Automatyzacja procesu odszraniania wentylatorowych chłodnic

Automatyzacja procesu odszraniania wentylatorowych chłodnic

SEMINARIUM Z AUTOMATYKI CHŁODNICZEJ I
KLIMATYZACYJNEJ
Temat: Automatyzacja procesu odszraniania wentylatorowych
chłodnic powietrza gorącymi parami czynnika w małych i
średnich urządzeniach chłodniczych.
PRACĘ WYKONAŁ:
ZELMAŃSKI RAFAŁ
Sem.9 SiUChK
GDAŃSK 2007
SPIS TREŚCI
1. Wstęp.
2. Metody odszraniania.
2.1. Odszranianie za pomocą grzejników elektrycznych.
2.2. Odszranianie za pomocą zraszania wodą.
2.3. Odszranianie gorącymi parami czynnika chłodniczego.
3. Automatyzacja procesu odszraniania gorącymi parami czynnika
chłodniczego.
4. Literatura.
1. Wstęp
Efektem pracy urządzeń chłodniczych jest niska temperatura chłodzonego powietrza, co w
konsekwencji powoduje, Ŝe ich uŜytkownicy spotykają się z procesem fizycznym, który nie
występuje w innych urządzeniach. Wspomnianym zjawiskiem jest tworzenie się warstwy
szronu na powierzchni chłodnicy powietrza. Tworzenie się szronu na powierzchniach
chłodnic powietrza jest zjawiskiem nieuniknionym w czasie ich normalnej eksploatacji. Ma
miejsce wówczas, gdy dochodzi do kontaktu wilgotnego powietrza z powierzchnią o
temperaturze niŜszej od temperatury punktu rosy powietrza ją omywającego oraz, gdy
temperatura ta jest niŜsza od 0oC. W pracy urządzeń chłodniczych warunki te są najczęściej
spełnione.
Szronienie powierzchni chłodnic jest procesem niekorzystnym podczas ich eksploatacji.
Początkowo szron poprawia wprawdzie wymianę ciepła pomiędzy czynnikiem chłodniczym a
powietrzem, jednak po dłuŜszym okresie pracy parowników obecność szronu powoduje
skutki negatywne, a mianowicie: zmniejszenie współczynnika przenikania ciepła k pomiędzy
chłodzonym powietrzem a czynnikiem chłodniczym oraz zmniejszenie masowego natęŜenia
przepływu chłodzonego powietrza. Skutkiem tych negatywnych efektów jest wydłuŜenie
czasu pracy spręŜarki urządzenia chłodniczego, przez co zwiększa się jej pobór energii
elektrycznej. Warstwa szronu o grubości 3-4 cm na powierzchni parownika szafy chłodniczej
moŜe zwiększyć zuŜycie energii elektrycznej prawie o 60% (rysunek poniŜej).
Dodatkowo tworzący się szron powoduje ususzkę przechowywanych towarów.
Pomimo, Ŝe proces szronienia chłodnic powietrza ma negatywny wpływ na prace całego
urządzenia chłodniczego zarówno z punktu widzenia eksploatacyjnego jak i ekonomicznego,
problem ten jest wciąŜ niedoceniany, a często wręcz ignorowany przez obsługę.
Proces usuwania szronu z powierzchni chłodnicy nazywany jest procesem odszraniania lub
odtajania. Odszranianie polega na stopieniu narosłego na chłodnicy szronu, względnie lodu i
na odprowadzeniu powstałej podczas tego procesu wody poza chłodnicę. Pomocniczym
zadaniem odszraniania niejednokrotnie jest oczyszczenie chłodnicy z substancji
zanieczyszczających, naniesionych na powierzchnię chłodnicy przez strumień powietrza
obiegowego.
Odszranianie chłodnic powietrza jest procesem cyklicznym. Oznacza to, Ŝe powierzchnia
chłodnicy powietrza przez określony czas pracuje w warunkach narastania szronu do
momentu, w którym musi nastąpić przerwanie cyklu chłodzenia i załączenie cyklu odtajania.
Po jego zakończeniu włącza się chłodnicę ponownie do cyklu chłodzenia.
2. Metody odszraniania.
Najprostszą metodą odszraniania parowników o temperaturach dodatnich i temperaturach
parowania niewiele niŜszych od 0oC jest wyłączenie spręŜarki z ruchu, ręcznie lub
automatycznie. SpręŜarka moŜe być wyłączona przez przekaźnik ciśnienia minimalny lub
termostat parownikowy z wbudowanym półautomatycznym przełącznikiem zwiększającym
zakres łączeń. Włączenie następuje wtedy, kiedy ciśnienie w parowniku wzrośnie do wartości
odpowiadającej temperaturze parowania wyŜszej niŜ 1 oC, po czym przekaźnik ciśnienia lub
termostat automatycznie przełącza układ do normalnego połoŜenia roboczego. Wyłączenie
spręŜarki w określonych odstępach czasu, np. raz lub dwa razy na dobę, moŜe równieŜ
nastąpić dzięki zastosowaniu przekaźnika czasowego (Rysunek poniŜej)
Procesy odszraniania dzieli się ze względu na rodzaj wykorzystywanego w nich źródła ciepła.
Pod tym względem wyróŜnia się odszranianie:
grzejnikami elektrycznymi.
za pomocą zraszania wodą.
gorącymi parami czynnika chłodniczego
mieszane, wykorzystujące odpowiednie kombinacje wyŜej wymienionych źródeł
ciepła, a w szczególności połączenie odszraniania gorącymi parami z odszranianiem
wodą (mycie), lub połączenie odszraniania baterii lamelowej gorącymi parami, z
odszranianiem elektrycznym tacy ściekowej.
2.1. Odszranianie za pomocą grzejników elektrycznych.
Odszranianie za pomocą grzejników elektrycznych jest najpopularniejszym sposobem
usuwania szronu z powierzchni chłodnic powietrza. Ta metoda jest najczęściej stosowana w
małych i średnich instalacjach chłodniczych. Przykład odszraniania za pomocą grzejników
elektrycznych przedstawia poniŜszy rysunek.
Jeden z grzejników, odpowiednio izolowany, ogrzewa parownik, a drugi – tacę pod chłodnicą
(w celu niedopuszczenia do zamarznięcia skroplin). Przekaźnik czasowy zatrzymuje silnik,
wyłącza wentylator chłodnicy oraz włącza prąd do obu grzejników. Po odszranianiu ciśnienie
ssania wzrasta aŜ do chwili, kiedy zadziałanie wyłącznika niskiego ciśnienia przywróci
normalną pracę.
Modyfikacja tej metody, dość powszechnie stosowanej w handlowych urządzeniach
chłodniczych, a zwłaszcza w ladach otwartych niskotemperaturowych, oparta jest na
ustalonym doświadczalnie cyklu czasowym, a realizowanym przez wyłączniki czasowe
zwane przekaźnikami czasowymi. Najczęściej produkowane są przekaźniki czasowe o cyklu
pracy 4, 6, 8, 12, 24 h, z moŜliwością nastawienia czasu odszraniania od 1 do 60 min, czyli
indywidualnego doboru programu do konkretnych warunków pracy handlowych urządzeń
chłodniczych. Zaletą procesu odszraniania za pomocą grzejników elektrycznych jest niski
koszt urządzenia i niewielke wymagania techniczne, natomiast do wad naleŜy zaliczyć:
znaczne zuŜycie energii, duŜy wzrost temperatury w komorze chłodniczej i pomimo
technicznych środków bezpieczeństwa ryzyko wystąpienia poŜaru.
2.2. Odszranianie za pomocą zraszania wodą.
Odszranianie parownika za pomocą ogrzania przez dopływającą wodę pokazuje powyŜszy
rysunek. Przekaźnik czasowy wyłącza spręŜarkę 1 i wentylator chłodnicy 5, otwiera
elektromagnetyczny zawór 9, doprowadzający wodę do rury zraszającej 7, i włącza grzałki
elektryczne 8, obejmujące przewód odprowadzania skroplin, aby nie dopuścić do ich
zamarznięcia. Po upływie czasu potrzebnego do zakończenia procesu odszraniania przekaźnik
najpierw zamyka zawór elektromagnetyczny 9, a następnie po upływie kilku minut,
potrzebnych do spłynięcia skroplin, wyłącza grzałkę elektryczną 8, a włącza spręŜarkę 1 i
wentylator 5.
Metoda ta wyróŜnia się duŜą prostotą, a równocześnie duŜą skutecznością.
2.3. Odszranianie gorącymi parami czynnika chłodniczego.
Metoda odszraniania parowników „gorącymi parami” lub „gorącym gazem” jest metodą
najszerzej rozpowszechnioną. Metoda ta wykorzystuje ciepło zawarte w spręŜonych parach
amoniaku, doprowadzonych przy pomocy specjalnego rurociągu „gorących par”,
bezpośrednio z przewodu tłocznego spręŜarek do parownika. Na czas odszraniania parownik
zostaje przekształcony w skraplacz – grzejnik. Odtajanie szronu gorącymi parami jest
znacznie bardziej efektywne, niŜ odtajanie grzałkami elektrycznymi, ze względu na to, Ŝe
ciepło dostarczane jest w to miejsce chłodnicy powietrza, gdzie podczas procesu chłodzenia
było ono najintensywniej odbierane (jest najbardziej zaszronione).Konsekwencją dostarczenia
ciepła w tym miejscu jest podgrzewanie obszarów w chłodnicy powietrza, które są najbardziej
naraŜone na zaszronienie. Koszt ciepła przy podgrzewaniu chłodnicy powietrza gorącymi
parami czynnika w instalacjach prostych jest trzykrotnie niŜszy niŜ przy podgrzewaniu
energią elektryczną.
PoniŜszy schemat przedstawia metodę odszraniania „gorącymi parami”
W procesie oszraniania gorącymi parami moŜna wyróŜnić kilka etapów tj.:
1. Wyłączenie wentylatorów pracujących w danej chłodnicy, co spowoduje prawie
całkowite zatrzymanie wymiany ciepła pomiędzy chłodnicą powietrza i powietrzem w
komorze. Wymiana ciepła i masy między powierzchnią chłodnicy i powietrzem
obiegowym moŜe się odbywać tylko wtedy na drodze promieniowania i
przewodzenia.
2. Odcięcie dopływu ciekłego czynnika chłodniczego zasilającego parownik. Amoniak
od tego momentu przestaje dopływać do parownika, a ciśnienie w parowniku zaczyna
spadać wskutek dalszego odsysania par z parownika do przewodu ssawnego.
3. PodwyŜszenie ciśnienia w parowniku i wyparcie znajdującej się tam cieczy oraz
podgrzanie tacy ściekowej. Na początku tej fazy parownik napełniony jest jeszcze
mieszaniną „zimnych par” i „zimnej cieczy” o ciśnieniu parowania. Doprowadzone do
parownika gorące pary o wysokim ciśnieniu powinny wyprzeć pozostały w parowniku
ciekły czynnik chłodniczy do przewodu ssawnego. Im większy parownik tym wolnie
powinno wzrastać w nim ciśnienie. MoŜliwe, a często i konieczne jest otwarcie
dopływu gorących par dopiero po przeprowadzeniu całkowitego odessania z
parownika ciekłego amoniaku. OpróŜnienie parownika z ciekłego amoniaku ma na
celu umoŜliwić szybkie podgrzanie ścianek rur i szybkie przejście do etapu odtajania.
4. Odtajanie. Wskutek dopływu gorących par o ciśnieniu skraplania do zamkniętej
przestrzeni parownika, ciśnienie w nim szybko rośnie, a równocześnie podnosi się
temperatura wypełniającej go mieszaniny. Ze względu na skuteczność procesu
wymiany ciepła, poŜądane jest jak najszybsze skroplenie doprowadzonych par. Im
wyŜsze ciśnienie mają doprowadzone pary i im bardziej intensywny jest ich dopływ,
tym szybciej ustali się temperatura ścianek parownika pozwalająca na szybkie
topnienie szronu. Równocześnie ze względu na sprawność energetyczną procesu
wzrost ciśnienia w parowniku powinien zostać ograniczony do wartości
wystarczającej do zainicjowania i podtrzymywania procesu tylko tak długo, jak to jest
potrzebne do całkowitego stopienia lodu. Znajdujący się na zewnętrznej powierzchni
parownika szron lub lód w pierwszej kolejności topi się bezpośrednio na rurach, a
następnie na lamelach (Ŝebrach), po czym w postaci wody lub płatami spada na tace
ściekową. Taca ta moŜe się stosunkowo szybko napełniać lodem, śniegiem i
ściekającą wodą, co moŜe spowodować zmroŜenie się tej masy. Aby do tego nie
dopuścić taca musi być przez cały czas prowadzenia procesu intensywnie ogrzewana,
gdyŜ to dopiero w niej topi się duŜa część szronu i lodu.
5. Zakończenie oszraniania i obniŜenie ciśnienia w parowniku. Odszranianie moŜna
uznać za zakończone, jeŜeli cały szron został stopiony, a powstała ze szronu woda
została z tacy ściekowej odprowadzona poza pomieszczenie chłodnicze.
6. Osuszenie powierzchni chłodnicy. Jest konieczne w celu zapobieŜenia porywania
kropel wody z powierzchni chłodnicy do przestrzeni ładunkowej komory chłodniczej.
MoŜna to uzyskać przez opóźnione, w stosunku do momentu otwarcia zaworów
ssawnego i zasilającego, załączenie do pracy wentylatorów chłodnicy powietrza. Czas
opóźnienia załączenia wentylatorów powinien być wystarczający dla zamroŜenia
ewentualnych kropel wody na powierzchni chłodnicy. Na ogół jest to ok. 5 min.
7. Przejście do fazy chłodzenia. Po załączeniu wentylatorów ustalają się normalne
warunki pracy chłodnicy, umoŜliwiające chłodzenie powietrza obiegowego w
komorze.
3. Automatyzacja procesu odszraniania gorącymi parami
czynnika chłodniczego.
Na poniŜszym rysunku przedstawiono schematycznie cały węzeł sterowania procesem
chłodzenia i odtajania chłodnicy powietrza zasilanej pompowo z niskotemperaturowego POC.
Podczas procesu chłodzenia, zawory elektromagnetyczne typu PMLX zainstalowane w
przewodzie ssawnym i typu EVRA w rurociągu cieczowym są otwarte. W tym przypadku
zastosowano w przewodzie ssawnym zawór główny, który jest otwierany ciśnieniem
sterującym (równym ciśnieniu tłoczenia), co zapewnia mały spadek ciśnienia w tym zaworze.
Proces odtajania gorącym gazem rozpoczyna się od zamknięcia zaworów
elektromagnetycznych zainstalowanych w rurociągach: zasilającym i powrotnym oraz z
pewnym opóźnieniem od otwarcia zaworu elektromagnetycznego w przewodzie
doprowadzającym gorące pary czynnika chłodniczego. Opóźnienie wynika z czasu
przeznaczonego na zamknięcie zaworu głównego na linii ssawnej, aby zawór z gorącymi
parami otworzył się po zamknięciu zaworu głównego znajdującego się w rurociągu ssawnym.
Ciśnienie wewnątrz chłodnicy rośnie i po pewnym czasie osiąga poziom nastawiony w
zaworze pilotowym stałego ciśnienia (CVP) i analogicznie jak w chłodnicy z wyŜszą
temperaturą roboczą, rozpoczyna się proces odtajania. Gorący gaz skraplając się podgrzewa
konstrukcję chłodnicy i w postaci cieczy jest usuwany z niej przez zawór utrzymujący
ciśnienie odszraniania w tym aparacie (PM+CVP(HP)). Po stopieniu szronu na powierzchni
chłodnicy i osiągnięciu zadanej temperatury przez blok lamelowy, wewnątrz jej rur panuje
ciśnienie odpowiadające temperaturze odtajania. W takiej sytuacji zawory
elektromagnetyczne zainstalowane w przewodzie ssawnym nie powinny zostać gwałtownie
otwarte, poniewaŜ duŜa róŜnica ciśnień moŜe spowodować uszkodzenie armatury i
automatyki. W celu zapewnienia łagodnego obniŜania ciśnienia wewnątrz chłodnicy i nie
zaburzania ciśnienia w układzie chłodniczym, powinny być stosowane zawory dwukrokowe
typu PMLX lub standardowe zawory PML z elektromagnetycznym zaworem obejściowym.
W dalszej części zostaną przedstawione dwa rozwiązania procesu odtajania „gorącymi
parami” proponowane przez firmę Danfoss.
PowyŜszy system odtajania jest szeroko stosowany w przemysłowych instalacjach
chłodniczych z parownikami suchymi. Zainstalowanie zaworu typu PML (9) na przewodzie
ssawnym zapewnia całkowitą szczelność podczas procesu odtajania oraz minimalny spadek
ciśnienia podczas cyklu chłodzenia.
Elementy układu:
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
PM1 – Zawór główny (zawór odcinający)
EVM – Zawór pilotowy elektromagnetyczny
TE55 – Termostatyczny zawór rozpręŜny
PM1 – Zawór główny (zawór odcinający)
EVM – Zawór pilotowy elektromagnetyczny
NRVA – Zawór zwrotny
PM1 – Zawór główny
CVP (HP) – Zawór pilotowy stałego ciśnienia
PML – Zawór główny (zawór odcinający) pracujący przy minimalnym spadku
ciśnienia
(10) EVM(NC) – Zawór pilotowy elektromagnetyczny
(11) EVM(NO) – Zawór pilotowy elektromagnetyczny normalnie otwarty
Cykl chłodzenia:
Ciekły czynnik przepływa przez zawór główny typu PM1 (1), który jest otwarty przez zawór
pilotowy typu EVM (2). Wtrysk ciekłego czynnika jest realizowany, za pomocą
termostatycznego zaworu rozpręŜnego typu TE55 (3). Para jest odprowadzana do osuszacza
przez zawór główny typu PML (9), który jest otwierany przez zawory pilotowe
elektromagnetyczne EVM (10) i (11). Podczas obiegu chłodniczego zawór zwrotny typu
NRVA (6) zabezpiecza przed powrotem ciekłego czynnika do podgrzewanej węŜownicy
zainstalowanej w tacy.
Cykl odtajania:
Zawory główne typu: PM1 (1) i PML (9) są zamknięte. Gorący gaz przepływa do górnej
części parownika przez zawór główny typu PM1 (4), który jest sterowany przez zawór
elektromagnetyczny typu EVM (5). Kiedy ciśnienie w parowniku przekroczy wartość
nastawioną na zaworze typu CVP(HP) (8) – ciśnienie to zazwyczaj odpowiada temperaturze
+50C, wówczas skroplona para wraca do osuszacza przez zawór główny typu PM1 (7).
Drugim rozwiązaniem jest odtajanie parownika od dołu za pomocą gorącego gazu – obieg
pompowy.
PowyŜszy system jest stosowany w instalacjach chłodniczych z obiegiem pompowym i
umoŜliwia utrzymanie ciśnienia parowania na stałym poziomie.
Elementy układu:
(1) PM1 – Zawór główny (zawór odcinający)
(2) EVM – Zawór pilotowy elektromagnetyczny
(3) NRVA – Zawór zwrotny
(4) 6F – Zawór dławiący ręczny
(5) PM3 – Zawór główny
(6) EVM – Zawór pilotowy elektromagnetyczny
(7) CVP (LP) – Zawór pilotowy stałego ciśnienia (niskociśnieniowy)
(8) CVP (HP) – Zawór pilotowy stałego ciśnienia (wysokociśnieniowy)
(9) PM1 – Zawór główny
(10) EVM – Zawór pilotowy elektromagnetyczny
(11) NRVA – Zawór zwrotny
Cykl chłodzenia:
Ciekły czynnik przepływa przez zawór odcinający typu PM1 (1), sterowany za pomocą
zaworu pilotowego elektromagnetycznego typu EVM (2). Wtrysk ciekłego czynnika jest
realizowany, przez zawór dławiący typu 6F (4). Zawór zwrotny typu NRVA (3) zapobiega
powrotowi czynnika podczas procesu odtajania. Zawór główny typu PM3 (5) jest otwarty
przez zawór pilotowy elektromagnetyczny typu EVM (6). Utrzymuje stale ciśnienie w
parowniku za pomocą zaworu stałego ciśnienia – niskociśnieniowego typu CVP (LP) (7).
Proces odtajania:
Zawór główny typu PM1 (1) jest zamknięty przez zawór pilotowy elektromagnetyczny typu
EVM (2). Zawór główny typu PM1 (9) jest otwarty przez zawór pilotowy
elektromagnetyczny typu EVM (10). Gorący gaz wpływa do dolnej części parownika. Zawór
zwrotny typu NRVA (11) zapobiega powrotowi ciekłego czynnika podczas normalnego cyklu
pracy (cykl chłodzenia). Skroplony czynnik powraca do osuszacza przez zawór główny typu
PM3 (5). W tym przypadku zawór główny typu PM3 (5) sterowany jest przez zawór pilotowy
stałego ciśnienia typu CVP (HP) (8), który utrzymuje odpowiednią wartość ciśnienia
niezbędną do oszronienia parownika.
Literatura:
1.
2.
3.
4.
Z. Bonca – „Amoniakalne urządzenia chłodnicze”
H.J.Ullrich - „Technika chłodnicza-poradnik”
Katalogi firmy Danfoss.
Technika chłodnicza i klimatyzacyjna nr 11/2005