Przemysław Gromow: Projekt stanowiska dydaktycznego opartego

Informacja o pracy dyplomowej
1. Nazwisko i imię:
Gromow Przemysław
adres e-mail: [email protected]
2. Kierunek studiów:
Mechanika i Budowa Maszyn
3. Rodzaj studiów:
Dzienne magisterskie
4. Specjalność:
Systemy, Urządzenia Chłodnicze i Klimatyzacyjne
5. Katedra dyplomująca:
Katedra Techniki Cieplnej
6. Promotor pracy:
dr inŜ. Zenon Bonca
7. Recenzent pracy:
dr hab. inŜ. Dariusz Mikielewicz, prof. PG
8. Termin obrony:
17.09.2009 r.
9. Ocena pracy dyplomowej:
bardzo dobra
10. Temat pracy dyplomowej:
Projekt stanowiska dydaktycznego opartego na spręŜarkowym
urządzeniu chłodniczym, napełnionym dwutlenkiem węgla
(R744)
Spis treści
Wstęp.................................................................................................................................1
1. Dwutlenek węgla jako czynnik chłodniczy ....................................................................2
1.1. Historia................................................................................................................................................... 2
1.2. Właściwości dwutlenku węgla (R744).................................................................................................... 3
1.3. Rozpuszczalność z wodą...................................................................................................................... 10
1.4. Bezpieczeństwo uŜytkowania i oddziaływanie na organizm ludzki..................................................... 11
1.5. Przykłady zastosowań dwutlenku węgla w urządzeniach chłodniczych .............................................. 13
1.5.1. Chłodnictwo komercyjne (instalacje i meble chłodnicze dla handlu) .......................................... 13
1.5.2. Chłodnictwo przemysłowe ........................................................................................................... 15
1.5.3. Transport chłodniczy.................................................................................................................... 16
1.5.4. Pompy ciepła ................................................................................................................................ 16
1.5.5. Klimatyzacja................................................................................................................................. 17
1.6. Podsumowanie ..................................................................................................................................... 19
2. Jednostopniowe spręŜarkowe obiegi chłodnicze dla dwutlenku węgla.....................19
2.1. Obiegi teoretyczne ............................................................................................................................... 19
2.2. Obliczenia jednostopniowych teoretycznych obiegów termodynamicznych ....................................... 21
2.2.1. Algorytm obliczenia obiegu teoretycznego .................................................................................. 23
2.2.2. Analiza cieplna wybranych obiegów............................................................................................ 26
2.2.3. Przykład obliczeniowy ................................................................................................................. 27
2.3. Podsumowanie wyników ..................................................................................................................... 31
3. Oleje do spręŜarkowych urządzeń chłodniczych ........................................................36
3.1. Rodzaje olejów..................................................................................................................................... 36
3.1.1. Oleje mineralne ............................................................................................................................ 36
3.1.2. Syntetyczne oleje chłodnicze ....................................................................................................... 36
3.1.3. Półsyntetyczne oleje chłodnicze................................................................................................... 38
3.2. Własności olejów do urządzeń chłodniczych....................................................................................... 38
3.3. Olej w instalacji chłodniczej z czynnikiem R744 i jego wpływ na jej działanie.................................. 40
3.4. Podsumowanie ..................................................................................................................................... 44
4. Przegląd istniejących rozwiązań konstrukcyjnych stanowisk dydaktyczno –
badawczych spręŜarkowych urządzeń chłodniczych..................................................45
4.1. Istniejące stanowiska dydaktyczno – badawcze................................................................................... 45
4.2. Podsumowanie ..................................................................................................................................... 53
5. ZałoŜenia projektowe i wariantowy projekt koncepcyjny stanowiska
dydaktycznego o wydajności chłodniczej nieprzewyŜszającej 2000 W.....................54
5.1. ZałoŜenia projektowe ........................................................................................................................... 54
5.2. Koncepcje stanowiska dydaktycznego ................................................................................................. 56
5.3. Podsumowanie ..................................................................................................................................... 58
6. Obliczenia cieplne i dobór podstawowych elementów urządzenia wraz z
automatyką sterująco – zabezpieczającą .....................................................................59
6.1. Obliczenia cieplne................................................................................................................................ 59
6.1.1. Przykład obliczeniowy ................................................................................................................. 61
6.2. Dobór spręŜarki chłodniczej................................................................................................................. 63
6.3. Obliczenie powierzchni wymiany ciepła i dobór wymienników ......................................................... 68
6.3.1. Dobór wymienników ciepła ......................................................................................................... 70
6.4. Dobór przewodów rurowych................................................................................................................ 71
6.5. Dobór zaworu rozpręŜnego .................................................................................................................. 73
6.6. Pozostałe elementy układu ................................................................................................................... 77
6.6.1. Presostat wysokiego ciśnienia ...................................................................................................... 77
6.6.2. Zawory odcinające ....................................................................................................................... 78
6.6.3. Zawór bezpieczeństwa ................................................................................................................. 78
6.6.4. Indykator wilgoci ......................................................................................................................... 79
6.6.5. Zbiornik ciekłego dwutlenku węgla ............................................................................................. 79
6.6.6. Regeneracyjny wymiennik ciepła................................................................................................. 80
6.6.7. Elektroniczny regulator temperatury ............................................................................................ 81
6.6.7. Regulator ciśnienia parowania ..................................................................................................... 82
6.7. Podsumowanie ..................................................................................................................................... 82
7. Elementy kontrolno – pomiarowe ................................................................................83
7.1. Pomiar mocy elektrycznej.................................................................................................................... 83
7.2. Pomiar temperatury.............................................................................................................................. 84
7.3. Pomiar ciśnienia ................................................................................................................................... 85
7.4. Pomiar strumienia masowego oraz objętościowego............................................................................. 85
7.5. Podsumowanie ..................................................................................................................................... 85
8. Obliczenia sprawdzające wentylatorowej chłodnicy gazu .........................................85
8.1. Wielkości załoŜone .............................................................................................................................. 86
8.2. Współczynnik przejmowania ciepła dla przepływu dwutlenku węgla w rurce.................................... 87
8.3. Współczynnik przejmowania ciepła dla przepływu powietrza suchego przez pęczek rurek z
lamelami...................................................................................................................................................... 88
8.4. Obliczenie współczynnika przenikania ciepła...................................................................................... 89
8.5. Podsumowanie ..................................................................................................................................... 90
9. Metodyka prowadzenia zajęć laboratoryjnych...........................................................91
9.1. Ćwiczenie laboratoryjne nr 1 ............................................................................................................... 91
9.2. Ćwiczenie laboratoryjne nr 2 ............................................................................................................... 93
9.3. Ćwiczenie laboratoryjne nr 3 ............................................................................................................... 94
9.4. Ćwiczenie laboratoryjne nr 4 ............................................................................................................... 96
9.5. Ćwiczenie laboratoryjne nr 5 ............................................................................................................... 97
9.6. Ćwiczenie laboratoryjne nr 6 ............................................................................................................... 99
10. Dokumentacja techniczno – ruchowa ......................................................................102
Wnioski końcowe .............................................................................................................104
Bibliografia .......................................................................................................................105
Załączniki .........................................................................................................................110
Wstęp
Głównym celem niniejszej pracy dyplomowej jest projekt uniwersalnego
stanowiska dydaktycznego o wydajności chłodniczej nie przewyŜszającej 2000 W,
którego konstrukcja oparta jest na jednostopniowym spręŜarkowym urządzeniu
chłodniczym napełnionym dwutlenkiem węgla jako czynnikiem chłodniczym.
W wyniku podpisania przez wiele krajów Protokołu Montrealskiego w 1987 r.
mającego na celu ograniczenie emisji substancji zuboŜających warstwę ozonową,
podjęto produkcję syntetycznych czynników chłodniczych nie niszczących warstwy
ozonowej. Jednak czynniki te po emisji do atmosfery przyczyniają się do wzrostu efektu
cieplarnianego. Po dziesięciu latach w roku 1997 został podpisany tzw. Protokół z
Kioto, który jest międzynarodowym porozumieniem dotyczącym podejmowania działań
mających na celu ograniczenie efektu cieplarnianego. Skutkiem tych porozumień jest
wycofywanie z uŜycia czynników chłodniczych mających wysokie wskaźniki ODP i
GWP oraz zastępowanie ich substancjami o niskich wartościach tych współczynników.
Do takich substancji pośród substancji niskowrzących naleŜy między innymi dwutlenek
węgla, który jest naturalnym związkiem chemicznym powszechnie występującym w
przyrodzie. CO2 jest coraz częściej, po wieloletniej przerwie, wykorzystywany jako
ekologiczny płyn roboczy w chłodnictwie i klimatyzacji i uwaŜany za długoterminowy
zamiennik
czynników
syntetycznych,
które
są
sukcesywnie
wycofywane
z
uŜytkowania.
W pierwszej części pracy przeprowadzono analizę własności cieplno –
uŜytkowych oraz bezpieczeństwa uŜytkowania dwutlenku węgla jako czynnika
chłodniczego, jak i podano przykłady jego zastosowań. Dodatkowo przeanalizowano
wpływ podstawowych parametrów na działanie urządzenia w obiegu podkrytycznym i
nadkrytycznym, jak równieŜ wpływ obecności oleju chłodniczego na działanie instalacji
z CO2. W dalszej części pracy dokonano przeglądu wraz z oceną techniczną kilku
istniejących rozwiązań konstrukcyjnych stanowisk dydaktyczno – badawczych
spręŜarkowych urządzeń chłodniczych działających w oparciu o czynniki syntetyczne i
naturalne. W kolejnych rozdziałach przedstawiono załoŜenia projektowe i koncepcje
projektowe stanowiska dydaktycznego oraz przeprowadzono obliczenia cieplne i dobór
podstawowych elementów urządzenia wraz z automatyką sterująco – zabezpieczającą,
jak równieŜ elementami kontrolno – pomiarowymi stanowiska. W końcowej części
pracy przeprowadzono obliczenia sprawdzające współczynnika przenikania ciepła dla
wysokociśnieniowej chłodnicy gazowego dwutlenku węgla, sporządzono dokumentację
wykonawczą oraz techniczno – ruchową. Opracowano równieŜ metodykę prowadzenia
sześciu zajęć laboratoryjnych na zaprojektowanym stanowisku.
Wnioski końcowe
dwutlenek węgla jest jednym z „najstarszych” naturalnych czynników chłodniczych
stosowanych w chłodnictwie, który w dobie walki z globalnym ociepleniem i z
troską o warstwę ozonową wydaje się być idealnym do zastosowań w tej dziedzinie
techniki. Jest on nietoksyczny i niepalny, co zalicza go do grupy czynników
bezpiecznych dla obsługi technicznej i środowiska naturalnego oraz poprzez liczne
zalety, między innymi takie jak: łatwa dostępność, niska cena oraz dobre własności
termodynamiczne moŜe być stosowany w wielu działach chłodnictwa;
w załoŜeniach projektowych przyjęto, Ŝe projektowane urządzenie będzie działało w
obszarze zarówno podkrytycznym jak i nadkrytycznym, w obydwu przypadkach
moc chłodnicza nie będzie przekraczać 1000 W. W pracy przedstawiono cztery
koncepcje projektowe, z pośród których wybrana została Koncepcja nr 4, która jest
najbardziej rozbudowana i oferuje najwięcej moŜliwości poznawczych w procesie
kształcenia;
na podstawie załoŜeń projektowych zostały przeprowadzone obliczenia cieplne
według algorytmu podanego w niniejszej pracy i na podstawie otrzymanych
wyników został przeprowadzony dobór podstawowych elementów instalacji, jak
równieŜ dobór elementów kontrolno – pomiarowych, co świadczy o tym, iŜ
moŜliwe jest juŜ skompletowanie małej instalacji chłodniczej działającej w oparciu
o dwutlenek węgla;
podczas doboru chłodnicy gazowego dwutlenku węgla załoŜono wartość
współczynnika przenikania ciepła, załoŜenie to zostało sprawdzone poprzez
przeprowadzenie obliczeń, których wyniki wykazały, iŜ współczynnik ten został
załoŜony prawidłowo.