Ocena wpływu poślizgu temperaturowego mieszanin zeotropowych

POLITECHNIKA GDAŃSKA
Katedra Techniki Cieplnej
SEMINARIUM Z CHŁODNICTWA
Ocena wpływu poślizgu temperaturowego mieszanin
zeotropowych na warunki pracy wentylatorowej chłodnicy
powietrza.
Michał Szajner
Wydział Mechaniczny
SMUCHiKL
Rok alkadem. 2006/2007
Spis treści
1. Definicja czynnika zeotropowego i poślizgu temperaturowego
2. Przykłady czynników chłodniczych wykazujących poślizg temperaturowy
3. Dobór chłodnicy dla czynnika jednorodnego i zeotropowego
4. Dobór termostatycznego zaworu rozpręŜnego dla czynnika jednorodnego i
zeotropowego
5. Wnioski
6. Źródła
1. Definicja czynnika zeotropowego i poślizgu temperaturowego
Czynniki zeotropowe (w skrócie ZEO) są mieszaninami o określonym składzie
procentowym kilku czynników jednoskładnikowych o znacznie zróŜnicowanej lotności
(lotność czynnika określa jego zdolność do przechodzenia z fazy ciekłej w parową przy
ogrzewaniu; jest ona tym wyŜsza, im niŜsza jest jego temperatura wrzenia przy danym
ciśnieniu), zmieniającymi swój skład przy zmieniającej się temperaturze wrzenia i skraplania
– przy stałym ciśnieniu nasycenia.
Poślizg temperaturowy jest to całkowita zmiana temperatury nasycenia przy przemianie
fazowej czynników ZEO przy stałym ciśnieniu.
Poślizg temperaturowy czynnika jest zjawiskiem niekorzystnym w warunkach pracy
wentylatorowej chłodnicy powietrza. Korzyści z tego zjawiska moŜna osiągnąć jedynie przy
duŜych wartościach poślizgu (>20K), gdy w przeciwprądzie ochładza się płyny w parowniku
lub ogrzewa w skraplaczu, np. duŜe grzewcze pompy ciepła stosowane do podgrzewania
wody w układach CO oraz dla celów higieniczno – sanitarnych, a takŜe zakłady chemiczne,
petrochemiczne spoŜywcze oraz zakłady skraplania gazu. Niedostępne są one przy małej
róŜnicy temperatur pomiędzy czynnikami wymieniającymi ciepło (∆T=5-10K).
Zjawisko poślizgu w warunkach pracy chłodnicy powoduje, Ŝe proces parowania nie jest
izotermiczny, co oznacza Ŝe temperatura na wyjściu z parownika jest wyŜsza od temperatury
na jego wejściu. Zjawisko to ilustruje poniŜszy wykres. Warto zauwaŜyć, Ŝe rzeczywista
róŜnica temperatur nie jest równa poślizgowi (∆t0), a jedynie jego części (t1-t4), poniewaŜ do
parownika nie dopływa ciecz tylko para mokra (4).
2
2. Przykłady czynników chłodniczych wykazujących poślizg temperaturowy
PoniŜsza tabela przedstawia trzy przykłady mieszanin zeotropowych. Największym
poślizgiem charakteryzuje się czynnik z grupy HCFC – R 409A, najniŜszym natomiast R
407C, który jest czynnikiem grupy HFC. Ciekawostką jest mieszanina propanu i izobutanu –
czynnik naturalny CARE 30. W tabeli poza podstawowymi własnościami i zastosowaniem
przedstawiono takŜe normalne temperatury wrzenia poszczególnych składników tych
mieszanin. Zestawienie to wskazuje, Ŝe wartość poślizgu temperaturowego nie wynika
bezpośrednio z róŜnicy temperatur parowania składnika najmniej i najbardziej lotnego.
Czynnik
Skład mieszaniny
Masa cząsteczkowa
[kg/kmol]
Temperatura
krytyczna [ºC]
Ciśnienie krytyczne
[bar]
Gęstość krytyczna
[kg/m3]
R 409A
R 22 / R 124 / R
142b (60/25/15)
R 407C
R 32 / R 125 / R
134a (23/25/52)
CARE 30
R 290 /R600a (50/50)
+/– 10%
97,4
86,2
b.d.
107
87,3
106
46
46,2
34
518
515,78
b.d.
3
Normalna
temperatura
wrzenia [ºC]
- 34,2
R 22: - 41,08
R124: - 12,1
R 142b: - 9,8
- 43,4
R 32: - 51,7
R 125: - 48,8
R 134a: - 26,4
- 31,5
R 290: - 42,9
R 600a: - 11,6
Poślizg
temperaturowy
przy ciśnieniu 1,013
bar [K]
ODP
8,5
7,2
7,8
0,048
0
GWP
1440
1600
Zamiennik za
R 12
Sprzęt domowy,
maszyny
do lodów,
chłodziarki
do napojów,
urządzenia do
przechowywania
Ŝywności – małe,
średnie i duŜe
– chłodnictwo
do średnich
temperatur
odparowania
R 22
0
3
(przy ITH = 100 lat)
R 12
Zastosowanie
Klimatyzacja
przemysłowa,
przyokienna
i inne
zastosowania
– chłodnictwo
do średnich
i niskich
temperatur
odparowania
Domowe, handlowe i
samochodowe
urządzenia średnio i
wysokotemperaturowe
(w przyszłości)
3. Dobór chłodnicy dla czynnika jednorodnego i zeotropowego
Dobór wentylatorowej chłodnicy powietrza dla czynnika zeotropowego nie róŜni się w
zasadzie niczym od doboru dokonywanego dla czynnika jednorodnego. W zastosowaniach
przemysłowych poślizg ten ma znaczenie marginalne. PoniŜej przedstawiono przykłady
doboru chłodnic marki ECO dla czynników R 22 oraz R 407C dokonany dla tych samych
warunków pracy urządzeń. Dobór dla pierwszego z nich został dokonany przy uŜyciu
wykresu do szybkiego doboru chłodnic, dla drugiego natomiast za pomocą programu
doborowego producenta. Uzyskane wyniki potwierdzają niewielkie znaczenie poślizgu, gdyŜ
w obu przypadkach wskazany został ten sam model chłodnicy.
W celu dokonania prawidłowego doboru urządzenia naleŜy określić następujące parametry:
•
ObciąŜenie cieplne komory
•
Temperaturę w komorze
4
•
TD (∆T) czyli róŜnicę temperatur pomiędzy temperaturą w komorze a temperaturą
parowania czynnika lub temperaturę parowania czynnika
•
Rodzaj czynnika chłodniczego
W pierwszym przypadku przyjmijmy, Ŝe są to:
ObciąŜenie cieplne komory = 1,5 kW
Temperatura w komorze = +1°C
TD = 8K
Rodzaj czynnika chłodniczego: R 22
Korzystając z wykresu szybkiego doboru dla serii chłodnic EP w prosty sposób
uzyskujemy rozwiązanie, z którego wynika, Ŝe w tym przypadku naleŜy zastosować chłodnicę
typu EP 200.
5
W drugim przypadku:
ObciąŜenie cieplne komory = 1,5 kW
Temperatura w komorze = +1°C
TD = 8K
Rodzaj czynnika chłodniczego: R 407C
Wprowadzając do programu doborowego powyŜsze dane w odpowiedzi otrzymamy
wybrany model chłodnicy. Wyznaczona przez program temperatura wrzenia jest szacunkową
średnią temperaturą parowania czynnika i na jej podstawie wg niektórych producentów
dokonywany jest dobór termostatycznego zaworu rozpręŜnego. Wybrany przez program
model chłodnicy jest identyczny jak w przypadku pierwszym i jest to model EP 200.
6
4. Dobór termostatycznego zaworu rozpręŜnego dla czynnika jednorodnego
i zeotropowego
Dla poprawnego doboru termostatycznego zaworu rozpręŜnego muszą być znane następujące
czynniki:
•
wydajność chłodnicza (Q0)
•
efektywna róŜnica ciśnienia na termostatycznym zaworze rozpręŜnym (Dp)
(uwzględniająca wszystkie inne moŜliwe spadki ciśnienia: spadki ciśnienia w parowniku,
osuszaczu, zaworze elektromagnetycznym, dystrybutorze cieczy...)
•
temperatura/ciśnienie parowania
•
najniŜsza moŜliwa temperatura/ciśnienie skraplania
•
temperatura cieczy
•
typ czynnika chłodniczego
W przypadku czynników jednorodnych nie ma problemów z określeniem tych wartości.
Gdy mamy do czynienia z czynnikami zeotropowymi pojawiają się pewne komplikacje
związane z ustaleniem wartości temperatury parowania, która jak wiadomo wzrasta podczas
trwania procesu. W zaleŜności od producentów zaworów róŜne są ich podejścia do tego
problemu. Jedni, jak np. Danfoss, zalecają przeprowadzanie doboru w sposób tradycyjny,
podstawiając za wartość temperatury wrzenia średnią temperaturę z początku i końca procesu.
Inni natomiast, np. Alco Controls, uŜywają wartości temperatury nasycenia oraz
odpowiednich współczynników korekcyjnych. PoniŜej przedstawiony został przykład doboru
termostatycznego zaworu rozpręŜnego marki Alco Controls dokonany według zaleceń
producenta dla układu pracującego z czynnikiem R 407C.
7
8
5. Wnioski
Stosowanie czynników zeotropowych w warunkach pracy wentylatorowej chłodnicy
powietrza nie przynosi Ŝadnych korzyści, a nawet stwarza pewne komplikacje związane z
regulacją układu. Jak wskazują powyŜsze przykłady w chwili obecnej nie stanowią one
jednak problemu. Większość producentów, zarówno chłodnic wentylatorowych, jak i
termostatycznych zaworów rozpręŜnych, uwzględnia w swoich programach doborowych oraz
katalogach czynniki zeotropowe i oferuje narzędzia i algorytmy do prawidłowego doboru
urządzeń dla układów pracujących z tymi czynnikami.
6. Źródła
[1] Bonca Z., Butrymowicz D., Dambek D., Depta A., Targański W.: Czynniki
chłodnicze i nośniki ciepła. Wyd. Masta, Gdańsk 1997.
[2]
Bonca Z., Butrymowicz D., Targański W., Hajduk T.: Nowe czynniki
chłodnicze i nośniki ciepła. Wyd. Masta, Gdańsk 2004.
[3]
Katalogi firm: Danfoss, Eco, Alco Controls
[4]
www.copeland.pl
[5]
www.danfoss.pl
[6]
www.termo-schiessl.pl
9