Racje techniczne wykorzystania rurki kapilarnej lub dyszy w małych

POLITECHNIKA GDAŃSKA
WYDZIAŁ MECHANICZNY
Seminarium z przedmiotu
Automatyka chłodnicza i klimatyzacyjna
TEMAT:
Racje techniczne wykorzystania rurki kapilarnej lub dyszy w
małych urządzeniach chłodniczych i spręŜarkowych pompach
ciepła.
Sławomir Bartosik – semestr 9
SiUChKl
Gdańsk 2010
SPIS TREŚCI
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Rurka kapilarna – budowa
Elementy automatyki regulujące dopływ czynnika chłodniczego do parownika
Zasada działania rurki kapilarnej
Zastosowania
Dobór rurki kapilarnej
MontaŜ i regulacja
Zalety i wady stosowania rurki kapilarnej
Podsumowanie
Literatura
2
1.
Rurka kapilarna – budowa
Jest to najprostszy element dławiący w postaci rurki wykonanej z miękkiej miedzi o
średnicy wewnętrznej rzędu 0,6 – 2,5 mm i długości 0,6 do 6 m. Umieszczony jest pomiędzy
skraplaczem a parownikiem.
Rys. 1. Dwie rurki kapilarne róŜnej długości z wykonanymi flanszami i nakrętkami przyłączeniowymi [6].
Rys. 2. Schemat urządzenia chłodniczego z rurką kapilarną – bez dochłodzenia [3].
1 – spręŜarka, 2 – skraplacz, 3 – parownik, 4 – rurka kapilarna
2.
Elementy automatyki regulujące dopływ czynnika chłodniczego do
parownika
Zadaniem urządzeń regulacyjnych w instalacji chłodniczej jest obniŜenie ciśnienia
czynnika
chłodniczego dopływającego do parownika oraz regulacja jego strumienia masy w
zaleŜności od chwilowych obciąŜeń cieplnych.
Elementy, które mogą pełnić taką funkcję to:
-
rurka kapilarna,
automatyczny zawór rozpręŜny,
termostatyczny zawór rozpręŜny,
elektroniczny zawór rozpręŜny,
zawór pływakowy wysokiego ciśnienia,
zawór pływakowy niskiego ciśnienia.
3
Ponadto w urządzeniu chłodniczym znajduje się szereg urządzeń zabezpieczających przed
nadmiernym wzrostem lub spadkiem ciśnienia (presostaty) i temperatury (termostaty).
3.
Zasada działania rurki kapilarnej
Rurka kapilarna jest najprostszym urządzeniem słuŜącym do obniŜenia ciśnienia przez
dławienie. ObniŜenie ciśnienia i temperatury w zaworze rozpręŜnym odbywa się na lokalnym
zwęŜeniu dyszy, w rurkach kapilarnych zmiany ciśnienia następują na określonej długości. W
wyniku pokonywania oporów przepływu ciśnienie czynnika obniŜa się i w chwili osiągnięcia
temperatury nasycenia zaczyna odparowywać. Para powiększa objętość właściwą mieszaniny
dwufazowej, wzrasta więc prędkość przepływu a to nasila postępujący spadek ciśnienia i
temperatury.
W celu uzyskania dochłodzenia ciekłego czynnika, rurka kapilarna często jest
przylutowana na pewnej długości do ścianki przewodu ssawnego spręŜarki.
Rys. 3. Schemat urządzenia chłodniczego z rurką kapilarną – z dochłodzeniem [3].
1 – spręŜarka, 2 – skraplacz, 3 – parownik, 4 – rurka kapilarna
Z poniŜszego wykresu obrazującego spadek ciśnienia w rurce kapilarnej wynika, Ŝe bez
dochłodzenia rurki (krzywa 1-2-3) temperatura ciekłego czynnika przepływającego przez nią jest
praktycznie stała, wrzenie rozpoczyna się w punkcie 2. Całkowity spadek ciśnienia wynosi:
∆pA= p1- p3
W przypadku dochłodzenia (krzywa 1-2’-3’) początek wrzenia rozpoczyna się w punkcie 2’.
Ciśnienie na wylocie z rurki kapilarnej jest wyŜsze ze względu na występowanie zwiększonych oporów
przepływu na krótszym odcinku. Całkowity spadek ciśnienia wynosi:
∆pB= p1- p3’
Całkowity spadek ciśnienia w rurce z dochłodzeniem jest mniejszy. Dochłodzenie powoduje
zwiększenie strumienia masy czynnika chłodniczego przepływającego przez rurkę.
Rys. 4. Spadek ciśnienia czynnika chłodniczego w rurce kapilarnej (z dochłodzeniem i bez dochłodzenia).
Zadaniem regulacji pracy parownika jest utrzymanie w nich stałego ciśnienia, stałego poziomu
ciekłego czynnika lub zapewnienie odpływu gazowego czynnika z parownika w stanie przegrzania (czyli
niedopuszczenie przelania się ciekłego czynnika do rurociągów ssawnych). Zastosowanie elementów
4
dławiących o stałym przekroju, a przekroju szczególności rurek kapilarnych pozwoliło na moŜliwość
samoregulacji układu.
Rys. 5. Schemat zasilania parownika rurką kapilarną oraz wykres spadku wydajności przy odchyleniu
od obciąŜenia warunków pracy.
Po wyłączeniu spręŜarki cała ciecz zbiera się po stronie niskiego ciśnienia, tj. w parowniku. Aby
zabezpieczyć spręŜarkę przed uderzeniem cieczowym, układ chłodniczy napełnia się czynnikiem
chłodniczym w ilości powodującej wypełnienie w 90% parownika. Natomiast rurkę kapilarną dobiera
się tak, aŜeby średnie obliczeniowe masowe natęŜenie przepływu ciekłego czynnika przez rurkę
kapilarną było równe ilości zasysanej pary przez spręŜarkę z parownika; wówczas poziom ciekłego
czynnika w parowniku nie zmienia się. Przy róŜnych od obliczeniowych warunkach pracy
(odpowiednim obniŜeniu temperatury i ciśnienia w skraplaczu) ilość przepływającego przez kapilarę
czynnika chłodniczego zmniejsza się, natomiast moc chłodnicza wzrasta. W czego wyniku poziom
czynnika w parowniku zaczyna opadać. W tym przypadku strumień cieplny płynący do parownika
maleje, jednocześnie obniŜając poziom czynnika w parowniku z A do A1 i powodując podniesienie
poziomu czynnika w skraplaczu z B do B1. Poprzez co powierzchnia pary maleje i ilość przepływającej
przez kapilarę cieczy w wyniku róŜnicy ciśnień wzrasta. Dalsze obniŜanie poziomu ciekłego czynnika w
parowniku zostaje zatrzymane. Przy wzroście temperatury zewnętrznej wydajność maleje, a ilość
przepływającego czynnika wzrasta.
Rys. 6. Wykres ukazujący zdolność rurki kapilarnej do samoregulacji.
5
Gdy ciśnienie i temp. parowania obniŜa się, zmniejsza się jednocześnie strumień masy
czynnika przetłaczanego przez spręŜarkę. Następuje spiętrzenie cieczy w parowniku, kosztem jej ubytku
w skraplaczu. W skrajnym przypadku skraplacz moŜe być całkowicie opróŜniony z ciekłego czynnika, a
zatem rurka kapilarna zasilana jest parą mokrą o relatywnie niskim stopniu suchości. Prowadzi
to z kolei do zwiększenia oporów przepływu przez rurkę i zmniejszenia strumienia masy czynnika
zasilającego parownik. Skutkiem powyŜszego jest zmniejszenie wydajności chłodniczej urządzenia.
W przypadku wzrostu ciśnienia i temp. parowania, rośnie obciąŜenie cieplne skraplacza, gdyŜ
zwiększa się strumień masy czynnika zasysanego przez spręŜarkę. Jednocześnie maleje ilość ciekłego
czynnika wypełniającego skraplacz. W efekcie rośnie ciśnienia skraplania co pociąga za sobą ustalenie
się nowego stanu równowagi.
4.
Zastosowania
Rurka kapilarna znajduje zastosowanie głównie w małych urządzeniach chłodniczych tj. :
-
chłodziarki,
zamraŜarki skrzyniowe,
małe przemysłowe szafy chłodnicze,
pompy ciepła
urządzenia klimatyzacyjne,
klimatyzacja samochodowa.
W pierwszej dekadzie XXI wieku producenci klimatyzatorów indywidualnych zaczęli
zdecydowanie odchodzić od stosowania rurek kapilarnych w tych urządzeniach. Poza oczywistymi
względami ekonomicznymi związanymi z eksploatacją, decydujące znaczenie ma takŜe w tym przypadku
sposób montaŜu tychŜe urządzeń. Element dławiący w większości klimatyzatorów indywidualnych typu
Split znajduje się w obudowie jednostki zewnętrznej, tak więc długość i ilość załamań na drodze od
jednostki zewnętrznej do wewnętrznej, w której znajduje się parownik, decyduje o dodatkowym spadku
ciśnienia. Oznacza to, Ŝe zainstalowanie takiego zestawu musi odpowiadać ściśle narzuconym wymogom
co do długości i ilości załamań ścieŜki chłodniczej. Dla porównania w małych urządzeniach
klimatyzacyjnych tego typu wyposaŜonych w termostatyczny lub elektroniczny zawór rozpręŜny wymogi
te są znacznie mniejsze i w zaleŜności od producenta urządzeń obligują do utrzymania długości ścieŜki
chłodniczej na poziomie od ok. min. 3 m do max. 15 m oraz max. ok. 10 załamań trasy (kolan).
Hipotetycznie, wymagany efekt chłodniczy dla dwóch takich samych urządzeń klimatyzacyjnych
wyposaŜonych w rurkę kapilarną i przy załoŜeniu identycznych warunków otaczających skraplacz i
parownik osiągany byłby w róŜnym czasie, powodem tego byłby róŜny poziom dodatkowego spadku
ciśnienia występującego między rurką kapilarną a parownikiem.
Zdecydowanym argumentem przemawiającym za zastosowaniem rurki kapilarnej w pozostałych
urządzeniach tj.: chłodziarki i zamraŜarki oraz w klimatyzacji samochodowej jest jej niezawodność
działania osiągana przez prostą konstrukcję. Aplikacja rurki kapilarnej w ww. urządzeniach przyczynia
się do ich bezawaryjnej pracy przez okres wielu lat.
6
5.
Dobór rurki kapilarnej
Wstępnego doboru rurki kapilarnej dla układu z danym czynnikiem i o określonym
dochłodzeniu moŜna dokonać za pomocą nomogramu.
Rys. 7. Przykład nomogramu do doboru rurki kapilarnej [3].
MoŜliwy jest równieŜ dobór długości rurki kapilarnej za pomocą wzoru :
lk = 0,121*10-9*dk5*pk2*po-1,8*Vo-2,26 [m],
gdzie:
lk - długość rurki kapilarnej [m],
dk - wewnętrzna średnica rurki kapilarnej [mm],
po - bezwzględne ciśnienie parowania [MN/m2],
pk - bezwzględne ciśnienie skraplania [MN/m2],
Vo – przepływ objętościowy czynnika.
W znacznej ilości przypadków właściwy i ostateczny dobór rurki kapilarnej bazuje na najprostszej
i najskuteczniejszej metodzie eksperymentalnej.
Wpływ na spadek ciśnienia w rurce kapilarnej poza wymiarami geometrycznymi (długość i
średnica wewnętrzna) ma takŜe stan powierzchni wewnętrznej rurki (m.in. jej chropowatość). Nadmierna
chropowatość prowadzi do odkładania się zanieczyszczeń na powierzchni wewnętrznej rurki, a to z kolei
do zmniejszenia jej efektywnej średnicy wewnętrznej.
W urządzeniach ze zbiornikiem ciekłego czynnika za skraplaczem stopień samoregulacji
gwałtownie maleje, tak Ŝe przy obniŜaniu się poziomu ciekłego czynnika w parowniku poziom cieczy w
skraplaczu i ciśnienie rosną bardzo wolno. W związku z tym ilość przepływającej cieczy przez rurkę
kapilarną nie wzrasta i praca urządzenia moŜe być nieefektywna. Z tego powodu w układach z rurką
kapilarną nie stosuje się zbiorników ciekłego czynnika.
7
Rys. 8. Przepustowość rurki kapilarnej w funkcji stosunku ciśnienia parowania do ciśnienia
skraplania [3].
W praktyce często zdarza się, Ŝe rurka kapilarna pracuje w tak zwanym stanie zatkania, czyli na
końcu rurki osiągana jest lokalna prędkość dźwięku i przepływ staje się krytyczny. Zjawisko to oznacza,
Ŝe niezaleŜnie od dalszego spadku ciśnienia w parowniku, rurka nie jest w stanie przepuścić więcej
czynnika chłodniczego. Oczywiście wystąpienie tej sytuacji w urządzeniu jest szkodliwe, rurka bowiem
traci wówczas swoje własności regulacyjne. W związku z tym zaleca się by geometria rurki była tak
dobrana, aby przepływ czynnika nie był nasycony. UmoŜliwia to wówczas samoczynną regulację
strumienia masy czynnika w zaleŜności od ciśnień panujących w skraplaczu oraz w parowniku.
6.
MontaŜ i regulacja
Podczas napraw urządzeń z rurką kapilarną, dla uniknięcia zaczopowania, naleŜy podczas
kaŜdego rozhermetyzowania instalacji wymienić filtr-odwadniacz. Ponadto naleŜy pamiętać by
filtr-odwadniacz montowany przed rurką kapilarną był umiejscowiony skośnie do góry, w innym
przypadku moŜe działać on jako zbiornik, a więc obniŜyć zdolność samoregulacji lub doprowadzić
do zmian w ilości przepływającego czynnika. Na końcu parownika naleŜy zawsze przewidzieć
syfon, w którym ew. mógłby zbierać się ciekły czynnik chłodniczy. SpręŜarka będzie wtedy
chroniona przed jego zassaniem. Przy zmianie długości rurki kapilarnej naleŜy postępować
bardzo ostroŜnie, poniewaŜ bezwładność czasowa dla osiągnięcia stanu równowagi jest układu
jest dość duŜa.
7.
Zalety i wady stosowania rurki kapilarnej
Zalety:
-
prosta konstrukcja,
niskie koszty wykonania,
niezawodność działania,
zmniejszenie momentu rozruchowego silnika napędzającego spręŜarkę dzięki
zastosowaniu rurki kapilarnej, która przyczynia się do wyrównania ciśnienia między
stroną tłoczną i ssawną.
Wady:
- nieekonomiczna praca urządzenia przy zmiennych obciąŜeniach cieplnych,
- duŜa czułość urządzenia na zmiany ilości czynnika chłodniczego,
- ryzyko zatkania brudem, nagarem olejowym (przeciwdziałanie – stosowanie filtrów).
8
8.
Podsumowanie
•
•
•
•
•
•
•
9.
Rurka kapilarna najlepiej się sprawdza w urządzeniach chłodniczych małej mocy o mocno
zawęŜonych warunkach pracy, gdzie nie jest uzasadnione stosowanie bardziej
wyrafinowanych rozwiązań. W innych przypadkach współpraca urządzenia chłodniczego z
rurką kapilarną moŜe okazać się nieefektywna. Prowadzi to do spadku współczynnika
wydajności chłodniczej. Prawdopodobne jest wtedy skrócenie czasu postoju urządzenia, co
wiąŜe się ze zwiększeniem częstotliwości jego załączeń, a to prowadzi do obniŜenia
trwałości spręŜarki.
Prostota i duŜa niezawodność są głównymi argumentami, które przemawiają za
zastosowaniem rurek kapilarnych w domowych chłodziarkach czy klimatyzacji
samochodowej.
Układ chłodniczy z rurką kapilarną jest bardzo wraŜliwy na poziom napełnienia
odpowiednią ilością czynnika chłodniczego.
Geometria rurki powinna być tak dobrana, by przepływ czynnika nie był nasycony,
umoŜliwia to wówczas samoczynną regulację strumienia masy czynnika w zaleŜności od
ciśnień panujących w skraplaczu i parowniku.
Koszt wykonania rurki kapilarnej jest wielokrotnie niŜszy od ceny innych urządzeń
dławiących.
W porównaniu z elektronicznym zaworem rozpręŜnym, który stoi po przeciwnej stronie
skali technologicznego zaawansowania, dana rurka kapilarna, podobnie jak i
termostatyczny zawór rozpręŜny, nie jest kompatybilna z dowolnym czynnikiem
chłodniczym.
Zastosowanie rurki kapilarnej w urządzeniu chłodniczym umoŜliwia zmniejszenie
momentu rozruchowego silnika spręŜarki tłokowej.
Literatura
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Fodemski T. R.: Domowe i handlowe urządzenia chłodnicze. Poradnik
Gutkowski K.M., Butrymowicz D.J.: Chłodnictwo i klimatyzacja, WNT, Warszawa 2007
Ullrich H.-J.: Technika chłodnicza. Poradnik. Tom 1, IPPU Masta, Gdańsk 1998
Wesołowski A., Dworski F.: „Automatyka urządzeń chłodniczych”
Chłodnictwo & Klimatyzacja nr 8 (133) / 2009
Iglotech.pl
9