Automatyzacja procesu odszraniania wentylatorowych chłodnic

Automatyzacja procesu odszraniania wentylatorowych chłodnic

POLITECHNIKA GDAŃSKA
AUTOMATYKA CHŁODNICZA I KIMATYZACYJNA
SEMINARIUM
Temat: Automatyzacja procesu odszraniania wentylatorowych
chłodnic powietrza gorącymi parami czynnika w małych
urządzeniach chłodniczych.
Marcin Szymański
SUChiK 2008/2009
Spis treści:
1. Wstęp
2. Zjawisko szronienia
3. Skutki szronienia chłodnic
4. Metody przeciwdziałania
5. Systemy odszraniania
6. Rozwiązania stosowane w małych urządzeniach chłodniczych
7. Podsumowanie
8. Literatura
1. Wstęp
Bardzo ważnym i pożądanym parametrem pracy urządzenia chłodniczego jest wysoka
sprawność wymienników ciepła. W przypadku wentylatorowych chłodnic powietrza, które są
stosowane zarówno w instalacjach o małej jak i o dużej wydajności chłodniczej, producenci
chłodnic stosują następujące rozwiązania techniczne w celu polepszenia ich sprawności:

ożebrowanie rur wewnątrz przekroju, mające na celu poprawę współczynnika
wnikania ciepła;

montowanie dystrybutorów czynnika chłodniczego, zapewniające optymalne warunki
pracy chłodnicy nawet przy minimalnych wahaniach temperatury;

stosowanie systemu wielopunktowego wtrysku (równomierne zasilanie czynnikiem
bloku lamelowego);

zwiększenie powierzchni żeber, czyli powierzchni wymiany ciepła;

stosowanie zmiennego rozstawu lamel, w celu równomiernej wymiany ciepła na całej
powierzchni chłodnicy;

izolowanie tac ociekowych, prowadzących do ograniczenia zysków ciepła chłodni
podczas odszraniania chłodnicy.
Wydajność chłodniczą określa się wzorem:
Q = kF(tP-tO)
,gdzie:
k – współczynnik przenikania ciepła [W/(m2K)], F – powierzchnia wymiany ciepła [m2],
tP – temperatura powietrza [˚C], tO – temperatura parowania czynnika [˚C].
Generalnie dążymy do poprawy współczynnika przenikania ciepła, aby osiągnąć jak
najmniejszą zewnętrzną powierzchnię wymiany ciepła stanowiącą o kształcie aparatu.
Współczynnik ten określa zależność:
1/k = Rαw + ΣRλi + Rαz
,gdzie:
Rαw – opór wnikania ciepła od strony czynnika chłodniczego [(m2K)/W],
Rλi – opór przewodzenia ciepła w i-tej przegrodzie [(m2K)/W],
Rαz – opór wnikania ciepła od strony powietrza [(m2K)/W].
Wartości głównych wielkości fizycznych i konstrukcyjnych powinny zachowywać się
następująco:

dążyć do największych, możliwych wartości αz, αw, λ;

dążyć do najmniejszych grubości przegród δ.
Zakładając, że opór wnikania ciepła od strony czynnika i opór przewodzenia ciepła
przez przegrody jest stały, można zauważyć odwrotnie proporcjonalną zależność między
oporem wnikania ciepła od strony powietrza (Rαz) i współczynnika przenikania ciepła (k).
Wynika z tego, że im większy opór Rαz (np. spowodowany warstwą szronu), tym mniej
efektywny odbiór strumienia ciepła z komory chłodniczej, spowodowany właśnie spadkiem
współczynnika przenikania ciepła.
2. Zjawisko szronienia
Podczas pracy wymienników ciepła przy temperaturach zbliżonych do 0 ˚C i niższych,
oraz jednoczesnym omywaniu ich ścian wilgotnym powietrzem, mamy do czynienia ze
zjawiskiem tworzenia się na ich powierzchni szronu. Zjawisko to jest związane bezpośrednio
z zejściem temperatury powierzchni zewnętrznej chłodnicy poniżej punktu potrójnego. Dla
wody punkt ten (stan równowagi między lodem, ciekłą wodą i parą wodną) odpowiada
temperaturze 0,01 ˚C i ciśnieniu 611,73 Pa, co przedstawiono na rysunku 3.1.
Rys. 3.1 Wykres punktu potrójnego dla wody.
3. Skutki szronienia chłodnic
Proces szronienia jest procesem niepożądanym, gdyż oprócz wspomianego we wstępie
pogorszenia współczynnika przenikania ciepła, może prowadzić do:

oporów termicznych, a więc dodatkowego zużycia energii;

wzrostu oporu przepływu powietrza powodując zwiększenie pracy i wydzielanego
ciepła do komory z silnika wentylatora;

całkowitego zamknięcia przepływu powietrza.
Dodatkowo zjawisko to wymusza przystosowanie konstrukcji chłodnicy do obecności
szronu (większa podziałka żebrowania, ogrzewanie tacy na skropliny, przewód drenażowy na
spływ skroplin, wyposażenie w system odszraniania).
4. Metody przeciwdziałania
Są różnorodne metody usuwania szronu z powierzchni chłodnic. Generalnie metody te
polegają na:

zapobieganiu tworzenia się szronu,

doprowadzeniu energii cieplnej,

zraszaniu (rozpylaniu) soli,

usuwaniu mechanicznym,

usuwaniu ręcznym.
Ogólnie kierunki doskonalenia procesu odszraniania są związane z następującymi
problemami:

wykorzystaniem niskotemperaturowego ciepła (zimna), zachowanego w szronie i
w konstrukcji oziębiacza,

wykorzystaniem
ciepła
odpadowego
urządzeń
chłodniczych
do
procesu
odszraniania parowaczy,

racjonalizacją częstotliwości cykli odszraniania,

zmiejszeniem obciążenia cieplnego przewidzianego do przejmowania w procesach
ziębniczych, a wynikającym z procesu odszraniania,

podniesieniem współczynnika efektywności rzeczywistych ziębiarek,

wprowadzeniem nowych kryteriów (wskaźnika TEWI) do oceny systemów
odszraniania i urządzeń ziębniczych czy pomp ciepła.
5. Systemy odszraniania
Systemy odszraniania można sklasyfikować następująco:

odszranianie doprowadzoną energią (gorącymi parami, elektryczne itd.);

odszranianie z odzyskiem zakumulowanego „zimna”;

inne systemy odszraniania:

ręczne i mechaniczne czyszczenie powierzchni;

usuwanie szronu przez zmianę kształtu powierzchni lub jej gwałtownym
przemieszczeniu (nie oddziałujące niemal na pracę urządzenia);

pokrycie powierzchni substancją hydrofobową (również nie wpływa na pracę
urządzenia);

system rozpylania roztworu soli;

System siatki „ulowej” pod wysokim napięciem jonizującym powietrze
wilgotne (spowolnienie osiadania szronu, brak praktycznych zastosowań);

System zdmuchiwania szronu sprężonym powietrzem w połączeniu z
systemem cieplnego odszraniania.
Tematem mojej pracy jest odszranianie wentylatorowych chłodnic powietrza
gorącymi parami czynnika w małych urządzeniach chłodniczych. Dlatego też, w dalszej
części opracowania skupię się głównie na tym wątku.
6. Rozwiązania stosowane w małych urządzeniach chłodniczych
W małych urządzeniach chłodniczych, w których pracuje jeden parownik w instalacji,
popularnym rozwiązaniem jest odszranianie gorącym gazem przez odwrócenie obiegu,
pokazano to na rysunku 6.1. Skraplacz pracuje wówczas jako parownik, odbierając ciepło od
medium ziębniczego. W tym systemie należy upewnić się, czy skraplacz może pracować jak
parownik i czyjego wydajność będzie wystarczająca w całym okresie pracy. Wydajność
skraplacza pracującego jako parowacz jest zależna od temperatury medium chłodzącego
(woda, powietrze). W przypadku skraplacza o małej pojemności ciekłego czynnika, układ
należy wyposażyć w dodatkowy zbiornik 2 mający wbudowaną wężownice do
przechłodzenia ziębnika (rys. 6.2). Ma to na celu uniemożliwienie gromadzenia się cieczy w
skraplaczu 1, a w cyklu odszraniania zapewnienie spływu skroplin z parownika 2.
Dla zwiększenia przepływu wody instalacja wyposażona jest w zawór elektromagnetyczny 4,
umożliwiający obejście regulacyjnego zaworu wodnego 3. Temperatura parowania w
skraplaczu nie powinna spadać poniżej 0 ˚C, aby nie występowało obmarzanie lodem.
Zapewnia to użycie regulatora wydajności sprężarki 5, nastawionego na temperaturę
parowania t > 0 ˚C. Może to okazać się szczególnie trudne w przypadku dysponowania wodą
chłodzącą o niskiej temperaturze (6 – 7 ˚C), z powodu małej różnicy między temperaturą
wody na wlocie, a temperaturą parowania. W takim przypadku nastąpi znaczne wydłużenie
czasu odszraniania. Wtedy też wydajność skraplacza jest stosunkowo niewielka i
powierzchnia wymiany może być zbyt mała. Natomiast w przypadku zasilania ciepłą wodą o
temperaturze 20 – 25 ˚C, występująca różnica temperatur jest wystarczająca i tym samym
zastosowanie takiego systemu odszraniana wydaje się być dobrym rozwiązaniem.
Rys. 6.1 Schemat odszraniania gorącym gazem czynnika przez odwrócenie obiegu w systemie CGGo:
1 – sprężarka, 2 – parownik, 3 – skraplacz, 4 – zawór rozprężny, 5 – zawór zwrotny,
6 – zawór czterodrożny, 7 – grzałki ścieku, 8 – zawór pływakowy ścieku.
Interesującym rozwiązaniem systemu odszraniania gorącym gazem przez odwrócenie
obiegu, jest przedstawiony na rysunku 6.3, układ z tacą ogrzewaną elektrycznie. Dotyczy on
skojarzenia dwóch średniej wielkości urządzeń chłodniczych (o wydajności 3,5 do 7 kW),
ze skraplaczami chłodzonymi powietrzem.
Rys. 6.2 Schemat odszraniania gorącym gazem czynnika przez odwrócenie obiegu z dodatkową
wężownicą w zbiorniku w systemie CGGo:
1 – skraplacz, 2 – zbiornik cieczy, 3 – regulacyjny zawór wodny, 4 – zawór
elektromagnetyczny, 5 – zawór regulacyjny wydajności, 6 – zawór czterodrożny,
7 – zawór rozprężny, 8 – sprężarka, 9 – parownik, 10 – grzałki ścieku,
11 – zawór pływakowy, 12 – zawór zwrotny.
W czasie odszraniania gorące pary czynnika płyną przez otwarte zawory 6 i 8 do
chłodnicy powietrza 2. Spływająca z chłodnicy mieszanina par i cieczy odparowuje w
osuszaczu - wymienniku regeneracyjnym 3 dzięki intensywnej wymianie ciepła z ciekłym
czynnikiem płynącym ze zbiornika drugiego urządzenia chłodniczego (pracującego w cyklu
chłodzenia). W efekcie zasysane przez sprężarkę pary są suche, a jednocześnie jest
dochładzana ciecz w drugim urządzeniu. Praktyczne zastosowanie tego systemu pozwala na
poprawę wydajności i efektywności obiegu, oraz daje znaczne efekty ekonomiczne dzięki
oszczędności energii.
Stosowane w wielu urządzeniach rozwiązanie z ochroną przed zasysaniem mokrych
par czynnika przedstawiono na rys. 6.4. Dotyczy ono w szczególności niewielkich urządzeń
chłodniczych z oddzielaczem cieczy 3 w obiegu. Pełni on rolę zbiornika na powstały ciekły
czynnik w czasie odszraniania parownika i musi mieć wystarczającą pojemność. Chroni to
sprężarkę przed zasysaniem cieczy. Udoskonaleniem tego rozwiązania ilustruje rysunek 6.5.
Ciecz zgromadzona po odszranianiu w oddzielaczu 3 odparowuje, dochładzając w wężownicy
ciekły czynnik zasilający parownik. Następuje więc regeneracja ciepła, rozwiązanie to jest
szczególnie zalecane w urządzeniach niskotemperaturowych z uwagi na wzrost efektywności
termicznej obiegu.
Rys. 6.3 Schemat odszraniania gorącym gazem przez odwrócenie obiegu dwóch skojarzonych urządzeń
w systemie CGEo:
1 – sprężarka, 2 – osuszacz, 3 – osuszacz-wymiennik regeneracyjny, 4 – skraplacz,
5 – zbiornik, 6 – zawór elektromagnetyczny cieczowy gorącego gazu, 7 – TZR,
8 – zawór zwrotny, 9, 10 – grzałki tacy i ścieku, 11 – zawór pływakowy.
Rys. 6.4 Schemat odszraniania gorącym gazem czynnika z oddzielaczem cieczy (oporowo) w CGEo:
1 – sprężarka, 2 – parownik, 3 – osuszacz – oddzielacz cieczy, 4 – skraplacz, 5 – zawór
rozprężny, 6 – zawór elektromagnetyczny cieczy, 7 - zawór elektromagnetyczny odszraniania,
8 - zawór zwrotny, 9 – grzałki tacy, 10 – grzałki ścieku, 11 – zawór pływakowy.
Rys. 6.5 Schemat odszraniania gorącym gazem czynnika z oddzielaczem cieczy i wężownicą
regeneracyjną w systemie CGEo:
1 – sprężarka, 2 – parownik, 3 – oddzielacz cieczy (wymiennik regeneracyjny),
4 – skraplacz, 5 – zawór rozprężny, 6 – zawór elektromagnetyczny cieczy, 7 - zawór
elektromagnetyczny odszraniania, 8 - zawór zwrotny, 9, 10 – grzałki tacy i ścieku,
11 – zawór pływakowy.
7. Podsumowanie
We wszystkich urządzeniach chłodniczych wyposażonych w wentylatorowe chłodnice
powietrza pracujący przy ujemnych temperaturach, występuje problem powstawania lodu
na ich powierzchniach.
Typowym systemam odszraniania dla małych urządzeń chłodniczych jest odwrócenie
obiegu.
W małych urządzeniach nie opłaca się komplikowania konstrukcji w celu odszronienia
tacek ociekowych gorącymi parami czynnika i dlatego często ogrzewa się je dodatkową
energią, uzyskaną z grzałek elektrycznych.
Należy pamiętać, że odszranianie chłodnic wiąże się z dodatkowym obciążeniem
cieplnych chłodni. Istnieją jednak metody poprawy efektywności pracy tych systemów.
Można określić optymalny czas początku i końca procesu odtajania, aby dane
urządzenie przy określonych warunkach pracowało najefektywniej.
8. Literatura
1. „Chłodnictwo” 2004 r. nr 10, Dr hab. inż. Bogusław Zakrzewski, Politechnika
Szczecińska.
2. „Chłodnictwo” 2007 r. nr 12, Dr inż. Adam Ruciński, inż. Sylwia Błaszczak,
Politechnika Warszawska.
3. „Chłodnictwo & Klimatyzacja” 2002 r. nr 4, Aleksander Paliwoda, Warszawa.
4. „Chłodnictwo & Klimatyzacja” 2007 r. nr 9, Marek Steindel, Leszek Bednarczyk.
5. „Chłodnictwo & Klimatyzacja” 2007 r. nr 10, Bogusław Zakrzewski, Ewelina Hrycyk.
6. „Chłodnictwo & Klimatyzacja” 2003 r. nr 12, Joachim Kozioł, Grzegorz Toczek,
Gliwice.
7. „Wpływ szronienia i efektów szronienia powierzchni oziębiaczy powietrza
lewobieżnych obiegów termodynamicznych na degradację środowiska.”?