POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY Seminarium z przedmiotu AUTOMATYKA CHŁODNICZA I KLIMATYZACYJNA Temat: Ocena możliwości wykorzystania rurki kapilarnej jako elementu dławiącego w tzw. klimatyzatorach samochodowych pracujących przy silnie zmiennych obciążeniach cieplnych. Wykonał: Rafał Andrzejczyk Sem.9 1
SUCHiKL Spis treści 1. Definicja rurki kapilarnej... 3 2. Zastosowanie rurki kapilarnej w klimatyzacji samochodowej.... 3 3. Analiza przydatności rurki kapilarnej w zmiennych warunkach pracy. 3-4 4. Elementy utrudniające eksploatację urządzenia z rurką kapilarną.... 4-6 5. Możliwości jakie daje zastosowanie rurki kapilarnej.... 7 6. Dobór układu chłodniczego z rurką kapilarną.... 7-8 7. Wnioski.... 8 8. Literatura.... 9 2
1. Definicja rurki kapilarnej. Rurka kapilarna stanowi najprostszy element dławiący wykorzystywany do regulacji przepływu czynnika chłodniczego. Klasycznie rurkę kapilarną stosuję się w małych urządzeniach chłodniczych: chłodziarkach, zamrażarkach skrzyniowych, małych przemysłowych szafach chłodniczych ale także w klimatyzatorach. Rys. 1.1 Rurka kapilarna[6] 2. Zastosowanie rurki kapilarnej w klimatyzacji samochodowej. Głównymi zaletami rurki kapilarnej jest jej prostota i niezawodność działania dlatego też coraz częściej znajduje ona zastosowanie w klimatyzacji samochodowej, która to obecnie staje się powszechnym wyposażeniem samochodów. Mało tego przez niektóre osoby uważane jest za element bezpieczeństwa, zgodnie z pytaniem jakie stawia przed nami jedna z firm produkujących systemy klimatyzacji samochodowej: Czy kierowca, który prowadzi samochód przebywając kilka godzin w kabinie gdzie temperatura wynosi ponad 30 C stopni zachowuje pełną sprawność psychofizyczną?" 3. Analiza przydatności rurki kapilarnej w zmiennych warunkach pracy. 3
Na rysunku 1.1 widzimy klasyczny układ klimatyzacji stosowany w samochodach. Rys. 3.1 A)Schemat blokowy chłodniczego urządzenia klimatyzacji samochodowej; B)Rozmieszczenie elementów układu wentylacji w kabinie samochodu osobowego 1-wentylator; 2-parownik; 3-nagrzewnica; 4- obudowa; 5-nawiewniki[5] W rozwiązaniach tych stosowany jest termostatyczny zawór rozprężny ze względu na takie jego cechy jak: zwarta budowa ; uzyskanie stałego napełnienia parownika; umożliwienie w dużym zakresie regulowania temperatury chłodzonego powietrza; dbanie o maksymalne wykorzystanie powierzchni parownika; Mimo to pewne cechy rurki kapilarnej predystynują ją do bycia przedmiotem zainteresowania firm zajmujących się systemami do klimatyzacji samochodowej. 4. Elementy utrudniające eksploatację urządzenia z rurką kapilarną. Na podstawie rys.4.1 możemy wyraźnie stwierdzić, iż rurka kapilarna jest elementem potrafiącym dokonywać samoregulacji układu,ponieważ w pewnym zakresie wraz ze wzrostem ciśnienia skraplania czyli różnicy, pomiędzy ciśnieniem parowania a skraplania. Jest to cecha niewątpliwie pozytywna w porównaniu z TZR, ale należy 4
zauważyć, iż po osiągnięciu pewnego określonego stosunku następuje zahamowanie zwiększania przepływu czynnika roboczego, może to spowodować zbyt częste włączanie się urządzenia i skrócenie żywotności sprężarki. Spowodowane jest to osiągnięciem na końcu króćca wylotowego rurki lokalnej prędkości dźwięku. Rys.4.1 Przepustowość rurki kapilarnej w funkcji stosunku ciśnienia parowania do ciśnienia skraplania.[1] Trzeba zdać sobie sprawę że rurka kapilarna jest elementem dobieranym na określone dosyć wąskie warunki co wyraźnie kłóci się z zasadniczą cechą klimatyzatora samochodowego. Wymienniki ciepła są w nim chłodzone powietrzem zewnętrznym, którego prędkość przepływu zmienia się w zależności od prędkości pojazdu co wpływa na współczynnik przenikania ciepła k a ten według prawa Pecleta(4.1) ma znaczący wpływ na strumień przenikającego ciepła: (4.1) Zmienność tego współczynnika powoduje wahania wielkości strumienia odbieranego ciepła. To z kolei wpływa na wahania wydajności chłodniczej. Widać to na rys.4.2:. Występuje tu pole tolerancji w którym może się zmieniać temperatura parowania i skraplania czynnika chłodniczego tak aby możliwa była praca urządzenia, rurka nie zatyka się. 5
Rys. 4.2.Krzywa równowagi wydajności chłodniczej rurki kapilarnej w układzie współrzędnych: temperatura parowania temperatura skraplania. Zaznaczony został nominalny punkt pracy urządzenia punkt A.[1] Kolejna wada rurki kapilarnej to jej szybkie zabrudzenie brudem i nagarem olejowym w wyniku czego zatyka się ona nieraz całkowicie uniemożliwiając pracę urządzenia. Obecnie jednak nie stanowi to żadnego problemu, przykładem jest poniższe rozwiązanie w którym zastosowano specjalną siatkę zatrzymującą zanieczyszczenia przed elementem dławiącym i uszczelnienie zabezpieczające przepływ czynnika między stroną ssawną i tłoczną rys.4.3: Rys. 4.3 Elementy regulacji dławienia w obiegu czynnika chłodniczego:1- siatka zatrzymująca zanieczyszczenia ; 2- pisrścień uszczelniający zapewniający szczelność pomiędzy stroną niskiego i wysokiego ciśnienia.[2] 6
5. Możliwości jakie daje zastosowanie rurki kapilarnej. Przyjrzyjmy się układowi typowej klimatyzacji samochodowej ze stałym elementem dławiącym jakim jest rurka kapilarna. Przedstawiono tutaj standardową sytuację w jakiej pracuje klimatyzator samochodowy, temperatura wewnątrz kabiny sięga 28 C na zewnątrz jest o 3 C niższa Rys.5.1: Rys. 5.1. Schemat obiegu czynnika chłodniczego: 1-sprężarka, 2-skraplacz, 3-parownik, 4-dławik, 5-odwadniaczosuszacz,A-czynnik chłodniczy w postaci gazu pod wysokim ciśnieniem, B- czynnik chłodniczy w postaci gazu pod niskim ciśnieniem, C-czynnik chłodniczy w stanie ciekłym pod wysokim ciśnieniem, D-czynnik chłodniczy w stanie ciekłym pod niskim ciśnieniem;[2] Dla przyjętych warunków, rurka kapilarna jest urządzeniem bardzo efektywnym. W układzie dokonuje się samoregulacja a przepływ czynnika jest płynny.. Zastosowanie układu chłodniczego z rurką kapilarna daje możliwość znacznego zmniejszenia jego wielkości. Dzięki wspomnianemu zjawisku samoregulacji układu po jego zatrzymaniu, następuj wyrównanie ciśnień (odparowanie reszty czynnik), dzięki temu sprężarka nie jest obciążona momentem rozruchowym i może być dobierana w znacznie mniejszym zakresie mocy. W rzeczywistości jednak rzadko spotykamy taką stałość warunków zewnętrznych. 6. Dobór układu chłodniczego z rurka kapilarną. 7
Przy różnych od obliczeniowych warunkach pracy, np. przy obniżeniu temperatury zewnętrznej od 25 C do 15 C następuje obniżenie ciśnienia i temperatury w skraplaczu i jednocześnie zmniejszenie przepływu czynnika chłodniczego przez kapilarę, wzrasta natomiast moc chłodnicza sprężarki.(ale w wyniku samoregulacji następuje szybkie wyrównoważenie) W odwrotnej jednak sytuacji, gdy temperatura zewnętrzna wzrośnie np. do 45 C to wówczas cały czynnik chłodniczy przepływa przez rurkę co powoduje gwałtowny spadek jej wydajności, tak że zdolność skraplania pary zmniejsza się kilkakrotnie. w końcu ciśnienie w skraplaczu podnosi się a para przesyłana do rurki jest dawkami. Rys.6.1 Rys. 6.1 Schemat zasilania parownika rurka kapilarną: a0 schemat urządzenia chłodniczego; b)wykres spadku wydajności chłodniczej przy odchyleniu od obliczeniowych warunków pracy, 1-rurka kapilarna,2-sprężarka, 3- parowni,4-skraplacz,t z -temperatura zewnętrzna[3] Dlatego też metodami doświadczalnymi ważne jest aby dobrać właściwe napełnienie parownika, tak aby uniknąć wyżej wymienionych negartwnych skutków zmiany warunków obliczeniowych lub właściwe dobranie średnicy i długości kapilary oraz materiału z którego jest wykonana. Są to poważne sumy pieniędzy. Ale nadal są prowadzone te badania gdyż oszczędności w szczególności na energii zasilającej sprężarkę i możliwości zmniejszenia urządzenia są ogromne. 7. Wnioski. Dzięki odpowiedniemu dobraniu rurki kapilarnej, do warunków pracy danej instalacji chłodniczej jesteśmy w stanie uzyskać: znaczną zwartości urządzenia; multiblokowość wykonania; niezawodność systemu ; tanią eksploatację bez mnogości elementów regulacyjnych; 8
8. Literatura. 1. D.Butrymowicz,I.Kornecki:Rurka kapilarna raz jeszcze, Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna 1996 nr 5 s.207-209 2. Ulrich Dech,Klimatyzacja w samochodzie,wyd. Komunikacji i Łączności,Warszawa 2005 3. F.Dworski,A.Wesołowski, Automatyka Urządzeń Chłodniczych, WNT,Warszawa 1984. 4. Hans-Jurgen Ullirich, Technika Chłodnicza Tom 1,IPPU Masta, Gdańsk 1998 5. Dr Waldemar Targański: Klimatyzacja pojazdów- Problemy i sposobi ich rozwiiązywania, Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna, 2002 nr 2 s 53-58,1999 nr 9 s.356-361 6. WWW.danpol.pl [strona dostępna [20.11.2009] 9