Badania eksploatacyjne sprężarkowego agregatu chłodniczego

Mgr inż MARCIN ŁOMIAK Dr hab inż TADEUSZ BOHDAL - prof nadzw PK Katedra Techniki Cieplnej i Chłodnictwa Politechnika Koszalińska e-mail: brayan78@wppl e-mail: bohdal@lewtukoszalinpl Badania eksploatacyjne sprężarkowego agregatu chłodniczego Przeprowadzono badania eksploatacyjne sprężarkowego agregatu skraplającego na czynnik R404A Wyznaczono wielkości opisujące pracę agregatu w warunkach rzeczywistych Badania przeprowadzono dla różnych obciążeń cieplnych urządzenia chłodniczego Wyznaczono wartości współczynnika dostarczania sprężarki tłokowej Otrzymane wyniki badań eksperymentalnych porównano z wartościami obliczeń teoretycznych Wykazano stopień przydatności dla praktyki inżynierskiej poszczególnych metod określania współczynnika dostarczania sprężarki tłokowej Energy studies of a compressor-refrigerating unit operating on an R404A refrigerating medium were carried out Parameters characterizing the operation of the refrigerating unit under seryice conditions were determined Studies were carried out for different heat loads applied to the refrigerating system The value of the supply ratio for reciprocating compressors was determined The experimental results were compared to the results of theoretical calculations A degree of practicability of respective methods for the determination of the supply ratio for reciprocating compressors was specified Wprowadzenie W projektowanych obecnie układach chłodniczych najczęściej stosowane są sprężarkowe parowe agregaty chłodnicze Coraz większe wymagania stawiane są tym współczesnym urządzeniom energetycznym Dotyczą one między innymi niskiej energo- i materiałochłonności wysokiej sprawności energetycznej pełnej automatyzacji i sterowania z wykorzystaniem techniki komputerowej Powinny także zapewnić odpowiedni poziom bezpieczeństwa i ochrony środowiska [3] Najważniejszą częścią parowego sprężarkowego urządzenia chłodniczego zapewniającą jego pracę jest sprężarka Najbardziej rozpowszechnionym typem sprężarek 0 szerokim zakresie zastosowań jest sprężarka tłokowa Podstawowymi wielkościami eksploatacyjnymi chłodniczej sprężarki tłokowej są: parametry jej pracy wydajność objętościowa chłodnicza oraz moc napędowa Duży wpływ mają przy tym parametry konstrukcyjne sprężarki oraz rodzaj czynnika chłodniczego [4] Sprężarka odgrywa bardzo ważną rolę w obiegu chłodniczym zasysa bowiem parę czynnika chłodniczego z parownika spręża ją do ciśnienia skraplania i przetłacza do skraplacza Zapewnia zatem przepływ czynnika w obiegu chłodniczym Specyficzne warunki pracy sprężarki tłokowej wyróżniają ją spośród innych sprężarek wyporowych Wydajność sprężarki tłokowej określana jest nie tylko strumieniem masy lub objętości czynnika lecz także wydajnością chłodniczą urządzenia z którym współpracuje Nieuniknione straty objętościowe i energetyczne w sprężarce rzeczywistej prowadzą do zmniejszenia jej wydajności i wzrostu mocy napędowej [2 0] 2 Praca rzeczywistej sprężarki tłokowej Zasada działania [8] sprężarki tłokowej polega na wykorzystaniu cyklicznej (okresowej) zmiany objętości przestrzeni roboczej cylindra od wartości minimalnej V mi n = v szk (gdzie wielkość V szk nazywana jest objętością szkodliwą) do wartości maksymalnej V max (gdzie V nax = V sk + V szk ) i na odwrót (rys ) Zmianę objętości wymusza tłok który porusza się ruchem posuwisto-zwrotnym Okresowa zmiana objętości umożliwia sprężarce zasysanie sprężanie i wytłaczanie czynnika roboczego Elementem charakterystycznym tego typu sprężarek jest mechanizm korbowy którego zadaniem jest zmiana ruchu obro- Wykres teoretycznego procesu sprężania towego wału napędowego na ruch posuwisto-zwrotny tłoka Praca sprężarki tłokowej rzeczywistej [6] różni się od teoretycznej tym że w rzeczywistości występują straty mające dwojaki charakter Mianowicie jedne z nich powodują to że objętość cylindra jest gorzej wykorzystywana natomiast nie wywołują konsekwencji energetycznych drugie zaś mają charakter energetyczny tzn powodują wykonanie większej pracy niż w przypadku teoretycznym [] Straty objętościowe są spowodowane przede wszystkim istnieniem tzw prze- 0

strzeni szkodliwej i są scharakteryzowane współczynnikiem dostarczania (zasysania) A Współczynnik ten określa stosunek objętości zassanego czynnika V ss do objętości skokowej sprężarki V sk ^ = ~ () Wartość współczynnika dostarczania A można również określać stosunkiem wydajności (objętościowych V z lub masowych m z ) sprężarki rzeczywistej i doskonałej V sk m z : sfe = - lub = (2) Przestrzeń szkodliwa musi występować w sprężarce rzeczywistej gdyż wymuszają to względy konstrukcyjne Występowanie tych strat nie powoduje konieczności zwiększania pracy potrzebnej do sprężania wpływają jednak na gorsze wykorzystanie samej sprężarki Straty energetyczne powodują zwiększenie pracy potrzebnej do sprężania jednostki masy gazu Tego rodzaju straty powstają w wyniku oddziaływania metalowych ścian cylindra Temperatura gazu w cylindrze ulega okresowym zmianom podczas pracy sprężarki Zmianom będzie ulegała wiec także temperatura ścianek cylindra Jednak zmiana tej temperatury będzie mniejsza ze względy na bezwładność cieplną oraz dużą pojemność cieplną W okresie zasysania gazu styka się on z cieplejszymi ściankami cylindra i pobiera od nich ciepło zwiększając swoją temperaturę i objętość właściwą Powoduje to że trzeba wykonać większą prace aby sprężyć taką samą ilość gazu Takie straty ogranicza się stosując sprężanie wielostopniowe Po za wymienionymi stratami energetycznymi i objętościowymi w sprężarce występuje szereg innych zjawisk wpływających na przebieg procesu sprężania są to między innymi: - skończona prędkość tłoka co jest powodem występowania spadku ciśnienia w kanałach i zaworach sprężarki - zjawisko tarcia pomiędzy częściami ruchomymi sprężarki nieszczelności - zmienna co do wartości i kierunku różnica temperatur pomiędzy czynnikiem chłodniczym i elementami konstrukcyjnymi sprężarki oraz sprężarką i otoczeniem - zanieczyszczenia czynnika chłodniczego tworzenie się mieszaniny czynnika i oleju itp Wydajność rzeczywistą sprężarki tłokowej V z można wyznaczyć dla sprężarki o wydajności skokowej V sk z zależności (2) jeżeli znana jest wartość współczynnika dostarczania Wartość tego współczynnika można obliczyć z zależności teoretycznych uwzględniających wymiary konstrukcyjne i parametry pracy sprężarki tłokowej które podawane są w literaturze dotyczącej tego tematu 3 Metody wyznaczania współczynnika dostarczania X Wielkość współczynnika dostarczania l można określić [5] na podstawie zależności: A = l s + l d + A T + /l (3) gdzie: A s - wskaźnik przestrzeni szkodliwej l d - wskaźnik dławienia T - wskaźnik podgrzania A - wskaźnik nieszczelności Wskaźnik przestrzeni szkodliwej A s który wyraża względne straty objętościowe spowodowane przestrzenią szkodliwą może być wyrażony zależnością: (4) gdzie: e 0 - względna przestrzeń szkodliwa (dla nowoczesnych sprężarek 00-003) m r - wykładnik politropy rozprężania (dla sprężarek freonowych 0-0) p a ciśnienie na stronie ssawnej sprężarki p k - ciśnienia na stronie tłocznej sprężarki Wartość wskaźnika dławienia % d zależy od wielkości spadków ciśnienia w rurociągach ssawnym i tłocznym w zaworach i w króćcach sprężarki które są wynikiem oporów hydraulicznych zmiany kierunku przepływu i tarcia Efektem tego jest niższe ciśnienie wewnątrz cylindra od panującego w komorze ssawnej oraz wyższe ciśnienie niż w komorze tłocznej Dławienie na stronie ssawnej ma znacznie większy wpływ na straty objętościowe niż na stronie tłocznej Wartość wskaźnika dławienia l d zaleca się obliczać według zależności: + e 0 A Pss Po (5) gdzie: Ap ss - różnica ciśnień w komorze ssawnej p 0 i wewnątrz cylindra p ss W obliczeniach dla sprężarek freonowych przyjmuje się wartość Ap ss = (005 -=- 0 Wprowadzenie do obliczeń wskaźnika podgrzania T wynika z wymiany ciepła między czynnikiem chłodniczym a ściankami cylindra co jest podstawowym powodem deformacji wykresu indykatorowego sprężarki W sprężarce rzeczywistej przemiana politropowa rozprężania jest realizowana przy zmiennej wartości wykładnika m r W końcu procesu zasysania czynnika do cylindra temperatura jego jest wyższa niż na dopływie co powoduje wzrost objętości właściwej a więc zmniejszenie ilości zasysanego czynnika Wskaźnik podgrzania A T proponuje się wyznaczać według zależności A r ^ l - 00 ( -!) (6) gdzie: e = p t /p ss - stosunek ciśnienia tłoczenia i ssania Czasopismo wydawane przy wsparciu finansowym '" KOMITETU BADA NAUKOWYCH tel +22 772 64 8 772 64 83 fax +22 772 20 6 kom 602 725 266 wwwcoolpl e-mail: coolecoolpl

Wskaźnik nieszczelności A B określa się ilorazem ilości czynnika wytłaczanego i ilości czynnika zasysanego przez sprężarkę Uwzględnia się zatem łącznie nieszczelności w różnych elementach przepływowych sprężarki W obliczeniach przybliżonych stosuje się zależność: A = l - k L -l n-d (7) gdzie: k - współczynnik (k «04) D - średnica cylindra [m] n - prędkość obrotowa [obr/min] Celem badań eksperymentalnych było wyznaczenie wielkości opisujących pracę chłodniczego agregatu sprężarkowego w szerokim zakresie zmian parametrów cieplno-przepływowych Badany agregat stanowiła sprężarka tłokowa skraplacz płaszczowo-rurowy i układ automatyki sterującej Na rysunku 2 przedstawiono schemat ideowy stanowiska badawczego Zastosowany układ chłodniczy współpracował z izolowaną komorą chłodnicza o pojemności około 2 m 3 w której stabilizowano temperaturę powietrza na żądanym poziomie za pomocą układu grzałek elektrycznych o zmiennej mocy czynnika chłodniczego Czujniki i przetworniki wielkości mierzonych współpracowały z komputerowym systemem pomiarowym który umożliwiał rejestrację i przetwarzanie wielkości mierzonych Instalację dodatkowo wyposażono w tradycyjną aparaturę pomiarową w postaci manometrów sprężynowych termometrów szklanych rotametru do pomiaru natężenia przepływu wody przez skraplacz itp Obciążenie cieplne komory realizowano za pomocą układu grzałek elektrycznych Instalacja chłodnicza pracowała na czynniku R404A Współczynnik dostarczania l można wyznaczać również metodami grafoanalitycznymi Do tego celu niezbędne są odpowiednie wykresy i nomogramy sporządzone na drodze teoretycznej z uwzględnieniem poprawek wynikających z weryfikacji eksperymentalnej Brak jest uniwersalnych wykresów i nomogramów dostosowanych dla sprężarek pracujących z różnymi czynnikami chłodniczymi Wśród publikowanych wykresów można spotkać ich wersje dla jednego czynnika lub dla grupy sprężarek o podobnych właściwościach albo też dane o sprężarkach opublikowane przez ich producentów W literaturze można spotkać szereg wykresów które są powszechnie uznane i zalecane do stosowania np wykres Lorentzena wykres Lindego nomogram Bendix-Christensena nomogram Bo- -Pierre'a i szereg innych [5] Należy podkreślić że znajomość współczynnika dostarczania l jest istotnie ważna dla projektantów instalacji chłodniczych gdyż pozwala prawidłowo dobrać agregat sprężarkowy do instalacji oraz przewidzieć jego pracę oraz całego urządzenia chłodniczego w różnych warunkach obciążenia cieplnego Wartość współczynnika dostarczania A może być wyznaczana dla przedmiotowego agregatu sprężarkowego na drodze badań eksperymentalnych Uzyskane wyniki mogą posłużyć do weryfikacji istniejących metod jego wyznaczania jak również po wykorzystaniu teorii podobieństwa zjawisk uogólnione i przeniesione na inne przypadki Mając powyższe na uwadze autorzy przeprowadzili badania eksperymentalne chłodniczego agregatu sprężarkowego 4 Badania eksperymentalne 2 Schemat ideowy stanowiska laboratoryjnego: / - sprężarka tłokowa 2 - komora chłodnicza 3 skraplacz płaszczowo-rurowy 4 parownik lamelowany 5 termostatyczny zawór rozprężny 6 przepływomierz elektroniczny 7 układ stabilizacji temperatury w komorze chłodniczej W woda Sprężarka tłokowa agregatu chłodniczego posiadała cztery cylindry o wymiarach: skok tłoka - 55 mm średnica tłoka - 57 mm Prędkość obrotowa wału była równa n = 440 obr/min Sprężarka była napędzana silnikiem elektrycznym o mocy znamionowej 72 kw Skraplacz płaszczowo- -rurowy zawierał 20 sztuk rurek o średnicy zewnętrznej (0 = 7 mm i długości l = = 050 mm (powierzchnia zewnętrzna wymiany ciepła skraplacza wynosiła 072 m 2 ) Instalację chłodniczą wyposażono w zespół czujników i mierników do pomiaru wielkości cieplno-przepływowych opisujących pracę obiegu W skład urządzeń pomiarowych wchodziły: układ czujników termoelektrycznych do pomiaru temperatury (typ żelazo-miedzionikiel) zespół tensometrycznych czujników do pomiaru ciśnienia w wybranych punktach instalacji przepływomierz elektroniczny typu Massflo firmy Danfoss do pomiaru natężenia przepływu Na podstawie przeprowadzonych pomiarów określano charakterystyczne parametry pracy obiegu w tym agregatu sprężarkowego Każdorazowo wyznaczano: wydajność masową sprężarki m z - wydajność objętościową sprężarki V z - wydajność chłodniczą sprężarki Q 0 - współczynnik dostarczania l - współczynnik wydajności obiegu chłodniczego Wartość wydajności masowej sprężarki m z określano na podstawie pomiaru bezpośredniego natężenia przepływu czynnika chłodniczego za pomocą przepływomierza Massflo zainstalowanego pomiędzy skraplaczem a zaworem regulacyjnym Ponadto prowadzono obliczenia sprawdzające w oparciu o bilans cieplny skraplacza wykorzystując pomiar natężenia przepływu wody i pomiar jej temperatury na dopływie i wypływie ze skraplacza [7] Stwierdzono że uzyskane dla dwóch metod wyniki wartości m z różnią się względem sie- 2

bie w zakresie ±3% co należy uznać za potwierdzenie dużej dokładności prowadzonych pomiarów 5 Wyniki badań eksperymentalnych Na rysunku 3 przedstawiono przykładowo dla badanej sprężarki tłokowej uzyskane wyniki pomiarów Prezentowane wyniki podano w postaci zależności wyznaczanych wielkości w funkcji stosunku ciśnień tłoczenia i ssania sprężarki Przedmiotowy agregat sprężarkowy pracował w zakresie stosunku ciśnień p k /p = 35 -=-6 któremu odpowiadał przedział zmienności wydajności masowej m z = 02^-003 kg/s ł wydajności objętościowej V z = 003 -:- -=- 0006 m 3 /s Wzrost stopnia sprężania powoduje spadek wydajności chłodniczej odpowiednio w granicach 20 -=- 5 kw Wraz ze spadkiem wydajności agregatu ulegał zmniejszeniu współczynnik dostarczania od wartości l = 085 dla p k /p = 35 do wartości A = 05 dla p k = 6 Praca agregatu przy większej różnicy ciśnień tłoczenia i ssania objawia się spadkiem sprawności ogólnej urządzenia chłodniczego czego dowodem jest zmniejszenie współczynnika wydajności obiegu chłodniczego który określa się stosunkiem wydajności chłodniczej sprężarki <2 0 do teoretycznej mocy napędowej P t w A P (3) Dla badanego urządzenia współczynnik wydajności obiegu zmieniał się w granicach = 33 dla p k = 35 do wartości = 9 dla p k /p = 6 co przedstawiono na rys 4 04 02» 00 ~a> 008 006 E 004 002 000 25 -p o - 5 o 3 n ni4» VT^^ i uuiz: n 0? *» - _?^ i 0 00 ^^^^K^^ ^ n? 0 008 - ^^***w«_ * 0 006 ^r*~~-^? "^ 0004 l n nn9 n nnn ~*V^_ ** >*_! ^»-W ' \ ^ l 3 5 7 9 3 5 7 3 5 7 9 3 5 7 Pl/Po - ** >» s n 8 ^~^»* 06 - < ****^ ^łjgjj^ 04-5 7 9 3 5 7 *"* 02-00 - 3 Wyniki badań eksperymentalnych *-* P^Po ^^* S»-V W^ ^*N 3 5 7 9 3 5 7 4 Zależność współczynnika wydajności obiegu chłodniczego od stopnia sprężania/^ lp o 6 Porównanie wyników badań eksperymentalnych z wynikami obliczeń teoretycznych Uzyskane w wyniku badań eksperymentalnych wyniki porównano z wielkościami uzyskanymi drogą obliczeń teoretycznych Przyjmując eksperymentalne parametry pracy sprężarki tłokowej oraz jej parametry konstrukcyjne przeprowadzono obliczenia teoretyczne wyznaczając wielkości opisujące jej pracę Współczynnik dostarczania l wyznaczano stosując dwie metody: wykorzystując zależność (3) metoda obliczeniowa wykorzystując wykres Lorentzena [5] metoda graficzna Należy tutaj podać że wykres Lorentzena dotyczy amoniaku Postanowiono 03 0 *=^^^~~~- ^t_*v~ -#- *»-»- _ ^*^^ U " - 00 3 5 7 9 3 5 7» R ri aa ' cr p k - r cma t l M met t hl' cieniowa M Met t gra f ojia jednak sprawdzić jego przydatność do wyznaczania współczynnika dostarczania dla czynnika R404A Wynikało to 5 Wyniki badań i obliczeń współczynnika dostarczania A * z braku takich nomogramów dla nowych proekologicznych czynników chłodniczych tel +22 772 64 8 772 64 83 fax kom 602 725 266 wwwcoolpl e-mail: coolecoolpl 3

Na rysunku 5 przedstawiono zależność współczynnika dostarczania l badanej sprężarki w funkcji stopnia sprężania p k czynnika chłodniczego Na wykresie porównano wyniki badań eksperymentalnych z wynikami obliczeń teoretycznych (metoda obliczeniowa) i wynikami uzyskanymi z wykresu Lorentzena (metoda graficzna) Z dokonanego porównania wynika że dla stopnia sprężania w granicach p k = = 35 H-6 różnice w wartości współczynnika l były zaniedbywanie małe W przypadku większego stopnia sprężania w granicach p k /p a = 6-^9 wyniki badań eksperymentalnych stopnia dostarczania były zbliżone do wartości uzyskanych metodą obliczeniową a w zakresie p k /p = 9-^ 35 bliższe wartości uzyskuje się metodą graficzną Dla ekstremalnie dużej wartości Pk/Po = 5 wyniki obliczeń współczynnika A były wyższe o około 40% od wartości uzyskanych na drodze badań eksperymentalnych Zaś metoda graficzna podawała wartości wyższe o 0% Na rysunkach 6 i 7 przedstawiono wartości wydajności chłodniczej sprężarki g 0 uzyskane na drodze teoretycznej (z wykorzystaniem wyników obliczeń współczynnika dostarczania l metodą obliczeniową i graficzną) oraz w wyniku badań eksperymentalnych Rysunek 6 podaje zależność go w funkcji odparowania czynnika chłodniczego T 0 a rysunek 7 w funkcji stopnia sprężania p k - Prezentowane zmiany wydajności chłodniczej są konsekwencją zmian stopnia dostarczania A sprężarki tłokowej Również w przypadku niższych wartości stopnia sprężania wyniki badań i obliczeń są zbliżone do siebie Znaczne różnice pojawiają się w przypadku pracy sprężarki w warunkach ekstremalnie dużej różnicy ciśnień Wydajność chłodnicza przedmiotowego agregatu sprężarkowego zmieniała się w granicach g 0 = 8 -=- 20 kw dla temperatur odparowania czynnika odpowiednio T 0 = -26+- +7 C (p k = = 5-35) 7 Podsumowanie Przeprowadzone badania energetyczne sprężarkowego agregatu skraplającego na czynnik R404A pozwoliły wyznaczyć wielkości opisujące pracę agregatu w warunkach rzeczywistych Wyznaczono wielkości charakteryzujące pracę agregatu sprężarkowego w tym wartości współczynnika dostarczania A sprężarki tłokowej który zmieniał się w zakresie l = 085 05 dla 250 200 g- 50 5 00 ^^ ^-^-^^^ 50 ~~~ -i ^_ * * ** 00 B -7-8 -9-0 - -2-3 -4-5 -6-7 -8-9 -20-2 -22-23 -24-25 -26-27 To [C] 6 Za eżność wydajności chłodniczej sprężarki Q 0 w funkcji odparowania czynnika chłodniczego T 0 25 - Dane eksperymentalne Met graficzna Met obliczeniowa 7 Zależność wydajności chłodniczej sprężarki Q 0 w funkcji stopnia sprężania p t stosunku ciśnień p k /p a = 35 6 Otrzymane wyniki badań eksperymentalnych porównano z wartościami uzyskanymi według metody obliczeniowej i graficznej Stwierdzono duży stopień przydatności wykresu Lorentzena do wyznaczania stopnia dostarczania sprężarki tłokowej na czynnik chłodniczy R404A LITERATURA [] AGARWAL R PARAMANE S: Performance Evaluation and Development of Empirical Model for Hermetically Sealed Reciprocating Compressor 2" International Congress of Refrigeration August 7-222003 Washington DC USA [2] ARKHAROY L NAYASARDYAN E LUCY- ANOV P ARKHAROY A BONDARENKO V: Freezer with single stage hermetic compressor 2 st International Congress of Refrigeration August 7-222003 Washington DC USA [3] BOHDAL T: Bubble boiling of emiironment- -friendly refrigeration media Ań International Journal of Heat and Fluid Flow 2000 Yolume 2 No 4 pp 449-455 [4] BOHDAL T: Ań investigation of bubbly boiling of environment-friendly refrigerating media Ań International Journal of Heat Transfer Engineering 200 No 6 Yolume 22 pp 26-39 [5] BOHDAL T CHARUN H CZAPP M: Parowe sprężarkowe urządzenia chłodnicze Podstawy teoretyczne i zasady obliczania Wydawnictwo Naukowo-Techniczne Warszawa 2003 [6] CHARUN H CZAPP M: Parowe jednostopniowe urządzenia chłodnicze sprężarkowe Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Koszalińskiej Koszalin 999 [7] CZAPP M CHARUN H BOHDAL T: Badania laboratoryjne urządzeń chłodniczych i klimatyzacyjnych Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Koszalińskiej Koszalin 2000 [8] GUTKOWSKI K M: Chłodnictwo i klimatyzacja WN-T Warszawa 2003 [9] ŁOMIAK M: Badania energetyczne sprężarkowego agregatu skraplającego Praca dyplomowa magisterska Politechnika Koszalińska Koszalin 2002 (praca niepublikowana) [0] STOECKER W F: Industrial refrigeration handbook Mc-Graf Hill Publications New York 998 [l ] WARCZAK W: Sprężarki ziębnicze WNT Warszawa 987 l 4