Seminarium z przedmiotu Automatyka chłodnicza i klimatyzacyjna Temat: Rurka kapilarna jako element dławiący w rewersyjnych pompach ciepła stosowanych w tzw. klimatyzatorach indywidualnych. Opracował: Piotr Wolski SiUChiK Sem.IX
Spis treści: 1. Krótka definicja 2. Budowa 3. Zasada działania 4. Za i przeciw stosowania rurki kapilarnej 5. Przykład wykorzystania rurki kapilarnej w klimatyzatorach indywidualnych 6. Wnioski 7. Literatura
1. Krótka definicja Rurka kapilarna jest elementem automatyki mającej na celu regulację przepływu czynnika chłodniczego, bądź też elementem dławiącym. Ma ona za zadanie tak wyregulować jego strumień w ilości zgodnej z chwilowym obciążeniem cieplnym parownika, aby uzyskać stan równowagi z ilością pary odsysanej z tego wymiennika przez sprężarkę. 2. Budowa Jest to stosunkowo najprostsze urządzenie dławiące, będące rurką o nie wielkiej średnicy rzędu od 0,7-2,5 mm a z kolei ich długość sięga 0,6-6 m. Rurki te wykonywane są najczęściej z miękkiej miedzi elektrolitycznej gatunku M1. Wmontowywana jest w rurociąg pomiędzy skraplaczem i parownikiem. 3. Zasada działania. Zazwyczaj mamy do czynienia z dwoma rodzajami montowania rurki kapilarnej - bez dochłodzenia - z dochłodzeniem Na poniższym rysunku pokazany jest drugi wariant, gdzie na pewnym odcinku rurka jest przytulona od przewodu ssawnego sprężarki. Na wykresie pokazany jest schematycznie spadek ciśnienia czynnika w rurce z chłodzeniem i bez chłodzenia w zależności od jej długości. Na skutek pokonywania oporów przepływu ciśnienie czynnika w rurce stopniowo obniża się, w chwili osiągnięcia wartości odpowiadającej temperaturze nasycenia czynnik zaczyna odparowywać. W wyniku gwałtownego wzrostu objętości czynnika w układzie dwu fazowym wzrasta prędkość przepływu, a zatem i opory przepływu.
Rysunek. 1 Wykres pokazujący spadek ciśnienia w rurce kapilarnej w zależności od odległości Dla wariantu bez dochłodzenia temperatura ciekłego czynnika przepływającego przez nią jest praktycznie stała, wrzenie rozpoczyna się w punkcie 2. Całkowity spadek ciśnienia w rurce wynosi: Δp A =p 1 -p 3 W przypadku gdy mamy do czynienia z dochłodzeniem, początek parowania występuje w większej odległości od wlotu rurki, mianowicie w punkcie 2. Ciśnienie końcowe na wylocie z rurki jest w tym przypadku nieco wyższe z uwagi na to, że na krótszym odcinku występują zwiększone opory przepływu i wynosi ono p 3. Wówczas całkowity spadek ciśnienia jest równy Δp B =p 1 -p 3 Skąd wynika że: Δp A > Δp B Tak więc dochłodzenie powoduje zwiększenie strumienia masy czynnika chłodniczego przepływającego przez rurę. Wpływ zmiennych obciążeń cieplnych na pracę rurki kapilarnej można ocenić na podstawie analizy jej charakterystyki, do sporządzenia której wykorzystuje się równanie strat ciśnienia w rurce w postaci p = λ Gdzie: λ współczynnik oporów przepływu L długość rurki d średnica wewnętrzna rurki ρ gęstość czynnika w prędkość czynnika Biorąc pod uwagę fakt iż strumień masy czynnika wynosi: m = L d ρ 2 w w π ρ 4 d Otrzymujemy następujące równanie charakterystyki rurki kapilarnej m = C ρ Λ p 2 4
Gdzie: C = 0,354π 5 d λ L Przyjmując z dużym przybliżeniem że współczynnik C ma stałą wartość, można zbudować rodzinę charakterystyk dla których stałym parametrem jest temp. i ciśnienie skraplania. Zadaniem regulacji pracy parownika jest utrzymanie w nich stałego ciśnienia, stałego poziomu ciekłego czynnika lub zapewnienie odpływu gazowego czynnika z parownika w stanie przegrzania(czyli niedopuszczenie przelania się ciekłego czynnika do rurociągów ssawnych). Zastosowanie elementów dławiących o stałym przekroju, a przekroju szczególności rurek kapilarnych pozwoliło na możliwość samoregulacji układu. Widoczne to jest na rysunku 2 Rysunek.2. Schemat zasilania parownika rurką kapilarną oraz wykres spadku wydajności przy odchyleniu od obciążenia warunków pracy Po wyłączeniu sprężarki cała ciecz zbiera się po stronie niskiego ciśnienia, tj. w parowniku. Aby zabezpieczyć sprężarkę przed uderzeniem cieczowym, układ chłodniczy napełnia się czynnikiem chłodniczym w ilości powodującej wypełnienie w 90% parownika. Natomiast rurkę kapilarną dobiera się tak, ażeby średnie obliczeniowe masowe natężenie przepływu ciekłego czynnika przez rurkę kapilarną było równe ilości zasysanej pary przez sprężarkę z parownika; wówczas poziom ciekłego czynnika w parowniku nie zmienia się. Przy różnych od obliczeniowych warunkach pracy(odpowiednim obniżeniu temperatury i ciśnienia w skraplaczu)ilość przepływającego przez kapilarę czynnika chłodniczego zmniejsza się, natomiast moc chłodnicza wzrasta. W czego wyniku poziom czynnika w parowniku zaczyna opadać. W tym przypadku strumień cieplny płynący do parownika maleje, jednocześnie obniżając poziom czynnika w parowniku z A do A1 i powodując podniesienie poziomu czynnika w skraplaczu z B do B1. Poprzez co powierzchnia pary maleje i ilość przepływającej przez kapilarę cieczy w wyniku różnicy ciśnień wzrasta. Dalsze obniżanie poziomu ciekłego czynnika w parowniku zostaje zatrzymane. Przy wzroście temperatury zewnętrznej wydajność maleje, a ilość przepływającego czynnika wzrasta.
Rysunek 3. Wykres ukazujący zdolność rurki kapilarnej do samoregulacji Gdy ciśnienie i temp. parowania obniża się, zmniejsza się jednocześnie strumień masy czynnika przetłaczanego przez sprężarkę. Następuje spiętrzenie cieczy w parowniku, kosztem jej ubytku w skraplaczu. W skrajnym przypadku skraplacz może być całkowicie opróżniony z ciekłego czynnika, a zatem rurka kapilarna zasilana jest parą mokrą o relatywnie niskim stopniu suchości. Prowadzi to z kolei do zwiększenia oporów przepływu przez rurkę i zmniejszenia strumienia masy czynnika zasilającego parownik. Skutkiem powyższego jest zmniejszenie wydajności chłodniczej urządzenia. W przypadku wzrostu ciśnienia i temp. parowania, rośnie obciążenie cieplne skraplacza, gdyż zwiększa się strumień masy czynnika zasysanego przez sprężarkę. Jednocześnie maleje ilość ciekłego czynnika wypełniającego skraplacz. W efekcie rośnie ciśnienia skraplania co pociąga za sobą ustalenie się nowego stanu równowagi W urządzeniach ze zbiornikiem ciekłego czynnika za skraplaczem stopień samoregulacji gwałtownie maleje, tak że przy obniżaniu się poziomu ciekłego czynnika w parowniku poziom cieczy w skraplaczu i ciśnienie rosną bardzo wolno. W związku z tym ilość przepływającej cieczy przez rurkę kapilarną nie wzrasta i praca urządzenia może być nieefektywna. Z tego powodu w układach z rurką kapilarną nie stosuje się zbiorników ciekłego czynnika Rysunek.4. Przepustowość rurki kapilarnej w funkcji stosunku ciśnienia parowania do ciśnienia skraplania
W praktyce często zdarza się, że rurka kapilarna pracuje w tak zwanym stanie zatkania, czyli na końcu rurki osiągana jest lokalna prędkość dźwięku i przepływ staje się krytyczny. Zjawisko to oznacza, że niezależnie od dalszego spadku ciśnienia w parowniku, rurka nie jest w stanie przepuścić więcej czynnika chłodniczego(rys.3). Oczywiście wystąpienie tej sytuacji w urządzeniu jest szkodliwe, rurka bowiem traci wówczas swoje własności regulacyjne. W związku z tym zaleca się by geometria rurki była tak dobrana, aby przepływ czynnika nie był nasycony. Umożliwia to wówczas samoczynną regulację strumienia masy czynnika w zależności od ciśnień panujących w skraplaczu oraz w parowniku. Rysunek.5. Krzywa równowagi wydajności chłodniczej rurki kapilarnej. Z formalnego punktu widzenia, rurka kapilarna przewidziana jest do pracy przy zadanych, stałych parametrach pracy urządzenia do pracy w jednym punkcie na charakterystyce przedstawionej na rys.4. Jeżeli warunki pracy urządzenia zmieniają się w szerokich granicach, jego praca z rurką kapilarną może stać się nieefektywna. Z reguły spada wówczas współczynnik wydajności chłodniczej, może nastąpić skrócenie czasu postoju urządzenia i zwiększenie częstotliwości jego wyłączeń, co wiąże się bezpośrednio z obniżeniem trwałości sprężarki.
4.Zalety i wady rurek kapilarnych Głównymi zaletami rurek kapilarnych są: prostota, niski koszt, zlikwidowanie momentu rozruchowego przy starcie sprężarki tłokowej(rozruch odbywa się w warunkach wyrównania ciśnienia między stroną ssawna a tłoczną, duża niezawodność działania. Głównymi wadami rurek kapilarnych są: nieekonomiczna praca urządzenia chłodniczego przy zmiennych obciążeniach cieplnych, duża czułość na zmiany ilości czynnika chłodniczego wypełniającego instalację. 5. Przykład wykorzystania rurki kapilarnej w klimatyzatorach indywidualnych Jak przykład posłuży nam klimatyzator firmy FUJITSU typu Split model ARY12UUAD / AOY12USAJL. Mogło by się wydawać że stosowanie rurki kapilarnej jest uzasadnione jedynie w urządzeniach o stałej wydajności chłodniczej czyli na przykład chłodziarka domowa. Tym czasem jest ona z powodzeniem stosowana w klimatyzatorach, co prawda coraz bardziej jest wypierana przez elektroniczne zawory, pozwalające na dokładne sterowanie wydajnością chłodziarki, jednakże można ją jeszcze spotkać m in. w/w modelu. Zdaje ona tam swój egzamin dzięki temu iż klimatyzator tego typu są obliczane na pewne widełki temperatur a mianowicie w trybie chłodzenia temp. wewn. 27 C zewn. 35 C, w trybie grzania temp. wewn. 20 temp. zewn. 7 C, oscylując w tych granicach uzyskujemy optymalną wydajność naszego urządzenia, jeżeli zaś zaczniemy wychodzić poza podane temperatury wydajność urządzenia spadnie diametralnie. Dodatkową rzeczą która pomaga nam regulować odpowiednią wydajność klimatyzatora jest dwu stopniowa regulacja prędkości wentylatora przy skraplaczu.
Dane techniczne tego modelu Air Handler ARY12UUAD Condenser Model AOY12USAJL Cooling Capacity Heating Capacity NOISE High Medium Low FAN SPEED High Medium AIR FLOW High Medium Low DIMENSIONS Height Width WEIGHT 3.5 kw 4 kw db @ 1m rpm m3/h mm Kgs 28 27 26 49 680 640 570 740 500 1600 217 953 595 530 250 750 25 35 Cooling Indoor Temp :27C DB/19C WB Outdoor Temp :35C DB/24C W Heating Indoor Temp :20C DB/24C WB Outdoor Temp :7C DB/6C WB INDOOR OUTDOOR POWER SUPPLY V/Ph/Hz 240/1/50 START CURRENT Amps 0 30 RUN CURRENT Amps 0 5.3 FUSE RATING(Type Amps 0 15 CONTROLLER Type Wired CONTROLLER Metres 10 GAS TYPE R410A PIPE SIZES Inches LIQUIDGAS 1/4 GAS 3/8 MAX PIPE RUN Metres 15 MAX PIPE HEIGHT Metres 8 HOLDING CHARGE Grammes 850 PRE CHARGE Metres 7.5 EXTRA CHARGE Gram/m 15 CONNECTOR TYPE Flared DRAIN HOSE SIZE mm I.D 22 O.D. 26 WATER REMOVAL Litres/h 1.2
Budowa układu z rurką kapilarną jako elementem dławiącym. W funkcji chłodzenia czynnik chłodniczy jest sprężany przez sprężarkę a następnie, trafia na zawór 4- drogowy, przejściu przez zawór trafia do skraplacza, dalej przez wszelkiego rodzaju filtry począwszy od siateczkowych po filtry odwadniacze. Trafia na element dławiący, rurkę kapilarną, przechodzą przez nią ulega zdławieniu, dalej przechodzi przez zawór jednokierunkowy, który stawia mniejszy opór niż 2 kapilara wiec ciecz wybiera tę drogę i przechodzi do parownika z którego odbiera ciepło i ponownie trafia do sprężarki. W funkcji grzania sprawa ma się troszkę inaczej, droga czynnika zaczyna się w tym samym miejscu w sprężarce ale po sprężeniu trafia na zawór 4- drogowy a z niego na parownik który spełnia role skraplacza, po wyjściu z parownika, czynnik przechodzi przez 2 kapilarę a po wstępnym zdławieniu na niej trafia na pierwsza rurkę kapilarną gdzie jest po raz kolejny dławiony, po tym trafia do skraplacza działającego jako skraplacz.
Dla przykładu przytoczę jak wyglądają wykresy, zależność wydajności od temperatury. Co prawda są to wykresy sporządzone dla układu z bardziej zaawansowaną automatyką lecz, ich charakter nie zmienia się znacznie.
6. Wnioski. Rurka kapilarna jest najprostszym urządzeniem służącym do obniżania ciśnienia przez dławienie, którego długość jest istotna dla ustalenia przepływu, Przy różnych od obliczeniowych warunkach pracy(odpowiednim obniżeniu temperatury i ciśnienia w skraplaczu)ilość przepływającego przez kapilarę czynnika chłodniczego zmniejsza się, natomiast moc chłodnicza wzrasta. W czego wyniku poziom czynnika w parowniku zaczyna opadać, W urządzeniach ze zbiornikiem ciekłego czynnika za skraplaczem stopień samoregulacji gwałtownie maleje, tak że przy obniżaniu się poziomu ciekłego czynnika w parowniku poziom cieczy w skraplaczu i ciśnienie rosną bardzo wolno. Zaleca się by geometria rurki była tak dobrana, aby przepływ czynnika nie był nasycony, umożliwia to wówczas samoczynną regulację strumienia masy czynnika w zależności od ciśnień panujących w skraplaczu oraz w parowniku. Jeżeli warunki pracy urządzenia zmieniają się w szerokich granicach, jego praca z rurką kapilarną może stać się nieefektywna. Z reguły spada wówczas współczynnik wydajności chłodniczej, może nastąpić skrócenie czasu postoju urządzenia i zwiększenie częstotliwości jego wyłączeń, co wiąże się bezpośrednio z obniżeniem trwałości sprężarki. Dzięki prostocie i dużej niezawodności (w porównaniu z termostatycznym zaworem rozprężnym) rurki kapilarne znalazły szerokie zastosowanie w domowych chłodziarkach, których warunki pracy niewiele różnią się od obliczeniowych. Natomiast w urządzeniach o średniej mocy chłodniczej zastosowanie rurek kapilarnych jest mniej ekonomiczne, gdyż warunki ich eksploatacji mogą znacznie różnić się od obliczeniowych. Należy pamiętać o tym iż układ musi być napełniony odpowiednią ilością czynnika Stosowana jest w klimatyzatorach ze względu na swe podstawowe zalety czyi niski koszt, oraz prostotę i niezawodność działania.
7. Literatura. 1. Technika chłodnicza i klimatyzacyjna" nr 1 i 6 z roku 1996 2. Technika chłodnicza - poradnik" Hans - Jurgen Ullrich tom.1 3. Automatyka urządzeń chłodniczych" Wesołowski a., Dworski F. 4. Automatyk chłodnicza i klimatyzacyjna Zenon Bonca 5. Internet 6. konsultacje z inżynierem produktu w firmie Klima Therm Panem Rafałem Czyżem