. Klimatyzacja samochodowa. Klimatyzator samochodowy słuŝy do zapewnienia odpowiedniej temperatury i wilgotności wewnątrz kabiny auta, w ścisłej współpracy z systemem jej ogrzewania i wentylacji. Schemat takiego obiegu chłodniczego przedstawiony jest na poniŝszym rysunku: Rysunek5.1-sprezarka, 2-skraplacz, 3-parownik, 4-zawor rozpręŝny, 5-odwadniacz[8]

8 Po stronie A czynnik chłodniczy jest w postaci gazu pod wysokim ciśnieniem, po stronie B pod niskim, zaś po stronie C czynnik chłodniczy w stanie ciekłym pod wysokim ciśnieniem i analogicznie po stronie D pod niskim. Odparowanie czynnika chłodniczego powoduje odebranie ciepła z przygotowywanego powietrza. Dlatego tez stosuje się rozpręŝanie czynnika chłodniczego przy ciśnieniu parowania za pomocą elementu dławiącego. Zapotrzebowanie na powietrza jest uzaleŝnione od prędkości jazdy samochodu i zróŝnicowaniu ilości przedostającego się ciepła do wnętrza. Ruch samochodu powoduje ze ciśnienie czynnika chłodniczego i jego temperatura nie są stale, dlatego tez stosuje elementy dławiące przed parownikiem. Stosuje się je tez z tego powodu, iŝ podczas wyłączania spręŝarki następuje wyrównanie ciśnienia za pomocą tego elementu. Schemat klimatyzacji samochodowej[2]: VI. Wnioski. Rurka kapilarna jest najprostszym urządzeniem słuŝącym do obniŝania ciśnienia przez dławienie, którego długość jest istotna dla ustalenia przepływu, Przy róŝnych od obliczeniowych warunkach pracy(odpowiednim obniŝeniu temperatury i ciśnienia w skraplaczu)ilość przepływającego przez kapilarę czynnika chłodniczego zmniejsza się, natomiast moc chłodnicza wzrasta. W czego wyniku poziom czynnika w parowniku zaczyna opadać, W urządzeniach ze zbiornikiem ciekłego czynnika za skraplaczem stopień samoregulacji gwałtownie maleje, tak Ŝe przy obniŝaniu się poziomu ciekłego

9 czynnika w parowniku poziom cieczy w skraplaczu i ciśnienie rosną bardzo wolno. Zaleca się by geometria rurki była tak dobrana, aby przepływ czynnika nie był nasycony, umoŝliwia to wówczas samoczynną regulację strumienia masy czynnika w zaleŝności od ciśnień panujących w skraplaczu oraz w parowniku. JeŜeli warunki pracy urządzenia zmieniają się w szerokich granicach, jego praca z rurką kapilarną moŝe stać się nieefektywna. Z reguły spada wówczas współczynnik wydajności chłodniczej, moŝe nastąpić skrócenie czasu postoju urządzenia i zwiększenie częstotliwości jego wyłączeń, co wiąŝe się bezpośrednio z obniŝeniem trwałości spręŝarki. Dzięki prostocie i duŝej niezawodności (w porównaniu z termostatycznym zaworem rozpręŝnym) rurki kapilarne znalazły szerokie zastosowanie w domowych chłodziarkach, których warunki pracy niewiele róŝnią się od obliczeniowych. Natomiast w urządzeniach o średniej mocy chłodniczej zastosowanie rurek kapilarnych jest mniej ekonomiczne, gdyŝ warunki ich eksploatacji mogą znacznie róŝnić się od obliczeniowych. Analiza rozwiązań wskazuje na brak zastosowania rurki kapilarnej w klimatyzacji samochodowej jest to spowodowane duŝą nie stabilnością warunków pracy urządzenia oraz ciągle zmieniającymi się obciąŝeniami cieplnymi układu. VII. Literatura. Opracowane na podstawie: 1. Chłodnictwo nr 7 i r 2. Technika chłodnicza i klimatyzacyjna nr z roku: 1996 i Technika chłodnicza Ulirich tom.1 4. Automatyka urządzeń chłodniczych Wesołowski a., Dworski F. 5.Internet 6.Encyklopedia PWN 7.Materialy dostarczone przez prowadzącego. 8. Klimatyzacja w samochodzie Ulrich Deh