temat:systemy regulacji wydajności sprężarek chłodniczych

PRACA SEMINARYJNA Z AUTOMATYKI CHŁODNICZEJ
TEMAT: SYSTEMY REGULACJI WYDAJNOŚCI
SPRĘŻAREK CHŁODNICZYCH;
część II: „Sposoby regulacji”
Wykonał:
Jakub Muszyński
Wydz. Mech. sem. IX mgr
Systemy Urządzenia
Chłodnicze i Klimatyzacyjne
Spis treści:
część II: „Sposoby regulacji”:
1. Upust czynnika z komory roboczej na stronę ssawną.
str. 2
2. Upust czynnika ze strony tłocznej na ssawną.
str. 3
2.1. Regulacja wydajności sprężarki tłokowej gorącymi parami czynnika
chłodniczego.
str. 3
2.2. Regulacja wydajności sprężarki tłokowej wtryskiem mokrych par
czynnika do kolektora ssawnego.
str. 4
2.3. Regulacja wydajności sprężarki tłokowej wtryskiem gorących par
czynnika do wlotu parownika.
str. 5
3. Dławienie na ssaniu.
str. 6
4. Sposoby regulacji sprężarek śrubowych.
str. 7
5. Podsumowanie
str. 9
6. Literatura
str. 10
Sprężarka YORK Sabroe 80
WSTĘP:
Poniższa praca seminaryjna stanowi kontynuację opracowania Marka Kwiatkowskiego na ten
sam temat „systemy regulacji wydajności sprężarek chłodniczych”
Jakub Muszyński, SUChKl, sem IX mgr
1
1. Upust czynnika z komory roboczej na stronę ssawną.
Rys.: 1 [1]; Regulacja przez upust czynnika z komory roboczej w sprężarce tłokowej:
a)schemat połączenia cylindra z przewodem ssawnym w sprężarce przelotowej,
b) w sprężarce nieprzelotowej, c) schemat połączenia cylindrów w sprężarce rzędowej.
Regulacja za pomocą upustu czynnika z komory roboczej, powszechnie nazywana
regulacją upustową, znalazła szerokie zastosowanie w sprężarkach śrubowych chłodzonych
wtryskiem oleju (na ten temat szerzej w punkcie 4). Natomiast w sprężarkach tłokowych
regulacja upustowa nie wpływa na żywotność elementów konstrukcyjnych, co stawia ją pod
tym względem wyżej od regulacji np. przez podwieszanie płytek zaworowych.
Metodę te można zrealizować na dwa sposoby.
• połączenie komory ssawnej lub przewodu ssawnego z komorą roboczą
sprężarki (rys. 1: a, b)
• połączenie sąsiednich cylindrów sprężarki (rys. 1 c)
Automatyzacja takiego układu sprowadza się do zastosowania automatycznych
zaworów upustowych, sterowanych temperaturą lub ciśnieniem ssanie. Przebieg przemian
termodynamicznych w cylindrze sprężarki, przy zastosowaniu upustowej regulacji
wydajności przedstawia poniższy rysunek 2.
Rys. 2; Regulacja wydajności zaworem upustowym w cylindrze sprężarki: a) zasada działania; b) wykres
indykatorowy z otwartym zaworem.
Otwarcie zaworu powoduje wytłoczenie do komory ssawnej podczas suwu sprężania
części par czynnika. Na wykresie indykatorowym linią przerywaną został zaznaczony „obieg”
bez regulacji (przy pełnej wydajności), oraz linią ciągłą cykl sprężania przy otwartym
zaworze upustowym. Jak widzimy osiągnięty został w ten sposób zasadniczy cel zmniejszenia
objętości czynnika zassanego do cylindra (Vss’). Na powyższym wykresie nie zostało
uwzględnione zjawisko mieszania i podgrzania świeżo zasysanych par przez strumień
Jakub Muszyński, SUChKl, sem IX mgr
2
czynnika powracający z upustu. Jednakże nie wpływa to zasadniczo na zrozumienie fizyki
zjawiska i termodynamicznego sensu upustowej regulacji wydajności.
2. Upust czynnika ze strony tłocznej na ssawną.
Podstawowa cechą tej metody jest niezmienność ciśnienia tłoczenia i ssania sprężarki.
Oczywiście jak każda metoda regulacji, ta metoda niesie ze sobą również straty pracy
sprężania i można powiedzieć bardzo poważne straty. Na temat porównania tej metody
szerzej w punkcie 5 „Podsumowanie”
Za względu na stosunkowo proste rozwiązania techniczne metoda ta znalazła szerokie
zastosowanie w agregatach przy kontenerowych. Sercem takiego układu regulacji bywa
najczęściej mało skomplikowany regulator upustowy CPC o działaniu proporcjonalnym,
wmontowanym w przewód obejściowy (rys. 3). Umożliwia on dostosowanie wydajności
chłodniczej do aktualnego obciążenia parownika.
2.1.
Regulacja wydajności sprężarki tłokowej gorącymi parami czynnika
chłodniczego.
Rys. 3; Schemat upustowej regulacji wydajności sprężarki tłokowej gorącymi parami czynnika
chłodniczego.
W układzie mamy możliwość osiągnięcia redukcji wydajności do 50%. Sygnałem
sterującym dla CPC jest w tym przypadku spadek ciśnienia parowania. Jednym z
poważniejszych ograniczeń stosowalności tego układu jest obniżenie się ciśnienia skraplania
na skutek mniejszego strumienia czynnika dopływającego do skraplacza. Pociąga to za sobą
konieczność automatycznej regulacji parametrów pracy skraplacza.
Jakub Muszyński, SUChKl, sem IX mgr
3
2.2.
Regulacja wydajności sprężarki tłokowej wtryskiem mokrych par czynnika do
kolektora ssawnego.
.
Rys. 4; Schemat upustowej regulacji wydajności sprężarki wraz ze, sterowanym termostatycznie,
wtryskiem mokrych par czynnika..
W wypadku kiedy potrzebujemy osiągnąć wyższą redukcję wydajności (nawet do 70%)
można zastosować układ przedstawiony na rysunku 4. W układzie tym gorące pary czynnika
z upustu oraz zimne pary z parownika mieszane są z małą ilością mokrych par zza skraplacza.
W taki sposób osiągamy obniżenie temperatury tłoczenia. Konieczność zapewnienia stabilnej
pracy TZR’u oraz stosownego powrotu oleju z parownika do karteru sprężarki stanowią
najpoważniejsze ograniczenie działania takiego układu.
Za pomocą typowego termostatu (termostat RT na rys. 5) można znacznie uprościć
układ z rysunku 4. Rysunek 5 przedstawia układ z zastosowanym zaworem
elektromagnetycznym EVR sterowanym termostatem RT oraz ręcznym zaworem rozprężnym
6F.
Rys. 5; Schemat upustowej regulacji wydajności sprężarki, wraz ze sterowanym termostatem, wtryskiem
mokrych par do jej kolektora ssawnego.
Jakub Muszyński, SUChKl, sem IX mgr
4
Kolejną wariacją wtrysku mokrej pary do kolektora ssawnego jest zastosowanie
typowego zaworu TZR jako elementu dawkującego mokrą parę (rys. 6)
Rys. 6; Schemat upustowej regulacji wydajności sprężarki, wraz ze sterowanym przegrzaniem,
wtryskiem pary mokrej czynnika do jej kolektora ssawnego.
Uzyskujemy w ten sposób możliwość ciągłej regulacji przegrzania par na ssaniu do
sprężarki. Oczywiście wspomnianą kontrole uzyskujemy dzięki zaworowi T2, dla którego
sygnałem sterującym jest temperatura na ssaniu do sprężarki. Jest to szczególnie dobre
rozwiązanie dla sprężarek semihermetycznych z silnikami elektrycznymi chłodzonymi
zasysaną para czynnika. Łatwiej jest wtedy uniknąć zbyt dużego przegrzania par czynnika na
ssaniu które mogłoby spowodować zadziałanie zabezpieczeń termicznych uzwojeń silnika.
Warto również zauważyć, że podczas rozruchu spadek ciśnienia w parowniku może być tak
znaczny że zawór T2 może doprowadzić do uderzenia hydraulicznego. Rozwiązaniem tego
problemu może być zastosowanie dodatkowego TZR’a zamontowany na przewodzie
obejściowym, który byłby sterowany temperaturą tłoczenia sprężarki.
2.3.
Regulacja wydajności sprężarki tłokowej wtryskiem gorących par czynnika do
wlotu parownika.
Rys. 7; Schemat upustowej regulacji wydajności sprężarki gorącymi parami doprowadzonymi do wlotu
parownika.
Jakub Muszyński, SUChKl, sem IX mgr
5
Zasadniczą cechą i zaleta tego układu jest prosta budowa i co za tym idzie niska cena.
Zawór TZR (TF5 na rys. 7) dostarcza do parownika taka ilość czynnika, która kompensuje
obciążenie cieplne parownika i wysoka temperaturę pary upustowej. W wypadku kiedy
temperatura przegrzania par czynnika za parownikiem zwiększa się od założonej wartości
TZR otwiera się bardziej doprowadzając większą ilość zimnego czynnika. Powyższy układ
cechuje się stałym strumieniem czynnika przepływającym przez parownik, co ułatwia w
zdecydowany sposób powrót oleju do sprężarki przy zmniejszonej wydajności sprężarki
Rys. 8; Schemat sprężarki z przewodem bocznikowym, jako elementem ułatwiającym jej rozruch.
Na rysunku 8 pokazano przykładowe rozwiązania upustowego odciążenia sprężarki
podczas rozruchu. Zawór elektromagnetyczny na by-pass’ie ma za zadanie wyrównać
ciśnienia po stronie tłocznej i ssawnej podczas startu sprężarki, co redukuje wymagany
moment obrotowy. Po osiągnięciu odpowiednio wysokich obrotów, sprężarka zostaje
stopniowo obciążana poprzez otwieranie się osobnego zaworu dławiącego na kolektorze
ssącym (nie ma go na rys 8). Zawór dławiący na ssaniu oczywiście w trakcie rozruchu
pozostawał zamknięty, a jego funkcją jest stopniowe otwieranie przepływu czynnika. Jest to
w zasadzie metoda kombinowana, łącznie z upustem z tłoczenia jest stosowane dławienie na
ssaniu (patrz punkt 3).
Ogólnie wszystkie wspomniane metody są proste „w budowie”, nie wymagają żadnych
bezpośrednich ingerencji w konstrukcje sprężarki oraz oferują szeroki zakres regulacji.
Niestety pomimo tych zalet, regulacja upustowa jest wybitnie energetycznie nieefektywna.
3. Dławienie zasysanej pary czynnika chłodniczego.
Dławienie na ssaniu jest stosowane w wypadku braku możliwości zastosowania innych
metod regulacji, ze względu na bardzo niską efektywność energetyczną. Poza tym regulacje tą
metodą można uzyskać bardzo niskim nakładem finansowym, inwestując w jeden
nieskomplikowany zawór regulacyjny na kolektorze ssącym. Bardzo często jest to „najlepsza”
metoda stosowana w trakcie rozruchu instalacji. Czasem jest również stosowana razem z
upustem czynnika z tłoczenia, tak jak na rysunku 8.
Jakub Muszyński, SUChKl, sem IX mgr
6
Rys. 9; Wykres indykatorowy sprężarki z regulacją wydajności przez dławienie zasysanej pary;
Vss – objętość zasysanego czynnika bez dławienia,
Vss’ – objętość zasysanego czynnika przy dławieniu pary w przewodzie ssawnym.
Na powyższym wykresie (rys 9) możemy zauważyć zasadę regulacji metoda dławienia
na ssaniu. Po zdławieniu czynnika do pss’ sprężarka zasysa mniejszą objętość czynnika Vss’,
co bezpośrednio, oczywiście przy stałym ciśnieniu i temperaturze parowania, prowadzi do
zmniejszenia jej wydajności.
Q
o
λ⋅ ρ ss ⋅ V ⋅ q
ss o
4. Sposoby regulacji sprężarek śrubowych.
Wspólną cechą większości sprężarek rotacyjnych, determinująca problemy przy
regulacji ich wydajności są:
• Stały spręż wewnętrzny;
• Bardzo szczególne rozwiązanie konstrukcyjne rozrządu;
• Znacznie mniej szczelna komora robocza niż w przypadku sprężarek
tłokowych;
• Brak przestrzeniu szkodliwej;
Sprężarki ze stałym sprężem wewnętrznym są zdecydowanie bardziej „problematyczne”
podczas rozruchu po dłuższym postoju, kiedy to ciśnienie skraplania ~ ciśnienie parowania.
Do regulacji wydajności sprężarek śrubowych stosowane są następujące sposoby:
¾ Zatrzymywanie i uruchamianie (z powodów wyżej opisanych jest to sposób nie
najlepszy dla sprężarek śrubowych);
¾ Zmiana prędkości obrotowej (w przypadku sprężarek śrubowych stopień
dostarczenia jest silnie zależny od prędkości obrotowej, w miarę zmniejszania
prędkości obrotowej rosną straty nieszczelności;
¾ Dławienie na ssaniu (ze względu na stały spręż wewnętrzny metoda ta nie jest
najlepsza);
¾ Zastosowanie suwaka upustowego;
Jakub Muszyński, SUChKl, sem IX mgr
7
Rys. 10; Schemat zabudowy i działania suwaka upustowego, 1 – wirnik pomocniczy, 2 – wirnik
główny, 3 – korpus, 4- suwak regulacyjny, 5 – okno upustowe, 6 siłownik.
Rys. 11; Zasada działania sprężarki z suwakiem upustowym; a) położenie zamknięte, b) położenie
otwarte.
Na rys 11 została pokazana zasada realizacji regulacji upustowej za pomocą ruchomego
suwaka. Suwak ten opcjonalnie i proporcjonalnie otwiera lub przysłania okno tłoczne oraz w
odwrotnym cyklu reguluje okno upustowe.
Innym rozwiązanie regulacji upustowej sprężarek śrubowych jest zastosowanie dwóch
niezależnych suwaków (rys 12).
Rys. 12; Ruchome suwaki do zmiany wydajności i sprężu wewnętrznego sprężarki śrubowej.
Jakub Muszyński, SUChKl, sem IX mgr
8
Przemieszczanie samego suwaka S w kierunku czoła tłocznego powoduje otwarcie okna
upustowego i zmniejszenie wydajności oraz sprężu wewnętrznego. Przemieszczanie samego
suwaka R w kierunku czoła ssawnego zmniejsza również wydajność i spręż wewnętrzny.
Równoczesne przesunięcie suwaków R i S powoduje tylko zmianę sprężu wewnętrznego. Jest
to bardzo znaczne ułatwienie procesu rozruchu sprężarek, szczególnie w przypadku dużych
przemysłowych agregatów śrubowych.
Rys. 13; Sprężarka YORK Sabroe 80, na rysunku widoczne elementy regulacyjne: siłownik i suwaki
upustowe.
5. Podsumowanie.
Idealna regulacja wydajności powinna cechować się następującymi właściwościami:
• Regulacja ciągła
• Jednoczesna proporcjonalna zmiana zapotrzebowania mocy napędowej przy
zmianie wydajności (co bezpośrednio obrazuje rysunek 14)
Rys. 14; Zapotrzebowanie na moc indykowaną dla sprężarek powietrznych przy różnych rodzajach
regulacji wydajności w zależności od stopnia zmniejszenia wydajności;
1 – połączenie tłoczenia ze ssaniem za ostatnim stopniem sprężarki, 2 – połączenie tłoczenia ze ssaniem
za pierwszym stopniem sprężarki, 3 – regulacja przez podwieszenie zaworów ssawnych, 4 – regulacja
przez podłączenie zmiennej przestrzenni szkodliwej, 5 – regulacja zmiany prędkości obrotowej,
6 – regulacja przez stałe podwieszenie zaworów ssawnych w poszczególnych cylindrach.
Jakub Muszyński, SUChKl, sem IX mgr
9
Jak widać z powyższego wykresu najlepszą (najbardziej liniowa charakterystyka)
metoda regulacja są metody regulacji przez zmianę prędkości obrotowej i dołączanie
przestrzeni szkodliwej. Oczywiście nie wszystkie sposoby regulacji można stosować w całym
zakresie. Natomiast regulacja upustowa charakteryzuje się najmniej korzystniejszym
wskaźnikiem zapotrzebowania mocy przy zmniejszaniu wydajności.
Rys. 15, Porównanie ekonomiczne stosowania różnych sprężarek tłokowych;
1 – ON-OFF, 2 – dodatkowa przestrzeń szkodliwa, 3 – podwieszenie zaworów ssawnych, 4 – dławienie
na ssaniu, 5 – upust czynnika z tłoczenia na ssanie.
Najlepszym wskaźnikiem opłacalności stosowania konkretnej metody regulacji jest
zależność jednostkowego zapotrzebowania na moc od stopnia regulacji wydajności. Idealna
metoda byłaby taka, że w trakcie redukowania wydajności nie wzrastałoby zapotrzebowanie
na moc. I jak widać na wykresie 15 najkorzystniejsza jest metoda okresowego włączania i
wyłączania sprężarki. Kolejną metodą byłoby stosowanie dodatkowej przestrzeni szkodliwej.
Ekonomicznie najmniej opłaca się regulacja upustowa. Ale zważywszy na fakt, iż regulacja
upustowa jest stosunkowo prosta w realizacji i przede wszystkim nie wymaga żadnych zmian
konstrukcyjnych w budowie sprężarki, to właśnie ten sposób regulacji stał się bardzo
powszechny w instalacjach chłodniczych.
LITERATURA:
[1]
Białas M.: Sprężarki chłodnicze. Gdańsk: Wydawnictwo PG 2003
[2]
Bonca Z.: Budowa i eksploatacja chłodniczych sprężarek wyporowych.
Gdynia: Wydawnictwo WSM w Gdyni 1993
[3]
materiały firmy YORK, a Johnson Controls Company,
http://www.yorkref.com
Jakub Muszyński, SUChKl, sem IX mgr
10