LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ INSTYTUTU TECHNIKI CIEPLNEJ WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA I ENERGETYKI POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ INSTRUKCJA LABORATORYJNA Temat ćwiczenia: BADANIE PROCESÓW TERMODYNAMICZNYCH W CHŁODZIARCE PAROWEJ SPRĘŻARKOWEJ JEDNOSTOPNIOWEJ
1. WPROWADZENIE TEORETYCZNE Obiegi ziębiarek oraz pomp ciepła należą do grupy obiegów termodynamicznych lewobieżnych. Najbardziej rozpowszechnionym obiegiem jest obieg parowy sprężarkowy. W skład takiego obiegu wchodzą cztery urządzenia: sprężarka, skraplacz, zawór dławiący (regulacyjny) i parowacz, rys. 1, [1]. W każdym z tych urządzeń realizowany jest jeden proces termodynamiczny. Zadaniem sprężarki jest sprężenie pary czynnika roboczego (na ogół parą wlotową do sprężarki w rzeczywistych instalacjach jest para lekko przegrzana). W procesie sprężania następuje podwyższenie temperatury pary do wartości umożliwiającej oddawanie ciepła do otoczenia lub medium chłodzącego. Po sprężeniu para płynie do skraplacza. Skraplacz jest to wymiennik ciepła w którym zachodzi w pierwszym etapie schłodzenie pary przegrzanej do stanu nasycenia, a następnie jej skroplenie. Otrzymane ciepło odprowadzane jest do otoczenia lub wody chłodzącej. Otrzymaną ciecz (na ogół lekko przechłodzoną) rozpręża się izentalpowo w zaworze dławiącym do dolnego ciśnienia otrzymując w efekcie parę mokrą o niskim stopniu suchości. W parowaczu, wskutek pochłaniania ciepła z przestrzeni ziębionej, zachodzi parowanie pozostałej cieczy wskutek czego stopień suchości pary wzrasta do wartości 1,0. Na ogół w parowaczu zachodzi także lekkie przegrzanie tej pary. Para ta następnie zostaje pobrana przez sprężarkę i sprężona do górnego ciśnienia. Obieg ziębiarki (przy założeniu izentropowego sprężania pary) przedstawiono w układzie T-s na rysunku 2 natomiast obieg rzeczywisty (z adiabatycznym nieodwracalnym sprężaniem pary) w układzie i-lgp przedstawiono na rysunku 3. Rys. 1. Schemat obiegu ziębniczego 1-para czynnika roboczego, 2-para przegrzana sprężona, 3- czynnik roboczy ciekły, 4-para nasycona sucha lub lekko przegrzana Rys.2. Obieg ziębiarki parowej sprężarkowej w układzie T-s z odwracalnym procesem sprężania 2
Rys. 3. Obieg rzeczywisty ziębiarki parowej sprężarkowej w układzie współrzędnych i-lg p 2. CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest: a) Bezpośrednie zapoznanie się z konstrukcją i budową ziębiarki parowej sprężarkowej, b) Zapoznanie się z budową i działaniem elementów regulacyjnych i zabezpieczających instalację przed uszkodzeniem wskutek nadmiernego wzrostu ciśnienia, nidostatecznego odprowadzania ciepła ze skraplacza, nadmiernego ochłodzenia parowacza, c) Pomiar parametrów termodynamicznych obiegu ziębiarki parowej sprężarkowej oraz wyznaczenie podstawowych parametrów charakteryzujących jej pracę. 3. OPIS STANOWISKA POMIAROWEGO 3.1. Opis stanowiska Schemat funkcjonalny stanowiska pomiarowego przedstawiono na rysunku 4. Miejsca pomiaru ciśnień i temperatur zaznaczono na rysunku podając symbole p j oraz t j w miejscach pomiaru, gdzie indeks j oznacza nr punktu pomiarowego. W skład obiegu ziębiarki wchodzą następujące elementy: 1-sprężarka wraz z elektrycznym silnikiem napędowym 2, 3-skraplacz chłodzony wodą z sieci, 4-zawór dławiący, 5-parowacz zasilany płynem chłodniczym Petrygo. 3
woda czynnik chłodniczy (Petrygo) czynnik roboczy R134a przewody elektryczne Rys.4. Schemat stanowiska pomiarowego 1- sprężarka chłodnicza zespolona z silnikiem; 2- silnik elektryczny napędzający sprężarkę chłodniczą; 3- skraplacz - wymiennik ciepła R134a- woda; 4- zawór dławiący (rozprężny); 5- parownik (wymiennik ciepła: R134a- czynnik chłodniczy Petrygo); 6- watomierz pomiaru mocy silnika sprężarki; 7- watomierz pomiaru mocy grzałki podgrzewacza Petrygo; 8- autotransformator; 9- rotametr do pomiaru strumienia Petrygo; 10- zawór regulacyjny; 11- rotametr do pomiaru strumienia wody; 12- zawór regulacyjny; 13- stabilizator ciśnienia wody chłodzącej z manometrem; 14- pompa obiegowa Petrygo;15- podgrzewacz płynu chłodniczego; 16- zawór odcinający; 17- zawór regulacyjny (upuszczający nadmiar Petrygo); 18- zawór odcinający kulowy do wody, do spuszczania Petrygo z układu t 1 -temperatura czynnika R134a przed sprężarką t 2 -temperatura czynnika R134a przed skraplaczem (za sprężarką) t 3 -temperatura czynnika R134a za skraplaczem t 4 -temperatura czynnika R134a przed parownikiem (za zaworem rozprężnym) t 5 -temperatura wody chłodzącej przed skraplaczem t 6 -temperatura wody chłodzącej za skraplaczem t 7 -temperatura płynu chłodniczego Petrygo przed parownikiem t 8 -temperatura płynu chłodniczego Petrygo za parownikiem Poniżej przedstawiono sposób działania stanowiska. Po sprężeniu pary w sprężarce 1 (rys. 4) para płynie do skraplacza gdzie ulega ochłodzeniu a następnie skropleniu. Do chłodzenia skraplacza wykorzystuje się wodę pobieraną z sieci wodociągowej która przepływa przez zawór odcinający 16, stabilizator ciśnienia 13, rotametr do pomiaru 4
strumienia 11, oraz zawór do regulacji strumienia 12. Następnie przepływa przez skraplacz i odpływa do kanalizacji. Parowacz 5 zasilany jest płynem chłodniczym Petrygo. Przepływ cyrkulacyjny tego płynu jest wymuszony za pomocą pompy obiegowej 14. Następnie płyn przepływa przez rotametr 9. Za rotametrem znajduje się zawór 10 do regulacji strumienia płynu. Nadmiar płynu jest upuszczany przez zawór 17 (w czasie ćwiczenia nie należy używać tego zaworu, ponieważ jest to zawór serwisowy). Następnie płyn dopływa do parowacza gdzie ulega schłodzeniu. Zimny płyn powraca następnie do elektrycznego podgrzewacza 15 skąd jest pobierany prze pompę obiegową 14. Moc podgrzewacza jest regulowana za pomocą autotransformatora 8. W obiegu czynnika roboczego zamontowane jest kilka wzierników umożliwiających śledzenie przepływu i stanu czynnika roboczego w instalacji. W załącznikach, na końcu niniejszej instrukcji, znajduje się wykres i-lg p dla czynnika roboczego R141a, wykres przedstawiający pojemność cieplną Petrygo w funkcji temperatury. Stanowisko wyposażone jest w następujące mierniki i przyrządy pomiarowe: a) mierniki do pomiaru temperatury i ciśnienia czynnika roboczego (R141a) w obiegu ziębiarki w czterech charakterystycznych punktach tego obiegu, rys.4, b) Rotametr 11 do pomiaru strumienia wody zasilającej skraplacz oraz termoelementy do pomiaru temperatury t 5 wody wlotowej do skraplacza oraz temperatury t 6 wody wylotowej, c) Rotametr 9 do pomiaru strumienia płynu chłodniczego Petrygo oraz termoelementy do pomiaru temperatury wlotowej t 7 do parowacza oraz temperatury wylotowej t 8, d) Watomierz 7 do pomiaru mocy elektrycznej podgrzewacza Petrygo 15, moc wskazywana przez ten miernik może być przyjmowana jako wydajność chłodnicza obiegu; otrzymana wartość może być porównana ze strumieniem ciepła przejmowanym w parowaczu obliczonym na podstawie strumienia płynu i temperatur t 7, t 8, e) Watomierz 6 do pomiaru mocy elektrycznej silnika 2 napędzającego sprężarkę 1, po uwzględnieniu sprawności agregatu chłodniczego, moc ta służy do obliczenia wewnętrznej mocy sprężarki. 3.2. Opis układów zabezpieczających Prezentowane stanowisko ma dość złożoną budowę i narażone jest na uszkodzenie w przypadku nieumiejętnej eksploatacji. Stanowisko jest wyposażone w pewne układy zabezpieczające które sterują pracą niektórych elementów oraz zabezpieczające przed przypadkowym jego uszkodzeniem. Mimo tego zaleca się ostrożność przy jego użytkowaniu. Układ sterujący pracą zaworu dławiącego do sterowania pracą zaworu dławiącego pobierany jest sygnał z końcowego odcinka parownika. Układ ten działa tak aby nie dopuścić do zamrożenia parownika. Presostat niskiego i wysokiego ciśnienia śledzi na bieżąco ciśnienie przed i za sprężarką. W przypadku nadmiernego obniżenia się ciśnienia (do około 0,05 MPa) przed sprężarką (np. wskutek niedostatecznego podgrzewania płynu Petrygo lub nadmiernego ograniczenia przepływu płynu chłodniczego przez parowacz) nastąpi wyłączenie silnika agregatu chłodniczego. W takim przypadku należy odczekać do ponownego samoczynnego załączenia się agregatu co nastąpi po przyroście ciśnienia w układzie nastawionym na presostacie. Silnik agregatu zostanie również wyłączony przy nadmiernym wzroście ciśnienia za sprężarką (powyżej 3MPa). Nadmierny wzrost ciśnienia za sprężarką może być spowodowany brakiem dostatecznego chłodzenia skraplacza lub brakiem chłodzenia w ogóle (spowodowanego brakiem przepływu wody). Po zadziałaniu presostatu i wyłączeniu agregatu 5
należy odczekać do jego ponownego samoczynnego załączenia się. Aby przekonać się który układ zadziałał należy sprawdzić wartości ciśnień przed i za sprężarką. Nadmierny wzrost temperatury czynnika roboczego za sprężarką przy nadmiernym wzroście temperatury sprężanych par (do poziomu ponad 105 o C) nastąpi wyłączenie sprężarki. Przyczyną może być niewystarczające chłodzenie skraplacza, należy zwiększyć strumień wody chłodzącej. Wyłączenie to jest sygnalizowane zapaleniem się wskaźnika Alarm na panelu dodatkowego miernika temperatury t 2 znajdującego się na płycie czołowej stanowiska. Układ załączy się automatycznie sam po spadku temperatury poniżej wartości progowej alarmu. Jest to niepożądane, ponieważ ciśnienie par za sprężarką jest jeszcze na ogół dość wysokie. Próba bezpośredniego uruchomienia może spowodować przeciążenie silnika sprężarki i wybicie zabezpieczenia nadprądowego (bezpiecznika). Należy zatem na chwilę wyłączyć agregat i po obniżeniu się ciśnienia za sprężarką załączyć go ponownie. Zabezpieczenie nadprądowe (bezpiecznik przeciążeniowy) w skrzynce zasilania znajduje się bezpiecznik, który może wyłączyć stanowisko przy przekroczeniu dopuszczalnej wartości prądu. W układzie zasilania znajduje się również wyłącznik różnicowo-prądowy który wyłączy zasilanie stanowiska gdy nastąpi upływ prądu na obudowę stanowiska na poziomie wyższym niż 30 ma. 4. PRZEBIEG ĆWICZENIA I WIELKOŚCI MIERZONE Na początku uczestnicy zapoznają się z budową i działaniem stanowiska oraz lokalizacją aparatury pomiarowej i sterującej. Następnie należy uruchomić stanowisko postępując według poniższego harmonogramu: a) Zmniejszyć do zera moc grzałki 15 przekręcając w lewo do oporu pokrętłem autotransformatora 8, b) Uruchomić przełącznik miejsc pomiarowych aby w sposób automatyczny przeszukiwane były wszystkie punkty pomiaru temperatury w kolejności opisanej na rys. 4, c) Zaworem 16 uruchomić przepływ wody przez stanowisko i nastawić pożądany strumień za pomocą zaworu 12, d) Włączyć sprężarkę i pompę obiegową za pomocą włącznika znajdującego się na przednim panelu stanowiska, e) Za pomocą zaworu regulacyjnego 10 nastawić pożądany strumień płynu chłodniczego przepływającego przez parowacz, f) Nastawić pożądaną moc podgrzewacza płynu chłodniczego za pomocą autotransformatora 8 i obserwując wskazania watomierza 7, g) Odczekać do osiągnięcia stanu ustalonego obserwując zmiany temperatury w punkcie 2 (temperatura t 2 ), h) Po osiągnięciu stanu ustalonego (ustalenie się wartości temperatury t 2 ), zanotować wartości wskazań wszystkich przyrządów pomiarowych: wartości temperatur t 1 t 8, wartości ciśnień p 1 p 4 strumienie wody zasilającej skraplacz i czynnika chłodniczego zasilającego parowacz, moc podgrzewacza czynnika chłodniczego (watomierz 7) oraz moc zużywaną do napędu sprężarki (watomierz 6). a następnie zmienić nastawy (moc podgrzewacza 15) i powtórzyć procedurę pomiarową (punkty f, g, h). 6
5. OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW 5.1. Opracowanie wyników pomiarów W oparciu o dane pomiarowe wymienione w podpunkcie 4.h wykonać przedstawione poniżej obliczenia i analizy. a) W oparciu o wyniki pomiaru strumienia czynnika chłodniczego i temperatur t 7, t 8 obliczyć strumień ciepła przejmowany w parowniku. Otrzymany wynik porównać ze zmierzoną mocą podgrzewacza 15. Wskazać ewentualne przyczyny niezgodności otrzymanych wyników. b) W oparciu o bilans energii dla parownika obliczyć strumień czynnika roboczego R141a cyrkulującego w obiegu. Entalpie czynnika roboczego w punktach 1 i 4 wyznaczyć na podstawie wykresu i-lg p wykorzystując wyniki pomiarów temperatury i ciśnienia w punktach 1, 3, 4. c) W oparciu o bilans energii dla skraplacza obliczyć strumień czynnika roboczego R141a cyrkulującego w obiegu. Entalpie czynnika roboczego w punktach 2 i 3 wyznaczyć na podstawie wykresu i-lg p wykorzystując wyniki pomiarów temperatury i ciśnienia w punktach 2 i 3. Porównać strumienie czynnika roboczego wyznaczone w oparciu o bilans energii dla parownika i skraplacza. Wskazać potencjalne przyczyny niezgodności. d) Przyjmując wartość średnią strumienia czynnika roboczego oraz wartości entalpii czynnika w punktach 1, 2 i 2 S obliczyć moc wewnętrzną sprężarki rzeczywistej, moc sprężania izentropowego, sprawność wewnętrzną. e) Znając moc wewnętrzną sprężarki rzeczywistej i moc elektryczną (zmierzoną watomierzem 6) obliczyć sprawność elektromechaniczą agregatu chłodniczego (iloczyn sprawności mechanicznej i elektrycznej). f) Nanieść kontur zbadanego obiegu ziębiarki na rzeczywisty wykres i-lgp (fragment wykresu), w przypadku większej liczby pomiarów zastosować różne kolory konturów. W załącznikach znajdują się: a) Wykres i-lg p dla czynnika R141a, b) Wykres charakteryzujący zależność pojemności cieplnej właściwej płynu chłodniczego Petrygo w funkcji temperatury, c) Charakterystyki przepływowe rotametrów. 5.2. Sporządzenie sprawozdania Sprawozdanie powinno zawierać: 1. Krótkie wprowadzenie teoretyczne 2. Krótki opis stanowiska pomiarowego 3. Opis przeprowadzonych pomiarów, specyfikacja wielkości pomiarowych 4. Wyniki pomiarów 5. Wyniki obliczeń 6. Wnioski, spostrzeżenia i uwagi końcowe. Literatura cytowana i uzupełniająca [1] Szargut J.: Termodynamika techniczna. Wyd. Pol. Śląskiej, Gliwice, 1998. [2] Manecki M.: Stanowisko do badania procesów termodynamicznych w chłodziarce sprężarkowej jednostopniowej. Praca dyplomowa wyk. pod kier. T. Kruczka, Inst. Tech. Cieplnej, 2004. [3] Bonca Z. I in.: Czynniki chłodnicze i nośniki ciepła. IPPU Masta, Gdańsk, 1997. Opracował: Dr inż. Tadeusz Kruczek 7