Politechnika Gdańska Wydział Mechaniczny Katedra Energetyki i Aparatury Przemysłowej Seminarium z Automatyki Chłodniczej Temat: 2. Racje techniczno-użytkowe stosowania płynnej regulacji wydajności chłodniczej w urządzeniach o mocy do 1 kw Semestr IX, SUChiKl wydz. Mechaniczny Lewioski Arkadiusz
Plan pracy 1. Dlaczego stosujemy regulacje wydajności urządzeo chłodniczych? 2. Regulacja pracą skraplacza 3. Współpraca sprężarki i parownika 4. Regulacja pracą parownika 5. Regulacja pracą sprężarki a. Praca przerywana b. Zmiana prędkości obrotowej wału sprężarki c. Dławienie czynnika na ssaniu d. Połączenie strony ssawnej z tłoczną e. Dodatkowa przestrzeo szkodliwa f. Zestawienie metod regulacji wydajnością sprężarki 6. Podsumowanie 7. Bibliografia
1. Dlaczego stosujemy regulacje wydajności urządzeo chłodniczych? Urządzenia chłodnicze powinny byd projektowane z uwzględnieniem najwyższych temperatur otocznia oraz maksymalnego obciążenia cieplnego (wypełnienie towarem czas pracy, zyski ciepła przez przegrody). Takie warunki pracy spotyka się jednak niezwykle rzadko, dlatego też sprężarka skraplacz i parownik są przewymiarowane. Zmieniające się warunki otocznia powodują, że stan równowagi jest stale zakłócany. Zadaniem regulacji jest utrzymywanie na stałym poziomie wymaganych warunków pracy np. temperatury w komorze, przy czym stan elementów składowych regulatora jest stale dopasowywany do zmieniających się warunków otoczenia. Jeszcze przed kilkunastoma laty regulację układu chłodniczego wykonywał ręcznie przeszkolony personel. Dopiero po wprowadzeniu automatycznych elementów regulujących uczyniło takie urządzenia niezależnym. Regulację wydajności urządzeo chłodniczych można uzyskad wpływając na pracę każdego z 3 jego podstawowych elementów składowych, mianowicie: Regulację pracy sprężarki Regulację pracy parownika (poprzez zasilanie parownika współpracującym z nim zaworem rozprężnym) Regulację pracy skraplacza 2. Regulacja pracą skraplacza Regulacja pracy skraplacza odbywa się najczęściej na drodze obniżenia przepływu medium chłodzącego gorące pary czynnika, bądź też poprzez zmniejszenie powierzchni wymiany ciepła. W przypadku gdy mamy do czynienia ze skraplaczem powietrznym najchętniej stosowanym sposobem jest zmiana prędkości obrotowej wentylatorów lub też odłączenie części z nich. W skraplaczach wodnych w celu zmniejszenia wydajności cieplnej obniża się ilośd wody chłodzącej. Wszystkie te metody regulacji wydajności stosowane są głównie w celu zachowania ciśnienia skraplania na odpowiednim poziomie (np. w przypadku wybitnie korzystnych warunków zimowych, gdy temperatura powietrza zewnętrznego jest bardzo niska) umożliwiając prawidłowe działanie instalacji. Regulacji pracą skraplacza nie stosuje się do obniżenia wydajności chłodniczej w przypadku mniejszego zapotrzebowania na chłód przez komorę chłodniczą, ponieważ nie wpływa ona na obniżenie kosztów eksploatacyjnych. Z powyższego akapitu wynika, że możemy wykluczyd regulację pracy skraplacza w szczególności, jeżeli mówimy o nie dużym urządzeniu, w którym ciepło odprowadzane jest najczęściej na drodze swobodnej (konwekcyjnej) wymiany z powietrzem otaczającym urządzenie, bez użycia wentylatorów. 3. Współpraca sprężarki i parownika Współpraca parownika ze sprężarką jest niezwykle istotna w działaniu całego układu chłodniczego. Nominale warunki pracy (Q 0, T 0, T w ) odpowiadają optymalnej pracy sprężarki w żądanej temperaturze środowiska chłodzonego T W i temperaturze odparowania T 0. Zmniejszenie obciążenia cieplnego, równoznaczne ze zmniejszeniem wydajności chłodniczej, powoduje przesunięcie się punktu pracy w lewo (pkt1). Pociąga to za sobą obniżenie temperatury parowania, jak i temperatury środowiska chłodzonego.
Konsekwencją samoregulacji są wahania temperatury środowiska chłodzonego (często niedopuszczalne) oraz zmniejszenie sprawności sprężarki lub mocy napędowej. Wpływa to niekorzystnie na wskaźniki ekonomiczne urządzenia. W związku z tym układy chłodnicze wymagają zabiegów regulacyjnych. Rys.1. Wykres współpracy parownika ze sprężarką *3+. 4. Regulacja pracą parownika Elementy automatyki regulujące przepływ czynnika chłodniczego ma za zadanie wyregulowad jego strumieo w ilości zgodnej z chwilowym obciążeniem parownika, aby uzyskad stan równowagi z ilością pary odsysanej z tego wymiennika przez sprężarkę. Głównymi elementami sterującymi pracą parownika są: Rurka kapilarna Automatyczny zawór rozprężny Termostatyczny zawór rozprężny Elektroniczny zawór rozprężny Pływakowy zawór wysokiego lub niskiego ciśnienia Wszystkie ww. zawory za wyjątkiem rurki kapilarnej stosowane są najczęściej w instalacjach dużych i średnich. Głównym powodem wykorzystaniem rurki kapilarnej w instalacjach o małej mocy jest niewielkie napełnieni czynnikiem, które w przypadku zastosowania zaworów rozprężnych zmuszałoby do ogromnej ich miniaturyzacji, a zatem dużych kosztów. Kolejną poważną zaletą rurki kapilarnej jest możliwośd wyrównoważenie ciśnieo przed i za sprężarką podczas jej postoju, dzięki temu w przypadku uruchomienia agregatu sprężarka startuje na bardzo niskim obciążeniu rozruchowym. Rurka kapilarna posiada stałą charakterystykę pracy i nie jesteśmy w stanie zmniejszyd lub zwiększyd jej przepustowości, dlatego też można powiedzied, że jest ona jedynie elementem dławiący, a regulacja wydajności układu chłodniczego musi odbywad się w inny sposób. Głównymi przyczynami nie stosowania zaworów rozprężnych w chłodniczych instalacjach domowych są bardzo małe napełnienie czynnikiem, duża ilośd oleju oraz brak zbiorników, w których mógłby się gromadzid ciekły czynnik.
5. Regulacja pracą sprężarki Na rynku istnieje bardzo wiele sposobów regulacji wydajnością sprężarki, natomiast aby możliwe było znalezienie najlepszej metody regulacji pracą sprężarki w agregacie chłodniczym o mocy do 1kW, należy przede wszystkim zastanowid się, jakie rodzaj sprężarki, z przyczyn technicznoekonomicznych, byłby najbardziej uzasadniony. Zważywszy na wysoką wartośd ciśnienia tłoczenia w stosunku do ciśnienia ssania (wysoki spręż) potrzebną w instalacjach chłodniczych, wszystkie sprężarki klasyfikuje się do urządzeo wyporowych. Sprężarki wyporowe dzieli się głownie na: Sprężarki tłokowe Sprężarki rotacyjne, do których zalicza się: o Sprężarki spiralne o Sprężarki łopatkowe o Sprężarki śrubowe o Sprężarki z wirującym tłokiem Najpopularniejsze ze powodu dużej sprawności i wielu zalet eksploatacyjnych obecnie są sprężarki śrubowe, spirale oraz tłokowe. Poważną wadą sprężarek z wirującym tłokiem są nie duże ciśnienia jakie jest w stanie wytworzyd (do 10 bar), jak również wysokie straty mechaniczne na skutek tarcia. Sprężarki śrubowe posiadają bardo dużą wydajnośd, nawet przy niewielkich rozmiarach; ich produkcja jest kosztowna; wykorzystywane głównie w dużych instalacjach; wymagają dużej ilości oleju oraz układów jego wtrysku. Z tych najmniejsze sprężarki śrubowe mają moc ok. 50 kw. Sprężarki rotacyjne mają bardzo wiele zalet i w instalacjach średniej wielkości (5-20kW) również w zastosowaniach domowych (klimatyzacja, pompy ciepła) z powodzeniem zastępują sprężarki tłokowe, natomiast koszt ich produkcji jest znacznie większy. Obecnie najmniejsze produkowane sprężarki rotacyjne rozpoczynają się od 4kW. Sprężarki tłokowe najpopularniejsze sprężarki wykorzystywane w instalacjach o każdej wielkości. W małych chłodziarkach występują one w zamkniętych przestrzeniach razem z silnikiem (sprężarka hermetyczna), napęd realizowany jest poprzez wał z jednym wykorbieniem, tzw. napęd kulisowy. Niska cena, prosta budowa i duża wytrzymałośd powoduje, że z tej konstrukcji korzysta się zdecydowanie najczęściej w małych urządzeniach chłodniczych. Rys.2. Zakresy mocy i dziedziny stosowanie sprężarek chłodniczych: 1 klimatyzacja samochodowa, 2 chłodnictwo domowe, 3 klimatyzatory domowe, 4 klimatyzacja i pompy ciepła, 5 urządzenia handlowe, 6 chłodnictwo i klimatyzacja przemysłowa [1].
Metody regulacji parametrów pracy sprężarek można sklasyfikowad według następujących kryteriów: Regulacja JAKOŚCIOWA - Powoduje zmiany PARAMETRÓW czynnika chłodniczego (ciśnienie p o i temperatura - t o ) do których zalicza się głównie: o Praca przerywana Regulacja ILOŚCIOWA - Polega na zmianie PRZEPŁYWU czynnika chłodniczego (strumieo masy - m) do których zalicza się: o Zmiana prędkości obrotowej o Dławienie czynnika o Regulacja upustowa o Regulacja BY-PASS (połączenie strony ssącej ze stroną tłoczną) o Zwiększenie przestrzeni szkodliwej a. Praca przerywana Regulacja odbywa się za pomocą termostatu, który bezpośrednio wyłącza sprężarkę po osiągnięciu zadanej temperatury w komorze chłodniczej, bądź pośrednio zamyka zawór elektromagnetyczny na stronie ssawnej, a presostat minimalny po spadku ciśnienia wyłącza sprężarkę. Rys.3. Schemat regulacji wydajności sprężarki chłodniczej przez okresowe wyłączanie silnika pod wpływem obniżenia ciśnienia ssania: 1 termostatyczny zawór rozprężny, 2 parownik, 3 presostat wysokiego ciśnienia, 4 presostat niskiego ciśnienia, 5 skraplacz, 6 sprężarka, 7 silnik elektryczny [1]. Zalety: Sprężarka przez większośd czasu pracuje na nominalnych parametrach w stanie ustalonym Duże przewymiarowanie sprężarki spory zapas w przypadku dużych, nieprzewidzianych zysków ciepła Wady: duży pobór prądu rozruchowego nie zbyt duża dokładnośd utrzymania temperatury w komorze
Rys.4. Wykres zmiany temperatury w czasie podczas pracy przerywanej [3]. b. Zmiana prędkości obrotowej wału sprężarki Zmiana prędkości obrotowej sprężarki jest teoretycznie najbardziej ekonomicznym sposobem regulacji jej wydajności, ponieważ wraz z jej zmianą następuje równocześnie zmiana mocy i wydajności. Jeżeli rozważamy duże sprężarki, koszty dodatkowej przekładni, bądź falownika nie są na tyle duże, aby mogły przeważad do korzyści wynikające ze zmiennej wydajności. Należy jednak pamiętad, że typowe sprężarki tłokowe nie są przystosowane do znacznego obniżenia prędkości obrotowych w stosunku do nominalnych. Zalety: Eksploatacyjnie najbardziej korzystne w przypadku dużych wydajności chłodniczych i specjalnie dostosowanych sprężarkach. Wady: W przypadku sprężarek nie dostosowanych do warunków obniżenia prędkości obrotowej: zła obciążalnośd łożysk tocznych, nieprawidłowa praca zaworów, straty dławienia, niedostateczne podawanie oleju, duże obciążenie wału korbowego; Duże koszty inwestycyjne. c. Dławienie czynnika na ssaniu W przewodzie ssawnym przed sprężarką instaluje się regulator ciśnienia parowania. Stabilizuje on to ciśnienie, dławiąc strumieo pary zassanej przez sprężarkę. Skutkiem dodatkowego spadku ciśnienia, zmniejsza się gęstośd pary czynnika chłodniczego przed sprężarką, stąd też ulega zmniejszeniu strumieo masowy przetłaczanego przez nią czynnika, a zatem maleje wydajnośd chłodnicza urządzenia. Zalety: Prosta budowa systemu sterowania niskie nakłady inwestycyjne; Nieskomplikowana obsługa.
Wady: Niska sprawnośd energetyczna; Złe warunki chłodzenia silnika; Wysoka temperatura kooca sprężania; Możliwośd stosowania w niepełnym zakresie regulacji wydajności chłodniczej. d. Połączenie strony ssawnej z tłoczną Tak zwana metoda BY-PASS polega na połączeniu jednym kanałem strony ssącej i tłocznej sprężarki. Kanał ten jest dławiony zwężką (Zo). Wraz ze wzrostem otwarcia zaworu coraz większa częśd czynnika ze strony tłocznej powraca na stronę ssawną. Rys.5. Regulacja wydajności sprężarki po przez połączenie strony ssawnej z tłoczną: Po ciśnienie na stronie ssawnej, Pk ciśnienie na stronie tłocznej, Zo zwężka, Zz zawór zwrotny *1+. Zalety: Dobre odprowadzenie ciepła z układu Wady: Mimo zmniejszenia wydajności chłodniczej sprężarka pracuje na nominalnej prędkości obrotowej, wymaga to wykorzystania pełnej mocy napędowej; Duży spadek wydajności powoduje niewielką oszczędnośd energii bardzo niska sprawnośd regulacji. e. Dodatkowa przestrzeo szkodliwa Zmiana objętości przestrzeni szkodliwej ma wpływ na współczynnik dostarczania sprężarki λ, a tym samym na objętośd roboczą jej cylindra. Zwiększając objętośd przestrzeni szkodliwej, można wpływad na wydajnośd chłodniczą bez zmiany temperatury środowiska chłodzonego. W tym celu wykorzystuje się ruchomy tłok, zmieniając jego położenie powodujemy zmianę objętości przestrzeni szkodliwej.
Rys.6. Regulacja wydajnośd sprężarki poprzez dołączenie dodatkowej przestrzeni szkodliwej: Ps ciśnienie na stronie ssawnej, Pt ciśnienie na stronie tłocznej, Vo` - Dodatkowa przestrzeo szkodliwa *1+. Wady: Metoda mało korzystna ze względów energetycznych f. Zestawienie metod regulacji wydajnością sprężarki Jak wynika z wykresu (rys.7 ) metodą regulacji wydajności najkorzystniejszą energetycznie jest praca przerywana(1). Połączenie ssania z tłoczeniem, czyli tak zwany BYPASS, już przy niewielki spadku Rys.7. Zmiana mocy N e dla wydajności częściowej Q o w stosunku do mocy i wydajności nominalnej (N en, Q on ) przy zastosowaniu różnych sposobów regulacji: 1 praca przerywana, 2 dodatkowa przestrzeo szkodliwa, 3 podwieszenie zaworów ssawnych, 4 dławienie na ssaniu, 5 połączenie ssania z tłoczeniem *1+.
6. Podsumowanie Regulacja wydajności w urządzeniach chłodniczych każdej wielkości jest niezwykle ważna w celu zachowania prawidłowych parametrów procesów. Szczególnego znaczenia nabiera ona w przypadku gdy często występują zmienne warunki pracy. Regulacje wydajności uzyskuje się poprzez oddziaływanie na pracę sprężarek oraz parowników. W niedużych i prostych urządzeniach korzysta się jedynie regulując pracę sprężarek. W niewielkich urządzeniach chłodniczych najczęściej stosowane są sprężarki tlokowe, dla których najlepszym sposobem regulacji wydajności jest praca przerywana. Z powyższych argumentów wynika, że regulacja wydajności małych urządzeo chłodniczych jest stosowana, natomiast nie jest nią płynna regulacja, a praca przerywana, która z przyczyn technicznych oraz bilansu kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych jest zdecydowanie najkorzystniejsza. 7. Bibliografia 1. L.Cantek, M. Białas; Sprężarki chłodnicze ; Gdaosk 2003 2. H.J. Ullrich; Technika chłodnicza poradnik tom 1 i 2; MASTA 1998 3. W. Zalewski; Systemy i urządzenia chłodnicze ; Kraków 2007