LABORATORIUM CHŁODNICTWA INSTYTUT TECHNIKI CIEPLNEJ WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA I ENERGETYKI POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ INSTRUKCJA LABORATORYJNA Temat ćwiczenia: ANALIZA OBIEGU I WYZNACZANIE EFEKTYWNOŚCI ENERGETYCZNEJ CHŁODZIARKI SPRĘŻARKOWEJ MAŁEJ MOCY 1
1. WPROWADZENIE Chłodziarka domowa jest jednym z najpowszeniej używany urządzeń łodniczy. Najczęściej stosowane są łodziarki sprężarkowe, co wynika z i niezawodności i oszczędności w zapotrzebowaniu na energię elektryczną. Powszeność stosowania stymuluje przeprowadzanie badań mający na celu zwiększenie sprawności łodziarek, a co za tym idzie - oszczędności energii elektrycznej. Poza czynnikami czysto eksploatacyjnymi, jak wartość nastawionej temperatury, częstotliwość otwierania drzwi czy oszronienie parownika, na sprawność mają także wpływ czynniki konstrukcyjne, takie jak sprawność sprężarki, jakość izolacji czy wielkość parownika i skraplacza. Celowe jest więc poznanie sposobów wyznaczania najważniejszy parametrów termiczny łodziarki. W ćwiczeniu wyznacza się wydajność cieplną oraz sprawność termiczną domowej łodziarki sprężarkowej. 2. PODSTAWY TEORETYCZNE Efektem użytecznym działania łodziarki jest utrzymanie pożądanej temperatury w komorze łodniczej, niższej od temperatury otoczenia. Dla osiągnięcia tego celu konieczne jest odprowadzanie ciepła z komory łodziarki. Podstawowymi parametrami termicznymi arakteryzującymi łodziarkę są jej wydajność łodnicza oraz sprawność termiczna. Semat obiegu łodziarki sprężarkowej przedstawia rys. 1. Energią napędową dostarczaną do łodziarki jest energia elektryczna do napędu silnika sprężarki. Sprawność termiczną łodziarki wyznacza się więc ze wzoru: Q ε t = (1) N el gdzie: Q - wydajność łodnicza, a Nel - moc elektryczna silnika sprężarki agregatu łodniczego. Rys. 1. Semat stanowiska pomiarowego łodziarki sprężarkowej: Sp - sprężarka, Skr skraplacz, Par parownik, Rk rurka kapilarna dołodzeniem czynnika, G - grzejnik, W - wentylator, T - temperatura, p - ciśnienie 2
Sprawność ta może być również wyznaczona z zależności teoretyczny na podstawie parametrów obiegu termodynamicznego łodziarki. Obieg łodniczy wygodnie jest przedstawić na wykresie lnp,i (rys. 2). Znając parametry w poszczególny punkta tego obiegu sprawność wyznacza się z zależności: i i 1 3 ε = (2) i2 i1 Wyznaczenie sprawności obydwiema metodami jest celem niniejszego ćwiczenia. W cieplnym stanie ustalonym komory łodziarki strumień ciepła pobierany przez obieg łodniczy składa się z ciepła dopływającego do komory z otoczenia przez jej ściany strumienia ciepła (np. wentylator): Q w i ze generowanego przez wszystkie urządzenia znajdujące się w komorze Q Q c Q = Q c + Q w (3) Rys. 2. Obieg łodniczy na wykresie Inp, i Strumień ciepła przenikającego przez ściany łodziarki można opisać zależnością: c = ka ( tot t Q ) (4) gdzie: k - współczynnik przenikania ciepła ścian łodziarki, A c h łączna powierznia ścian komory, t 0, i t c h temperatura otoczenia komory i temperatura powietrza w komorze łodziarki. W dalszy rozważania oznaczono: K = ka. (5) Przytoczone powyżej zależności zostaną wykorzystane do wyznaczenia wydajności cieplnej łodziarki w określony parametra. 3
3. OPIS STANOWISKA I CEL ĆWICZENIA Głównym elementem stanowiska laboratoryjnego jest sprężarkowa łodziarka domowa z oprzyrządowaniem w postaci: termopar, rejestratora temperatury i grzejnika z watomierzem. Chłodziarka ta wyposażona jest w rurkę kapilarną z dołodzeniem czynnika jako elementem dławiącym. Semat stanowiska przedstawiono na rys. 3. Wewnątrz łodziarki wstawiony jest wentylator dla wyrównania temperatury w jej wnętrzu. Termopary umieszczone są w cztere arakterystyczny punkta obiegu łodziarki: przed i za sprężarką oraz przed i za elementem dławiącym (rurką kapilarną). Cienkie (0,35 mm) termopary są przytwierdzone do zewnętrzny powierzni rurek miedziany, owinięte drutem miedzianym i zaizolowane cieplnie. W ten sposób zapewniony jest dobry kontakt cieplny termopar z powierznią rurek, a dodatkowo najbliższy odcinek rurki jest zaizolowany cieplnie, co ma zmniejszyć błędy pomiarów. Taki sposób umocowania termopar pozwala, bez rozhermetyzowania obiegu łodziarki, na wystarczająco dokładny pomiar temperatury czynnika płynącego wewnątrz rurek. Termopara za rurką kapilarną jest w rzeczywistości umieszczona za rurką doładzającą czynnik. Nie zainstalowano manometrów mierzący ciśnienie w poszczególny punkta obiegu, ale znajomość temperatury w arakterystyczny punkta obiegu pozwala na znalezienie w tablica odpowiadający im ciśnień czynnika łodniczego i na określenie wszystki teoretyczny parametrów obiegu. Wartości te mogą być następnie porównane z wartościami zmierzonymi. Rys. 3. Semat obiegu łodziarki sprężarkowej: Spr - sprężarka, Sk - skraplacz, Par - parownik, Rk - rurka kapilarna z dołodzeniem czynnika Celem ćwiczenia jest: 1) znalezienie parametrów obiegu łodniczego i sporządzenie wykresu Inp, i, 2) wyznaczenie wydajności cieplnej łodziarki dla nastawionej temperatury w komorze, 3) wyznaczenie sprawności termicznej łodziarki dla ustalony warunków pracy na podstawie dany bilansowy łodziarki oraz na podstawie parametrów obiegu łodniczego. 4
Ze względu na czasołonność zadania te wykonywane są w czasie dwó kolejny ćwiczeń obejmujący wyznaczenie wydajności cieplnej łodziarki oraz wyznaczenie sprawności termicznej łodziarki. 3.1. Wyznaczenie wydajności cieplnej łodziarki W warunka ustalony wydajność łodnicza jest równa strumieniowi ciepła dopływającemu do komory łodniczej z otoczenia przez ściany obudowy. Bezpośredni pomiar tego strumienia ciepła jest bardzo trudny i dlatego w ćwiczeniu wyznaczany jest on pośrednio, przez określenie zależności strumienia ciepła przenikającego przez ściany łodziarki od różnicy temperatury między wnętrzem komory a otoczeniem (równania (4) i (5)). W tym celu do komory łodziarki wstawiany jest grzejnik elektryczny o regulowanej mocy, a także wentylator dla wyrównania temperatury w komorze. Moc grzejnika mierzona jest watomierzem, a temperatura w komorze mierzona jest termoparą podłączoną do miliwoltomierza. Pomiar odbywa się przy wyłączonej łodziarce. Po załączeniu grzejnika i wentylatora należy odczekać, aż temperatura w komorze się ustali, co trwa zazwyczaj kilka godzin. Następnie należy zmierzyć różnicę temperatury między wnętrzem komory a otoczeniem oraz odczytać moc grzejnika. Ponieważ zimne końce termopary umieszczone są w temperaturze otoczenia, więc wskazanie miliwoltomierza odpowiada wprost różnicy temperatury komory t i otoczenia t ot. Strumień ciepła oddawanego do otoczenia jest równy sumie mocy grzejnika Q i mocy wentylatora : g Q w K Q = t g + Q w t ot (6) Zależność opisaną równaniem (6) przedstawiono na rys. 4. W celu zwiększenia dokładności pomiar powtarza się kilkakrotnie dla różny mocy grzejnika. W czasie pracy agregatu łodniczego zmienia się kierunek przepływu ciepła w ściana komory, ale ponieważ wartość współczynnika przewodzenia ciepła izolacji oraz wartości współczynników wnikania ciepła od ścian do powietrza mało zależą od temperatury, można przyjąć, że zarówno przy grzaniu, jak i przy łodzeniu wartość współczynnika K jest taka sama. Strumień ciepła dopływającego do komory ziębiarki podczas łodzenia jest więc równy strumieniowi ciepła oddawanego do otoczenia podczas grzania przy tej samej wartości różnicy temperatury między komorą i otoczeniem. Znając wartość współczynnika K można wyznaczyć strumień ciepła dopływający do komory łodziarki w czasie jej ustalonej pracy, gdy temperatura w komorze wynosi t k. Ten strumień ciepła jest wydajnością łodniczą Q obiegu łodziarki: Q = K ( tot tk ) (7) Wielkość Q występuje we wzorze na sprawność termiczną łodziarki (1). 5
przyrost temperatury t = t -t ot Rys. 4. Zależność strat ciepła łodziarki od różnicy temperatur (t -t ot ) 3.2. Wyznaczenie sprawności termicznej łodziarki Sprawność termiczną wyznacza się podczas ustalonej pracy łodziarki, przy warunka otoczenia zbliżony do warunków panujący w czasie pierwszej części ćwiczenia. W czasie ustalonej pracy łodziarki sprężarka na przemian się załącza i wyłącza z częstotliwością zależną od nastawienia regulatora temperatury. Z tego powodu wartość temperatury w komorze zmienia się periodycznie. Temperatura w komorze łodziarki mierzona jest termoparą i rejestrowana na rejestratorze, co pozwala na wyznaczenie jej wartości średniej. Dla tej średniej wartości temperatury w komorze t k wyznacza się średnią wydajność łodniczą według równania (7). Moc dostarczana do silnika agregatu łodniczego zmienia się skokowo zgodnie z cyklem załączania i wyłączania sprężarki. Do obliczeń sprawności cieplnej należy więc wyznaczyć średnią moc elektryczną sprężarki N. Średnia moc elektryczna dostarczana do silnika sprężarki wyznaczana jest przez pomiar mocy w czasie cyklu pracy (N el ) oraz przez pomiar czasu załączenia τ z i czasu trwania całego cyklu τ c. Średnia moc elektryczna wynosi: N τ τ z = N el (8) Wyznaczone w powyższy sposób wartości Q i N służą do wyznaczenia sprawności cieplnej łodziarki według równania (1). Na stanowisku laboratoryjnym można również mierzyć temperatury w najważniejszy punkta obiegu. Pomiar ten jest realizowany za pomocą termopar przymocowany od zewnątrz do rurek układu łodniczego. Mierzone są temperatury przed i za sprężarką oraz przed i za rurką kapilarną. Te cztery temperatury pozwalają na określenie parametrów obiegu, przy założeniu że przemiany w skraplaczu i w parowniku zaodzą przy ciśnieniu równym ciśnieniu nasycenia. Znając zasadnicze parametry obiegu, można wyznaczyć sprawność termiczną teoretycznego obiegu łodziarki sprężarkowej według równania (2). Wartości entalpii nasycenia dla zmierzony wartości temperatury odczytuje się z tablic. Wyznaczona według równania (2) sprawność termiczna jest sprawnością obiegu teoretycznego (Lindego) i jest z pewnością większa od rzeczywistej sprawności obiegu. c 6
4. PRZEBIEG ĆWICZENIA 4.1. Wyznaczanie wydajności cieplnej łodziarki Wszystkie pomiary należy przeprowadzić w termicznym stanie ustalonym pracy łodziarki, tj. w sytuacji, gdy okresy załączania i wyłączania agregatu są takie same w kilku kolejny cykla. Jest to podstawowy warunek poprawności pomiaru, trudny do osiągnięcia z powodu dużej bezwładności cieplnej całego układu. W czasie ćwiczenia należy: 1) sprawdzić czy termopara mierząca temperaturę w komorze nie dotyka do ścian, grzejnika. Sprawdzić czy wentylator nie uderza w ściany komory i czy nie kieruje powietrza bezpośrednio na grzejnik ani na termoparę, 2) sprawdzić i ewentualnie zmierzyć moc elektryczną wentylatora (Q w ), 3) zmierzyć wartość temperatury otoczenia t ot, 4) załączyć układ i autotransformatorem ustawić podaną przez prowadzącego moc grzejnika (Q g ), 5) obserwować i zapisywać co 2 min wskazania miliwoltomierza połączonego z termo- parą. Obserwować wskazania watomierza i ewentualnie korygować moc grzejnika, 6) po osiągnięciu stanu ustalonego (trzy kolejne odczyty są takie same) zapisać wartości mocy grzejnika i temperatury w komorze łodziarki (t'), 7) powtórzyć pomiar kilkakrotnie zmieniając moc grzejnika i czekając na osiągnięcie nowego stanu ustalonego. 4.2. Wyznaczanie sprawności termicznej łodziarki Pomiar odbywa się przy ustalonej pracy łodziarki, tzn. gdy okresy załączania i wyłączania układu są takie same w kolejny cykla. 1. Sprawdzić punkty podłączenia termopar do układu łodniczego. 2. Zmierzyć wartość temperatury otoczenia t ot. 3. Obserwować na rejestratorze zmiany temperatur obiegu i temperatury w komorze łodziarki. 4. Odczytać napięcie U i natężenie / prądu zasilającego łodziarkę w czasie pracy układu. 5. Zmierzyć stoperem czas załączenia t z i czas całego cyklu pracy t e. Pomiar wykonać dla co najmniej trze cykli. Wyznaczyć wartości średnie. 6. Po zarejestrowaniu kilku cykli pracy układu w stanie ustalonym zmienić wartość nastawionej temperatury w komorze łodziarki. 7. Powtórzyć punkty 3 i 4 dla nowy warunków pracy układu. 7
5. OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW Wyniki pomiarów należy zapisywać na karcie pomiarowej, która musi być potwierdzona podpisem prowadzącego zajęcia. Wyniki pomiarów łodziarki należy opracować następująco: Część I: Pomiar wydajności cieplnej łodziarki 1. Narysować wykres zależności różnicy temperatury w łodziarce i temperatury otoczenia (t - t ot ) od mocy cieplnej wydzielonej w komorze łodziarki Q g + Q w analogicznie do rys. 4. 2. Na podstawie wykresu wyznaczyć wartość iloczynu współczynnika przenikania ciepła i powierzni wymiany ciepła K. Część II: Pomiar sprawności termicznej łodziarki 3. Na podstawie wykresów na taśmie rejestratora wyznaczyć średnią wartość tempera tury w komorze łodziarki t podczas jej pracy w stanie ustalonym. 4. Wyznaczyć wydajność cieplną łodziarki z równania (3). 5. Obliczyć moc elektryczną na wale pobieraną przez silnik sprężarki N el = ηui cosϕ oraz średnią moc pobieraną w czasie cyklu N (równanie (6)). 6. Wyznaczyć sprawność termiczną łodziarki z równania (1). 7. Na podstawie odczytów miliwoltomierza wyznaczyć temperatury w arakterystyczny punkta obiegu dla stanu tuż przed wyłączeniem sprężarki (1mV~25K). Znaleźć w tablica wartości ciśnienia nasycenia i entalpii odpowiadające tym temperaturom. 8. Obliczyć wartość sprawności termicznej teoretycznego obiegu łodniczego (równanie (2)). 9. Porównać wartości sprawności termiczny otrzymany w p. 4 i 8. 10. 10.Podać ewentualne przyczyny różnic między wartościami sprawności wyznaczonymi dwiema drogami. W przeciwieństwie do silnika trójfazowego silnik jednofazowy bez zastosowania dodatkowy urządzeń nie posiada momentu rozruowego. Sprawność meaniczną 77 i współczynnik mocy cosϕ odczytać z tablicy znamionowej silnika lub przyjąć. Dobra wartość współczynnika mocy dla silnika jednofazowego wynosi około 0,95, a sprawność 0,855. LITERATURA 1. Szargut J.: Teoria procesów cieplny. PWN, Warszawa 1973. 2. Romer E.: Miernictwo przemysłowe. PWN, Warszawa. 3. Dworak Z., Petrak J.: Tablice własności czynników łodniczy. WNT, Warszawa 1982. 8
9
10
11