Racje techniczno-użytkowe stosowania płynnej regulacji wydajności

Politechnika Gdańska
Wydział Mechaniczny
Katedra Energetyki i Aparatury Przemysłowej
Seminarium z Automatyki Chłodniczej
Temat: 2. Racje techniczno-użytkowe stosowania płynnej regulacji
wydajności chłodniczej w urządzeniach o mocy do 1 kW
Semestr IX, SUChiKl
wydz. Mechaniczny
Lewioski Arkadiusz
Plan pracy
1. Dlaczego stosujemy regulacje wydajności urządzeo chłodniczych?
2. Regulacja pracą skraplacza
3. Współpraca sprężarki i parownika
4. Regulacja pracą parownika
5. Regulacja pracą sprężarki
a. Praca przerywana
b. Zmiana prędkości obrotowej wału sprężarki
c. Dławienie czynnika na ssaniu
d. Połączenie strony ssawnej z tłoczną
e. Dodatkowa przestrzeo szkodliwa
f. Zestawienie metod regulacji wydajnością sprężarki
6. Podsumowanie
7. Bibliografia
1. Dlaczego stosujemy regulacje wydajności urządzeo chłodniczych?
Urządzenia chłodnicze powinny byd projektowane z uwzględnieniem najwyższych temperatur
otocznia oraz maksymalnego obciążenia cieplnego (wypełnienie towarem czas pracy, zyski ciepła
przez przegrody). Takie warunki pracy spotyka się jednak niezwykle rzadko, dlatego też sprężarka
skraplacz i parownik są przewymiarowane. Zmieniające się warunki otocznia powodują, że stan
równowagi jest stale zakłócany.
Zadaniem regulacji jest utrzymywanie na stałym poziomie wymaganych warunków pracy np.
temperatury w komorze, przy czym stan elementów składowych regulatora jest stale dopasowywany
do zmieniających się warunków otoczenia.
Jeszcze przed kilkunastoma laty regulację układu chłodniczego wykonywał ręcznie
przeszkolony personel. Dopiero po wprowadzeniu automatycznych elementów regulujących uczyniło
takie urządzenia niezależnym.
Regulację wydajności urządzeo chłodniczych można uzyskad wpływając na pracę każdego z 3
jego podstawowych elementów składowych, mianowicie:



Regulację pracy sprężarki
Regulację pracy parownika (poprzez zasilanie parownika współpracującym z nim
zaworem rozprężnym)
Regulację pracy skraplacza
2. Regulacja pracą skraplacza
Regulacja pracy skraplacza odbywa się najczęściej na drodze obniżenia przepływu medium
chłodzącego gorące pary czynnika, bądź też poprzez zmniejszenie powierzchni wymiany ciepła. W
przypadku gdy mamy do czynienia ze skraplaczem powietrznym najchętniej stosowanym sposobem
jest zmiana prędkości obrotowej wentylatorów lub też odłączenie części z nich. W skraplaczach
wodnych w celu zmniejszenia wydajności cieplnej obniża się ilośd wody chłodzącej.
Wszystkie te metody regulacji wydajności stosowane są głównie w celu zachowania ciśnienia
skraplania na odpowiednim poziomie (np. w przypadku wybitnie korzystnych warunków zimowych,
gdy temperatura powietrza zewnętrznego jest bardzo niska) umożliwiając prawidłowe działanie
instalacji. Regulacji pracą skraplacza nie stosuje się do obniżenia wydajności chłodniczej w przypadku
mniejszego zapotrzebowania na „chłód” przez komorę chłodniczą, ponieważ nie wpływa ona na
obniżenie kosztów eksploatacyjnych.
Z powyższego akapitu wynika, że możemy wykluczyd regulację pracy skraplacza w szczególności,
jeżeli mówimy o nie dużym urządzeniu, w którym ciepło odprowadzane jest najczęściej na drodze
swobodnej (konwekcyjnej) wymiany z powietrzem otaczającym urządzenie, bez użycia wentylatorów.
3. Współpraca sprężarki i parownika
Współpraca parownika ze sprężarką jest niezwykle istotna w działaniu całego układu
chłodniczego. Nominale warunki pracy (Q0, T0, Tw) odpowiadają optymalnej pracy sprężarki w żądanej
temperaturze środowiska chłodzonego TW i temperaturze odparowania T0. Zmniejszenie obciążenia
cieplnego, równoznaczne ze zmniejszeniem wydajności chłodniczej, powoduje przesunięcie się
punktu pracy w lewo (pkt1). Pociąga to za sobą obniżenie temperatury parowania, jak i temperatury
środowiska chłodzonego.
Konsekwencją samoregulacji są wahania temperatury środowiska chłodzonego (często
niedopuszczalne) oraz zmniejszenie sprawności sprężarki lub mocy napędowej. Wpływa to
niekorzystnie na wskaźniki ekonomiczne urządzenia. W związku z tym układy chłodnicze wymagają
zabiegów regulacyjnych.
Rys.1. Wykres współpracy parownika ze sprężarką *3+.
4. Regulacja pracą parownika
Elementy automatyki regulujące przepływ czynnika chłodniczego ma za zadanie wyregulowad
jego strumieo w ilości zgodnej z chwilowym obciążeniem parownika, aby uzyskad stan równowagi z
ilością pary odsysanej z tego wymiennika przez sprężarkę. Głównymi elementami sterującymi pracą
parownika są:





Rurka kapilarna
Automatyczny zawór rozprężny
Termostatyczny zawór rozprężny
Elektroniczny zawór rozprężny
Pływakowy zawór wysokiego lub niskiego ciśnienia
Wszystkie ww. zawory za wyjątkiem rurki kapilarnej stosowane są najczęściej w instalacjach
dużych i średnich. Głównym powodem wykorzystaniem rurki kapilarnej w instalacjach o małej mocy
jest niewielkie napełnieni czynnikiem, które w przypadku zastosowania zaworów rozprężnych
zmuszałoby do ogromnej ich miniaturyzacji, a zatem dużych kosztów. Kolejną poważną zaletą rurki
kapilarnej jest możliwośd wyrównoważenie ciśnieo przed i za sprężarką podczas jej postoju, dzięki
temu w przypadku uruchomienia agregatu sprężarka startuje na bardzo niskim obciążeniu
rozruchowym. Rurka kapilarna posiada stałą charakterystykę pracy i nie jesteśmy w stanie zmniejszyd
lub zwiększyd jej przepustowości, dlatego też można powiedzied, że jest ona jedynie elementem
dławiący, a regulacja wydajności układu chłodniczego musi odbywad się w inny sposób.
Głównymi przyczynami nie stosowania zaworów rozprężnych w chłodniczych instalacjach
domowych są bardzo małe napełnienie czynnikiem, duża ilośd oleju oraz brak zbiorników, w których
mógłby się gromadzid ciekły czynnik.
5. Regulacja pracą sprężarki
Na rynku istnieje bardzo wiele sposobów regulacji wydajnością sprężarki, natomiast aby możliwe
było znalezienie najlepszej metody regulacji pracą sprężarki w agregacie chłodniczym o mocy do
1kW, należy przede wszystkim zastanowid się, jakie rodzaj sprężarki, z przyczyn technicznoekonomicznych, byłby najbardziej uzasadniony.
Zważywszy na wysoką wartośd ciśnienia tłoczenia w stosunku do ciśnienia ssania (wysoki spręż)
potrzebną w instalacjach chłodniczych, wszystkie sprężarki klasyfikuje się do urządzeo wyporowych.
Sprężarki wyporowe dzieli się głownie na:
 Sprężarki tłokowe
 Sprężarki rotacyjne, do których zalicza się:
o Sprężarki spiralne
o Sprężarki łopatkowe
o Sprężarki śrubowe
o Sprężarki z wirującym tłokiem
Najpopularniejsze ze powodu dużej sprawności i wielu zalet eksploatacyjnych obecnie są sprężarki
śrubowe, spirale oraz tłokowe. Poważną wadą sprężarek z wirującym tłokiem są nie duże ciśnienia
jakie jest w stanie wytworzyd (do 10 bar), jak również wysokie straty mechaniczne na skutek tarcia.
Sprężarki śrubowe – posiadają bardo dużą wydajnośd, nawet przy niewielkich rozmiarach; ich
produkcja jest kosztowna; wykorzystywane głównie w dużych instalacjach; wymagają dużej ilości
oleju oraz układów jego wtrysku. Z tych najmniejsze sprężarki śrubowe mają moc ok. 50 kW.
Sprężarki rotacyjne – mają bardzo wiele zalet i w instalacjach średniej wielkości (5-20kW) również w
zastosowaniach domowych (klimatyzacja, pompy ciepła) z powodzeniem zastępują sprężarki
tłokowe, natomiast koszt ich produkcji jest znacznie większy. Obecnie najmniejsze produkowane
sprężarki rotacyjne rozpoczynają się od 4kW.
Sprężarki tłokowe – najpopularniejsze sprężarki wykorzystywane w instalacjach o każdej wielkości.
W małych chłodziarkach występują one w zamkniętych przestrzeniach razem z silnikiem (sprężarka
hermetyczna), napęd realizowany jest poprzez wał z jednym wykorbieniem, tzw. napęd kulisowy.
Niska cena, prosta budowa i duża wytrzymałośd powoduje, że z tej konstrukcji korzysta się
zdecydowanie najczęściej w małych urządzeniach chłodniczych.
Rys.2. Zakresy mocy i dziedziny stosowanie sprężarek chłodniczych: 1 – klimatyzacja samochodowa, 2 –
chłodnictwo domowe, 3 – klimatyzatory domowe, 4 – klimatyzacja i pompy ciepła, 5 – urządzenia handlowe, 6
– chłodnictwo i klimatyzacja przemysłowa [1].
Metody regulacji parametrów pracy sprężarek można sklasyfikowad według następujących kryteriów:


Regulacja JAKOŚCIOWA - Powoduje zmiany PARAMETRÓW czynnika chłodniczego (ciśnienie
– po i temperatura - to) do których zalicza się głównie:
o Praca przerywana
Regulacja ILOŚCIOWA - Polega na zmianie PRZEPŁYWU czynnika chłodniczego (strumieo
masy - m) do których zalicza się:
o Zmiana prędkości obrotowej
o Dławienie czynnika
o Regulacja upustowa
o Regulacja BY-PASS (połączenie strony ssącej ze stroną tłoczną)
o Zwiększenie przestrzeni szkodliwej
a. Praca przerywana
Regulacja odbywa się za pomocą termostatu, który bezpośrednio wyłącza sprężarkę po
osiągnięciu zadanej temperatury w komorze chłodniczej, bądź pośrednio zamyka zawór
elektromagnetyczny na stronie ssawnej, a presostat minimalny po spadku ciśnienia wyłącza
sprężarkę.
Rys.3. Schemat regulacji wydajności sprężarki chłodniczej przez okresowe wyłączanie silnika pod wpływem
obniżenia ciśnienia ssania: 1 – termostatyczny zawór rozprężny, 2 – parownik, 3 – presostat wysokiego
ciśnienia, 4 – presostat niskiego ciśnienia, 5 – skraplacz, 6 – sprężarka, 7 – silnik elektryczny [1].
Zalety:


Sprężarka przez większośd czasu pracuje na nominalnych parametrach w stanie
ustalonym
Duże przewymiarowanie sprężarki – spory zapas w przypadku dużych, nieprzewidzianych
zysków ciepła
Wady:


duży pobór prądu rozruchowego
nie zbyt duża dokładnośd utrzymania temperatury w komorze
Rys.4. Wykres zmiany temperatury w czasie podczas pracy przerywanej [3].
b. Zmiana prędkości obrotowej wału sprężarki
Zmiana prędkości obrotowej sprężarki jest teoretycznie najbardziej ekonomicznym sposobem
regulacji jej wydajności, ponieważ wraz z jej zmianą następuje równocześnie zmiana mocy i
wydajności. Jeżeli rozważamy duże sprężarki, koszty dodatkowej przekładni, bądź falownika nie są na
tyle duże, aby mogły przeważad do korzyści wynikające ze zmiennej wydajności. Należy jednak
pamiętad, że typowe sprężarki tłokowe nie są przystosowane do znacznego obniżenia prędkości
obrotowych w stosunku do nominalnych.
Zalety:

Eksploatacyjnie najbardziej korzystne w przypadku dużych wydajności chłodniczych i
specjalnie dostosowanych sprężarkach.
Wady:


W przypadku sprężarek nie dostosowanych do warunków obniżenia prędkości
obrotowej: zła obciążalnośd łożysk tocznych, nieprawidłowa praca zaworów, straty
dławienia, niedostateczne podawanie oleju, duże obciążenie wału korbowego;
Duże koszty inwestycyjne.
c. Dławienie czynnika na ssaniu
W przewodzie ssawnym przed sprężarką instaluje się regulator ciśnienia parowania. Stabilizuje
on to ciśnienie, dławiąc strumieo pary zassanej przez sprężarkę. Skutkiem dodatkowego spadku
ciśnienia, zmniejsza się gęstośd pary czynnika chłodniczego przed sprężarką, stąd też ulega
zmniejszeniu strumieo masowy przetłaczanego przez nią czynnika, a zatem maleje wydajnośd
chłodnicza urządzenia.
Zalety:


Prosta budowa systemu sterowania – niskie nakłady inwestycyjne;
Nieskomplikowana obsługa.
Wady:




Niska sprawnośd energetyczna;
Złe warunki chłodzenia silnika;
Wysoka temperatura kooca sprężania;
Możliwośd stosowania w niepełnym zakresie regulacji wydajności chłodniczej.
d. Połączenie strony ssawnej z tłoczną
Tak zwana metoda BY-PASS polega na połączeniu jednym kanałem strony ssącej i tłocznej
sprężarki. Kanał ten jest dławiony zwężką (Zo). Wraz ze wzrostem otwarcia zaworu coraz większa
częśd czynnika ze strony tłocznej powraca na stronę ssawną.
Rys.5. Regulacja wydajności sprężarki po przez połączenie strony ssawnej z tłoczną: Po – ciśnienie na stronie
ssawnej, Pk – ciśnienie na stronie tłocznej, Zo – zwężka, Zz – zawór zwrotny *1+.
Zalety:

Dobre odprowadzenie ciepła z układu
Wady:


Mimo zmniejszenia wydajności chłodniczej sprężarka pracuje na nominalnej prędkości
obrotowej, wymaga to wykorzystania pełnej mocy napędowej;
Duży spadek wydajności powoduje niewielką oszczędnośd energii – bardzo niska sprawnośd
regulacji.
e. Dodatkowa przestrzeo szkodliwa
Zmiana objętości przestrzeni szkodliwej ma wpływ na współczynnik dostarczania sprężarki λ,
a tym samym na objętośd roboczą jej cylindra. Zwiększając objętośd przestrzeni szkodliwej, można
wpływad na wydajnośd chłodniczą bez zmiany temperatury środowiska chłodzonego. W tym celu
wykorzystuje się ruchomy tłok, zmieniając jego położenie powodujemy zmianę objętości przestrzeni
szkodliwej.
Rys.6. Regulacja wydajnośd sprężarki poprzez dołączenie dodatkowej przestrzeni szkodliwej: Ps – ciśnienie na
stronie ssawnej, Pt – ciśnienie na stronie tłocznej, Vo` - Dodatkowa przestrzeo szkodliwa *1+.
Wady:

Metoda mało korzystna ze względów energetycznych
f. Zestawienie metod regulacji wydajnością sprężarki
Jak wynika z wykresu (rys.7 ) metodą regulacji wydajności najkorzystniejszą
energetycznie jest praca przerywana(1). Połączenie ssania z tłoczeniem, czyli tak zwany
BYPASS, już przy niewielki spadku
Rys.7. Zmiana mocy Ne dla wydajności częściowej Qo w stosunku do mocy i wydajności nominalnej (N en, Qon)
przy zastosowaniu różnych sposobów regulacji: 1 – praca przerywana, 2 – dodatkowa przestrzeo szkodliwa, 3 –
podwieszenie zaworów ssawnych, 4 – dławienie na ssaniu, 5 – połączenie ssania z tłoczeniem *1+.
6. Podsumowanie




Regulacja wydajności w urządzeniach chłodniczych każdej wielkości jest niezwykle ważna
w celu zachowania prawidłowych parametrów procesów. Szczególnego znaczenia
nabiera ona w przypadku gdy często występują zmienne warunki pracy.
Regulacje wydajności uzyskuje się poprzez oddziaływanie na pracę sprężarek oraz
parowników. W niedużych i prostych urządzeniach korzysta się jedynie regulując pracę
sprężarek.
W niewielkich urządzeniach chłodniczych najczęściej stosowane są sprężarki tlokowe, dla
których najlepszym sposobem regulacji wydajności jest praca przerywana.
Z powyższych argumentów wynika, że regulacja wydajności małych urządzeo
chłodniczych jest stosowana, natomiast nie jest nią płynna regulacja, a praca
przerywana, która z przyczyn technicznych oraz bilansu kosztów inwestycyjnych i
eksploatacyjnych jest zdecydowanie najkorzystniejsza.
7. Bibliografia
1. L.Cantek, M. Białas; „Sprężarki chłodnicze”; Gdaosk 2003
2. H.J. Ullrich; ”Technika chłodnicza” poradnik tom 1 i 2; MASTA 1998
3. W. Zalewski; „Systemy i urządzenia chłodnicze”; Kraków 2007