POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY Seminarium z przedmiotu Automatyka chłodnicza i klimatyzacyjna TEMAT: Racje techniczne wykorzystania rurki kapilarnej lub dyszy w małych urządzeniach chłodniczych i spręŝarkowych pompach ciepła. Sławomir Bartosik semestr 9 SiUChKl Gdańsk 2010
SPIS TREŚCI 1. Rurka kapilarna budowa 2. Elementy automatyki regulujące dopływ czynnika chłodniczego do parownika 3. Zasada działania rurki kapilarnej 4. Zastosowania 5. Dobór rurki kapilarnej 6. MontaŜ i regulacja 7. Zalety i wady stosowania rurki kapilarnej 8. Podsumowanie 9. Literatura 2
1. Rurka kapilarna budowa Jest to najprostszy element dławiący w postaci rurki wykonanej z miękkiej miedzi o średnicy wewnętrznej rzędu 0,6 2,5 mm i długości 0,6 do 6 m. Umieszczony jest pomiędzy skraplaczem a parownikiem. Rys. 1. Dwie rurki kapilarne róŝnej długości z wykonanymi flanszami i nakrętkami przyłączeniowymi [6]. Rys. 2. Schemat urządzenia chłodniczego z rurką kapilarną bez dochłodzenia [3]. 1 spręŝarka, 2 skraplacz, 3 parownik, 4 rurka kapilarna 2. Elementy automatyki regulujące dopływ czynnika chłodniczego do parownika Zadaniem urządzeń regulacyjnych w instalacji chłodniczej jest obniŝenie ciśnienia czynnika chłodniczego dopływającego do parownika oraz regulacja jego strumienia masy w zaleŝności od chwilowych obciąŝeń cieplnych. Elementy, które mogą pełnić taką funkcję to: - rurka kapilarna, - automatyczny zawór rozpręŝny, - termostatyczny zawór rozpręŝny, - elektroniczny zawór rozpręŝny, - zawór pływakowy wysokiego ciśnienia, - zawór pływakowy niskiego ciśnienia. 3
Ponadto w urządzeniu chłodniczym znajduje się szereg urządzeń zabezpieczających przed nadmiernym wzrostem lub spadkiem ciśnienia (presostaty) i temperatury (termostaty). 3. Zasada działania rurki kapilarnej Rurka kapilarna jest najprostszym urządzeniem słuŝącym do obniŝenia ciśnienia przez dławienie. ObniŜenie ciśnienia i temperatury w zaworze rozpręŝnym odbywa się na lokalnym zwęŝeniu dyszy, w rurkach kapilarnych zmiany ciśnienia następują na określonej długości. W wyniku pokonywania oporów przepływu ciśnienie czynnika obniŝa się i w chwili osiągnięcia temperatury nasycenia zaczyna odparowywać. Para powiększa objętość właściwą mieszaniny dwufazowej, wzrasta więc prędkość przepływu a to nasila postępujący spadek ciśnienia i temperatury. W celu uzyskania dochłodzenia ciekłego czynnika, rurka kapilarna często jest przylutowana na pewnej długości do ścianki przewodu ssawnego spręŝarki. Rys. 3. Schemat urządzenia chłodniczego z rurką kapilarną z dochłodzeniem [3]. 1 spręŝarka, 2 skraplacz, 3 parownik, 4 rurka kapilarna Z poniŝszego wykresu obrazującego spadek ciśnienia w rurce kapilarnej wynika, Ŝe bez dochłodzenia rurki (krzywa 1-2-3) temperatura ciekłego czynnika przepływającego przez nią jest praktycznie stała, wrzenie rozpoczyna się w punkcie 2. Całkowity spadek ciśnienia wynosi: p A= p 1- p 3 W przypadku dochłodzenia (krzywa 1-2 -3 ) początek wrzenia rozpoczyna się w punkcie 2. Ciśnienie na wylocie z rurki kapilarnej jest wyŝsze ze względu na występowanie zwiększonych oporów przepływu na krótszym odcinku. Całkowity spadek ciśnienia wynosi: p B= p 1- p 3 Całkowity spadek ciśnienia w rurce z dochłodzeniem jest mniejszy. Dochłodzenie powoduje zwiększenie strumienia masy czynnika chłodniczego przepływającego przez rurkę. Rys. 4. Spadek ciśnienia czynnika chłodniczego w rurce kapilarnej (z dochłodzeniem i bez dochłodzenia). 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 4
dławiących o stałym przekroju, a przekroju szczególności rurek kapilarnych pozwoliło na moŝliwość samoregulacji układu. Rys. 5. Schemat zasilania parownika rurką kapilarną oraz wykres spadku wydajności przy odchyleniu od obciąŝenia warunków pracy. Po wyłączeniu spręŝarki cała ciecz zbiera się po stronie niskiego ciśnienia, tj. w parowniku. Aby zabezpieczyć spręŝarkę przed uderzeniem cieczowym, układ chłodniczy napełnia się czynnikiem chłodniczym w ilości powodującej wypełnienie w 90% parownika. Natomiast rurkę kapilarną dobiera się tak, aŝeby średnie obliczeniowe masowe natęŝenie przepływu ciekłego czynnika przez rurkę kapilarną było równe ilości zasysanej pary przez spręŝarkę z parownika; wówczas poziom ciekłego czynnika w parowniku nie zmienia się. Przy róŝnych od obliczeniowych warunkach pracy (odpowiednim obniŝeniu 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 obniŝając 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 róŝnicy ciśnień wzrasta. Dalsze obniŝanie poziomu ciekłego czynnika w parowniku zostaje zatrzymane. Przy wzroście temperatury zewnętrznej wydajność maleje, a ilość przepływającego czynnika wzrasta. Rys. 6. Wykres ukazujący zdolność rurki kapilarnej do samoregulacji. 5
Gdy ciśnienie i temp. parowania obniŝa się, zmniejsza się jednocześnie strumień masy czynnika przetłaczanego przez spręŝarkę. Następuje spiętrzenie cieczy w parowniku, kosztem jej ubytku w skraplaczu. W skrajnym przypadku skraplacz moŝe być całkowicie opróŝniony 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 powyŝszego jest zmniejszenie wydajności chłodniczej urządzenia. W przypadku wzrostu ciśnienia i temp. parowania, rośnie obciąŝenie cieplne skraplacza, gdyŝ zwiększa się strumień masy czynnika zasysanego przez spręŝarkę. Jednocześnie maleje ilość ciekłego czynnika wypełniającego skraplacz. W efekcie rośnie ciśnienia skraplania co pociąga za sobą ustalenie się nowego stanu równowagi. 4. Zastosowania Rurka kapilarna znajduje zastosowanie głównie w małych urządzeniach chłodniczych tj. : - chłodziarki, - zamraŝarki skrzyniowe, - małe przemysłowe szafy chłodnicze, - pompy ciepła - urządzenia klimatyzacyjne, - klimatyzacja samochodowa. W pierwszej dekadzie XXI wieku producenci klimatyzatorów indywidualnych zaczęli zdecydowanie odchodzić od stosowania rurek kapilarnych w tych urządzeniach. Poza oczywistymi względami ekonomicznymi związanymi z eksploatacją, decydujące znaczenie ma takŝe w tym przypadku sposób montaŝu tychŝe urządzeń. Element dławiący w większości klimatyzatorów indywidualnych typu Split znajduje się w obudowie jednostki zewnętrznej, tak więc długość i ilość załamań na drodze od jednostki zewnętrznej do wewnętrznej, w której znajduje się parownik, decyduje o dodatkowym spadku ciśnienia. Oznacza to, Ŝe zainstalowanie takiego zestawu musi odpowiadać ściśle narzuconym wymogom co do długości i ilości załamań ścieŝki chłodniczej. Dla porównania w małych urządzeniach klimatyzacyjnych tego typu wyposaŝonych w termostatyczny lub elektroniczny zawór rozpręŝny wymogi te są znacznie mniejsze i w zaleŝności od producenta urządzeń obligują do utrzymania długości ścieŝki chłodniczej na poziomie od ok. min. 3 m do max. 15 m oraz max. ok. 10 załamań trasy (kolan). Hipotetycznie, wymagany efekt chłodniczy dla dwóch takich samych urządzeń klimatyzacyjnych wyposaŝonych w rurkę kapilarną i przy załoŝeniu identycznych warunków otaczających skraplacz i parownik osiągany byłby w róŝnym czasie, powodem tego byłby róŝny poziom dodatkowego spadku ciśnienia występującego między rurką kapilarną a parownikiem. Zdecydowanym argumentem przemawiającym za zastosowaniem rurki kapilarnej w pozostałych urządzeniach tj.: chłodziarki i zamraŝarki oraz w klimatyzacji samochodowej jest jej niezawodność działania osiągana przez prostą konstrukcję. Aplikacja rurki kapilarnej w ww. urządzeniach przyczynia się do ich bezawaryjnej pracy przez okres wielu lat. 6
5. Dobór rurki kapilarnej Wstępnego doboru rurki kapilarnej dla układu z danym czynnikiem i o określonym dochłodzeniu moŝna dokonać za pomocą nomogramu. Rys. 7. Przykład nomogramu do doboru rurki kapilarnej [3]. MoŜliwy jest równieŝ dobór długości rurki kapilarnej za pomocą wzoru : gdzie: l k - długość rurki kapilarnej [m], d k - wewnętrzna średnica rurki kapilarnej [mm], p o - bezwzględne ciśnienie parowania [MN/m 2 ], p k - bezwzględne ciśnienie skraplania [MN/m 2 ], V o przepływ objętościowy czynnika. l k = 0,121*10-9 *d k5 *p k2 *p o -1,8 *V o -2,26 [m], W znacznej ilości przypadków właściwy i ostateczny dobór rurki kapilarnej bazuje na najprostszej i najskuteczniejszej metodzie eksperymentalnej. Wpływ na spadek ciśnienia w rurce kapilarnej poza wymiarami geometrycznymi (długość i średnica wewnętrzna) ma takŝe stan powierzchni wewnętrznej rurki (m.in. jej chropowatość). Nadmierna chropowatość prowadzi do odkładania się zanieczyszczeń na powierzchni wewnętrznej rurki, a to z kolei do zmniejszenia jej efektywnej średnicy wewnętrznej. W urządzeniach ze zbiornikiem ciekłego czynnika za skraplaczem stopień samoregulacji gwałtownie maleje, tak Ŝe przy obniŝaniu 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 moŝe być nieefektywna. Z tego powodu w układach z rurką kapilarną nie stosuje się zbiorników ciekłego czynnika. 7
Rys. 8. Przepustowość rurki kapilarnej w funkcji stosunku ciśnienia parowania do ciśnienia skraplania [3]. W praktyce często zdarza się, Ŝe 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, Ŝe niezaleŝnie od dalszego spadku ciśnienia w parowniku, rurka nie jest w stanie przepuścić więcej czynnika chłodniczego. 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. UmoŜliwia to wówczas samoczynną regulację strumienia masy czynnika w zaleŝności od ciśnień panujących w skraplaczu oraz w parowniku. 6. MontaŜ i regulacja Podczas napraw urządzeń z rurką kapilarną, dla uniknięcia zaczopowania, naleŝy podczas kaŝdego rozhermetyzowania instalacji wymienić filtr-odwadniacz. Ponadto naleŝy pamiętać by filtr-odwadniacz montowany przed rurką kapilarną był umiejscowiony skośnie do góry, w innym przypadku moŝe działać on jako zbiornik, a więc obniŝyć zdolność samoregulacji lub doprowadzić do zmian w ilości przepływającego czynnika. Na końcu parownika naleŝy zawsze przewidzieć syfon, w którym ew. mógłby zbierać się ciekły czynnik chłodniczy. SpręŜarka będzie wtedy chroniona przed jego zassaniem. Przy zmianie długości rurki kapilarnej naleŝy postępować bardzo ostroŝnie, poniewaŝ bezwładność czasowa dla osiągnięcia stanu równowagi jest układu jest dość duŝa. 7. Zalety i wady stosowania rurki kapilarnej Zalety: - prosta konstrukcja, - niskie koszty wykonania, - niezawodność działania, - zmniejszenie momentu rozruchowego silnika napędzającego spręŝarkę dzięki zastosowaniu rurki kapilarnej, która przyczynia się do wyrównania ciśnienia między stroną tłoczną i ssawną. Wady: - nieekonomiczna praca urządzenia przy zmiennych obciąŝeniach cieplnych, - duŝa czułość urządzenia na zmiany ilości czynnika chłodniczego, - ryzyko zatkania brudem, nagarem olejowym (przeciwdziałanie stosowanie filtrów). 8
8. Podsumowanie 9. Literatura Rurka kapilarna najlepiej się sprawdza w urządzeniach chłodniczych małej mocy o mocno zawęŝonych warunkach pracy, gdzie nie jest uzasadnione stosowanie bardziej wyrafinowanych rozwiązań. W innych przypadkach współpraca urządzenia chłodniczego z rurką kapilarną moŝe okazać się nieefektywna. Prowadzi to do spadku współczynnika wydajności chłodniczej. Prawdopodobne jest wtedy skrócenie czasu postoju urządzenia, co wiąŝe się ze zwiększeniem częstotliwości jego załączeń, a to prowadzi do obniŝenia trwałości spręŝarki. Prostota i duŝa niezawodność są głównymi argumentami, które przemawiają za zastosowaniem rurek kapilarnych w domowych chłodziarkach czy klimatyzacji samochodowej. Układ chłodniczy z rurką kapilarną jest bardzo wraŝliwy na poziom napełnienia odpowiednią ilością czynnika chłodniczego. Geometria rurki powinna być tak dobrana, by przepływ czynnika nie był nasycony, umoŝliwia to wówczas samoczynną regulację strumienia masy czynnika w zaleŝności od ciśnień panujących w skraplaczu i parowniku. Koszt wykonania rurki kapilarnej jest wielokrotnie niŝszy od ceny innych urządzeń dławiących. W porównaniu z elektronicznym zaworem rozpręŝnym, który stoi po przeciwnej stronie skali technologicznego zaawansowania, dana rurka kapilarna, podobnie jak i termostatyczny zawór rozpręŝny, nie jest kompatybilna z dowolnym czynnikiem chłodniczym. Zastosowanie rurki kapilarnej w urządzeniu chłodniczym umoŝliwia zmniejszenie momentu rozruchowego silnika spręŝarki tłokowej. 1. Fodemski T. R.: Domowe i handlowe urządzenia chłodnicze. Poradnik 2. Gutkowski K.M., Butrymowicz D.J.: Chłodnictwo i klimatyzacja, WNT, Warszawa 2007 3. Ullrich H.-J.: Technika chłodnicza. Poradnik. Tom 1, IPPU Masta, Gdańsk 1998 4. Wesołowski A., Dworski F.: Automatyka urządzeń chłodniczych 5. Chłodnictwo & Klimatyzacja nr 8 (133) / 2009 6. Iglotech.pl 9