Rurka kapilarna jako element dławiący w rewersyjnych pompach

Seminarium z przedmiotu
Automatyka chłodnicza i klimatyzacyjna
Temat: Rurka kapilarna jako element dławiący w rewersyjnych
pompach ciepła stosowanych w tzw. klimatyzatorach
indywidualnych.
Opracował:
Piotr Wolski
SiUChiK
Sem.IX
Spis treści:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Krótka definicja
Budowa
Zasada działania
Za i przeciw stosowania rurki kapilarnej
Przykład wykorzystania rurki kapilarnej w klimatyzatorach
Wnioski
Literatura
indywidualnych
1. Krótka definicja
Rurka kapilarna jest elementem automatyki mającej na celu regulację przepływu
czynnika chłodniczego, bądź też elementem dławiącym. Ma ona za zadanie tak
wyregulować jego strumień w ilości zgodnej z chwilowym obciążeniem cieplnym
parownika, aby uzyskać stan równowagi z ilością pary odsysanej z tego wymiennika przez
sprężarkę.
2. Budowa
Jest to stosunkowo najprostsze urządzenie dławiące, będące rurką o nie wielkiej
średnicy rzędu od 0,7- 2,5 mm a z kolei ich długość sięga 0,6- 6 m. Rurki te wykonywane
są najczęściej z miękkiej miedzi elektrolitycznej gatunku M1. Wmontowywana jest w
rurociąg pomiędzy skraplaczem i parownikiem.
3. Zasada działania.
Zazwyczaj mamy do czynienia z dwoma rodzajami montowania rurki kapilarnej
- bez dochłodzenia
- z dochłodzeniem
Na poniższym rysunku pokazany jest drugi wariant, gdzie na pewnym odcinku rurka jest
przytulona od przewodu ssawnego sprężarki.
Na wykresie pokazany jest schematycznie spadek ciśnienia czynnika w rurce z
chłodzeniem i bez chłodzenia w zależności od jej długości. 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.
Rysunek. 1 Wykres pokazujący spadek ciśnienia w rurce kapilarnej w zależności od odległości
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 nieco 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’
Skąd wynika że:
ΔpA> ΔpB
Tak więc dochłodzenie powoduje zwiększenie strumienia masy czynnika chłodniczego
przepływającego przez rurę.
Wpływ zmiennych obciążeń cieplnych na pracę rurki kapilarnej można ocenić na
podstawie analizy jej charakterystyki, do sporządzenia której wykorzystuje się równanie
strat ciśnienia w rurce w postaci
L w2
∆p= λ ρ
d
2
Gdzie:
λ – współczynnik oporów przepływu
L – długość rurki
d – średnica wewnętrzna rurki
ρ – gęstość czynnika
w – prędkość czynnika
Biorąc pod uwagę fakt iż strumień masy czynnika wynosi:
π
m = ρw d4
4
Otrzymujemy następujące równanie charakterystyki rurki kapilarnej
m= C ρΛp
Gdzie:
C = 0,354π
d5
λL
Przyjmując z dużym przybliżeniem że współczynnik C ma stałą wartość, można
zbudować rodzinę charakterystyk dla których stałym parametrem jest temp. i ciśnienie
skraplania.
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 możliwość samoregulacji układu. Widoczne to jest na
rysunku 2
Rysunek.2. Schemat zasilania parownika rurką kapilarną oraz wykres spadku wydajności przy odchyleniu od
obciążenia warunków pracy
Po wyłączeniu sprężarki cała ciecz zbiera się po stronie niskiego ciśnienia, tj. w parowniku.
Aby zabezpieczyć sprężarkę przed uderzeniem cieczowym, układ chłodniczy napełnia się
czynnikiem chłodniczym w ilości powodującej wypełnienie w 90% parownika. Natomiast
rurkę kapilarną dobiera się tak, ażeby średnie obliczeniowe masowe natężenie przepływu
ciekłego czynnika przez rurkę kapilarną było równe ilości zasysanej pary przez sprężarkę z
parownika; wówczas poziom ciekłego czynnika w parowniku nie zmienia się.
Przy różnych od obliczeniowych warunkach pracy(odpowiednim obniżeniu
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 obniżając 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 różnicy ciśnień wzrasta.
Dalsze obniżanie poziomu ciekłego czynnika w parowniku zostaje zatrzymane. Przy wzroście
temperatury zewnętrznej wydajność maleje, a ilość przepływającego czynnika wzrasta.
Rysunek 3. Wykres ukazujący zdolność rurki kapilarnej do samoregulacji
Gdy ciśnienie i temp. parowania obniża się, zmniejsza się jednocześnie strumień masy
czynnika przetłaczanego przez sprężarkę. Następuje spiętrzenie cieczy 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
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
Rysunek.4. Przepustowość rurki kapilarnej w funkcji stosunku ciśnienia parowania do ciśnienia skraplania
W praktyce często zdarza się, że 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, że niezależnie 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. Umożliwia to wówczas samoczynną regulację strumienia
masy czynnika w zależności od ciśnień panujących w skraplaczu oraz w parowniku.
Rysunek.5. Krzywa równowagi wydajności chłodniczej rurki kapilarnej.
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.
Jeżeli warunki pracy urządzenia zmieniają się w szerokich granicach, jego praca z rurką
kapilarną może stać się nieefektywna. Z reguły spada wówczas współczynnik wydajności
chłodniczej, może nastąpić skrócenie czasu postoju urządzenia i zwiększenie częstotliwości
jego wyłączeń, co wiąże się bezpośrednio z obniżeniem trwałości sprężarki.
4.Zalety i wady rurek kapilarnych
Głównymi zaletami rurek kapilarnych są:
• prostota,
• niski koszt,
• zlikwidowanie momentu rozruchowego przy starcie sprężarki tłokowej(rozruch
odbywa się w warunkach wyrównania ciśnienia między stroną ssawna a tłoczną ,
• duża niezawodność działania.
Głównymi wadami rurek kapilarnych są:
• nieekonomiczna praca urządzenia chłodniczego przy zmiennych
obciążeniach cieplnych ,
• duża czułość na zmiany ilości czynnika chłodniczego wypełniającego instalację.
5. Przykład wykorzystania rurki kapilarnej w klimatyzatorach
indywidualnych
Jak przykład posłuży nam klimatyzator firmy FUJITSU typu Split model ARY12UUAD /
AOY12USAJL.
Mogło by się wydawać że stosowanie rurki kapilarnej jest uzasadnione jedynie w
urządzeniach o stałej wydajności chłodniczej czyli na przykład chłodziarka domowa.
Tym czasem jest ona z powodzeniem stosowana w klimatyzatorach, co prawda coraz bardziej
jest wypierana przez elektroniczne zawory, pozwalające na dokładne sterowanie wydajnością
chłodziarki, jednakże można ją jeszcze spotkać m in. w/w modelu.
Zdaje ona tam swój egzamin dzięki temu iż klimatyzator tego typu są obliczane na pewne
widełki temperatur a mianowicie w trybie chłodzenia temp. wewn. 27 C zewn. 35 C,
w trybie grzania temp. wewn. 20 temp. zewn. 7 C, oscylując w tych granicach uzyskujemy
optymalną wydajność naszego urządzenia, jeżeli zaś zaczniemy wychodzić poza podane
temperatury wydajność urządzenia spadnie diametralnie.
Dodatkową rzeczą która pomaga nam regulować odpowiednią wydajność klimatyzatora jest
dwu stopniowa regulacja prędkości wentylatora przy skraplaczu.
Dane techniczne tego modelu
Air Handler ARY12UUAD
Condenser Model AOY12USAJL
Cooling Capacity
Heating Capacity
NOISE High
Medium Low
FAN SPEED
High Medium
AIR FLOW High
Medium Low
DIMENSIONS
Height Width
WEIGHT
3.5 kW
4 kW
dB @ 1m
28
27
26
49
680
640
570
740
rpm
m3/h
500
1600
mm
217
953
595
530
250
Kgs
25
35
Cooling Indoor Temp :27C DB/19C WB Outdoor Temp :35C DB/24C W
Heating Indoor Temp :20C DB/24C WB Outdoor Temp :7C DB/6C WB
POWER SUPPLY
START CURRENT
RUN CURRENT
FUSE RATING(Type
CONTROLLER
CONTROLLER
GAS TYPE
PIPE SIZES
MAX PIPE RUN
MAX PIPE HEIGHT
HOLDING CHARGE
PRE CHARGE
EXTRA CHARGE
CONNECTOR TYPE
DRAIN HOSE SIZE
WATER REMOVAL
INDOOR
V/Ph/Hz
Amps
Amps
Amps
OUTDOOR
240/1/50
30
5.3
15
0
0
0
Wired
Type
Metres
10
R410A
Inches
Metres
Metres
Grammes
Metres
Gram/m
LIQUIDGAS
1/4
GAS
15
8
850
7.5
15
3/8
Flared
mm
Litres/h
I.D
22
O.D.
1.2
26
750
Budowa układu z rurką kapilarną jako elementem dławiącym.
W funkcji chłodzenia czynnik chłodniczy jest sprężany przez sprężarkę a następnie, trafia na
zawór 4- drogowy, przejściu przez zawór trafia do skraplacza, dalej przez wszelkiego rodzaju
filtry począwszy od siateczkowych po filtry odwadniacze. Trafia na element dławiący, rurkę
kapilarną, przechodzą przez nią ulega zdławieniu, dalej przechodzi przez zawór
jednokierunkowy, który stawia mniejszy opór niż 2 kapilara wiec ciecz wybiera tę drogę i
przechodzi do parownika z którego odbiera ciepło i ponownie trafia do sprężarki.
W funkcji grzania sprawa ma się troszkę inaczej, droga czynnika zaczyna się w tym samym
miejscu w sprężarce ale po sprężeniu trafia na zawór 4- drogowy a z niego na parownik który
spełnia role skraplacza, po wyjściu z parownika, czynnik przechodzi przez 2 kapilarę a po
wstępnym zdławieniu na niej trafia na pierwsza rurkę kapilarną gdzie jest po raz kolejny
dławiony, po tym trafia do skraplacza działającego jako skraplacz.
Dla przykładu przytoczę jak wyglądają wykresy, zależność wydajności od temperatury. Co
prawda są to wykresy sporządzone dla układu z bardziej zaawansowaną automatyką lecz, ich
charakter nie zmienia się znacznie.
6. Wnioski.
•
•
•
•
•
•
•
•
Rurka kapilarna jest najprostszym urządzeniem służącym do obniżania ciśnienia przez
dławienie, którego długość jest istotna dla ustalenia przepływu,
Przy różnych od obliczeniowych warunkach pracy(odpowiednim obniżeniu
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 że przy obniżaniu 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, umożliwia to wówczas samoczynną regulację strumienia masy czynnika w
zależności od ciśnień panujących w skraplaczu oraz w parowniku.
Jeżeli warunki pracy urządzenia zmieniają się w szerokich granicach, jego praca z
rurką kapilarną może stać się nieefektywna. Z reguły spada wówczas współczynnik
wydajności chłodniczej, może nastąpić skrócenie czasu postoju urządzenia i
zwiększenie częstotliwości jego wyłączeń, co wiąże się bezpośrednio z obniżeniem
trwałości sprężarki.
Dzięki prostocie i dużej niezawodności (w porównaniu z termostatycznym zaworem
rozprężnym) rurki kapilarne znalazły szerokie zastosowanie w
domowych
chłodziarkach, których warunki pracy niewiele różnią się od obliczeniowych.
Natomiast w urządzeniach o średniej mocy chłodniczej zastosowanie rurek
kapilarnych jest mniej ekonomiczne, gdyż warunki ich eksploatacji mogą znacznie
różnić się od obliczeniowych.
Należy pamiętać o tym iż układ musi być napełniony odpowiednią ilością czynnika
Stosowana jest w klimatyzatorach ze względu na swe podstawowe zalety czyi niski
koszt, oraz prostotę i niezawodność działania.
7. Literatura.
1. „Technika chłodnicza i klimatyzacyjna" nr 1 i 6 z roku 1996
2. „Technika chłodnicza - poradnik" Hans - Jurgen Ullrich tom.1
3. „Automatyka urządzeń chłodniczych" Wesołowski a., Dworski F.
4. „Automatyk chłodnicza i klimatyzacyjna” Zenon Bonca
5. Internet
6. konsultacje z inżynierem produktu w firmie Klima – Therm Panem
Rafałem Czyżem