PRACA SEMINARYJNA Z AUTOMATYKI CHŁODNICZEJ TEMAT: SYSTEMY REGULACJI WYDAJNOŚCI SPRĘŻAREK CHŁODNICZYCH; część II: Sposoby regulacji Wykonał: Jakub Muszyński Wydz. Mech. sem. IX mgr Systemy Urządzenia Chłodnicze i Klimatyzacyjne
Spis treści: część II: Sposoby regulacji : 1. Upust czynnika z komory roboczej na stronę ssawną. str. 2 2. Upust czynnika ze strony tłocznej na ssawną. str. 3 2.1. Regulacja wydajności sprężarki tłokowej gorącymi parami czynnika chłodniczego. str. 3 2.2. Regulacja wydajności sprężarki tłokowej wtryskiem mokrych par czynnika do kolektora ssawnego. str. 4 2.3. Regulacja wydajności sprężarki tłokowej wtryskiem gorących par czynnika do wlotu parownika. str. 5 3. Dławienie na ssaniu. str. 6 4. Sposoby regulacji sprężarek śrubowych. str. 7 5. Podsumowanie str. 9 6. Literatura str. 10 Sprężarka YORK Sabroe 80 WSTĘP: Poniższa praca seminaryjna stanowi kontynuację opracowania Marka Kwiatkowskiego na ten sam temat systemy regulacji wydajności sprężarek chłodniczych Jakub Muszyński, SUChKl, sem IX mgr 1
1. Upust czynnika z komory roboczej na stronę ssawną. Rys.: 1 [1]; Regulacja przez upust czynnika z komory roboczej w sprężarce tłokowej: a)schemat połączenia cylindra z przewodem ssawnym w sprężarce przelotowej, b) w sprężarce nieprzelotowej, c) schemat połączenia cylindrów w sprężarce rzędowej. Regulacja za pomocą upustu czynnika z komory roboczej, powszechnie nazywana regulacją upustową, znalazła szerokie zastosowanie w sprężarkach śrubowych chłodzonych wtryskiem oleju (na ten temat szerzej w punkcie 4). Natomiast w sprężarkach tłokowych regulacja upustowa nie wpływa na żywotność elementów konstrukcyjnych, co stawia ją pod tym względem wyżej od regulacji np. przez podwieszanie płytek zaworowych. Metodę te można zrealizować na dwa sposoby. połączenie komory ssawnej lub przewodu ssawnego z komorą roboczą sprężarki (rys. 1: a, b) połączenie sąsiednich cylindrów sprężarki (rys. 1 c) Automatyzacja takiego układu sprowadza się do zastosowania automatycznych zaworów upustowych, sterowanych temperaturą lub ciśnieniem ssanie. Przebieg przemian termodynamicznych w cylindrze sprężarki, przy zastosowaniu upustowej regulacji wydajności przedstawia poniższy rysunek 2. Rys. 2; Regulacja wydajności zaworem upustowym w cylindrze sprężarki: a) zasada działania; b) wykres indykatorowy z otwartym zaworem. Otwarcie zaworu powoduje wytłoczenie do komory ssawnej podczas suwu sprężania części par czynnika. Na wykresie indykatorowym linią przerywaną został zaznaczony obieg bez regulacji (przy pełnej wydajności), oraz linią ciągłą cykl sprężania przy otwartym zaworze upustowym. Jak widzimy osiągnięty został w ten sposób zasadniczy cel zmniejszenia objętości czynnika zassanego do cylindra (Vss ). Na powyższym wykresie nie zostało uwzględnione zjawisko mieszania i podgrzania świeżo zasysanych par przez strumień Jakub Muszyński, SUChKl, sem IX mgr 2
czynnika powracający z upustu. Jednakże nie wpływa to zasadniczo na zrozumienie fizyki zjawiska i termodynamicznego sensu upustowej regulacji wydajności. 2. Upust czynnika ze strony tłocznej na ssawną. Podstawowa cechą tej metody jest niezmienność ciśnienia tłoczenia i ssania sprężarki. Oczywiście jak każda metoda regulacji, ta metoda niesie ze sobą również straty pracy sprężania i można powiedzieć bardzo poważne straty. Na temat porównania tej metody szerzej w punkcie 5 Podsumowanie Za względu na stosunkowo proste rozwiązania techniczne metoda ta znalazła szerokie zastosowanie w agregatach przy kontenerowych. Sercem takiego układu regulacji bywa najczęściej mało skomplikowany regulator upustowy CPC o działaniu proporcjonalnym, wmontowanym w przewód obejściowy (rys. 3). Umożliwia on dostosowanie wydajności chłodniczej do aktualnego obciążenia parownika. 2.1. Regulacja wydajności sprężarki tłokowej gorącymi parami czynnika chłodniczego. Rys. 3; Schemat upustowej regulacji wydajności sprężarki tłokowej gorącymi parami czynnika chłodniczego. W układzie mamy możliwość osiągnięcia redukcji wydajności do 50%. Sygnałem sterującym dla CPC jest w tym przypadku spadek ciśnienia parowania. Jednym z poważniejszych ograniczeń stosowalności tego układu jest obniżenie się ciśnienia skraplania na skutek mniejszego strumienia czynnika dopływającego do skraplacza. Pociąga to za sobą konieczność automatycznej regulacji parametrów pracy skraplacza. Jakub Muszyński, SUChKl, sem IX mgr 3
2.2. Regulacja wydajności sprężarki tłokowej wtryskiem mokrych par czynnika do kolektora ssawnego.. Rys. 4; Schemat upustowej regulacji wydajności sprężarki wraz ze, sterowanym termostatycznie, wtryskiem mokrych par czynnika.. W wypadku kiedy potrzebujemy osiągnąć wyższą redukcję wydajności (nawet do 70%) można zastosować układ przedstawiony na rysunku 4. W układzie tym gorące pary czynnika z upustu oraz zimne pary z parownika mieszane są z małą ilością mokrych par zza skraplacza. W taki sposób osiągamy obniżenie temperatury tłoczenia. Konieczność zapewnienia stabilnej pracy TZR u oraz stosownego powrotu oleju z parownika do karteru sprężarki stanowią najpoważniejsze ograniczenie działania takiego układu. Za pomocą typowego termostatu (termostat RT na rys. 5) można znacznie uprościć układ z rysunku 4. Rysunek 5 przedstawia układ z zastosowanym zaworem elektromagnetycznym EVR sterowanym termostatem RT oraz ręcznym zaworem rozprężnym 6F. Rys. 5; Schemat upustowej regulacji wydajności sprężarki, wraz ze sterowanym termostatem, wtryskiem mokrych par do jej kolektora ssawnego. Jakub Muszyński, SUChKl, sem IX mgr 4
Kolejną wariacją wtrysku mokrej pary do kolektora ssawnego jest zastosowanie typowego zaworu TZR jako elementu dawkującego mokrą parę (rys. 6) Rys. 6; Schemat upustowej regulacji wydajności sprężarki, wraz ze sterowanym przegrzaniem, wtryskiem pary mokrej czynnika do jej kolektora ssawnego. Uzyskujemy w ten sposób możliwość ciągłej regulacji przegrzania par na ssaniu do sprężarki. Oczywiście wspomnianą kontrole uzyskujemy dzięki zaworowi T2, dla którego sygnałem sterującym jest temperatura na ssaniu do sprężarki. Jest to szczególnie dobre rozwiązanie dla sprężarek semihermetycznych z silnikami elektrycznymi chłodzonymi zasysaną para czynnika. Łatwiej jest wtedy uniknąć zbyt dużego przegrzania par czynnika na ssaniu które mogłoby spowodować zadziałanie zabezpieczeń termicznych uzwojeń silnika. Warto również zauważyć, że podczas rozruchu spadek ciśnienia w parowniku może być tak znaczny że zawór T2 może doprowadzić do uderzenia hydraulicznego. Rozwiązaniem tego problemu może być zastosowanie dodatkowego TZR a zamontowany na przewodzie obejściowym, który byłby sterowany temperaturą tłoczenia sprężarki. 2.3. Regulacja wydajności sprężarki tłokowej wtryskiem gorących par czynnika do wlotu parownika. Rys. 7; Schemat upustowej regulacji wydajności sprężarki gorącymi parami doprowadzonymi do wlotu parownika. Jakub Muszyński, SUChKl, sem IX mgr 5
Zasadniczą cechą i zaleta tego układu jest prosta budowa i co za tym idzie niska cena. Zawór TZR (TF5 na rys. 7) dostarcza do parownika taka ilość czynnika, która kompensuje obciążenie cieplne parownika i wysoka temperaturę pary upustowej. W wypadku kiedy temperatura przegrzania par czynnika za parownikiem zwiększa się od założonej wartości TZR otwiera się bardziej doprowadzając większą ilość zimnego czynnika. Powyższy układ cechuje się stałym strumieniem czynnika przepływającym przez parownik, co ułatwia w zdecydowany sposób powrót oleju do sprężarki przy zmniejszonej wydajności sprężarki Rys. 8; Schemat sprężarki z przewodem bocznikowym, jako elementem ułatwiającym jej rozruch. Na rysunku 8 pokazano przykładowe rozwiązania upustowego odciążenia sprężarki podczas rozruchu. Zawór elektromagnetyczny na by-pass ie ma za zadanie wyrównać ciśnienia po stronie tłocznej i ssawnej podczas startu sprężarki, co redukuje wymagany moment obrotowy. Po osiągnięciu odpowiednio wysokich obrotów, sprężarka zostaje stopniowo obciążana poprzez otwieranie się osobnego zaworu dławiącego na kolektorze ssącym (nie ma go na rys 8). Zawór dławiący na ssaniu oczywiście w trakcie rozruchu pozostawał zamknięty, a jego funkcją jest stopniowe otwieranie przepływu czynnika. Jest to w zasadzie metoda kombinowana, łącznie z upustem z tłoczenia jest stosowane dławienie na ssaniu (patrz punkt 3). Ogólnie wszystkie wspomniane metody są proste w budowie, nie wymagają żadnych bezpośrednich ingerencji w konstrukcje sprężarki oraz oferują szeroki zakres regulacji. Niestety pomimo tych zalet, regulacja upustowa jest wybitnie energetycznie nieefektywna. 3. Dławienie zasysanej pary czynnika chłodniczego. Dławienie na ssaniu jest stosowane w wypadku braku możliwości zastosowania innych metod regulacji, ze względu na bardzo niską efektywność energetyczną. Poza tym regulacje tą metodą można uzyskać bardzo niskim nakładem finansowym, inwestując w jeden nieskomplikowany zawór regulacyjny na kolektorze ssącym. Bardzo często jest to najlepsza metoda stosowana w trakcie rozruchu instalacji. Czasem jest również stosowana razem z upustem czynnika z tłoczenia, tak jak na rysunku 8. Jakub Muszyński, SUChKl, sem IX mgr 6
Rys. 9; Wykres indykatorowy sprężarki z regulacją wydajności przez dławienie zasysanej pary; Vss objętość zasysanego czynnika bez dławienia, Vss objętość zasysanego czynnika przy dławieniu pary w przewodzie ssawnym. Na powyższym wykresie (rys 9) możemy zauważyć zasadę regulacji metoda dławienia na ssaniu. Po zdławieniu czynnika do pss sprężarka zasysa mniejszą objętość czynnika Vss, co bezpośrednio, oczywiście przy stałym ciśnieniu i temperaturze parowania, prowadzi do zmniejszenia jej wydajności. Q o λρ ss V q ss o 4. Sposoby regulacji sprężarek śrubowych. Wspólną cechą większości sprężarek rotacyjnych, determinująca problemy przy regulacji ich wydajności są: Stały spręż wewnętrzny; Bardzo szczególne rozwiązanie konstrukcyjne rozrządu; Znacznie mniej szczelna komora robocza niż w przypadku sprężarek tłokowych; Brak przestrzeniu szkodliwej; Sprężarki ze stałym sprężem wewnętrznym są zdecydowanie bardziej problematyczne podczas rozruchu po dłuższym postoju, kiedy to ciśnienie skraplania ~ ciśnienie parowania. Do regulacji wydajności sprężarek śrubowych stosowane są następujące sposoby: Zatrzymywanie i uruchamianie (z powodów wyżej opisanych jest to sposób nie najlepszy dla sprężarek śrubowych); Zmiana prędkości obrotowej (w przypadku sprężarek śrubowych stopień dostarczenia jest silnie zależny od prędkości obrotowej, w miarę zmniejszania prędkości obrotowej rosną straty nieszczelności; Dławienie na ssaniu (ze względu na stały spręż wewnętrzny metoda ta nie jest najlepsza); Zastosowanie suwaka upustowego; Jakub Muszyński, SUChKl, sem IX mgr 7
Rys. 10; Schemat zabudowy i działania suwaka upustowego, 1 wirnik pomocniczy, 2 wirnik główny, 3 korpus, 4- suwak regulacyjny, 5 okno upustowe, 6 siłownik. Rys. 11; Zasada działania sprężarki z suwakiem upustowym; a) położenie zamknięte, b) położenie otwarte. Na rys 11 została pokazana zasada realizacji regulacji upustowej za pomocą ruchomego suwaka. Suwak ten opcjonalnie i proporcjonalnie otwiera lub przysłania okno tłoczne oraz w odwrotnym cyklu reguluje okno upustowe. Innym rozwiązanie regulacji upustowej sprężarek śrubowych jest zastosowanie dwóch niezależnych suwaków (rys 12). Rys. 12; Ruchome suwaki do zmiany wydajności i sprężu wewnętrznego sprężarki śrubowej. Jakub Muszyński, SUChKl, sem IX mgr 8
Przemieszczanie samego suwaka S w kierunku czoła tłocznego powoduje otwarcie okna upustowego i zmniejszenie wydajności oraz sprężu wewnętrznego. Przemieszczanie samego suwaka R w kierunku czoła ssawnego zmniejsza również wydajność i spręż wewnętrzny. Równoczesne przesunięcie suwaków R i S powoduje tylko zmianę sprężu wewnętrznego. Jest to bardzo znaczne ułatwienie procesu rozruchu sprężarek, szczególnie w przypadku dużych przemysłowych agregatów śrubowych. Rys. 13; Sprężarka YORK Sabroe 80, na rysunku widoczne elementy regulacyjne: siłownik i suwaki upustowe. 5. Podsumowanie. Idealna regulacja wydajności powinna cechować się następującymi właściwościami: Regulacja ciągła Jednoczesna proporcjonalna zmiana zapotrzebowania mocy napędowej przy zmianie wydajności (co bezpośrednio obrazuje rysunek 14) Rys. 14; Zapotrzebowanie na moc indykowaną dla sprężarek powietrznych przy różnych rodzajach regulacji wydajności w zależności od stopnia zmniejszenia wydajności; 1 połączenie tłoczenia ze ssaniem za ostatnim stopniem sprężarki, 2 połączenie tłoczenia ze ssaniem za pierwszym stopniem sprężarki, 3 regulacja przez podwieszenie zaworów ssawnych, 4 regulacja przez podłączenie zmiennej przestrzenni szkodliwej, 5 regulacja zmiany prędkości obrotowej, 6 regulacja przez stałe podwieszenie zaworów ssawnych w poszczególnych cylindrach. Jakub Muszyński, SUChKl, sem IX mgr 9
Jak widać z powyższego wykresu najlepszą (najbardziej liniowa charakterystyka) metoda regulacja są metody regulacji przez zmianę prędkości obrotowej i dołączanie przestrzeni szkodliwej. Oczywiście nie wszystkie sposoby regulacji można stosować w całym zakresie. Natomiast regulacja upustowa charakteryzuje się najmniej korzystniejszym wskaźnikiem zapotrzebowania mocy przy zmniejszaniu wydajności. Rys. 15, Porównanie ekonomiczne stosowania różnych sprężarek tłokowych; 1 ON-OFF, 2 dodatkowa przestrzeń szkodliwa, 3 podwieszenie zaworów ssawnych, 4 dławienie na ssaniu, 5 upust czynnika z tłoczenia na ssanie. Najlepszym wskaźnikiem opłacalności stosowania konkretnej metody regulacji jest zależność jednostkowego zapotrzebowania na moc od stopnia regulacji wydajności. Idealna metoda byłaby taka, że w trakcie redukowania wydajności nie wzrastałoby zapotrzebowanie na moc. I jak widać na wykresie 15 najkorzystniejsza jest metoda okresowego włączania i wyłączania sprężarki. Kolejną metodą byłoby stosowanie dodatkowej przestrzeni szkodliwej. Ekonomicznie najmniej opłaca się regulacja upustowa. Ale zważywszy na fakt, iż regulacja upustowa jest stosunkowo prosta w realizacji i przede wszystkim nie wymaga żadnych zmian konstrukcyjnych w budowie sprężarki, to właśnie ten sposób regulacji stał się bardzo powszechny w instalacjach chłodniczych. LITERATURA: [1] Białas M.: Sprężarki chłodnicze. Gdańsk: Wydawnictwo PG 2003 [2] Bonca Z.: Budowa i eksploatacja chłodniczych sprężarek wyporowych. Gdynia: Wydawnictwo WSM w Gdyni 1993 [3] materiały firmy YORK, a Johnson Controls Company, http://www.yorkref.com Jakub Muszyński, SUChKl, sem IX mgr 10