Ocena techniczna rurki kapilarnej jako elementu dławiącego w

POLITECHNIKA GDAŃSKA
WYDZIAŁ MECHANICZNY
Seminarium
AUTOMATYKA CHŁODNICZA I KLIMATYZACYJNA
TEMAT: Ocena techniczna rurki kapilarnej jako
elementu dławiącego w małych
urządzeniach chłodniczych o zmiennych
obciąŜeniach.
Wykonał:
Przemysław Dojlido
Semestr: 9
Specjalność: SiUChKl
Gdańsk 2006
1. Urządzenia regulacyjne.
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.
2. Rurka kapilarna.
W urządzeniach chłodniczych, klimatyzatorach i pompach ciepła małej mocy, zamiast
zaworów rozpręŜnych stosowane są przewody dławiące (rurki) o małej średnicy (0,6 –
2.5mm). Ze względu na swoją niewielką średnicę przewody te nazywane są rurkami
kapilarnymi. Rurka kapilarna jest najprostszym urządzeniem słuŜącym do obniŜania ciśnienia
przez dławienie. W trakcie przepływu przez zawór rozpręŜny obniŜenie ciśnienia i
temperatury odbywa się na krótkim, lokalnym przewęŜeniu dyszy, a w kapilarach zmiany te
rozciągnięte są na znacznej dłuości lk = 0,6-6,0 m
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 lub jego końcową część wprowadza
się do wnętrza przewodu wylotowego parowacza przez co kapilara funkcjonuje jako
doziębiacz (rys.1b , 1c)
Po skropleniu czynnik ulega zazwyczaj niewielkiemu przechłodzeniu.Jego dławienie
polega więc najpierw na obniŜeniu ciśneinia cieczy przechłodzonej tak długo, aŜ osiągnięte
zostanie ciśneinie nasycenia cieczy dla danej temperatury. Od tego momentu czynnik zaczyna
gwałtownie odparowywać, wydzielająca się para powiększa objętość właściwą mieszaniny,
rośnie więc prędkość a to gwałtownie powoduje dalszy spadek ciśnienia i temperatury.
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 sporządzenia charakterystyki jest równanie
określające straty ciśnienia
∆p=λL/dρw^2/2
gdzie:
λ - współczynnik oporów przepływu
L – długość rurki
d - średnica wewnętrzna rurki
Ro – gęstość czynnika
w – prędkość czynnika
Strumień masy czynnika wynosi
m=ρwΠ/4d^2
Otrzymujemy nastepujące równanie charakterystyki rurki kapilarnej:
m=C√ρ∆p
Gdzie:
C=0.354 Π√d^5/ λL
Przyjmując iŜ C=const otrzymujemy rodzine charakterystyk, których parametrem jest
ciśneinie skraplania pk . Charakterystyka ta znajduje się na poniŜszym wykresie(wyk.2).
pk
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.
Zastosowanie elementów dławiących o stałym przekroju, a w 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
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.
Aktualny stan równowagi pracy urządzenia przedstawia pkt B. Przy róŜnych od
obliczeniowych warunkach pracy następuje wzrost (np. ciśnienia i temperatury parowania)
ilość przepływającego przez kapilarę czynnika chłodniczego zmniejsza się, natomiast moc
chłodnicza wzrasta. Rośnie obciąŜenie cieplne skraplacza, gdyŜ zwiększa się strumień masy
czynnika zasysanego przez spręŜarkę. Jednocześnie maleje ilość czynnika wypełniającego
parownik(z poziomu A do A1), rośnie ilość cieczy wypełniającej skraplacz.(z poziomu B do
B1) W wyniku tego rośnie ciśnienie skraplania i dzięki temu ilość przepływającej przez
kapilarę cieczy wzrasta. Dalsze obniŜanie poziomu ciekłego czynnika w parowniku zostaje
zatrzymane.i w rezultacie ustala się nowy punkt równowagi C. W momencie gdy obniŜa się
ciśnienie i 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
skrajnym przypadku skraplacz moŜe ulec całkowitemu opróŜnieniu 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 zasilającego
parownika. Powoduje to zmiejszenie wydajności chłodniczej urządzenia oraz
ustabiliozowanie się nowego stanu równowagi (pkt A)
.
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.
Zalety rurki kapilarnej:prostota budowy, niski koszt, duŜa niezawodność działania,
zlikwidowanie momentu rozruchowego przy starcie spręŜarki. 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 ssawną spręŜarki;
Głównymi wadami rurek kapilarnych są: nieekonomiczna praca urządzenia chłodniczego przy
zmiennych obciąŜeniach cieplnych, duŜa czułość na zmiany ilości czynnika chłodniczego
wypełniającego instalację.
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.
Wnioski.
•
•
•
•
•
W urządzeniach o średniej mocy chłodniczej zastosowanie rurek kapilarnych jest
mniej ekonomiczne poniewaŜ warunki ich eksploatacji mogą znacznie róŜnić się od
obliczeniowych dlatego rurki kapilarne znalazły szerokie zastosowanie w domowych
chłodziarkach, których warunki pracy niewiele róŜnią się od obliczeniowych
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 włączeń, co wiąŜe się
bezpośrednio z obniŜeniem trwałości spręŜarki.
Zastosowanie rurki kapilarnej w urzadzeniu chłodniczym umozliwia zmiejszenie
momentu rozruchowego silnika spręŜarki tłokowej
Niedopasowanie przepustowości rurki kapilarnej i wydajności spręŜarki moŜe
powodować uciaŜliwy hałas w urządzeniu chłodniczym
Prawidłowa praca rurki kapilarnej, a szczególnie uzyskiwany efekt dławienia, jest
funkcją wielu zmiennych konstrukcyjnych. DuŜe znaczenie mają wartości parametrów
czynnika na wlocie do kapilary (np. stopień dochłodzenia czynnika )
Literatura.
1. „Technika chłodnicza i klimatyzacyjna” nr 1 i 5 1996 r.
2. „Chłodnictwo” nr 7 1997r nr 6 2006 r.
3. „Technika chłodnicza” Ulirich tom.1
4. Chłodnictwo i klimatyzacja nr 5 2004 r.
5. Internet.