Marta Niedźwiedź

Jacek Grabowski

Wojciech Bombas

Hubert Gałuszka

Chłodnictwo i kriogenika

Sprawozdanie 3: Bilansowanie komory chłodniczej.

1) Wstęp

Bilansowanie komory chłodniczej polega na dokonaniu całościowych obliczeń uzysku ciepła w chłodzonej komorze. Uzysk ten wynika głównie z przewodzenia przez ściankę komory, lecz brane pod uwagą są także czynniki takie jak promieniowanie, ciepło oświetlenia, czy ciepło dostarczane do komory, gdy zostaje otwarta i wejdzie do niej człowiek. Celem dokonania bilansu należy doprowadzić do sytuacji, w której całość tych uzysków skompensowana zostanie przez moc chłodniczą, inaczej mówiąc, gdy w perspektywie na przykład dobowej moc chłodnicza będzie większa od uzysków ciepła. W innym przypadku komora będzie się nagrzewać.

W trakcie wykonywania ćwiczenia rozpatrywany był rzeczywisty obieg Lindego. Obieg rzeczywisty różni się od teoretycznego tym, że występują w nim straty. Straty można zaobserwować w niemal każdym procesie wchodzącym w skład cyklu. Sprężanie w sprężarce przebiega ze wzrostem entropii, co powoduje, że musi ona pobrać większą moc. Ponieważ w układzie występują straty miejscowe oraz liniowe ciśnienia, potrzebny jest dodatkowo jeszcze większy spręż. Specjalną grupą strat miejscowych są wymienniki – parowacz oraz skraplacz. Wyjątek stanowi rozprężanie na zaworze, w którym przyjmujemy pewną stratę miejscową, lecz traktujemy je jako izentalpowe.

Istotną rolę w ćwiczeniu odgrywa proces przewodzenia ciepła przez ściankę płaską. Przyjęto założenie, że wykonana ona jest ze styropianu o współczynniki przewodzenia ciepła równym 0,02 W/mK. Z racji na znikomość jej udziału w wymianie ciepła, konwekcja została potraktowana w sposób uproszczony i przyjęto, że współczynnik wnikania ciepła jest równy po obu stronach ścianki. Proces przewodzenia ciepła opisany jest przez prawo Fouriera, natomiast proces konwekcji przez prawo Newtona. Oba te prawa opisują zależność pomiędzy strumieniem ciepła, a różnicą temperatur. Schemat rozpatrywanego przypadku:

2) Tabele pomiarowe i wynikowe:

Tab. 1. Wyniki pomiarów temperatury.

Oznaczenie	Znaczenie	Cykl 1	Cykl 2	Przyjęto
t1	temp. czynnika parowego na dopływie do sprężarki	70	23	25
t2	temp. ziębnika na tłoczeniu	40	47	47
t3	temp. czynnika na wypływie ze skraplacza	35	-13	35
t4	temp. czynnika na wlocie do parowacza	-18	-17	-17,5
t5	temp. czynnika na wypływie z parowacza	-45	-15	-30,0
t6	temp. czynnika na wypływie z doziębiacza	18	19	18,5
t7	temp. powietrza wewnątrz komory chłodniczej	-16	-16	-16,0
t12	temp. powietrza wewnątrz komory chłodniczej	4	4	4
t13	temp. otoczenia	45	45	45
t16	temp. otoczenia	41	20	20

Tab. 2. Wyniki pomiarów strumienia ciepła.

Wielkość	Q1	Q2	Q3	Q4	Q5	Q6
Jednostka	W
Cykl 1	3,9	14,8	10,0	14,3	11,6	3,9
Cykl 2	3,9	13,9	23,7	15,2	13,3	3,9
Przyjęto	3,9	14,4	16,9	14,8	12,5	3,9

Tab. 3. Wyniki pomiarów: ciśnienia w parowaczu i skraplaczu (ciśnienie bezwzględne), mocy, czasu pracy i postoju sprężarki.

Wielkość	p0	pK	τR	τS	N
Jednostka	bar	s	W
Cykl 1	1,15	10	270	326	100
Cykl 2	1,2	10	193	303
Średnia	1,2	10	232	315

Tab. 4. Wymiary ścianek.

górna/dolna (1,6)	46x50x4,5	cm
boczne (3,5)	46x82x3	cm
przednia/tylna (4,2)	50x82x3	cm

Tab. 6. Współczynniki przenikania ciepła.

α	λ	k1(3cm)	k2(4,5cm)
$$\frac{W}{m^{2} \cdot K}$$	$$\frac{W}{m \cdot K}$$	$$\frac{W}{m^{2} \cdot K}$$	$$\frac{W}{m^{2} \cdot K}$$
12	0,035	0,98	0,69

Tab. 7. Teoretyczny i rzeczywisty strumień ciepła przenikający przez ścianki chłodziarki.

Ścianka	Qrz, W	Qt ,W
$$\sum_{}^{}{scianek}$$	70,3	51,7
Ścianka 1	3,9	5,7
Ścianka 2	14,4	8,5
Ścianka 3	16,9	19,7
Ścianka 4	14,8	8,5
Ścianka 5	12,5	6,8
Ścianka 6	3,9	2,5

Tab. 9. Wyniki obliczeń strumienia masy, sprawności teoretycznej oraz rzeczywistej chłodziarki.

$$\dot{\mathbf{m}}$$	COPrz	COPrz
kg/h	-	-
2,41	1,66	2,14

3. Obliczenia:

   1. Obliczenie całkowitego współczynnika przenikania ciepła k dla ścianki o grubości 3 cm:

$$k_{1(3cm)} = \frac{1}{\frac{1}{\alpha_{1}} + \frac{\delta}{\lambda} + \frac{1}{\alpha_{2}}} = \frac{1}{\frac{1}{12} + \frac{0,03}{0,035} + \frac{1}{12}} = 0,98\frac{W}{m^{2} \bullet K}$$

1. Obliczenie teoretycznego strumienia ciepła przez poszczególne ścianki (przykład dla ścianki górnej i bocznej):

Q_1t = k_2(4, 5cm) • A₁ • Δt = 0, 69 • (0, 46 • 0, 5)•(20+12,5) = 5, 7 W

$$Q_{3t} = \frac{1}{3} \bullet k_{1\left( 3cm \right)} \bullet A_{3} \bullet \left( t_{Z} - t_{W1} \right) + \frac{2}{3} \bullet k_{1\left( 3cm \right)} \bullet A_{3} \bullet \left( t - t_{W2} \right) = = \frac{1}{3} \bullet 0,98 \bullet \left( 0,46 \bullet 0,82 \right) \bullet \left( 20 + 16 \right) + \frac{2}{3} \bullet 0,98 \bullet \left( 0,46 \bullet 0,82 \right) \bullet \left( 20 - 4 \right) = 8,5W$$

$$Q_{t} = \sum_{}^{}Q_{\text{it}}$$

$$Q_{rz} = \sum_{}^{}Q_{\text{irz}}$$

1. Obliczenie COP_rz:

$$\text{COP}_{\text{rz}} = \frac{Q_{\text{rz}}\left( \tau_{s} + \tau_{R} \right)}{N \bullet \tau_{R}} = \frac{70,3 \bullet (315 + 232)}{100 \bullet 232} = 1,66$$

1. Obliczenie strumienia masy (q₀ = h₂-h₃):

$$\dot{m} = \frac{Q_{\text{rz}}}{q_{0}} \bullet 3600 = \frac{70,3}{105000} \bullet 3600 = 2,41\frac{\text{kq}}{h}$$

1. Obliczenie COP_t:

$$\text{COP}_{t} = \frac{q_{0}}{l_{t}} = \frac{105}{49} = 2,14$$

4) Wnioski

Program Solkane 8 umożliwiający wykonywanie obliczeń oraz kreślenie wykresów nie posiadał funkcji pozwalającej na stworzenie wykresu dla użytego czynnika (R-12). Z tego powodu, choć obliczenia wykonane są dla tegoż czynnika, wykres przedstawia pokrewny freon 134a, który – zgodnie z zapewnieniami twórców – skutecznie zastępuje R-12.

Z racji na wyjątkowo dużą rozbieżność wyników, zamiast średniej przyjęto wartości bardziej zbliżone do tych, które otrzymano przy użyciu Solkane. Wskazuje to na pojawienie się błędów pomiarowych będących efektem niewłaściwej pracy aparatury pomiarowej, układu chłodniczego, bądź czynnikiem ludzkim.