Informacja o pracy dyplomowej 1. Nazwisko i imię: Gromow Przemysław adres e-mail: przemyslaw.gromow@gmail.com 2. Kierunek studiów: Mechanika i Budowa Maszyn 3. Rodzaj studiów: Dzienne magisterskie 4. Specjalność: Systemy, Urządzenia Chłodnicze i Klimatyzacyjne 5. Katedra dyplomująca: Katedra Techniki Cieplnej 6. Promotor pracy: dr inŝ. Zenon Bonca 7. Recenzent pracy: dr hab. inŝ. Dariusz Mikielewicz, prof. PG 8. Termin obrony: 17.09.2009 r. 9. Ocena pracy dyplomowej: bardzo dobra 10. Temat pracy dyplomowej: Projekt stanowiska dydaktycznego opartego na spręŝarkowym urządzeniu chłodniczym, napełnionym dwutlenkiem węgla (R744)
Spis treści Wstęp...1 1. Dwutlenek węgla jako czynnik chłodniczy...2 1.1. Historia... 2 1.2. Właściwości dwutlenku węgla (R744)... 3 1.3. Rozpuszczalność z wodą... 10 1.4. Bezpieczeństwo uŝytkowania i oddziaływanie na organizm ludzki... 11 1.5. Przykłady zastosowań dwutlenku węgla w urządzeniach chłodniczych... 13 1.5.1. Chłodnictwo komercyjne (instalacje i meble chłodnicze dla handlu)... 13 1.5.2. Chłodnictwo przemysłowe... 15 1.5.3. Transport chłodniczy... 16 1.5.4. Pompy ciepła... 16 1.5.5. Klimatyzacja... 17 1.6. Podsumowanie... 19 2. Jednostopniowe spręŝarkowe obiegi chłodnicze dla dwutlenku węgla...19 2.1. Obiegi teoretyczne... 19 2.2. Obliczenia jednostopniowych teoretycznych obiegów termodynamicznych... 21 2.2.1. Algorytm obliczenia obiegu teoretycznego... 23 2.2.2. Analiza cieplna wybranych obiegów... 26 2.2.3. Przykład obliczeniowy... 27 2.3. Podsumowanie wyników... 31 3. Oleje do spręŝarkowych urządzeń chłodniczych...36 3.1. Rodzaje olejów... 36 3.1.1. Oleje mineralne... 36 3.1.2. Syntetyczne oleje chłodnicze... 36 3.1.3. Półsyntetyczne oleje chłodnicze... 38 3.2. Własności olejów do urządzeń chłodniczych... 38 3.3. Olej w instalacji chłodniczej z czynnikiem R744 i jego wpływ na jej działanie... 40 3.4. Podsumowanie... 44 4. Przegląd istniejących rozwiązań konstrukcyjnych stanowisk dydaktyczno badawczych spręŝarkowych urządzeń chłodniczych...45 4.1. Istniejące stanowiska dydaktyczno badawcze... 45 4.2. Podsumowanie... 53 5. ZałoŜenia projektowe i wariantowy projekt koncepcyjny stanowiska dydaktycznego o wydajności chłodniczej nieprzewyŝszającej 2000 W...54 5.1. ZałoŜenia projektowe... 54 5.2. Koncepcje stanowiska dydaktycznego... 56 5.3. Podsumowanie... 58 6. Obliczenia cieplne i dobór podstawowych elementów urządzenia wraz z automatyką sterująco zabezpieczającą...59 6.1. Obliczenia cieplne... 59 6.1.1. Przykład obliczeniowy... 61 6.2. Dobór spręŝarki chłodniczej... 63 6.3. Obliczenie powierzchni wymiany ciepła i dobór wymienników... 68 6.3.1. Dobór wymienników ciepła... 70
6.4. Dobór przewodów rurowych... 71 6.5. Dobór zaworu rozpręŝnego... 73 6.6. Pozostałe elementy układu... 77 6.6.1. Presostat wysokiego ciśnienia... 77 6.6.2. Zawory odcinające... 78 6.6.3. Zawór bezpieczeństwa... 78 6.6.4. Indykator wilgoci... 79 6.6.5. Zbiornik ciekłego dwutlenku węgla... 79 6.6.6. Regeneracyjny wymiennik ciepła... 80 6.6.7. Elektroniczny regulator temperatury... 81 6.6.7. Regulator ciśnienia parowania... 82 6.7. Podsumowanie... 82 7. Elementy kontrolno pomiarowe...83 7.1. Pomiar mocy elektrycznej... 83 7.2. Pomiar temperatury... 84 7.3. Pomiar ciśnienia... 85 7.4. Pomiar strumienia masowego oraz objętościowego... 85 7.5. Podsumowanie... 85 8. Obliczenia sprawdzające wentylatorowej chłodnicy gazu...85 8.1. Wielkości załoŝone... 86 8.2. Współczynnik przejmowania ciepła dla przepływu dwutlenku węgla w rurce... 87 8.3. Współczynnik przejmowania ciepła dla przepływu powietrza suchego przez pęczek rurek z lamelami... 88 8.4. Obliczenie współczynnika przenikania ciepła... 89 8.5. Podsumowanie... 90 9. Metodyka prowadzenia zajęć laboratoryjnych...91 9.1. Ćwiczenie laboratoryjne nr 1... 91 9.2. Ćwiczenie laboratoryjne nr 2... 93 9.3. Ćwiczenie laboratoryjne nr 3... 94 9.4. Ćwiczenie laboratoryjne nr 4... 96 9.5. Ćwiczenie laboratoryjne nr 5... 97 9.6. Ćwiczenie laboratoryjne nr 6... 99 10. Dokumentacja techniczno ruchowa...102 Wnioski końcowe...104 Bibliografia...105 Załączniki...110
Wstęp Głównym celem niniejszej pracy dyplomowej jest projekt uniwersalnego stanowiska dydaktycznego o wydajności chłodniczej nie przewyŝszającej 2000 W, którego konstrukcja oparta jest na jednostopniowym spręŝarkowym urządzeniu chłodniczym napełnionym dwutlenkiem węgla jako czynnikiem chłodniczym. W wyniku podpisania przez wiele krajów Protokołu Montrealskiego w 1987 r. mającego na celu ograniczenie emisji substancji zuboŝających warstwę ozonową, podjęto produkcję syntetycznych czynników chłodniczych nie niszczących warstwy ozonowej. Jednak czynniki te po emisji do atmosfery przyczyniają się do wzrostu efektu cieplarnianego. Po dziesięciu latach w roku 1997 został podpisany tzw. Protokół z Kioto, który jest międzynarodowym porozumieniem dotyczącym podejmowania działań mających na celu ograniczenie efektu cieplarnianego. Skutkiem tych porozumień jest wycofywanie z uŝycia czynników chłodniczych mających wysokie wskaźniki ODP i GWP oraz zastępowanie ich substancjami o niskich wartościach tych współczynników. Do takich substancji pośród substancji niskowrzących naleŝy między innymi dwutlenek węgla, który jest naturalnym związkiem chemicznym powszechnie występującym w przyrodzie. CO 2 jest coraz częściej, po wieloletniej przerwie, wykorzystywany jako ekologiczny płyn roboczy w chłodnictwie i klimatyzacji i uwaŝany za długoterminowy zamiennik czynników syntetycznych, które są sukcesywnie wycofywane z uŝytkowania. W pierwszej części pracy przeprowadzono analizę własności cieplno uŝytkowych oraz bezpieczeństwa uŝytkowania dwutlenku węgla jako czynnika chłodniczego, jak i podano przykłady jego zastosowań. Dodatkowo przeanalizowano wpływ podstawowych parametrów na działanie urządzenia w obiegu podkrytycznym i nadkrytycznym, jak równieŝ wpływ obecności oleju chłodniczego na działanie instalacji z CO 2. W dalszej części pracy dokonano przeglądu wraz z oceną techniczną kilku istniejących rozwiązań konstrukcyjnych stanowisk dydaktyczno badawczych spręŝarkowych urządzeń chłodniczych działających w oparciu o czynniki syntetyczne i naturalne. W kolejnych rozdziałach przedstawiono załoŝenia projektowe i koncepcje projektowe stanowiska dydaktycznego oraz przeprowadzono obliczenia cieplne i dobór podstawowych elementów urządzenia wraz z automatyką sterująco zabezpieczającą, jak równieŝ elementami kontrolno pomiarowymi stanowiska. W końcowej części
pracy przeprowadzono obliczenia sprawdzające współczynnika przenikania ciepła dla wysokociśnieniowej chłodnicy gazowego dwutlenku węgla, sporządzono dokumentację wykonawczą oraz techniczno ruchową. Opracowano równieŝ metodykę prowadzenia sześciu zajęć laboratoryjnych na zaprojektowanym stanowisku. Wnioski końcowe dwutlenek węgla jest jednym z najstarszych naturalnych czynników chłodniczych stosowanych w chłodnictwie, który w dobie walki z globalnym ociepleniem i z troską o warstwę ozonową wydaje się być idealnym do zastosowań w tej dziedzinie techniki. Jest on nietoksyczny i niepalny, co zalicza go do grupy czynników bezpiecznych dla obsługi technicznej i środowiska naturalnego oraz poprzez liczne zalety, między innymi takie jak: łatwa dostępność, niska cena oraz dobre własności termodynamiczne moŝe być stosowany w wielu działach chłodnictwa; w załoŝeniach projektowych przyjęto, Ŝe projektowane urządzenie będzie działało w obszarze zarówno podkrytycznym jak i nadkrytycznym, w obydwu przypadkach moc chłodnicza nie będzie przekraczać 1000 W. W pracy przedstawiono cztery koncepcje projektowe, z pośród których wybrana została Koncepcja nr 4, która jest najbardziej rozbudowana i oferuje najwięcej moŝliwości poznawczych w procesie kształcenia; na podstawie załoŝeń projektowych zostały przeprowadzone obliczenia cieplne według algorytmu podanego w niniejszej pracy i na podstawie otrzymanych wyników został przeprowadzony dobór podstawowych elementów instalacji, jak równieŝ dobór elementów kontrolno pomiarowych, co świadczy o tym, iŝ moŝliwe jest juŝ skompletowanie małej instalacji chłodniczej działającej w oparciu o dwutlenek węgla; podczas doboru chłodnicy gazowego dwutlenku węgla załoŝono wartość współczynnika przenikania ciepła, załoŝenie to zostało sprawdzone poprzez przeprowadzenie obliczeń, których wyniki wykazały, iŝ współczynnik ten został załoŝony prawidłowo.