POLITECHNIKA GDAŃSKA Katedra Techniki Cieplnej SEMINARIUM Z CHŁODNICTWA Ocena wpływu poślizgu temperaturowego mieszanin zeotropowych na warunki pracy wentylatorowej chłodnicy powietrza. Michał Szajner Wydział Mechaniczny SMUCHiKL Rok alkadem. 2006/2007
Spis treści 1. Definicja czynnika zeotropowego i poślizgu temperaturowego 2. Przykłady czynników chłodniczych wykazujących poślizg temperaturowy 3. Dobór chłodnicy dla czynnika jednorodnego i zeotropowego 4. Dobór termostatycznego zaworu rozpręŝnego dla czynnika jednorodnego i zeotropowego 5. Wnioski 6. Źródła 1. Definicja czynnika zeotropowego i poślizgu temperaturowego Czynniki zeotropowe (w skrócie ZEO) są mieszaninami o określonym składzie procentowym kilku czynników jednoskładnikowych o znacznie zróŝnicowanej lotności (lotność czynnika określa jego zdolność do przechodzenia z fazy ciekłej w parową przy ogrzewaniu; jest ona tym wyŝsza, im niŝsza jest jego temperatura wrzenia przy danym ciśnieniu), zmieniającymi swój skład przy zmieniającej się temperaturze wrzenia i skraplania przy stałym ciśnieniu nasycenia. Poślizg temperaturowy jest to całkowita zmiana temperatury nasycenia przy przemianie fazowej czynników ZEO przy stałym ciśnieniu. Poślizg temperaturowy czynnika jest zjawiskiem niekorzystnym w warunkach pracy wentylatorowej chłodnicy powietrza. Korzyści z tego zjawiska moŝna osiągnąć jedynie przy duŝych wartościach poślizgu (>20K), gdy w przeciwprądzie ochładza się płyny w parowniku lub ogrzewa w skraplaczu, np. duŝe grzewcze pompy ciepła stosowane do podgrzewania wody w układach CO oraz dla celów higieniczno sanitarnych, a takŝe zakłady chemiczne, petrochemiczne spoŝywcze oraz zakłady skraplania gazu. Niedostępne są one przy małej róŝnicy temperatur pomiędzy czynnikami wymieniającymi ciepło ( T=5-10K). Zjawisko poślizgu w warunkach pracy chłodnicy powoduje, Ŝe proces parowania nie jest izotermiczny, co oznacza Ŝe temperatura na wyjściu z parownika jest wyŝsza od temperatury na jego wejściu. Zjawisko to ilustruje poniŝszy wykres. Warto zauwaŝyć, Ŝe rzeczywista róŝnica temperatur nie jest równa poślizgowi ( t 0 ), a jedynie jego części (t 1 -t 4 ), poniewaŝ do parownika nie dopływa ciecz tylko para mokra (4). 2
2. Przykłady czynników chłodniczych wykazujących poślizg temperaturowy PoniŜsza tabela przedstawia trzy przykłady mieszanin zeotropowych. Największym poślizgiem charakteryzuje się czynnik z grupy HCFC R 409A, najniŝszym natomiast R 407C, który jest czynnikiem grupy HFC. Ciekawostką jest mieszanina propanu i izobutanu czynnik naturalny CARE 30. W tabeli poza podstawowymi własnościami i zastosowaniem przedstawiono takŝe normalne temperatury wrzenia poszczególnych składników tych mieszanin. Zestawienie to wskazuje, Ŝe wartość poślizgu temperaturowego nie wynika bezpośrednio z róŝnicy temperatur parowania składnika najmniej i najbardziej lotnego. Czynnik R 409A R 407C CARE 30 Skład mieszaniny R 22 / R 124 / R R 32 / R 125 / R R 290 /R600a (50/50) 142b (60/25/15) 134a (23/25/52) +/ 10% Masa cząsteczkowa [kg/kmol] 97,4 86,2 b.d. Temperatura krytyczna [ºC] 107 87,3 106 Ciśnienie krytyczne [bar] 46 46,2 34 Gęstość krytyczna [kg/m 3 ] 518 515,78 b.d. 3
Normalna temperatura wrzenia [ºC] Poślizg temperaturowy przy ciśnieniu 1,013 bar [K] - 34,2-43,4-31,5 R 22: - 41,08 R124: - 12,1 R 142b: - 9,8 R 32: - 51,7 R 125: - 48,8 R 134a: - 26,4 R 290: - 42,9 R 600a: - 11,6 8,5 7,2 7,8 ODP 0,048 0 0 GWP 1440 1600 3 (przy ITH = 100 lat) Zamiennik za R 12 R 22 R 12 Sprzęt domowy, maszyny Klimatyzacja do lodów, przemysłowa, chłodziarki przyokienna do napojów, i inne urządzenia do zastosowania przechowywania Zastosowanie chłodnictwo Ŝywności małe, do średnich średnie i duŝe i niskich chłodnictwo temperatur do średnich odparowania temperatur odparowania Domowe, handlowe i samochodowe urządzenia średnio i wysokotemperaturowe (w przyszłości) 3. Dobór chłodnicy dla czynnika jednorodnego i zeotropowego Dobór wentylatorowej chłodnicy powietrza dla czynnika zeotropowego nie róŝni się w zasadzie niczym od doboru dokonywanego dla czynnika jednorodnego. W zastosowaniach przemysłowych poślizg ten ma znaczenie marginalne. PoniŜej przedstawiono przykłady doboru chłodnic marki ECO dla czynników R 22 oraz R 407C dokonany dla tych samych warunków pracy urządzeń. Dobór dla pierwszego z nich został dokonany przy uŝyciu wykresu do szybkiego doboru chłodnic, dla drugiego natomiast za pomocą programu doborowego producenta. Uzyskane wyniki potwierdzają niewielkie znaczenie poślizgu, gdyŝ w obu przypadkach wskazany został ten sam model chłodnicy. W celu dokonania prawidłowego doboru urządzenia naleŝy określić następujące parametry: ObciąŜenie cieplne komory Temperaturę w komorze 4
TD ( T) czyli róŝnicę temperatur pomiędzy temperaturą w komorze a temperaturą parowania czynnika lub temperaturę parowania czynnika Rodzaj czynnika chłodniczego W pierwszym przypadku przyjmijmy, Ŝe są to: ObciąŜenie cieplne komory = 1,5 kw Temperatura w komorze = +1 C TD = 8K Rodzaj czynnika chłodniczego: R 22 Korzystając z wykresu szybkiego doboru dla serii chłodnic EP w prosty sposób uzyskujemy rozwiązanie, z którego wynika, Ŝe w tym przypadku naleŝy zastosować chłodnicę typu EP 200. 5
W drugim przypadku: ObciąŜenie cieplne komory = 1,5 kw Temperatura w komorze = +1 C TD = 8K Rodzaj czynnika chłodniczego: R 407C Wprowadzając do programu doborowego powyŝsze dane w odpowiedzi otrzymamy wybrany model chłodnicy. Wyznaczona przez program temperatura wrzenia jest szacunkową średnią temperaturą parowania czynnika i na jej podstawie wg niektórych producentów dokonywany jest dobór termostatycznego zaworu rozpręŝnego. Wybrany przez program model chłodnicy jest identyczny jak w przypadku pierwszym i jest to model EP 200. 6
4. Dobór termostatycznego zaworu rozpręŝnego dla czynnika jednorodnego i zeotropowego Dla poprawnego doboru termostatycznego zaworu rozpręŝnego muszą być znane następujące czynniki: wydajność chłodnicza (Q 0 ) efektywna róŝnica ciśnienia na termostatycznym zaworze rozpręŝnym (Dp) (uwzględniająca wszystkie inne moŝliwe spadki ciśnienia: spadki ciśnienia w parowniku, osuszaczu, zaworze elektromagnetycznym, dystrybutorze cieczy...) temperatura/ciśnienie parowania najniŝsza moŝliwa temperatura/ciśnienie skraplania temperatura cieczy typ czynnika chłodniczego W przypadku czynników jednorodnych nie ma problemów z określeniem tych wartości. Gdy mamy do czynienia z czynnikami zeotropowymi pojawiają się pewne komplikacje związane z ustaleniem wartości temperatury parowania, która jak wiadomo wzrasta podczas trwania procesu. W zaleŝności od producentów zaworów róŝne są ich podejścia do tego problemu. Jedni, jak np. Danfoss, zalecają przeprowadzanie doboru w sposób tradycyjny, podstawiając za wartość temperatury wrzenia średnią temperaturę z początku i końca procesu. Inni natomiast, np. Alco Controls, uŝywają wartości temperatury nasycenia oraz odpowiednich współczynników korekcyjnych. PoniŜej przedstawiony został przykład doboru termostatycznego zaworu rozpręŝnego marki Alco Controls dokonany według zaleceń producenta dla układu pracującego z czynnikiem R 407C. 7
8
5. Wnioski Stosowanie czynników zeotropowych w warunkach pracy wentylatorowej chłodnicy powietrza nie przynosi Ŝadnych korzyści, a nawet stwarza pewne komplikacje związane z regulacją układu. Jak wskazują powyŝsze przykłady w chwili obecnej nie stanowią one jednak problemu. Większość producentów, zarówno chłodnic wentylatorowych, jak i termostatycznych zaworów rozpręŝnych, uwzględnia w swoich programach doborowych oraz katalogach czynniki zeotropowe i oferuje narzędzia i algorytmy do prawidłowego doboru urządzeń dla układów pracujących z tymi czynnikami. 6. Źródła [1] Bonca Z., Butrymowicz D., Dambek D., Depta A., Targański W.: Czynniki chłodnicze i nośniki ciepła. Wyd. Masta, Gdańsk 1997. [2] Bonca Z., Butrymowicz D., Targański W., Hajduk T.: Nowe czynniki chłodnicze i nośniki ciepła. Wyd. Masta, Gdańsk 2004. [3] Katalogi firm: Danfoss, Eco, Alco Controls [4] www.copeland.pl [5] www.danfoss.pl [6] www.termo-schiessl.pl 9