SEMINARIUM Z AUTOMATYKI CHLODNICZEJ TEMAT: Próba uzasadnienia celowości regulacji wydajności chłodniczej w urządzeniach o wydajności zakresu 5 do 10kW. 1. Wstęp 2. Metody regulacji sprężarek 3. Regulacja wydajności w urządzeniach o wydajności 5 do 10kW 4. Podsumowanie. 5. Literatura 1.Wstęp Urządzenia chłodnicze są zawsze tak dobierane aby przy maksymalnym obciążeniu cieplnym zapewnić odpowiednią temperature w komorze chłodzonej. Wiemy jednak że obciążenia te w czasie eksploatacji urządzenia nie występują cały czas, bardzo często są niższe. Gdyby urządzenia chłodnicze nie posiadały regulacji wydajności to wraz ze spadkiem obciążenia cieplnego spadała by temperatura w komorze chłodniczej nawet o kilka stopni, co jest negatywnym skutkiem, ponieważ w pomieszczeniu klimatyzowanym chcemy mieć temperaturę 20 o C plus minus 1 o C, a w chłodni bananów 13 o C plus minus 0,1 o C. Dlatego regulacja wydajności jest potrzebna we wszystkich urządzeniach chłodniczych. Prześledźmy na wykresie jak zmienia się temperatura w komorze chłodzonej przy braku regulacji wydajności i z regulacją wydajności chłodniczej. Wydajność chłodnicza została dobrana do maksymalnego obciążenia cieplnego chłodzonego
pomieszczenia przy zadanej temperaturze punkt A. Wraz ze spadkiem obciążenia zewnętrznego od wartości Q zmax do Q zmin w wyniku samoregulacji obiektu i urządzenia, co przedstawia punkt B, temperatura obniża się, w tym przypadku poniżej wartości dopuszczalnej. Dlatego niezbędna jest regulacja wydajności tak aby można osiągnąć punkt C, stałą temperaturę, przy mniejszym obciążeniu. 2.Metody regulacji wydajności Wydajność można obniżać dwoma sposobami, przez zmniejszenie wydajności parownika lub sprężarki. Aby zmniejszyć wydajność parownika trzeba zmienić współczynnik przenikania ciepła bądź powierzchnie wymiany ciepła. Ten sposób daje w efekcie obniżenie temperatury parowania czynnika, praca sprężarki staje się mniej efektywna, dlatego wykorzystuje się całą powierzchnie parownika z optymalnym napełnieniem. Rodzaje regulacji wydajności sprężarek: regulacja wydajności przez zatrzymanie i uruchamianie sprężarki Jest to typowa regulacja skokowa 0 Max 0. Najczęściej polega na zatrzymaniu silnika napędowego. Schemat regulacji wydajności sprężarki chłodniczej przez okresowe wyłączenie silnika pod wpływem obniżenia ciśnienia (temperatury) parowania (ssania): 1 termostatyczny zawór rozprężny, 2 parownik, 3 wyłącznik ciśnieniowy (bezpieczeństwa), 4 wyłącznik niskiego ciśnienia (presostat lub termostat), 5 skraplacz, 6 sprężarka, 7 silnik elektryczny Urządzenie sterujące składa się z wyłącznika niskiego ciśnienia, presostatu połączonego z przewodem ssawnym sprężarki którego czujkę umieszcza się w pomieszczeniu chłodniczym. Jest to regulacja ekonomiczna a cały system ocenia się jako niewadliwy, ponieważ niesprawność jednej sprężarki lub planowane przeglądy nie zakłócają działania całego układu. regulacja wydajności przez zmianę prędkości obrotowej Jest to teoretycznie najbardziej korzystny sposób regulacji wydajności, ponieważ przez zmianę prędkości obrotowej następuje zmiana mocy i wydajności. W silniku prądu zmiennego ciągłą zmianę prędkości obrotowej można realizować za pomocą układu tyrystorowego. Skokową zmianę
prędkości obrotowej uzyskuje się przez zastosowanie silnika wielobiegowego z możliwością przełączania czynnych par biegów. Należy zaznaczyć że typowa sprężarka tłokowa nie jest przystosowana do znacznego obniżania prędkości obrotowej w stosunku do nominalnej. Wypadkowe obciążenie układu korbowego wzrasta przy mniejszej prędkości obrotowej z powodu zmniejszenia sił masowych, a obciążalność łożysk ślizgowych maleje. Nieprawidłowa staje się również praca zaworów co może przyczynić się do zwiększonych strat dławienia i zmniejszenia trwałości płytek roboczych i elementów sprężystych. Stosowanie do napędu sprężarek silników bocznikowych prądu stałego, silników spalinowych, umożliwiających w pewnym zakresie ciągłą regulację prędkości obrotowej, jest również rzadko stosowane, ponieważ wymaga dodatkowych urządzeń umożliwiających rozruch zespołu. regulacja wydajności przez podłączenie dodatkowej przestrzeni szkodliwej Schemat regulacji wydajności poprzez podłączenie do cylindra stałej dodatkowej przestrzeni szkodliwej w czasie całego cyklu pracy Schemat regulacji wydajności poprzez podłączenie do cylindra zmiennej dodatkowej przestrzeni szkodliwej Wpływ dodatkowej przestrzeni szkodliwej na wydajność sprężarki tłokowej
Schemat regulacji wydajności przez podłączenie do cylindra stałej niezależnej przestrzeni szkodliwej na części każdego cyklu pracy sprężarki: a dodatkowa przestrzeń szkodliwa, b zawór odcinający, c cylinder sprężarki, d tłok, e sprężyna Wpływ połączenia dodatkowej przestrzeni szkodliwej na części cyklu pracy sprężarki Regulacja przez podłączanie przestrzeni szkodliwej może być skokowa lub ciągła, stosowana jet w dużych urządzeniach. Podłączenie dodatkowej objętości V' o do przestrzeni roboczej cylindra powoduje zmniejszenie wydajności objętościowej sprężarki. Powiększenie przestrzeni szkodliwej o V' o zmniejsza współczynnik ' s a tym samym stopień dostarczania do pewnej granicznej wartości V' o ' s 0 Proporcjonalnie do zmiany wydajności sprężarki będzie się zmieniać praca indykowana. W rzeczywistej sprężarce podłączenie przestrzeni szkodliwej powoduje szybsze zmniejszenie wydajności wolniejsze pracy indykowanej. Przestrzeń szkodliwa pozwala na całkowite lub częściowe odciążenie sprężarki przy rozruchu.
regulacja skokowa przez podwieszenie płytek zaworu ssawnego Schemat regulacji skokowej przez podwieszenie płytek zaworu ssawnego w ciągu cyklu pracy sprężarki, oddziaływanie siłownika siłą P r na płytkę zaworową Wykres indykatorowy przy pracy normalnej i biegu jałowym sprężarki Podwieszanie płytek zaworowych jest regulacją skokową. Różne mechanizmy, uruchamiane siłownikami hydraulicznymi, pneumatycznymi, elektromagnetycznymi, pozwalają dzięki sile P r podnieść płytki zaworów ssawnych wszystkich lub niektórych cylindrów sprężarki. Powoduje to w czasie suwu sprężania powrotny przepływ z cylindra do przewodu ssawnego. W wyniku wahliwego przepływu czynnika przez zawór ssawny wydajność ro0zpatrywanego cylindra maleje do zera.
regulacja wydajności przez upust czynnika z komory roboczej na stronę ssawną Regulacja przez upust czynnika z komory roboczej w sprężarce tłokowej a) sprężarka przelotowa b) sprężarka nieprzelotowa c) sprężarka rzędowa 2 clindrowa ] Wykres indykatorowy dla wydajności pełnej i częściowej przy regulacji upustowej Upust czynnika z komory roboczej na stronę ssawną, jest realizowany przez połączenie komory ssawnej lub przewodu ssawnego z komorą roboczą sprężarki. Jest to regulacja skokowa umożliwiająca zmianę wydajności cylindra o założoną wielkość, może być nawet do zera. Jest to metoda upustowa podobnie jak podwieszanie płytek zaworowych, jednak częściej stosowana, ponieważ podwieszanie płytek zaworów może doprowadzić do zmniejszenia sztywności zaworów.
regulacja wydajności przez połączenie strony tłocznej ze stroną ssawną regulacja wydajności przez połączenie tłoczenia ze ssaniem a) bez zaworu zwrotnego b) z zaworem zwrotnym Straty energetyczne biegu jałowego sprężarki przez połączenie ssania z tłoczeniem Połączenie strony ssawnej z tłoczną za pomocą zaworu, pozwala na skierowanie czynnika ponownie na stronę ssawną. Powoduje to całkowitą stratę energii potrzebną do sprężenia czynnika upuszczonego na stronę ssawną. Dławienie pary od ciśnienia p k do p o powoduje dodatkowo bardzo silne przegrzanie pary upuszczonej co prowadzi do znacznego temperatury czynnika zasysanego ponownie do cylindra, a w konsekwencji do wzrostu końcowej temperatury sprężania.
dławienie na ssaniu Straty energetyczne przy dławieniu na ssaniu Dławienie na ssaniu może być realizowane przez zastosowanie elementu dławiącego przed sprężarką, np zaworu dławiącego, rurki kapilarnej. Jest to metoda dobra do małych układów chłodniczych. metoda upustowa w sprężarkach śrubowych Zasada regulacji wydajności i sprężu wewnętrznego sprężarki śrubowej: 1 suwak główny, 2 suwak pomocniczy ze sprężynami i sworzniami rozpórczymi, 3 tłok nastawny suwaka głównego, 4 cylinder siłownika hydraulicznego, 5 wirnik, 6 komora ssawna, 7 komora tłoczna Metoda ta jest często stosowana do regulacji sprężarek śrubowych. Upust czynnika pozwala na regulacje wydajności od 10 15% nawet do 100%, zapewnia to, zwiększenie lub zmniejszenie objętości międzyzębnej, na już początku procesu sprężania. Przy stałych obrotach wirnika uzyskuje
sie to poprzez zastosowanie suwaka upustowego zmieniającego położenie okna upustowego, łączącego komorę międzyzębna z komorą ssawną. W rezultacie pary czynnika zassanego zamiast zostać sprężone zawracane są do komory ssawnej. Przy takiej regulacji następuje również niekontrolowana zmiana sprężu wewnętrznego, dlatego stosowane są obecnie sówki różnicowe które mogą regulować jednocześnie spręż. Wpływ zmniejszenia wydajności na moc efektywną sprężarki przy różnych sposobach regulacji wydajności. 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 wydajności: 1 zatrzymanie i uruchomienie silnika, 2 dodatkowa przestrzeń szkodliwa, 3 podwieszenie zaworów ssawnych, 4 dławienie na ssaniu, 5 połączenie ssania z tłoczeniem Idealna byłaby metoda której charakterystyka leżałaby zupełnie poziomo przechodząc przez początek układu współrzędnych. Widzimy że najbliższa idealnej jest metoda regulacji przez zatrzymania i uruchamianie sprężarki. 3.Regulacja wydajności w urządzeniach o wydajności 5 do 10kW W urządzeniach tej wielkości stosowanie są najczęściej sprężarki tłokowe lub spiralne. Główną metodą regulacji wydajności w tych urządzeniach jest zatrzymanie i uruchamianie sprężarki, rzadziej ale również stosowaną metodą jest regulacja prędkości obrotowej, jest to rozwiązanie drogie i skomplikowane.
Przeglądając katalogi dużych firm produkujących sprężarki do urządzeń wyżej wymienionej wydajności, można stwierdzić, że są to sprężarki bez regulacji wydajności. 4.Podsumowanie Regulacja wydajności jest niezbędna zawsze i w każdym urządzeniu chłodniczym, ze względu na to że urządzenia te muszą utrzymać zadane parametry w każdych warunkach (przy różnych obciążeniach cieplnych). W urządzeniach o wydajności 5 do 10 kw regulacja ta jest realizowana, poprzez odpowiednio zaprojektowane całe urządzenie, cały układ (np przez zamontowanie presostatu niskiego ciśnienia który będzie okresowo włączał i wyłączał sprężarkę w zależności od obciążenia komory chłodniczej), ponieważ w takiej wielkości urządzeniach stosuje się sprężarki bez regulacji wydajności chłodniczej. 5.Literatura Z. Bonca Automatyka chłodnicza i klimatyzacyjna L. Centek, M. Białas Sprężarki chłodnicze K. Kalinowski Amoniakalne urządzenia chłodnicze H.J. Ullrich Technika chłodnicza Poradnik