Ocena techniczna rurki kapilarnej jako elementu dławiącego w

POLITECHNIKA GDAŃSKA
WYDZIAŁ MECHANICZNY
Seminarium z przedmiotu
AUTOMATYKA CHŁODNICZA I KLIMATYZACYJNA
TEMAT: Ocena techniczna rurki kapilarnej jako
elementu dławiącego w klimatyzatorach
samochodowych.
Wykonała: Agnieszka Bielska
Semestr: 9
Specjalność: SiUChKl
Spis treści:
I. Urządzenia regulacyjno-zabezpieczające…………3
II. Rurka kapilarna…………………………………...3
III. Zalety i wady rurki kapilarnej…………………..7
IV. Ocena techniczna……………………………...….8
V. Klimatyzacja samochodowa…………………..…11
VI. Wnioski………………………………………..…11
VII. Literatura………………………………………12
I. Urządzenia regulacyjno-zabezpieczające.
Urządzenia regulacyjne mają do spełnienia w instalacji chłodniczej dwa zadania:
• obniŜać ciśnienie czynnika chłodniczego dopływającego do parownika w stosunku do
wartości ciśnienia panującego w skraplaczu,
• regulować strumień masy czynnika chłodniczego dopływającego do parownika w
zaleŜności od chwilowych obciąŜeń cieplnych.
W urządzeniach
wykonują:
•
•
•
•
chłodniczych współpracujących z systemami klimatyzacyjnymi zadania te
rurki kapilarne,
presostatyczne zawory regulacyjne (rozpręŜne),
zawory pływakowe,
termostatyczne zawory regulacyjne.
Zadaniem urządzeń zabezpieczających jest niedopuszczenie do nadmiernych
wzrostów lub spadków ciśnienia (wyłączniki ciśnieniowe) lub temperatury (termostaty) w
urządzeniu chłodniczym.
II. Rurka kapilarna.
Rurka kapilarna jest najprostszym urządzeniem słuŜącym do obniŜania ciśnienia przez
dławienie. Jest to odcinek rurki miedzianej o średnicy wewnętrznej dk = 0,7 - 2,5 mm i
długości lk = 0,6-6,0 m wlutowany jest w rurociąg łączący skraplacz z parownikiem (rys.1a).
Rysunek.1a.Zastosowanie rurki kapilarnej w urządzeniu chłodniczym bez dochładzania[7]
Niekiedy, aby uzyskać dochłodzenie ciekłego czynnika, rurka kapilarna przylutowana jest na
pewnej długości do ścianki przewodu ssawnego spręŜarki (rys.1b). 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 równieŜ
jego prędkość.
Rysunek.1b. zastosowanie rurki kapilarnej w urządzeniu chłodniczym z dochładzaniem[7]
RóŜnica między ciśnieniem skraplania a ciśnieniem parowania czynnika zostaje
wykorzystana do pokonania oporów przepływu przez rurkę oraz do przyspieszenia strumienia
masy czynnika chłodniczego dopływającego do parownika.
Wykres.1.Spadek ciśnienia czynnika chłodniczego w rurce kapilarnej[7]
Na powyŜszym wykresie(wyk.1) pokazano schematycznie spadek ciśnienia czynnika
w rurce z chłodzeniem i bez chłodzenia w zaleŜności od jej długości. Na skutek pokonywania
oporów przepływu ciśnienie czynnika w rurce stopniowo obniŜa się, w chwili osiągnięcia
wartości odpowiadającej temperaturze nasycenia czynnik zaczyna odparowywać. W wyniku
gwałtownego wzrostu objętości czynnika w układzie dwufazowym wzrasta prędkość
przepływu, a zatem i opory przepływu. Z wykresu wynika równieŜ, Ŝe bez chłodzenia rurki
(krzywa 1-2-3) temperatura ciekłego czynnika przepływającego przez nią jest praktycznie
stała; wrzenie rozpoczyna się w punkcie 2.
W przypadku gdy ciecz płynąca w rurce kapilarnej jest dochładzana za pomocą par, jej
wrzenie rozpoczyna się w punkcie 2' (krzywa 1-2'-3') przesuniętym w stosunku do punktu 2
ku wylotowi rurki, przy czym ciśnienie końcowe wynosi p3,. Całkowity spadek ciśnienia w
rurce z dochładzaniem jest mniejszy
∆p > ∆p'
Tak więc dochładzanie powoduje zwiększenie strumienia masy czynnika chłodniczego
przepływającego przez rurkę.
Wpływ zmian obciąŜeń cieplnych na prace rurki kapilarnej moŜna ocenić na
podstawie analiz charakterystyk. Podstawą do sprzędzenia charakterystyki jest równanie
określające straty ciśnienia
λ w2
∆p = pk − po =
⋅
⋅ ρ ⋅ lk
dk 2
gdzie:
p k -bezwzględne ciśnienie skraplania, MN/m2,
p o -bezwzględne ciśnienie parowania, MN/m2,
Dla tego przykładu długość rurki kapilarnej lk moŜna obliczyć ze wzoru:
−9
l k = 0,121 ⋅ 10 ⋅ d ⋅ p ⋅ p
5
k
2
k
−1,8
o
• −2 , 26
⋅V o
m
Gdzie:
dk -wewnętrzna średnica rurki kapilarnej, mm
pk -bezwzględne ciśnienie skraplania, MN/m2
Przekształcając zaleŜność na straty ciśnienia otrzymujemy zaleŜność na strumień masy
czynnika chłodniczego, kg/s:
•
m = ψ ⋅ ( pk − po ) ⋅ ρ
gdzie:
ψ-współczynnik wydajności określony wzorem
ψ = 0,354 ⋅ π ⋅ d k2,5 ⋅ λ0,5 ⋅ l k0,5
Przyjmując iŜ ψ=const otrzymujemy rodzine charakterystyk, których parametrem jest
pk(tk)=const.
Charakterystyka taka znajduje się na poniŜszym wykresie(wyk.2). Na tym samym
wykresie linią przerywaną została naniesione charakterystyka spręŜarki. Punkty przecięcia
odpowiednich charakterystyk odpowiadają ustalonym warunkom pracy.
Wykres.2.Dzialanie rurki kapilarnej w warunkach nieustalonych[7]
JeŜeli przyjmiemy prace rurki w warunkach nieustalonych przy t=const. To moŜemy
zauwaŜyć, ze gdy obniŜa się ciśnienie (temperatura) parowania, zmniejsza się jednocześnie
strumień masy czynnika przetłaczanego przez spręŜarkę. W wyniku tego zostaje zachwiana
równowaga w układzie chłodniczym i następuje spiętrzenie cieczy w parowniku kosztem jej
ubytku w skraplaczu. W krańcowym przypadku skraplacz zostaje całkowicie opróŜniony i do
rurki kapilarnej dopływa mieszanina o większej zawartości pary (para o większym stopniu
suchości), co jest przyczyną wzrostu oporów przepływu i zmniejszenia strumienia masy
czynnika dopływającego do parownika.
Jednocześnie zmniejsza się właściwa wydajność chłodnicza czynnika, co powoduje
zmniejszenie mocy chłodniczej urządzenia i ustalenia się nowych warunków równowagi
określonych punktem B.
W przypadku wzrostu ciśnienia (temperatury) parowania rośnie obciąŜenie cieplne
skraplacza, gdyŜ zwiększa się strumień masy czynnika zasysanego przez spręŜarkę. Jednocześnie maleje ilość czynnika wypełniającego parownik, rośnie ilość cieczy wypełniającej
skraplacz. W wyniku tego rośnie ciśnienie skraplania i w rezultacie ustala się nowy punkt
równowagi C.
JeŜeli warunki pracy urządzenia zmieniają się w szerokich granicach, jego praca z rurką
kapilarną moŜe stać się nieefektywna.
Pewien wpływ na pracę rurki kapilarnej ma jej chropowatość. Nadmierna
chropowatość powoduje przede wszystkim odkładanie się wszelkich zanieczyszczeń na
powierzchni wewnętrznej rurki, a to prowadzi do zmniejszenia jej efektywnej średnicy
wewnętrznej. Zatem, jeŜeli chropowatość rurki jest zbyt duŜa, wówczas charakterystyka jej
pracy moŜe ulec niekorzystnej zmianie.
III. Zalety i wady rurki kapilarnej.
Głównymi zaletami rurek kapilarnych są:
• prostota,
• niski koszt,
zlikwidowanie momentu rozruchowego przy starcie spręŜarki,
• duŜa niezawodność działania.
Ponadto zastosowanie rurek kapilarnych w urządzeniu chłodniczym umoŜliwia
zmniejszenie momentu rozruchowego silników napędzających spręŜarki tłokowe, gdyŜ
rozruch spręŜarki odbywa się w warunkach wyrównanego ciśnienia między stroną tłoczną i
stawną spręŜarki; wyrównanie to następuje poprzez rurkę kapilarną.
Głównymi wadami rurek kapilarnych są:
• nieekonomiczna praca urządzenia chłodniczego przy zmiennych obciąŜeniach
cieplnych ,
• duŜa czułość na zmiany ilości czynnika chłodniczego wypełniającego instalację.
IV. Ocena techniczna.
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 dławiących o stałym przekroju, a przekroju szczególności rurek
kapilarnych pozwoliło na moŜliwość samoregulacji układu. Widoczne to jest na
rysunku(rys.2)
Rysunek.2.Schemat zasilania parownika rurką kapilarną oraz wykres spadku wydajności przy odchyleniu od
obciąŜenia warunków pracy[7]
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.
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.
Rysunek.3. Przepustowość rurki kapilarnej w funkcji stosunku ciśnienia parowania do ciśnienia skraplania[2]
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(rys.3). 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.
Rysunek.4. Krzywa równowagi wydajności chłodniczej rurki kapilarnej.[2]
Z formalnego punktu widzenia, rurka kapilarna przewidziana jest do pracy przy
zadanych, stałych parametrach pracy urządzenia do pracy w jednym punkcie na
charakterystyce przedstawionej na rys.4.
JeŜeli warunki pracy urządzenia zmieniają się w szerokich granicach, jego praca z
rurką kapilarną moŜe stać się nieefektywna. Z reguły spada wówczas współczynnik
wydajności chłodniczej, moŜe nastąpić skrócenie czasu postoju urządzenia i zwiększenie
częstotliwości jego wyłączeń, co wiąŜe się bezpośrednio z obniŜeniem trwałości spręŜarki.
V. Klimatyzacja samochodowa.
Klimatyzator samochodowy słuŜy do zapewnienia odpowiedniej temperatury i wilgotności
wewnątrz kabiny auta, w ścisłej współpracy z systemem jej ogrzewania i wentylacji.
Schemat takiego obiegu chłodniczego przedstawiony jest na poniŜszym rysunku:
Rysunek5.1-sprezarka, 2-skraplacz, 3-parownik, 4-zawor rozpręŜny, 5-odwadniacz[8]
Po stronie A czynnik chłodniczy jest w postaci gazu pod wysokim ciśnieniem, po stronie B pod niskim, zaś po
stronie C czynnik chłodniczy w stanie ciekłym pod wysokim ciśnieniem i analogicznie po stronie D pod niskim.
Odparowanie czynnika chłodniczego powoduje odebranie ciepła z przygotowywanego
powietrza. Dlatego tez stosuje się rozpręŜanie czynnika chłodniczego przy ciśnieniu
parowania za pomocą elementu dławiącego.
Zapotrzebowanie na powietrza jest uzaleŜnione od prędkości jazdy samochodu i
zróŜnicowaniu ilości przedostającego się ciepła do wnętrza. Ruch samochodu powoduje ze
ciśnienie czynnika chłodniczego i jego temperatura nie są stale, dlatego tez stosuje elementy
dławiące przed parownikiem. Stosuje się je tez z tego powodu, iŜ podczas wyłączania
spręŜarki następuje wyrównanie ciśnienia za pomocą tego elementu.
Schemat klimatyzacji samochodowej[2]:
VI. Wnioski.
•
•
•
Rurka kapilarna jest najprostszym urządzeniem słuŜącym do obniŜania ciśnienia przez
dławienie, którego długość jest istotna dla ustalenia przepływu,
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 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.
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.
JeŜeli warunki pracy urządzenia zmieniają się w szerokich granicach, jego praca z
rurką kapilarną moŜe stać się nieefektywna. Z reguły spada wówczas współczynnik
wydajności chłodniczej, moŜe nastąpić skrócenie czasu postoju urządzenia i
zwiększenie częstotliwości jego wyłączeń, co wiąŜe się bezpośrednio z obniŜeniem
trwałości spręŜarki.
Dzięki prostocie i duŜej niezawodności (w porównaniu z termostatycznym zaworem
rozpręŜnym) rurki kapilarne znalazły szerokie zastosowanie w domowych
chłodziarkach, których warunki pracy niewiele róŜnią się od obliczeniowych.
Natomiast w urządzeniach o średniej mocy chłodniczej zastosowanie rurek
kapilarnych jest mniej ekonomiczne, gdyŜ warunki ich eksploatacji mogą znacznie
róŜnić się od obliczeniowych.
Analiza rozwiązań wskazuje na brak zastosowania rurki kapilarnej w klimatyzacji
samochodowej jest to spowodowane duŜą nie stabilnością warunków pracy urządzenia
oraz ciągle zmieniającymi się obciąŜeniami cieplnymi układu.
VII. Literatura.
Opracowane na podstawie:
1.„Chłodnictwo” nr 7 i 8 1997r
2.„Technika chłodnicza i klimatyzacyjna” nr z roku: 1996 i 2000
3.„Technika chłodnicza” Ulirich tom.1
4.„Automatyka urządzeń chłodniczych” Wesołowski a., Dworski F.
5.Internet
6.Encyklopedia PWN
7.Materialy dostarczone przez prowadzącego.
8.”Klimatyzacja w samochodzie” Ulrich Deh