POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY Seminarium AUTOMATYKA CHŁODNICZA I KLIMATYZACYJNA TEMAT: Ocena techniczna rurki kapilarnej jako elementu dławiącego w małych urządzeniach chłodniczych o zmiennych obciąŝeniach. Wykonał: Przemysław Dojlido Semestr: 9 Specjalność: SiUChKl Gdańsk 2006
1. Urządzenia regulacyjne. Urządzenia regulacyjne mają do spełnienia w instalacji chłodniczej dwa zadania: obniŝać ciśnienie czynnika chłodniczego dopływającego do parownika w stosunku do wartości ciśnienia panującego w skraplaczu, regulować strumień masy czynnika chłodniczego dopływającego do parownika w zaleŝności od chwilowych obciąŝeń cieplnych. 2. Rurka kapilarna. W urządzeniach chłodniczych, klimatyzatorach i pompach ciepła małej mocy, zamiast zaworów rozpręŝnych stosowane są przewody dławiące (rurki) o małej średnicy (0,6 2.5mm). Ze względu na swoją niewielką średnicę przewody te nazywane są rurkami kapilarnymi. Rurka kapilarna jest najprostszym urządzeniem słuŝącym do obniŝania ciśnienia przez dławienie. W trakcie przepływu przez zawór rozpręŝny obniŝenie ciśnienia i temperatury odbywa się na krótkim, lokalnym przewęŝeniu dyszy, a w kapilarach zmiany te rozciągnięte są na znacznej dłuości lk = 0,6-6,0 m Rysunek.1a.Zastosowanie rurki kapilarnej w urządzeniu chłodniczym bez dochładzania[7] Niekiedy, aby uzyskać dochłodzenie ciekłego czynnika, rurka kapilarna przylutowana jest na pewnej długości do ścianki przewodu ssawnego spręŝarki lub jego końcową część wprowadza się do wnętrza przewodu wylotowego parowacza przez co kapilara funkcjonuje jako doziębiacz (rys.1b, 1c) Po skropleniu czynnik ulega zazwyczaj niewielkiemu przechłodzeniu.jego dławienie polega więc najpierw na obniŝeniu ciśneinia cieczy przechłodzonej tak długo, aŝ osiągnięte zostanie ciśneinie nasycenia cieczy dla danej temperatury. Od tego momentu czynnik zaczyna gwałtownie odparowywać, wydzielająca się para powiększa objętość właściwą mieszaniny, rośnie więc prędkość a to gwałtownie powoduje dalszy spadek ciśnienia i temperatury.
Rysunek.1b. zastosowanie rurki kapilarnej w urządzeniu chłodniczym z dochładzaniem[7] RóŜnica między ciśnieniem skraplania a ciśnieniem parowania czynnika zostaje wykorzystana do pokonania oporów przepływu przez rurkę oraz do przyspieszenia strumienia masy czynnika chłodniczego dopływającego do parownika. Wykres.1.Spadek ciśnienia czynnika chłodniczego w rurce kapilarnej[7] Na powyŝszym wykresie(wyk.1) pokazano schematycznie spadek ciśnienia czynnika w rurce z chłodzeniem i bez chłodzenia w zaleŝności od jej długości. Na skutek pokonywania oporów przepływu ciśnienie czynnika w rurce stopniowo obniŝa się, w chwili osiągnięcia wartości odpowiadającej temperaturze nasycenia czynnik zaczyna odparowywać. W wyniku gwałtownego wzrostu objętości czynnika w układzie dwufazowym wzrasta prędkość przepływu, a zatem i opory przepływu. Z wykresu wynika równieŝ, Ŝe bez chłodzenia rurki (krzywa 1-2-3) temperatura ciekłego czynnika przepływającego przez nią jest praktycznie stała; wrzenie rozpoczyna się w punkcie 2. W przypadku gdy ciecz płynąca w rurce kapilarnej jest dochładzana za pomocą par, jej wrzenie rozpoczyna się w punkcie 2' (krzywa 1-2'-3') przesuniętym w stosunku do punktu 2 ku wylotowi rurki, przy czym ciśnienie końcowe wynosi p3,. Całkowity spadek ciśnienia w rurce z dochładzaniem jest mniejszy p > p' Tak więc dochładzanie powoduje zwiększenie strumienia masy czynnika chłodniczego przepływającego przez rurkę.
Wpływ zmian obciąŝeń cieplnych na prace rurki kapilarnej moŝna ocenić na podstawie analiz charakterystyk. Podstawą do sporządzenia charakterystyki jest równanie określające straty ciśnienia p=λl/dρw^2/2 gdzie: λ - współczynnik oporów przepływu L długość rurki d - średnica wewnętrzna rurki Ro gęstość czynnika w prędkość czynnika Strumień masy czynnika wynosi m=ρwπ/4d^2 Otrzymujemy nastepujące równanie charakterystyki rurki kapilarnej: m=c ρ p Gdzie: C=0.354 Π d^5/ λl Przyjmując iŝ C=const otrzymujemy rodzine charakterystyk, których parametrem jest ciśneinie skraplania p k. Charakterystyka ta znajduje się na poniŝszym wykresie(wyk.2). p k Ocena techniczna. Zadaniem regulacji pracy parownika jest utrzymanie w nich stałego ciśnienia, stałego poziomu ciekłego czynnika lub zapewnienie odpływu gazowego czynnika z parownika w stanie przegrzania. Zastosowanie elementów dławiących o stałym przekroju, a w szczególności rurek kapilarnych pozwoliło na moŝliwość samoregulacji układu. Widoczne to jest na rysunku(rys.2)
Rysunek.2.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. Aktualny stan równowagi pracy urządzenia przedstawia pkt B. Przy róŝnych od obliczeniowych warunkach pracy następuje wzrost (np. ciśnienia i temperatury parowania) ilość przepływającego przez kapilarę czynnika chłodniczego zmniejsza się, natomiast moc chłodnicza wzrasta. Rośnie obciąŝenie cieplne skraplacza, gdyŝ zwiększa się strumień masy czynnika zasysanego przez spręŝarkę. Jednocześnie maleje ilość czynnika wypełniającego parownik(z poziomu A do A1), rośnie ilość cieczy wypełniającej skraplacz.(z poziomu B do B1) W wyniku tego rośnie ciśnienie skraplania i dzięki temu ilość przepływającej przez kapilarę cieczy wzrasta. Dalsze obniŝanie poziomu ciekłego czynnika w parowniku zostaje zatrzymane.i w rezultacie ustala się nowy punkt równowagi C. W momencie gdy obniŝa się ciśnienie i temperatura parowania, zmniejsza się jednocześnie strumień masy czynnika przetłaczanego przez spręŝarkę. W wyniku tego zostaje zachwiana równowaga w układzie chłodniczym i następuje spiętrzenie cieczy w parowniku kosztem jej ubytku w skraplaczu. W skrajnym przypadku skraplacz moŝe ulec całkowitemu opróŝnieniu i do rurki kapilarnej dopływa mieszanina o większej zawartości pary (para o większym stopniu suchości), co jest przyczyną wzrostu oporów przepływu i zmniejszenia strumienia masy czynnika zasilającego parownika. Powoduje to zmiejszenie wydajności chłodniczej urządzenia oraz ustabiliozowanie się nowego stanu równowagi (pkt A). Pewien wpływ na pracę rurki kapilarnej ma jej chropowatość. Nadmierna chropowatość powoduje przede wszystkim odkładanie się wszelkich zanieczyszczeń na powierzchni wewnętrznej rurki, a to prowadzi do zmniejszenia jej efektywnej średnicy wewnętrznej. Zatem, jeŝeli chropowatość rurki jest zbyt duŝa, wówczas charakterystyka jej pracy moŝe ulec niekorzystnej zmianie.
Zalety rurki kapilarnej:prostota budowy, niski koszt, duŝa niezawodność działania, zlikwidowanie momentu rozruchowego przy starcie spręŝarki. Ponadto zastosowanie rurek kapilarnych w urządzeniu chłodniczym umoŝliwia zmniejszenie momentu rozruchowego silników napędzających spręŝarki tłokowe, gdyŝ rozruch spręŝarki odbywa się w warunkach wyrównanego ciśnienia między stroną tłoczną i ssawną spręŝarki; Głównymi wadami rurek kapilarnych są: nieekonomiczna praca urządzenia chłodniczego przy zmiennych obciąŝeniach cieplnych, duŝa czułość na zmiany ilości czynnika chłodniczego wypełniającego instalację. 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. Rysunek.3. Przepustowość rurki kapilarnej w funkcji stosunku ciśnienia parowania do ciśnienia skraplania[2] 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(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. UmoŜliwia to wówczas samoczynną regulację strumienia masy czynnika w zaleŝności od ciśnień panujących w skraplaczu oraz w parowniku.
Rysunek.4. Krzywa równowagi wydajności chłodniczej rurki kapilarnej. Wnioski. W urządzeniach o średniej mocy chłodniczej zastosowanie rurek kapilarnych jest mniej ekonomiczne poniewaŝ warunki ich eksploatacji mogą znacznie róŝnić się od obliczeniowych dlatego rurki kapilarne znalazły szerokie zastosowanie w domowych chłodziarkach, których warunki pracy niewiele róŝnią się od obliczeniowych 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. JeŜeli warunki pracy urządzenia zmieniają się w szerokich granicach, jego praca z rurką kapilarną moŝe stać się nieefektywna. Z reguły spada wówczas współczynnik wydajności chłodniczej, moŝe nastąpić skrócenie czasu postoju urządzenia i zwiększenie częstotliwości jego włączeń, co wiąŝe się bezpośrednio z obniŝeniem trwałości spręŝarki. Zastosowanie rurki kapilarnej w urzadzeniu chłodniczym umozliwia zmiejszenie momentu rozruchowego silnika spręŝarki tłokowej Niedopasowanie przepustowości rurki kapilarnej i wydajności spręŝarki moŝe powodować uciaŝliwy hałas w urządzeniu chłodniczym Prawidłowa praca rurki kapilarnej, a szczególnie uzyskiwany efekt dławienia, jest funkcją wielu zmiennych konstrukcyjnych. DuŜe znaczenie mają wartości parametrów czynnika na wlocie do kapilary (np. stopień dochłodzenia czynnika )
Literatura. 1. Technika chłodnicza i klimatyzacyjna nr 1 i 5 1996 r. 2. Chłodnictwo nr 7 1997r nr 6 2006 r. 3. Technika chłodnicza Ulirich tom.1 4. Chłodnictwo i klimatyzacja nr 5 2004 r. 5. Internet.