POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY Seminarium z przedmiotu AUTOMATYKA CHŁODNICZA I KLIMATYZACYJNA TEMAT: Ocena techniczna rurki kapilarnej jako elementu dławiącego w klimatyzatorach samochodowych. Wykonała: Agnieszka Bielska Semestr: 9 Specjalność: SiUChKl Spis treści: I. Urządzenia regulacyjno-zabezpieczające 3 II. Rurka kapilarna...3 III. Zalety i wady rurki kapilarnej..7 IV. Ocena techniczna....8 V. Klimatyzacja samochodowa.. 11 VI. Wnioski.. 11 VII. Literatura 12
I. Urządzenia regulacyjno-zabezpieczające. 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. W urządzeniach chłodniczych współpracujących z systemami klimatyzacyjnymi zadania te wykonują: rurki kapilarne, presostatyczne zawory regulacyjne (rozpręŝne), zawory pływakowe, termostatyczne zawory regulacyjne. Zadaniem urządzeń zabezpieczających jest niedopuszczenie do nadmiernych wzrostów lub spadków ciśnienia (wyłączniki ciśnieniowe) lub temperatury (termostaty) w urządzeniu chłodniczym. II. Rurka kapilarna. Rurka kapilarna jest najprostszym urządzeniem słuŝącym do obniŝania ciśnienia przez dławienie. Jest to odcinek rurki miedzianej o średnicy wewnętrznej dk = 0,7-2,5 mm i długości lk = 0,6-6,0 m wlutowany jest w rurociąg łączący skraplacz z parownikiem (rys.1a). 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 (rys.1b). Tworzy się w ten sposób regeneracyjny wymiennik ciepła. Ze skraplacza ciekły czynnik chłodniczy przepływa pod ciśnieniem skraplania do rurki kapilarnej. Następuje tworzenie się pęcherzyków pary na skutek spadku ciśnienia zwiększa objętość strumienia czynnika, a zatem zwiększa się równieŝ jego prędkość.
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 sprzędzenia charakterystyki jest równanie określające straty ciśnienia 2 λ w p = pk po = ρ lk dk 2 gdzie: pk -bezwzględne ciśnienie skraplania, MN/m2, po -bezwzględne ciśnienie parowania, MN/m2, Dla tego przykładu długość rurki kapilarnej l k moŝna obliczyć ze wzoru: 9 5 2 lk = 0,121 10 d k pk Gdzie: d k -wewnętrzna średnica rurki kapilarnej, mm p k -bezwzględne ciśnienie skraplania, MN/m2 p 1,8 o 2,26 Przekształcając zaleŝność na straty ciśnienia otrzymujemy zaleŝność na strumień masy czynnika chłodniczego, kg/s: m = ψ ( p k po ) ρ gdzie: ψ-współczynnik wydajności określony wzorem 2,5 0,5 0,5 ψ =,354 π d λ l 0 k k Przyjmując iŝ ψ=const otrzymujemy rodzine charakterystyk, których parametrem jest p k (t k )=const. Charakterystyka taka znajduje się na poniŝszym wykresie(wyk.2). Na tym samym wykresie linią przerywaną została naniesione charakterystyka spręŝarki. Punkty przecięcia odpowiednich charakterystyk odpowiadają ustalonym warunkom pracy. V o m Wykres.2.Dzialanie rurki kapilarnej w warunkach nieustalonych[7] JeŜeli przyjmiemy prace rurki w warunkach nieustalonych przy t=const. To moŝemy zauwaŝyć, ze gdy obniŝa się ciśnienie (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 krańcowym przypadku skraplacz zostaje całkowicie opróŝniony 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 dopływającego do parownika. Jednocześnie zmniejsza się właściwa wydajność chłodnicza czynnika, co powoduje zmniejszenie mocy chłodniczej urządzenia i ustalenia się nowych warunków równowagi określonych punktem B. W przypadku wzrostu ciśnienia (temperatury) parowania rośnie obciąŝenie cieplne skraplacza, gdyŝ zwiększa się strumień masy czynnika zasysanego przez spręŝarkę. Jednocześnie maleje ilość czynnika wypełniającego parownik, rośnie ilość cieczy wypełniającej skraplacz. W wyniku tego rośnie ciśnienie skraplania i w rezultacie ustala się nowy punkt równowagi C. JeŜeli warunki pracy urządzenia zmieniają się w szerokich granicach, jego praca z rurką kapilarną moŝe stać się nieefektywna. 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. III. Zalety i wady rurki kapilarnej. Głównymi zaletami rurek kapilarnych są: prostota, niski koszt, zlikwidowanie momentu rozruchowego przy starcie spręŝarki, duŝa niezawodność działania. 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 stawną spręŝarki; wyrównanie to następuje poprzez rurkę kapilarną. Głównymi wadami rurek kapilarnych są: nieekonomiczna praca urządzenia chłodniczego przy zmiennych obciąŝeniach cieplnych, duŝa czułość na zmiany ilości czynnika chłodniczego wypełniającego instalację. IV. 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(czyli niedopuszczenie przelania się ciekłego czynnika do rurociągów ssawnych). Zastosowanie elementów dławiących o stałym przekroju, a przekroju 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[7] 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. 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.[2] 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 wyłączeń, co wiąŝe się bezpośrednio z obniŝeniem trwałości spręŝarki. V. Klimatyzacja samochodowa. Klimatyzator samochodowy słuŝy do zapewnienia odpowiedniej temperatury i wilgotności wewnątrz kabiny auta, w ścisłej współpracy z systemem jej ogrzewania i wentylacji. Schemat takiego obiegu chłodniczego przedstawiony jest na poniŝszym rysunku: Rysunek5.1-sprezarka, 2-skraplacz, 3-parownik, 4-zawor rozpręŝny, 5-odwadniacz[8]
Po stronie A czynnik chłodniczy jest w postaci gazu pod wysokim ciśnieniem, po stronie B pod niskim, zaś po stronie C czynnik chłodniczy w stanie ciekłym pod wysokim ciśnieniem i analogicznie po stronie D pod niskim. Odparowanie czynnika chłodniczego powoduje odebranie ciepła z przygotowywanego powietrza. Dlatego tez stosuje się rozpręŝanie czynnika chłodniczego przy ciśnieniu parowania za pomocą elementu dławiącego. Zapotrzebowanie na powietrza jest uzaleŝnione od prędkości jazdy samochodu i zróŝnicowaniu ilości przedostającego się ciepła do wnętrza. Ruch samochodu powoduje ze ciśnienie czynnika chłodniczego i jego temperatura nie są stale, dlatego tez stosuje elementy dławiące przed parownikiem. Stosuje się je tez z tego powodu, iŝ podczas wyłączania spręŝarki następuje wyrównanie ciśnienia za pomocą tego elementu. Schemat klimatyzacji samochodowej[2]: VI. Wnioski. Rurka kapilarna jest najprostszym urządzeniem słuŝącym do obniŝania ciśnienia przez dławienie, którego długość jest istotna dla ustalenia przepływu, 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 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. 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. 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 wyłączeń, co wiąŝe się bezpośrednio z obniŝeniem trwałości spręŝarki. Dzięki prostocie i duŝej niezawodności (w porównaniu z termostatycznym zaworem rozpręŝnym) rurki kapilarne znalazły szerokie zastosowanie w domowych chłodziarkach, których warunki pracy niewiele róŝnią się od obliczeniowych. Natomiast w urządzeniach o średniej mocy chłodniczej zastosowanie rurek kapilarnych jest mniej ekonomiczne, gdyŝ warunki ich eksploatacji mogą znacznie róŝnić się od obliczeniowych. Analiza rozwiązań wskazuje na brak zastosowania rurki kapilarnej w klimatyzacji samochodowej jest to spowodowane duŝą nie stabilnością warunków pracy urządzenia oraz ciągle zmieniającymi się obciąŝeniami cieplnymi układu. VII. Literatura. Opracowane na podstawie: 1. Chłodnictwo nr 7 i 8 1997r 2. Technika chłodnicza i klimatyzacyjna nr z roku: 1996 i 2000 3. Technika chłodnicza Ulirich tom.1 4. Automatyka urządzeń chłodniczych Wesołowski a., Dworski F. 5.Internet 6.Encyklopedia PWN 7.Materialy dostarczone przez prowadzącego. 8. Klimatyzacja w samochodzie Ulrich Deh