Reklama
 
 
 
Zapomniane teorie pracy instalacji chłodniczej. Cz. 2
Ocena użytkowników: / 0
SłabyŚwietny 
Data dodania: 05.10.2017

W naszej codziennej pracy zawodowej, projektując system chłodniczy dla określonego urządzenia chłodniczego, z reguły zapominamy o teorii i termodynamice procesów zachodzących w poszczególnych elementach projektowanej przez nas instalacji chłodniczej. Artykuł jest kontynuacją tematyki podjętej w poprzednim wydaniu. 

 

Skraplacz W fizyce rozróżniamy trzy podstawowe stany skupienia: stan stały, który charakteryzuje się największą gęstością, co przekłada się na najmniejszą odległość pomiędzy atomami, stan ciekły o mniejszej gęstości, stan płynny z wyjątkiem szkła i stan gazowy o najmniejszej gęstości, charakteryzujący się swobodnym ruchem atomów. Większość znanych materiałów jest w trzech wymienionych wyżej stanach. Jeżeli obniżamy temperaturę, energia kinetyczna substancji maleje, atomy zbliżają się do siebie i substancja przechodzi ze stanu gazowego w ciekły i ze stanu ciekłego w stały. W przypadku znanych nam gazów jak i czynników chłodniczych, ich skroplenie przy stałej temperaturze następuje na skutek wzrostu ciśnienia. Tak więc, aby skroplić gaz musimy do niego dostarczyć energię. W przypadku czynnika chłodniczego, ciśnienie skraplania jest ciśnieniem wytworzonym przez sprężarkę. W wielu przypadkach, tak w przeszłości, teraźniejszości i prawdopodobnie w przyszłości, niektóre czynniki chłodnicze są mieszaninami. Jeżeli mamy do czynienia z mieszaniną, to jej całkowite ciśnienie skraplania jest sumą ciśnień cząstkowych każdej substancji, z jakiej składa się mieszanina. Mówi nam o tym Prawo Daltona, które można wyrazić wzorem:

 

2017 7 88 1

 

Innym bardzo ważnym pojęciem przy analizie wymienników ciepła (skraplacz czy parownik) jest ciepło utajone, które w przypadku skraplacza jest oddawane do otoczenia podczas procesu skraplania, czyli skraplany czynnik chłodniczy oddaje energię do otoczenia.

 

Skraplacz w układzie chłodniczym jest jego drugim najważniejszym elementem, ze względu na jego duży wpływ na sprawność całego układu chłodniczego. Ciepło zaabsorbowane w parowniku jak i ciepło sprężania są oddawane w skraplaczu do otoczenia. Dzięki temu procesowi, gazowy czynnik chłodniczy ulega skropleniu w skraplaczu, osiągając ciśnienie psk i temperaturę Tsk. Analizując rysunek 2., możemy napisać, że jednostkowe ciepło skraplania jest równe:

 

2017 7 88 2

 

gdzie:

 

l − jest jednostkową pracą włożoną do układu chłodniczego w sprężarce.

 

Natomiast całkowite ciepło oddane do otoczenia w skraplaczu jest określone wzorem:

 

2017 7 88 3

 

Powyższe równanie uwzględnia dochłodzenie czynnika chłodniczego w skraplaczu.

 

Masowe natężenie przepływu powietrza przez skraplacz możemy wyliczyć z zależności:

 

2017 7 88 4

 

gdzie:


Cp – ciepło właściwe powietrza;
t1 – temperatura powietrza napływającego na skraplacz;
t2 – temperatura powietrza opuszczającego skraplacz.

 

Współczynnik przejmowania ciepła dla skraplaczy z rurkami miedzianymi i żebrami aluminiowymi w przypadku swobodnego przepływu powietrza waha się pomiędzy 7 a 14 W/m2K a dla skraplacza tego samego typu z wymuszonym przepływem powietrza waha się pomiędzy 18 a 40 W/m2K. Dla ułatwienia w doborze temperatury t1 i t2 stosuje się zależność: tsk = 0,5 (t1 + t2) + (10°C do 20°C). Natomiast prędkość przepływu powietrza przez skraplacz dla małych wydajności cieplnych skraplacza przyjmuje się pomiędzy 3 a 4,5 m/s, natomiast dla dużych skraplaczy zaleca się przepływ powietrza od 5 do około 10 m/s.

 

Przy doborze skraplacza pamiętajmy, że gazowy czynnik wpływający do skraplacza jest parą przegrzaną, natomiast do obliczeń skraplaczy ich producent przyjmuje parametry par nasyconych czynnika chłodniczego. Różnica ta może prowadzić do poważnych błędów w doborze skraplacza. Poza tym, bardzo ważną rzeczą jest taki dobór skraplacza, aby jego wielkość zapewniła odpowiednie dla naszego projektowanego systemu chłodniczego dochłodzenie czynnika.

 

Dobór optymalnego pod względem wydajności skraplacza nie jest łatwy, gdyż zależy od wielu czynników, które mają wpływ na jego prawidłową i efektywną pracę. Do czynników tych zaliczyłbym wymaganą wydajność cieplną (Qsk), masowe natężenie przepływu czynnika chłodniczego (M), temperaturę otoczenia (Tot) i masowe natężenie przepływu powietrza przez skraplacz. Tak jak przy doborze sprężarki analizujmy wyżej przytoczone równania obliczeniowe, tak i dobierzmy skraplacz, uwzględniając optymalne wartości obliczeniowe w wyżej opisanych równinach. Optymalny dobór skraplacza będzie miał duży wpływ na ciśnienie skraplania i temperaturę skraplania, które z kolei decydują o zużyciu energii przez sprężarkę, o sprawności objętościowej sprężarki, wydajności skokowej sprężarki jak i końcowej wydajności skraplacza.

 

 

Filtro-osuszacz

 

Każdy układ chłodniczy, mimo jego osuszania przed naładowaniem czynnikiem chłodniczym, zawiera w sobie pewną ilość wilgoci, którą nie udało się usunąć na linii produkcyjnej. Wilgoć w układzie chłodniczym, nawet w najmniejszej ilości, jest bardzo niekorzystna, gdyż może zablokować element rozprężny, a wchodząc w reakcje z olejem syntetycznym sprężarki, tworzy kwas, który wchodzi w reakcje z elementami sprężarki, skracając jej żywotność. Również, mimo zachowania dużej czystości układu chłodniczego w czasie jego produkcji i montażu, mogą się do niego dostać mikroskopijne zanieczyszczenia, które również wpływają na prawidłowość pracy układu chłodniczego. W celu zapewnienia układowi chłodniczemu prawidłowej pracy, instaluje się, najczęściej tuż za skraplaczem, filtro-osuszacz, którego zadaniem jest wychwycenie krążącej z czynnikiem chłodniczym i olejem wilgoci, powstałych kwasów jak i mikro zanieczyszczeń.

 

Zastanówmy się nad procesem pracy filtro-osuszacza, co pozwoli nam na optymalny jego dobór. Wydawałoby się, że dobór osuszacza jest najprostszym doborem elementu układu chłodniczego w czasie procesu jego projektowania. Nic bardziej błędnego. Przeanalizujmy więc pracę osuszacza. Mamy w układzie krążący czynnik chłodniczy, olej i niewielkie ilości wilgoci. Jaki proces zachodzi w układzie chłodniczym, kiedy 3 wyżej wymienione substancje krążą w układzie? Jeżeli atomy lub cząsteczki samorzutnie przenikają z jednej fazy układu do drugiej, co jest spowodowane bezładnym ruchem cząsteczek, to taki proces jest zwany dyfuzją. Dyfuzja zachodzi tak w gazach, cieczach jak w ciałach stałych. Dyfuzja może zachodzić w stanie równowagi termodynamicznej jak i poza nią. Jeżeli dyfuzja zachodzi poza stanem równowagi termodynamicznej, to jest to proces całkowicie nieodwracalny. Jednakże, siłą napędową dyfuzji jest osiągnięcie stanu równowagi termodynamicznej, co prowadzi do osiągnięcia jak najwyższej entropii. Z takim właśnie procesem mamy do czynienia w układach chłodniczych. Możemy więc powiedzieć, że krążący czynnik, olej i wilgoć są w stanie równowagi termodynamicznej, co prowadzi do wyrównania się stężeń wszystkich krążących w układzie chłodniczym składników. Wróćmy do naszego układu chłodniczego i zamontowanego za skraplaczem fi ltro-osuszacza. W dalszych rozważaniach skoncentruje się na wychwyceniu wilgoci, gdyż mikro elementy ciał stałych są zatrzymane przez fi ltry zainstalowane w filtro-osuszaczu, a proces ich wychwytywania z mechanicznego punktu widzenia jest bardzo prosty.

 

Ciekły czynnik chłodniczy, płynąc przez filtro-osuszacz (F/O), omywa elementy porowate i poszczególne cząsteczki, płynąc przez pory w sposób ciągły, zderzają się ze ściankami por. Zadaniem producenta F/O jest takie dobranie lub zaprojektowanie elementów osuszających, aby pochłaniały tylko cząsteczki wilgoci (wody) i nie absorbowały czynnika chłodniczego i oleju. Na szczęście cząsteczki wody są dużo mniejsze od cząsteczek czynnika chłodniczego i oleju, także z reguły nie ma problemu z doborem właściwego elementu pochłaniającego wilgoć w układzie chłodniczym. Jak z powyższej analizy wynika, element pochłaniający wilgoć w F/O musi mieć pory na tyle małe, aby wychwyciły one tylko wilgoć i pozwoliły swobodnie przepłynąć czynnikowi chłodniczemu i olejowi.

 

Dobierając F/O, musimy w pierwszej kolejności zwrócić uwagę, czy jest on zaprojektowany dla czynnika chłodniczego, który chcemy użyć. Jest to najważniejsza cześć doboru F/O. Następnie F/O powinien być dobrany do wydajności chłodniczej naszej instalacji i wielkości naładowania czynnikiem.

 

W przypadku kiedy chcemy oczyścić układ jeżeli np. silnik sprężarki uległ przepaleniu, zalecałbym użycie F/O z węglem aktywowanym.

 

 

2017 7 89 1

Rys. 2. Wykres rzeczywistego sprężarkowego systemu chłodniczego w układzie ciśnienie - entalpia

 

 

Zawór rozprężny

 

(...)

 

 

Parownik

 

(...)

 

 

Układ chłodniczy

 

(...)

 

 

Ilekroć przystępujemy do projektowania układu chłodniczego, w pierwszej kolejności określmy jego parametry pracy, uwzględniając czynnik chłodniczy, jaki planujemy użyć. Następnie, przeanalizujmy jego potencjalne straty egzergii, bazując na powyższych zależnościach. Pozwoli to nam zaprojektować zoptymalizowany system chłodniczy, którego sprawność powinna być zadowalająca tak dla projektanta jak i użytkownika urządzenia chłodniczego.

 

 

 

Andrzej WESOŁOWSKI
– były pracownik Carrier,
York i Embraco, USA 

 

 

 

LITERATURA:

[1] James L. THRELKELD: Thermal Environmental Engineering. Prentice – Hall, Inc. New Jersey. 1970.

[2] C. J. ADKINS: Thermal Physics. Cambridge University Press. Cambridge, 1987.

[3] B. ANDREJEVSKI: Termodinamika I, II. Univerzitet „Kiril I Metodiy”. Skopje. 1976.

[4] R. CEREPNALKOVSKI: Kompresori. I. Masinski Fakultet, Skopje, 1989.

[5] W. REYNOLDS, H. PERKINS: Engineering Thermodynamics. Mc Graw-Hill Book Co. London. 1970.

[6] I. CEREPNALKOVSKI: Modern Refrigerating Machines. Elsevier Science Publisher. Amsterdam, London, New York, Tokyo. 1991.

[7] H. D. BAEHR: Thermodynamik. Springer Verlag. Berlin, Heidelberg. 1989.

[8] G. LORENTZEN: Throtling the Internal Haemorrhage of the Refrigeration Process. Proc. Inst. Ref. 1983 – 1984.

[9] LORENTZEN G.: Ammonia an excellent alternative. Int. J. of Refrigeration. Vol. 11. No. $. 1988.

[10] HUTTE: Des Ingenieurs Taschenbuch. Teil B. Verlag von Wilhelm Ernst&Sohn. 28. Aufl age. Berlin 1960.

[11] GRAHAM W.: Cryocoolers Part 2: Applocations. Plenum Press. New York 1983.

[12] WESOŁOWSKI A. – Urządzenia chłodnicze i kriogeniczne oraz ich pomiary cieplne. WNT. Warszawa 1980.

 

 

 

POLECAMY WYDANIA SPECJALNE

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2017

  • Pompy ciepła 2015

  • Pompy ciepła 2016

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2015

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2016

  • Pompy ciepła 2014

  • Pompy ciepła 2012

  • Pompy ciepła 2013

  • Termografia w podczerwieni 2009

  • Pompy ciepła 2010

Reklama

 

 

  02 ss2  omii   kig 134x45 left  

Katalog firm chłodnictwo, klimatyzacja, wentylacja

CHŁODNICTWO: Agregaty (chillery) chłodzone powietrzem, Agregaty (chillery) chłodzone wodą, Agregaty absorpcyjne, Agregaty skraplające, Aparatura kontrolno-pomiarowa, Chłodnice, Chłodnictwo w transporcie, Chłodziwa i nośniki ciepła, Czynniki chłodnicze, Dry-coolery, Drzwi chłodnicze (okucia, akcesoria), Elementy rozprężające, Filtry - osuszacze czynnika chłodniczego, Komory chłodnicze i zamrażalnicze, Kontenery chłodnicze, Maszyny do produkcji lodu (płatkarki, kostkarki), Materiały termoizolacyjne, Meble chłodnicze i zamrażalnicze, Monobloki chłodnicze, Odolejacze, separtory, Oleje sprężarkowe, Płyty warstwowe, Pompy cyrkulacyjne, Silniki, Siłowniki, Sprężarki chłodnicze, Tunele mroźnicze (kriogeniczne), Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Urządzenia rozmrażające, Wieże chłodnicze, Wyłączniki i przekaźniki czasowe, Wymienniki ciepła (parowacze, skraplacze), Wymienniki płytowe, Zasobniki chłodu, Zawory, Zespoły spręzarkowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

KLIMATYZACJA i WENTYLACJA: Aparatura kontrolno-pomiarowa, Aparaty grzewczo-wentylacyjne, Centrale klimatyzacyjne monoblokowe, Centrale klimatyzacyjne rooftop, Centrale klimatyzacyjne sekcyjne, Chłodnice/nagrzewnice kanałowe, Czerpnie i wyrzutnie, Filtry powietrza, Kanały wentylacyjne, Klapy ppoż. (oddymiające, odcinające), Klimakonwektory, Klimatyzacja samochodowa, Klimatyzatory kompaktowe (przenośne, okienne), Klimatyzatory split, Klimatytory multi splity, Kolektory słoneczne, Kratki, nawiewniki, dysze, Kurtyny powietrzne, Materiały termoizolacyjne, Nasady kominowe, wywietrzniki, Nawilżacze (parowe, zraszające, ultradźwiękowe, komory zraszania), Oczyszczacze powietrza, Odciągi miejscowe, Okapy kuchenne, Osuszacze powietrza, Pompy ciepła, Pompy cyrkulacyjne, Przepustnice, Rekuperatory i regeneratory do odzysku ciepła, Siłowniki, Stropy, belki chłodząco-grzejące, Systemy Super Multi, Szafy klimatyzacji precyzyjnej, Tłumiki hałasu, Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Wentylatory dachowe, Wentylatory oddymiające, przeciwwybuchowe, chemoodporne, Wentylatory osiowe, Wentylatory promieniowe, Wentylatory strumieniowe (oddymiające), Wymienniki gruntowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

MATERIAŁY, NARZĘDZIA, PRZYRZĄDY, AKCESORIA: Izolacje akustyczne, termiczne, Materiały i przyrządy lutownicze i spawalnicze, Materiały uszczelniające, Narzędzia, Rury, kształtki, akcesoria, Urzadzenia i środki czyszczące, Urządzenia do inspekcji i czyszczenia systemów wentylacyjno-klimatyzacyjnych, Urządzenia do usuwania i napełniania instalacji chłodniczych; recyklingu czynników chłodniczych, Wibroizolacje, Zamocowania i tłumiki drgań.

INNE: Zrzeszenia i organizacje, Oprogramowanie komputerowe, Portale internetowe, Targi, wystawy, szkolenia.