AUTOMATYKA CHŁODNICZA I KLIMATYZACYJNA Automatyzacja procesu usuwania gazów inertnych z instalacji chłodniczych. Katarzyna Asińska Sem. IX, SUChiKl
1. WSTĘP Obecność w urządzeniu chłodniczym gazów nieskraplających się, nazywanych równieŝ gazami inertnymi, jest wysoce niepoŝądana, poniewaŝ gazy te nie ulegają skropleniu wraz z czynnikiem chłodniczym w warunkach temperatury i ciśnienia panujących w skraplaczu. Fakt ten powoduje wzrost ciśnienia skraplania zgodnie z prawem Daltona. Prawo to dotyczy mieszanin gazowych i stwierdza, Ŝe ciśnienie wywierane przez kaŝdy ze składników mieszaniny gazów nie zaleŝy od obecności innych gazów oraz, Ŝe całkowite ciśnienie wywierane przez taką mieszaninę równa się sumie ciśnień cząstkowych jej składników. Mieszaninę składającą się z dwóch składników, tj. gazów nieskraplających się (głównie powietrza) i par czynnika chłodniczego w urządzeniu chłodniczym nazywamy mieszaniną powietrzno-parową. 2. ŹRÓDŁA OBECNOŚCI POWIETRZA W URZĄDZENIU CHŁODNICZYM przez wymianę lub uzupełnianie czynnika chłodniczego, który jako produkt handlowy moŝe zawierać do 5% powietrza; wskutek rozkładu chemicznego czynnika chłodniczego i oleju smarnego, spowodowanego wysoką temperaturą i ciśnieniem oraz katalityczną reakcją metali; przez nieszczelności, np. wrzecion zaworów, połączeń kołnierzowych, dławnic wału korbowego spręŝarki, które są szczególnie charakterystyczne dla urządzeń chłodniczych pracujących przy ciśnieniach parowania niŝszych od ciśnienia atmosferycznego (zatem przy podciśnieniu); w czasie napraw lub wymiany elementów instalacji; w trakcie dopełniania układu olejem. Gazy inertne gromadzą się w wysokociśnieniowych elementach instalacji, w miejscach, gdzie występują najniŝsze prędkości przepływu par czynnika oraz najniŝsze temperatury, zatem głównie w skraplaczach i zbiornikach cieczy. 3. SKUTKI OBECNOŚCI GAZÓW NIESKRAPLAJĄCYCH SIĘ W URZĄDZENIU CHŁODNICZYM Bezpośrednim skutkiem jest przede wszystkim wyŝsze od wymaganego ciśnienie skraplania. Zgodnie z prawem Daltona, absolutne ciśnienie skraplania mieszaniny powietrzno-parowej (p km ) moŝna zapisać, jako sumę ciśnień cząstkowych poszczególnych jej składników, tj. p km =p k +p p gdzie: p k - ciśnienie cząstkowe nasyconych par czynnika chłodniczego w skraplaczu, p p - ciśnienie cząstkowe powietrza w skraplaczu. Podczas eksploatacji urządzenia chłodniczego naleŝy dąŝyć do tego, aby drugi składnik powyŝszej zaleŝności (p p ) osiągał wartości moŝliwie małe. Oczywiście najkorzystniej byłoby, gdyby wartości te były bliskie zeru. Dlatego teŝ systematyczne usuwanie gazów nieskraplających się jest waŝnym elementem dobrej praktyki eksploatacyjnej.
Rys. ZaleŜność zmian współczynnika przejmowania ciepła przy skraplaniu czynnika R22 na rurce gładkiej w obecności gazu nieskraplającego się (azotu) przy róŝnych jego koncentracjach objętościowych [9]:1-0%, 2-0.6%, 3-1.1%, 4-1.8%, 5-2.6%, 6-3.8%, 7-5.4%, 8-6,9% PodwyŜszone ciśnienie skraplania powoduje kolejne skutki, tj: większe zuŝycie energii elektrycznej do napędu spręŝarki wydłuŝenie czasu pracy spręŝarki wzrost obciąŝenia łoŝysk spręŝarki spadek wydajności chłodniczej urządzenia wzrost temperatury tłoczenia czynnika wzrost nieszczelności na złączach Gromadząc się w wysokociśnieniowych elementach układu, gazy nieskraplające się tworzą swego rodzaju warstwę izolacyjną, która w znacznym stopniu utrudnia wymianę ciepła pomiędzy mediami, a to powoduje istotne obniŝenie wydajności cieplnej skraplacza. Fakt ten prowadzi do obniŝenia ogólnej efektywności działania układu chłodniczego. Rys. Skraplanie par czynnika chłodniczego na pęczku rur skraplacza płaszczowo-rurowego w obecności powietrza jako gazu nieskraplającego się
4. WYKRYWANIE OBECNOŚCI GAZÓW INERTNYCH W URZĄDZENIU CHŁODNICZYM. Typowymi objawami zapowietrzenia instalacji są: zwiększenie ciśnienia skraplania wzrost temperatury tłoczenia drgania wskaźnika manometru tłocznego W trakcie eksploatacji urządzenia chłodniczego moŝna ustalić stopień jego zapowietrzenia na podstawie pomiaru nadwyŝki ciśnienia skraplania (która powstała dzięki obecności gazów nieskraplających się w instalacji chłodniczej). Podczas pomiaru porównujemy rzeczywiste (zmierzone) ciśnienie skraplania z ciśnieniem nasycenia, jakie w danej temperaturze powinien posiadać czysty czynnik chłodniczy (wykres termodynamiczny p-h lub tabela własności termodynamicznych: ciśnienie-temperatura nasycenia dla danego czynnika). RóŜnica ciśnień, mówi nam o ilości gazów inertnych w instalacji. Im większa jest róŝnica tych ciśnień, tym większa jest w danym układzie ilość gazów nieskraplających się. Jednym z objawów obecności powietrza w instalacji moŝe być np. wyłączanie urządzenia przez presostat wysokiego ciśnienia. 5. SPOSOBY ZAPOBIEGANIA NADMIERNEJ KONCENTRACJI GAZÓW NIESKRAPLAJĄCYCH SIĘ W UKŁADACH CHŁODNICZYCH Proces odpowietrzania jest ostateczną moŝliwością pozbycia się gazów nie-skraplających się z instalacji chłodniczej. Rutynowe czynności obsługowe powinny zmierzać do tego, aby nie był on konieczny. Skuteczność operacji odpowietrzania instalacji chłodniczej wiąŝe się zarówno z miejscem zainstalowania odpowietrzacza (odpowietrzacze indywidualne lub centralne), jak i ze sposobem ich działania (odpowietrzacze sterowane ręcznie lub automatycznie). Prawidłowy wybór punktu usuwania powietrza z układu chłodniczego jest niezwykle waŝny, poniewaŝ powietrze gromadzi się w ściśle określonych miejscach instalacji, tj. w tych jej fragmentach, gdzie występuje mała prędkość przepływu czynnika i panują najniŝsze temperatury. Dla przykładu, gdy doprowadzamy czynnik do zbiornika przewodem umieszczonym z boku to wystarczy jeden punkt odpowietrzenia, gdy czynnik doprowadzamy centralnie, wymagane są dwa miejsca odpowietrzenia.
Nieskuteczne jest odprowadzanie gazów na wlocie instalacji: Najskuteczniejszym sposobem pozbywania się niechcianych gazów z instalacji jest ciągłe, sekwencyjne, w pełni zautomatyzowane odpowietrzanie metodą chłodniczą. Gwarantuje to utrzymanie najmniejszej ilości powietrza w instalacji. Zastosowany w automacie programator czasowy umoŝliwia ponadto precyzyjne ustawienie okresów pracy instalacji odpowietrzającej przy mniejszym natęŝeniu dostawania się powietrza do instalacji. Instalacja odpowietrzająca nie musi wtedy pracować w sposób ciągły, co zwiększa jej Ŝywotność.
Dawniej odgazowywano instalacje ręcznie poprzez odkręcenie kurka i zamknięcie go w chwili, którą operator uznał za stosowną. W rzeczywistości do atmosfery wydostawała się mieszanina dość bogata w czynnik chłodniczy. Biorąc pod uwagę aspekty ekonomiczne związane z uzupełnianiem instalacji w czynnik, jak i ekologiczne nie jest to sposób odpowiedni. Dzisiejsze metody, polegają na zassaniu mieszaniny z odpowiedniego punktu i rozdzielenie gazów poprzez wykroplenie czynnika na specjalnej chłodnicy. Gazy inertne, wolne od par czynnika usuwane są do atmosfery. PoniŜszy schemat przedstawia dobrej klasy odpowietrzacz, produkcji amerykańskiej firmy Hansen. Mieszanina powietrza i innych nie dających się skroplić gazów ze znaczną domieszką amoniaku, jest doprowadzana z instalacji chłodniczej poprzez króciec A, filtr 4, oddzielacz ciekłego amoniaku 6, zawór zwrotny 3 do zbiornika wykraplacza wypełnionego w dolnej części ciekłym amoniakiem silnie schłodzonym przez parownik. Po wejściu do kąpieli amoniaku pary amoniaku z mieszaniny prawie natychmiast zostaną wykroplone a oczyszczone powietrze gromadzi się w górnej części naczynia wykraplacza. W miarę przybywania powietrza powoduje ono wypychanie cieczy z wykraplacza i
obniŝenie poziomu cieczy i wskutek tego opadnięcie pływaka i otwarcie zaworka upustowego powietrza. Po upuszczeniu określonej ilości powietrza pływak unosi się, zamykając zawór i upust powietrza. Powietrze z odpowietrznika płynie poprzez dyszę 13 w gnieździe zaworu pływakowego, zawór odcinający termostatyczny z dyszą dławiącą 9; zawór zwrotny 2. Zawór zwrotny 2 zabezpiecza przed przedostaniem się wody do odpowietrznika. Ciekły amoniak wykroplony z mieszaniny powietrznej wypychany jest z wykraplacza poprzez filtr z dyszą dławiącą 5b do króćca zasilającego parownik chłodzący wykraplacz. Oddzielacz cieczy 6 zabezpiecza wykraplacz przed zalaniem ciekłym amoniakiem skroplonym w rurociągu mieszaniny powietrznej i przed zmniejszeniem efektywności działania odpowietrznika. Ciecz wydzielona w oddzielaczu jest wypychana poprzez filtr z dyszą dławiącą 5a do króćca zasilającego parownik. By zabezpieczyć odpowietrznik przed nadmiernym ciśnieniem wyposaŝony jest on w zawór bezpieczeństwa ustawiony na określone ciśnienie, upuszczający do atmosfery oraz w zawór róŝnicowy ciśnienia (ustawiony na ciśnienie odpowiednio niŝsze) na przewodzie obejściowym z wykraplacza do przewodu ssawnego parownika. Ponadto wykraplacz jest trwale połączony z parownikiem i stroną niskiego ciśnienia instalacji chłodniczej przez stałą dyszę dławiącą 5b. Schemat poniŝej przedstawia proces odpowietrzenia w uproszczeniu: Rys. Automatyczny układ odpowietrzający, z regulatorem reagującym na róŝnicę ciśnień pomiędzy rzeczywistym ciśnieniem w skraplaczu, a ciśnieniem odpowiadającym temperaturze skraplania W rozbudowanych systemach chłodniczych, konieczne jest odpowietrzanie instalacji z kilku punktów. JednakŜe, nie moŝemy tego robić jednocześnie, gdyŝ w takim wypadku mieszanina odpływa z urządzenia tylko z punktu o najwyŝszym ciśnieniu, nawet gdy róŝnice ciśnienia są bardzo niewielkie. W pozostałych punktach następowałoby tylko ciągłe zwiększanie stęŝenia powietrza. Dlatego naleŝy pamiętać, aby odpowietrzać instalacje pojedynczo i etapami. Automatyczne wielopunktowe instalacje odpowietrzające.
MONTAś INSTALACJI ODPOWIETRZAJĄCEJ Jest prosty, wymaga jedynie odpowiedniego połączenia rurkami fi 15 mm wszystkich punktów odpowietrzania na instalacji chłodniczej z centralnym odpowietrznikiem AUTO-PURGER. W celu uproszczenia instalacji odpowietrzającej wskazane jest kolektorowanie przewodów. Na punktach odpowietrzania naleŝy zamontować zawory elektromagnetyczne z filtrami. MontaŜ samego automatu odpowietrzającego jest takŝe bardzo prosty i szybki. Jest on dostarczony z zespołem centralnego odpowietrznika, kompletnie zmontowany na ramie stalowej, z armaturą i automatyką, orurowaniem, szafką sterowniczą elektryczną (dla całej instalacji odpowietrzającej, tj. takŝe dla zaworów elektromagnetycznych na punktach odpowietrzania), fabrycznie przebadany. Montowany jest na ścianie lub na słupie, w maszynowni lub na zewnątrz. Do automatu AUTO - PURGER naleŝy, oprócz przewodu z mieszaniną powietrzną, doprowadzić jeszcze płynny czynnik chłodniczy pod ciśnieniem (skraplania lub w wykonaniu specjalnym z obiegu recyrkulacyjnego), podłączyć do strony ssawnej instalacji chłodniczej, doprowadzić wodę do barbotki (dotyczy tylko instalacji amoniakalnych) i podłączyć ją do kanalizacji, doprowadzić zasilanie elektryczne 220 V 50 Hz, maksymalny pobór prądu 1,5 A. Cewki zaworów elektromagnetycznych 220 V, 50 Hz, 14 W na punktach odpowietrzania naleŝy elektrycznie połączyć bezpośrednio z automatem AUTO-PURGER, a w wersji komputerowej automatu z komputerem. 1 - zbiornik z 2 punktami odpowietrzaniu. 2 - skraplacz z 4 punktami odpowietrzania. 3 - zawór elektromagnetyczny z filtrem siatkowym HS8ST firmy HANSEN, 4 - automat odpowietrzający AUTO-PURGER firmy HANSEN, 5 - rurociągi odprowadzające mieszaninę powietrza z czynnikiem chłodniczym do centralnego odpowietrznika w automacie. 6 - przewody elektryczne sterownicze 220 V. 50 Hz, 7 - zasilanie elektryczne instalacji odpowietrzającej 220 V, 50 Hz, 8 - zasilanie ciekłym czynnikiem chłodniczym pod ciśnieniem (np. skraplania) lub w specjalnej wersji z obiegu pompowego, 9 - podłączenie do strony ssawnej instalacji chłodniczej, 10 - zasilanie wodne, 11 - do kanalizacji ZASADA DZIAŁANIA
Powietrze gromadzące się w określonych miejscach instalacji chłodniczej jest zmieszane w większym lub mniejszym stopniu z czynnikiem chłodniczym. Podczas pracy instalacji chłodniczej, instalacja odpowietrzająca systematycznie odprowadza rurociągami do automatu odpowietrzającego mieszaninę zgromadzoną w poszczególnych miejscach strony wysokiego ciśnienia. Na postoju instalacji chłodniczej automat AUTO-PURGER wyłącza się. Mieszanina odpływa po otwarciu zaworu elektromagnetycznego na określonym punkcie odpowietrzania. Jednocześnie odpowietrzany jest tylko jeden punkt instalacji. Sterowanie otwieraniem i zamykaniem poszczególnych zaworów elektromagnetycznych na punktach odpowietrzania oraz kolejnością i czasem ich otwarcia realizowane jest poprzez skrzynkę sterowniczą automatu AUTO-PURGER. Czas otwarcia kaŝdego zaworu ustawia się indywidualnie i bezstopniowo w zakresie od 1 do 60 minut. Kolejność odpowietrzania i otwierania zaworów elektromagnetycznych zaleŝy od kolejności podłączenia przewodów elektrycznych zasilania cewek zaworów na listwie zaciskowej układu sterowania w automacie. Po zamknięciu pierwszego zaworu elektromagnetycznego następuje otwarcie następnego, wg zaprogramowanej kolejności itd. Po zamknięciu ostatniego zaworu następuje ponowne otwarcie pierwszego zaworu i cykl się powtarza. W ten sposób, w krótkich odstępach czasu odpowietrzania, odpowietrzany jest kaŝdy punkt odpowietrzania. W przypadku, gdy nie ma potrzeby odpowietrzania określonego punktu, regulator czasu otwarcia zaworu elektromagnetycznego na tym punkcie moŝna ustawić na 1 minutę. Dany zawór otwiera się wtedy na 1 minutę a potem następuje automatyczne otwarcie kolejnego zaworu elektromagnetycznego w cyklu. W przypadku wyeliminowania na stałe danego punktu odpowietrzania wykonuje się odpowiednie zmostkowanie w układzie sterowania automatu. UmoŜliwia to, np. w automacie 8-punktowym, bezpośrednie przejście np. z 5 punktu do punktu 1 odpowietrzania (potrzebne jest to takŝe w przypadku, gdy w instalacji chłodniczej mamy tylko 5 punktów odpowietrzania a automat jest 8 punktowy). Czas odpowietrzania poszczególnych punktów ustawia się obserwując intensywność wydzielania się pęcherzyków powietrza w naczyniu wodnym (tzw. barbotce") automatu podczas odpowietrzania danego punktu. Szklana osłona barbotki umoŝliwia dogodną obserwację. Woda w barbotce jest na bieŝąco uzupełniana, co sprawia, Ŝe jest ciągle przezroczysta. Otwarcie poszczególnych zaworów elektromagnetycznych na punktach odpowietrzania moŝna ponadto w razie potrzeby ustawić ręcznie na otwarcie ciągłe (pomocne np. przy rozruchach instalacji, awariach). W specjalnej konstrukcji naczyniu do wykraplania czynnika chłodniczego z mieszaniny z powietrzem, mieszanina ta jest mocno schładzana do temperatury parowania w instalacji chłodniczej. Oddzielone wskutek tego czyste powietrze gromadzi się w górnej części naczynia, skroplony czynnik chłodniczy zaś jest zawracany do parownika układu schładzania mieszaniny w automacie. Upust powietrza w górnej części naczynia regulowany jest automatycznie magnetycznym zaworem pływakowym, współpracującym z zaworem elektromagnetycznym. Powietrze to, o minimalnej jeszcze zawartości amoniaku, odprowadzane jest do barbotki. Przepływająca przez nią woda pochłania amoniak a do atmosfery ulatuje czyste powietrze. Taki sposób oddzielenia powietrza od czynnika chłodniczego jest bardzo dokładny, a powietrze odprowadzane z naczynia wykraplania automatu odpowietrzającego zawiera ponad 200-krotnie mniej czynnika niŝ w mieszaninie upuszczanej z punktów odpowietrzania na instalacji chłodniczej. Uzyskuje się dzięki temu duŝe oszczędności na czynniku chłodniczym. Naczynie do wykraplania jest zaizolowane zimnochronnie, co zmniejsza straty energii. KaŜde otwarcie zaworu elektromagnetycznego upuszczającego powietrze do barbotki jest rejestrowane przez licznik. Porównanie codziennych lub cotygodniowych wskazań licznika daje bieŝącą informację o intensywności zapowietrzania się instalacji chłodniczej i umoŝliwia podjęcie w porę działań naprawczych. 6. WNIOSKI
Podstawowe warunki skutecznego odpowietrzania instalacji chłodniczej: 1) na ruchu, w sposób ciągły, kolejno i automatycznie odpowietrzać wszystkie miejsca instalacji chłodniczej, gdzie powietrze i gazy nieskraplające się gromadzą, 2) jednocześnie powinno się odpowietrzać tylko jedno miejsce, 3) zapewnić dokładne oddzielenie czynnika chłodniczego od mieszaniny upuszczanych gazów i powietrza, 4) zagwarantować skuteczność pracy instalacji odpowietrzającej takŝe przy niskim ciśnieniu skraplania zimą i w chłodniejszych porach roku. 5) wyeliminowanie obsługi przez pracowników maszynowni chłodniczej, 6) niezawodność i precyzja działania instalacji odpowietrzającej, 7) duŝa wydajność maksymalna centralnego odpowietrznika. Główne korzyści wynikające z zastosowania automatycznych wielopunktowych instalacji odpowietrzających: - skuteczna ochrona środowiska, - radykalne zmniejszenie ciśnienia w skraplaczach - ciągłe i przez cały rok, - oszczędności energii elektrycznej dla instalacji chłodniczej - pewność ruchowa i moŝliwość ciągłego wykorzystania pełnej wydajności chłodniczej instalacji, - zwiększenie Ŝywotności spręŝarek (mniejsze obciąŝenia, krótsza praca), - zmniejszenie zuŝycia wody na skraplacz i do spręŝarek, - szybki zwrot nakładów inwestycyjnych - eliminacja obsługi ręcznej - gwarancja naleŝytego odpowietrzania, - minimalne straty czynnika chłodniczego, - moŝliwość sterowania komputerem zakładowym, - bardzo duŝa wydajność przy zwartej budowie.
LITERATURA: Z. Bonca: Automatyka chłodnicza i klimatyzacyjna. Wydawnictwo Uczelniane WyŜszej Szkoły Morskiej w Gdyni, Gdynia 1993. Hajduk T. Bonca Z.: Gazy nie skraplające się w urządzeniu chłodniczym. Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna, 2003, nr 3. Bojanowski W.: Czy zawsze warto odpowietrzać instalacje chłodnicze. Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna, 2001, nr 8. Bojanowski W.: Automatyczne wielopunktowe instalacje odpowietrzające. Chłodnictwo, 1994, nr 1-2. Grenco B.V.: Usuwanie niekondensujących gazów z instalacji chłodniczej. Chłodnictwo, 1992, nr 6. http://www.ztch.pl