Dr inż - Instytut Techniki Cieplnej

LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ
INSTYTUTU TECHNIKI CIEPLNEJ
WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA
I ENERGETYKI
POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ
INSTRUKCJA LABORATORYJNA
Temat ćwiczenia:
BADANIE PROCESÓW TERMODYNAMICZNYCH
W CHŁODZIARCE PAROWEJ SPRĘŻARKOWEJ
JEDNOSTOPNIOWEJ
1.
WPROWADZENIE TEORETYCZNE
Obiegi ziębiarek oraz pomp ciepła należą do grupy obiegów termodynamicznych
lewobieżnych. Najbardziej rozpowszechnionym obiegiem jest obieg parowy sprężarkowy. W
skład takiego obiegu wchodzą cztery urządzenia: sprężarka, skraplacz, zawór dławiący
(regulacyjny) i parowacz, rys. 1, [1].
W każdym z tych urządzeń realizowany jest jeden proces termodynamiczny. Zadaniem
sprężarki jest sprężenie pary czynnika roboczego (na ogół parą wlotową do sprężarki w
rzeczywistych instalacjach jest para lekko przegrzana). W procesie sprężania następuje
podwyższenie temperatury pary do wartości umożliwiającej oddawanie ciepła do otoczenia
lub medium chłodzącego. Po sprężeniu para płynie do skraplacza. Skraplacz jest to
wymiennik ciepła w którym zachodzi w pierwszym etapie schłodzenie pary przegrzanej do
stanu nasycenia, a następnie jej skroplenie. Otrzymane ciepło odprowadzane jest do otoczenia
lub wody chłodzącej. Otrzymaną ciecz (na ogół lekko przechłodzoną) rozpręża się
izentalpowo w zaworze dławiącym do dolnego ciśnienia otrzymując w efekcie parę mokrą o
niskim stopniu suchości. W parowaczu, wskutek pochłaniania ciepła z przestrzeni ziębionej,
zachodzi parowanie pozostałej cieczy wskutek czego stopień suchości pary wzrasta do
wartości 1,0. Na ogół w parowaczu zachodzi także lekkie przegrzanie tej pary. Para ta
następnie zostaje pobrana przez sprężarkę i sprężona do górnego ciśnienia. Obieg ziębiarki
(przy założeniu izentropowego sprężania pary) przedstawiono w układzie T-s na rysunku 2
natomiast obieg rzeczywisty (z adiabatycznym nieodwracalnym sprężaniem pary) w układzie
i-lgp przedstawiono na rysunku 3.
Rys. 1. Schemat obiegu ziębniczego
1-para czynnika roboczego, 2-para przegrzana
sprężona, 3- czynnik roboczy ciekły, 4-para
nasycona sucha lub lekko przegrzana
Rys.2. Obieg ziębiarki parowej sprężarkowej
w układzie T-s z odwracalnym procesem
sprężania
Kruczek T.: Badanie procesów termodynamicznych w chłodziarce parowej
sprężarkowej jednostopniowej, 20.10.2005
2
Rys. 3. Obieg rzeczywisty ziębiarki
parowej sprężarkowej w układzie
współrzędnych i-lg p
2.
CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest:
a) Bezpośrednie zapoznanie się z konstrukcją i budową ziębiarki parowej sprężarkowej,
b) Zapoznanie się z budową i działaniem elementów regulacyjnych i zabezpieczających
instalację przed uszkodzeniem wskutek nadmiernego wzrostu ciśnienia, nidostatecznego
odprowadzania ciepła ze skraplacza, nadmiernego ochłodzenia parowacza,
c) Pomiar parametrów termodynamicznych obiegu ziębiarki parowej sprężarkowej oraz
wyznaczenie podstawowych parametrów charakteryzujących jej pracę.
3.
OPIS STANOWISKA POMIAROWEGO
3.1. Opis stanowiska
Schemat funkcjonalny stanowiska pomiarowego przedstawiono na rysunku 4. Miejsca
pomiaru ciśnień i temperatur zaznaczono na rysunku podając symbole pj oraz tj w miejscach
pomiaru, gdzie indeks „j” oznacza nr punktu pomiarowego.
W skład obiegu ziębiarki wchodzą następujące elementy: 1-sprężarka wraz z
elektrycznym silnikiem napędowym 2, 3-skraplacz chłodzony wodą z sieci, 4-zawór
dławiący, 5-parowacz zasilany płynem chłodniczym Petrygo.
Kruczek T.: Badanie procesów termodynamicznych w chłodziarce parowej
sprężarkowej jednostopniowej, 20.10.2005
3
woda
czynnik chłodniczy (Petrygo)
czynnik roboczy R134a
przewody elektryczne
Rys.4. Schemat stanowiska pomiarowego
1- sprężarka chłodnicza zespolona z silnikiem; 2- silnik elektryczny napędzający sprężarkę
chłodniczą; 3- skraplacz - wymiennik ciepła R134a- woda; 4- zawór dławiący (rozprężny); 5parownik (wymiennik ciepła: R134a- czynnik chłodniczy Petrygo); 6- watomierz pomiaru mocy
silnika sprężarki; 7- watomierz pomiaru mocy grzałki podgrzewacza Petrygo; 8- autotransformator; 9rotametr do pomiaru strumienia Petrygo; 10- zawór regulacyjny; 11- rotametr do pomiaru strumienia
wody; 12- zawór regulacyjny; 13- stabilizator ciśnienia wody chłodzącej z manometrem; 14- pompa
obiegowa Petrygo;15- podgrzewacz płynu chłodniczego; 16- zawór odcinający; 17- zawór regulacyjny
(upuszczający nadmiar Petrygo); 18- zawór odcinający kulowy do wody, do spuszczania Petrygo z
układu
t1-temperatura czynnika R134a przed sprężarką
t5-temperatura wody chłodzącej przed
t2-temperatura czynnika R134a przed skraplaczem skraplaczem
t6-temperatura wody chłodzącej za skraplaczem
(za sprężarką)
t3-temperatura czynnika R134a za skraplaczem
t7-temperatura płynu chłodniczego Petrygo przed
t4-temperatura czynnika R134a przed
parownikiem
parownikiem (za zaworem rozprężnym)
t8 -temperatura płynu chłodniczego Petrygo za
parownikiem
Poniżej przedstawiono sposób działania stanowiska. Po sprężeniu pary w sprężarce 1
(rys. 4) para płynie do skraplacza gdzie ulega ochłodzeniu a następnie skropleniu. Do
chłodzenia skraplacza wykorzystuje się wodę pobieraną z sieci wodociągowej która
przepływa przez zawór odcinający 16, stabilizator ciśnienia 13, rotametr do pomiaru
Kruczek T.: Badanie procesów termodynamicznych w chłodziarce parowej
sprężarkowej jednostopniowej, 20.10.2005
4
strumienia 11, oraz zawór do regulacji strumienia 12. Następnie przepływa przez skraplacz i
odpływa do kanalizacji.
Parowacz 5 zasilany jest płynem chłodniczym Petrygo. Przepływ cyrkulacyjny tego
płynu jest wymuszony za pomocą pompy obiegowej 14. Następnie płyn przepływa przez
rotametr 9. Za rotametrem znajduje się zawór 10 do regulacji strumienia płynu. Nadmiar
płynu jest upuszczany przez zawór 17 (w czasie ćwiczenia nie należy używać tego zaworu,
ponieważ jest to zawór serwisowy). Następnie płyn dopływa do parowacza gdzie ulega
schłodzeniu. Zimny płyn powraca następnie do elektrycznego podgrzewacza 15 skąd jest
pobierany prze pompę obiegową 14. Moc podgrzewacza jest regulowana za pomocą
autotransformatora 8.
W obiegu czynnika roboczego zamontowane jest kilka wzierników umożliwiających
śledzenie przepływu i stanu czynnika roboczego w instalacji.
W załącznikach, na końcu niniejszej instrukcji, znajduje się wykres i-lg p dla czynnika
roboczego R141a, wykres przedstawiający pojemność cieplną Petrygo w funkcji temperatury.
Stanowisko wyposażone jest w następujące mierniki i przyrządy pomiarowe:
a) mierniki do pomiaru temperatury i ciśnienia czynnika roboczego (R141a) w obiegu
ziębiarki w czterech charakterystycznych punktach tego obiegu, rys.4,
b) Rotametr 11 do pomiaru strumienia wody zasilającej skraplacz oraz termoelementy do
pomiaru temperatury t5 wody wlotowej do skraplacza oraz temperatury t6 wody
wylotowej,
c) Rotametr 9 do pomiaru strumienia płynu chłodniczego Petrygo oraz termoelementy do
pomiaru temperatury wlotowej t7 do parowacza oraz temperatury wylotowej t8,
d) Watomierz 7 do pomiaru mocy elektrycznej podgrzewacza Petrygo 15, moc wskazywana
przez ten miernik może być przyjmowana jako wydajność chłodnicza obiegu; otrzymana
wartość może być porównana ze strumieniem ciepła przejmowanym w parowaczu
obliczonym na podstawie strumienia płynu i temperatur t7, t8,
e) Watomierz 6 do pomiaru mocy elektrycznej silnika 2 napędzającego sprężarkę 1, po
uwzględnieniu sprawności agregatu chłodniczego, moc ta służy do obliczenia
wewnętrznej mocy sprężarki.
3.2. Opis układów zabezpieczających
Prezentowane stanowisko ma dość złożoną budowę i narażone jest na uszkodzenie w
przypadku nieumiejętnej eksploatacji. Stanowisko jest wyposażone w pewne układy
zabezpieczające które sterują pracą niektórych elementów oraz zabezpieczające przed
przypadkowym jego uszkodzeniem. Mimo tego zaleca się ostrożność przy jego użytkowaniu.
Układ sterujący pracą zaworu dławiącego – do sterowania pracą zaworu dławiącego
pobierany jest sygnał z końcowego odcinka parownika. Układ ten działa tak aby nie dopuścić
do zamrożenia parownika.
Presostat niskiego i wysokiego ciśnienia – śledzi na bieżąco ciśnienie przed i za
sprężarką. W przypadku nadmiernego obniżenia się ciśnienia (do około 0,05 MPa) przed
sprężarką (np. wskutek niedostatecznego podgrzewania płynu Petrygo lub nadmiernego
ograniczenia przepływu płynu chłodniczego przez parowacz) nastąpi wyłączenie silnika
agregatu chłodniczego. W takim przypadku należy odczekać do ponownego samoczynnego
załączenia się agregatu co nastąpi po przyroście ciśnienia w układzie nastawionym na
presostacie. Silnik agregatu zostanie również wyłączony przy nadmiernym wzroście ciśnienia
za sprężarką (powyżej 3MPa). Nadmierny wzrost ciśnienia za sprężarką może być
spowodowany brakiem dostatecznego chłodzenia skraplacza lub brakiem chłodzenia w ogóle
(spowodowanego brakiem przepływu wody). Po zadziałaniu presostatu i wyłączeniu agregatu
Kruczek T.: Badanie procesów termodynamicznych w chłodziarce parowej
sprężarkowej jednostopniowej, 20.10.2005
5
należy odczekać do jego ponownego samoczynnego załączenia się. Aby przekonać się który
układ zadziałał należy sprawdzić wartości ciśnień przed i za sprężarką.
Nadmierny wzrost temperatury czynnika roboczego za sprężarką – przy nadmiernym
wzroście temperatury sprężanych par (do poziomu ponad 105oC) nastąpi wyłączenie
sprężarki. Przyczyną może być niewystarczające chłodzenie skraplacza, należy zwiększyć
strumień wody chłodzącej. Wyłączenie to jest sygnalizowane zapaleniem się wskaźnika
„Alarm” na panelu dodatkowego miernika temperatury t2 znajdującego się na płycie czołowej
stanowiska. Układ załączy się automatycznie sam po spadku temperatury poniżej wartości
progowej alarmu. Jest to niepożądane, ponieważ ciśnienie par za sprężarką jest jeszcze na
ogół dość wysokie. Próba bezpośredniego uruchomienia może spowodować przeciążenie
silnika sprężarki i wybicie zabezpieczenia nadprądowego (bezpiecznika). Należy zatem na
chwilę wyłączyć agregat i po obniżeniu się ciśnienia za sprężarką załączyć go ponownie.
Zabezpieczenie nadprądowe (bezpiecznik przeciążeniowy) – w skrzynce zasilania
znajduje się bezpiecznik, który może wyłączyć stanowisko przy przekroczeniu dopuszczalnej
wartości prądu.
W układzie zasilania znajduje się również wyłącznik różnicowo-prądowy który wyłączy
zasilanie stanowiska gdy nastąpi upływ prądu na obudowę stanowiska na poziomie wyższym
niż 30 mA.
4.
PRZEBIEG ĆWICZENIA I WIELKOŚCI MIERZONE
Na początku uczestnicy zapoznają się z budową i działaniem stanowiska oraz lokalizacją
aparatury pomiarowej i sterującej. Następnie należy uruchomić stanowisko postępując według
poniższego harmonogramu:
a) Zmniejszyć do zera moc grzałki 15 przekręcając w lewo do oporu pokrętłem
autotransformatora 8,
b) Uruchomić przełącznik miejsc pomiarowych aby w sposób automatyczny przeszukiwane
były wszystkie punkty pomiaru temperatury w kolejności opisanej na rys. 4,
c) Zaworem 16 uruchomić przepływ wody przez stanowisko i nastawić pożądany strumień
za pomocą zaworu 12,
d) Włączyć sprężarkę i pompę obiegową za pomocą włącznika znajdującego się na przednim
panelu stanowiska,
e) Za pomocą zaworu regulacyjnego 10 nastawić pożądany strumień płynu chłodniczego
przepływającego przez parowacz,
f) Nastawić pożądaną moc podgrzewacza płynu chłodniczego za pomocą autotransformatora
8 i obserwując wskazania watomierza 7,
g) Odczekać do osiągnięcia stanu ustalonego obserwując zmiany temperatury w punkcie 2
(temperatura t2),
h) Po osiągnięciu stanu ustalonego (ustalenie się wartości temperatury t2), zanotować
wartości wskazań wszystkich przyrządów pomiarowych:
• wartości temperatur t1÷ t8,
• wartości ciśnień p1÷ p4
• strumienie wody zasilającej skraplacz i czynnika chłodniczego zasilającego parowacz,
• moc podgrzewacza czynnika chłodniczego (watomierz 7) oraz moc zużywaną do
napędu sprężarki (watomierz 6).
a następnie zmienić nastawy (moc podgrzewacza 15) i powtórzyć procedurę pomiarową
(punkty f, g, h).
Kruczek T.: Badanie procesów termodynamicznych w chłodziarce parowej
sprężarkowej jednostopniowej, 20.10.2005
6
5.
OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW
5.1. Opracowanie wyników pomiarów
W oparciu o dane pomiarowe wymienione w podpunkcie 4.h wykonać przedstawione
poniżej obliczenia i analizy.
a) W oparciu o wyniki pomiaru strumienia czynnika chłodniczego i temperatur t7, t8
obliczyć strumień ciepła przejmowany w parowniku. Otrzymany wynik porównać ze
zmierzoną mocą podgrzewacza 15. Wskazać ewentualne przyczyny niezgodności
otrzymanych wyników.
b) W oparciu o bilans energii dla parownika obliczyć strumień czynnika roboczego R141a
cyrkulującego w obiegu. Entalpie czynnika roboczego w punktach 1 i 4 wyznaczyć na
podstawie wykresu i-lg p wykorzystując wyniki pomiarów temperatury i ciśnienia w
punktach 1, 3, 4.
c) W oparciu o bilans energii dla skraplacza obliczyć strumień czynnika roboczego R141a
cyrkulującego w obiegu. Entalpie czynnika roboczego w punktach 2 i 3 wyznaczyć na
podstawie wykresu i-lg p wykorzystując wyniki pomiarów temperatury i ciśnienia w
punktach 2 i 3. Porównać strumienie czynnika roboczego wyznaczone w oparciu o bilans
energii dla parownika i skraplacza. Wskazać potencjalne przyczyny niezgodności.
d) Przyjmując wartość średnią strumienia czynnika roboczego oraz wartości entalpii
czynnika w punktach 1, 2 i 2S obliczyć moc wewnętrzną sprężarki rzeczywistej, moc
sprężania izentropowego, sprawność wewnętrzną.
e) Znając moc wewnętrzną sprężarki rzeczywistej i moc elektryczną (zmierzoną
watomierzem 6) obliczyć sprawność elektromechaniczą agregatu chłodniczego (iloczyn
sprawności mechanicznej i elektrycznej).
f) Nanieść kontur zbadanego obiegu ziębiarki na rzeczywisty wykres i-lgp (fragment
wykresu), w przypadku większej liczby pomiarów zastosować różne kolory konturów.
W załącznikach znajdują się:
a) Wykres i-lg p dla czynnika R141a,
b) Wykres charakteryzujący zależność pojemności cieplnej właściwej płynu chłodniczego
Petrygo w funkcji temperatury,
c) Charakterystyki przepływowe rotametrów.
5.2. Sporządzenie sprawozdania
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Sprawozdanie powinno zawierać:
Krótkie wprowadzenie teoretyczne
Krótki opis stanowiska pomiarowego
Opis przeprowadzonych pomiarów, specyfikacja wielkości pomiarowych
Wyniki pomiarów
Wyniki obliczeń
Wnioski, spostrzeżenia i uwagi końcowe.
Literatura cytowana i uzupełniająca
[1]
[2]
[3]
Szargut J.: Termodynamika techniczna. Wyd. Pol. Śląskiej, Gliwice, 1998.
Manecki M.: Stanowisko do badania procesów termodynamicznych w chłodziarce sprężarkowej
jednostopniowej. Praca dyplomowa wyk. pod kier. T. Kruczka, Inst. Tech. Cieplnej, 2004.
Bonca Z. I in.: Czynniki chłodnicze i nośniki ciepła. IPPU Masta, Gdańsk, 1997.
Opracował: Dr inż. Tadeusz Kruczek
Kruczek T.: Badanie procesów termodynamicznych w chłodziarce parowej
sprężarkowej jednostopniowej, 20.10.2005
7