Racje techniczne wykorzystania rurki kapilarnej lub dyszy w małych

POLITECHNIKA GDAŃSKA
WYDZIAŁ MECHANICZNY
AUTOMATYKA CHŁODNICZA
TEMAT:
Racje techniczne wykorzystania rurki kapilarnej lub dyszy
w małych urządzeniach
chłodniczych i sprężarkowych pompach ciepła
Mateusz Dudziak
Sem.IX
SUCh i Kl
1
Spis treści:
1. Elementy automatyki regulujące dopływ czynnika chłodniczego do
parownika…………………………………………………………………….….3
2. Rurka kapilarna – definicja……………………………………………...……3
3. Zasada działania rurki kapilarnej (dyszy)………………………….………….3
4. Wady / zalety stosowania rurek kapilarnych………………………………….6
5. Podsumowanie………………………………………………………………...6
6. Spis literatury………………………………………………………………….7
2
1. Elementy automatyki regulujące dopływ czynnika chłodniczego do
parownika
Elementy takie maja za zadanie tak wyregulować strumień czynnika chłodniczego
w ilości zgodnej z chwilowym obciążeniem cieplnym parownika, aby uzyskać stan
równowagi z ilością pary odsysanej z tego wymiennika przez sprężarkę. Elementy pełniące
taką funkcję:
a) rurka kapilarna (dysza),
b) automatyczny zawór rozprężny,
c) termostatyczny zawór rozprężny,
d) elektroniczny zawór rozprężny,
e) zawór pływakowy wysokiego ciśnienia,
f) zawór pływakowy niskiego ciśnienia.
2. Rurka kapilarna - definicja
Rurka kapilarna stanowi najprostszy element dławiący wykorzystywany do regulacji
przepływu czynnika chłodniczego. Jest to odcinek rurki wykonanej z miękkiej stali
(najczęściej miedzi) o długości od 0,6 do 6 m oraz średnicy w granicach od 0,7 do 2,5 mm.
Strumień przepływającego czynnika zależy od długości rurki, jej średnicy wewnętrznej,
gładkości powierzchni, różnicy ciśnień na wejściu i wyjściu, gęstości użytego oleju oraz
własności samego czynnika. Rurki tego typu używane są powszechnie w małych, domowych
chłodziarkach.
3. Zasada działania rurki kapilarnej (dyszy)
Wydatek rurki kapilarnej w pewnych granicach samoczynnie dopasowuje się do
nieznacznych zmian obciążenia cieplnego parownika. Jeżeli do parownika dopływa zbyt mała
ilość czynnika, to gromadzi się on w skraplaczu, zmniejszając przestrzeń parową tego
wymiennika, co z kolei powoduje wzrost strumienia masowego, dopływającego do części
niskociśnieniowej urządzenia.
3
W czasie pracy układu, wraz z obniżeniem ciśnienia parownika, zmniejszeniu ulega
strumień czynnika przetłaczanego przez sprężarkę. Stan równowagi jest zachwiany, ponieważ
ciecz spiętrza się w parowniku kosztem jej ubytku w skraplaczu. W skrajnym przypadku
skraplacz może być całkowicie opróżniony 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 powyższego jest zmniejszenie wydajności chłodniczej
urządzenia. W przypadku wzrostu ciśnienia i temp. parowania, rośnie obciążenie cieplne
skraplacza, gdyż zwiększa się strumień masy czynnika zasysanego przez sprężarkę.
Jednocześnie maleje ilość ciekłego czynnika wypełniającego skraplacz. W efekcie rośnie
ciśnienia skraplania co pociąga za sobą ustalenie się nowego stanu równowagi (rys.1).
Niekiedy, aby uzyskać dochłodzenie ciekłego czynnika, rurka kapilarna przylutowana
jest na pewnej długości do ścianki przewodu ssawnego sprężarki (rys.1). Tworzy się w ten
sposób regeneracyjny wymiennik ciepła. Ze skraplacza ciekły czynnik chłodniczy przepływa
pod ciśnieniem skraplania do rurki kapilarnej. Następuje tworzenie się pęcherzyków pary na
skutek spadku ciśnienia zwiększa objętość strumienia czynnika, a zatem zwiększa się
również jego prędkość.
Rys.2. schemat ideowy zastosowania rurki kapilarnej bez dochłodzenia.
Spadek ciśnienia czynnika w rurce z chłodzeniem i bez chłodzenia w zależności od jej
długości pokazany jest na rys. 3. Na skutek pokonywania oporów przepływu ciśnienie
czynnika w rurce stopniowo obniża się, w chwili osiągnięcia wartości odpowiadającej
temperaturze nasycenia czynnik zaczyna odparowywać. W wyniku gwałtownego wzrostu
objętości czynnika w układzie dwu fazowym wzrasta prędkość przepływu, a zatem i opory
przepływu.
Dla wariantu bez dochłodzenia temperatura ciekłego czynnika przepływającego przez
nią jest praktycznie stała, wrzenie rozpoczyna się w punkcie 2 . Całkowity spadek
ciśnienia w rurce wynosi:
ΔpA=p1-p3
W przypadku gdy mamy do czynienia z dochłodzeniem, początek parowania
występuje w większej odległości od wlotu rurki, mianowicie w punkcie 2’. Ciśnienie
końcowe na wylocie z rurki jest w tym przypadku wyższe z uwagi na to, że na
krótszym odcinku występują zwiększone opory przepływu i wynosi ono p3’. Wówczas
całkowity spadek ciśnienia jest równy
ΔpB=p1-p3’
4
Skąd wynika że:
ΔpA> ΔpB
Wynika z tego, że dochłodzenie powoduje zwiększenie przepływu czynnika chłodniczego
przez rurkę
Rys.3. Spadek ciśnienia w rurce kapilarnej w zależności od odległości
Po wyłączeniu sprężarki z ruchu, w instalacji z rurką kapilarna stopniowo wyrównuje
się ciśnienie i cały ciekły czynnik zbiera się w parowniku. Aby w tej sytuacji, w momencie
rozruchu, zabezpieczyć sprężarkę przed uderzeniem hydraulicznym, napełnia się obieg
czynnikiem chłodniczym w ilości 90% pojemności wewnętrznej parownika.
Rys.4. Zdolność rurki kapilarnej do samoregulacji
W urządzeniach ze zbiornikiem ciekłego czynnika za skraplaczem stopień
samoregulacji gwałtownie maleje, tak że przy obniżaniu 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 może być
nieefektywna. Z tego powodu w układach z rurką kapilarną nie stosuje się zbiorników
ciekłego czynnika.
5
4. Wady / zalety stosowania rurek kapilarnych
Zalety:
- prosta konstrukcja
- niezawodność działania
- niskie koszty wykonania
- wyrównanie ciśnienia podczas postoju (zmniejszenie momenty rozruchowego sprężarki)
Wady:
- nieekonomiczna praca urządzenia przy zmiennych obciążeniach cieplnych
- duża czułość na zmiany ilości czynnika chłodniczego
5. Podsumowanie
Zastosowanie rurek kapilarnych (dysz) jest uzasadnione w małych urządzeniach
chłodniczych oraz sprężarkowych pompach ciepła, w których to zadane parametry pracy nie
ulegają gwałtownym zmianom. W urządzeniach tych użycie takiego urządzeń sterujących jest
wystarczające. Nie jest konieczne w takim przypadku montowanie innych elementów
automatyki do zasilania parowników, które są dużo droższe. Jeżeli natomiast warunki pracy
urządzenia zmieniają się w szerokich granicach, jego praca z rurką kapilarna staje się
nieefektywna. Wtedy wydajność chłodnicza spada, a czasy postoju urządzenia ulegają
skróceniu, co przenosi się bezpośrednio na trwałość sprężarki.
Nie ekonomiczne natomiast jest użycie rurki kapilarnej w urządzeniach chłodniczych
średniej i dużej mocy, gdyż koszt doskonalszych elementów automatyki nie jest aż tak duży
w porównaniu do całego urządzenia. Innym powodem jest również to, że dla takich urządzeń
wymagania co do szybkości reagowania na zmiany obciążenia parownika są często większe,
których rurka kapilarna bądź dysza nie są w stanie spełnić.
6
6. Spis literatury:
- „Technika chłodnicza - poradnik" Hans - Jurgen Ullrich tom.1
- „Automatyk chłodnicza i klimatyzacyjna” Zenon Bonca
- „Technika chłodnicza i klimatyzacyjna" nr 1 i 6, 1996
7