BADANIE URZĄDZEŃ CHŁODNICZYCH

Obieg teoretyczny, który przyjmuje się za wzorzec, nazywa się obiegiem porównawczym. Międzynarodowym wzorcem takiego obiegu jest odwracalny (idealny) obieg Carnota lub jeden z obiegów nieodwracalnych (najczęściej suchy lub przegrzany). Teoretyczny obieg chłodniczy różni się od rzeczywistego o urządzenia chłodnicze, ponieważ sprężanie czynnika w sprężarce odbywa się nieadiabatycznie, lecz wg politropy o zmiennym wykładniku, zależnym od ro­dzaju czynnika i warunków pracy sprężarki. Różnice wynikają także z nieod­wracalnych strat wywołanych wymianą ciepła z otoczeniem, przy określonej różnicy temperatur. Aby zachodziła w obiegu wymiana ciepła między środo­wiskiem chłodzącym a ochładzanym (w parowniku, skraplaczu i dochładzaczu), musi istnieć skończona różnica temperatur.

Ocena pracy sprężarki rzeczywistej w urządzeniu chłodniczym

Przy ocenie tej pracy należy analizować

• Wydajność chłodniczą określa się ze wzoru:

Q_o=M.*(i₁-i₆)

wskaźniki 1 i 6 odpowiada pkt na wykresie z rys 12.d; M - rzeczywista masowa wydajność sprężarki; i₁ - entalpia właściwa pary za­sysanej przez sprężarkę; i₆, - entalpia czyn przed zaworem dławiącym lub czyn za skraplaczem dla urządzenia z przegrzewaczem pary.

• Współczynnik przetłaczania

ၬ=V/V_t

V - wydajność objętości sprężarki; V_t - wydajność teoretyczna (sko­kowa) sprężarki

• Straty termodynamiczne obiegu rzeczywistego w stosunku do obiegu teoretycznego określane są jako sprawność urządzenia chłodniczego (ၨ_c) w odniesieniu do obiegu Carnota,

ၨc= ၥ/ၥ_c = ၥ/(T₀/T_k-T₀)

ၥ - współczynnik wydajności chłodzenia obiegu rzeczywistego; ၥ_c - współczynnik wydajności chłodzenia obiegu Carnota; K_t - teoretyczny współ­czynnik wydajności chłodzenia obiegu rzeczywistego; K_c - teoretyczny współczynnik ­ wydajności chłodzenia obiegu Carnota.

W obiegu Carnota czynnik przed sprężarką jest cieczą nasyconą, ą temperatura parowania i skraplania odpowiada temperaturze panującej w badanym urządzeniu. Do oceny wartości teoretycznej współczynnik wydajności chłodzenia obiegu wystarczająca jest temperatura parowania i skraplania. Obieg Carnota jest wzorem absolutnym, niezależnym od własności czynnika, ale różniącym się w dużym stopniu od obiegu realizowanych w technice. Różnice te są następujące:

- przejście czynnika z ciśnienia skraplania do ciśnienia parowania odby­wa się w obiegu rzeczywistym przez dławienie czynnika (izentalpowo) a nie w rzeczywistej przemianie adiabatycznej;

- w obiegu suchym proces skraplania odbywa się przy stałym ciśnieniu, a nie przy stałej temperaturze

- obieg Carnota nie uwzględnia dochłodzenia skroplonego czynnika.

Rys. Obieg porównawczy urządzeń chłodniczych wg parametrów zewnętrznych: a - Carnota, b - suchy, c - przegrzany, d - rzeczy

W obiegu teoretycznym suchym para zasysana przez sprę­żarkę jest parą nasyconą suchą, temperatura czynnika przed zaworem równa jest rzeczywistej temperaturze przed zaworem dławiącym, a w przypadku gdy w urządzeniach jest przegrzewacz pary równa jest rzeczywistej temperaturze ciekłego czynnika za skraplaczem. Ciśnienie parowania i skraplania ustala się z ciśnieniem rzeczywistym w parowniku i skraplaczu, a sprężanie przebiega izentalpowo.

W obiegu teoretycznym przegrzanym przyjmuje się, że para zasysana przez sprężarkę ma ciśnienie i temperaturę równą rzeczywistemu ciśnieniu i temperaturze przed sprężarką, a temperaturze przed zaworem dławią­cym jest równa rzeczywistej temperaturze za skraplaczem urządzenia. Ciśnienie parowania i skraplania ustala się zgodnie z ciśnieniem rzeczywistym w urządzeniu. Sprężanie przebiega izentalpowo.

Teoretyczny współczynnik wydajności chłodniczej dla obiegu suchego i przegrzanego

ၥ_t=(i₁-i₃) / (i₂-i₁)

Przy ocenie sprężarki za parametry obiegu porównawczego przyjmuje się rzeczywistą temperaturę przemian czynnika chłodniczego (temperatura paro­wania, skraplania oraz temperatura czynnika przed sprężarką). Są to tzw. para­metry wewnętrzne.

Ocena pracy urządzenia chłodniczego

Przy ocenie takiego urządzenia za parametry obiegu porównawczego przyjmuje się parametry zewnętrzne, tzn. odnoszące się do źródeł, które pobierają lub oddają ciepło czyn będącemu w obiegu.

- w parowniku za temperaturę parowania (T_o) przyjmuje się najwyższą temperaturę czynnika chłodniczego:

T_O = T_SZ lub T₀ = T_pz lub T₀ = T₉

T_sz - t solanki przy wypływie z chłodnicy; T_pz - t powietrza przy wylocie; T₉ - t cieczy chłodz;

- w skraplaczu za temperaturę skraplania (Tk) przyjmuje się najwyższą temperaturę wody chłodzącej skraplacz (T_wz),

T_k = T_wz, lub temperatura powietrza chłodzącego skraplacz przy założeniu: T_k = T₄- 5 K;

- za temperaturę dochłodzenia (Td) czynnika chłodniczego przyjmuje się najniższą temperaturę wody chłodzącej (T_Wd), T_d = T_Wd

W technice przyjęto tzw. warunki normalne, przy których określane są nominalne wydajność chłodzenia sprężarek i chłodziarek.

Oprócz strat objętościowych i energetycznych sprężarek w urządzeniach chłodniczym powstają

Straty hydrauliczne są wynikiem przepływu czyn przez aparaty i łą­czące je przewody oraz zawory, W celu ich pokonania czynnik musi mieć na początku przewodu lub aparatu ciśnienie większe niż na końcu. Z powodu spadku ciśnienia w przewodzie ssawnym sprężarka musi zasysać parę czynnika o ciśnieniu niższym niż ciśnienie, jakie ma panować w parowniku. Podobnie, wskutek oporu przepływu czyn w przewodzie tłocznym, sprężarka musi sprężać czynnik do ciśnienia wyższego niż p skraplania. Następuje wzrost zapotrzebowania mocy i spadek wydajności sprężarki, ponieważ wskutek wzrostu sprężu spada sprawność, współczynnik przetłaczania a wzrasta jednostkowa praca sprężania oraz objętość właściwa zasysanego czyn.

Straty cieplne, występują w urządzeniach, wynikają z faktu, że czynnik chłodniczy ma inną temperaturę niż temperatura otoczenia aparatów i przewo­dów. Wskutek tego między czynnikiem a otoczeniem następuje wymiana ciepła, która np. na drodze sprężarka-skraplacz jest dla urządzenia korzystna gdyż czynnik jest wówczas chłodzony, a więc w skraplaczu musi być odebrana od niego mniejsza ilość ciepła. Niekorzystna jest dla urządzenia wymiana ciepła w przewodzie ssawnym, gdyż następuje tu doprowadzenie ciepła do czynnika, który wskutek tego zwykle przegrzewa się, a tym samym zwiększa swoją objętość właściwą

Istnienie w urządzeniu tego rodzaju strat powoduje, że rzeczywisty obieg chłodniczy wykazuje pewne odchylenia od obiegu teoretycznego Jeśli na wykresie T-s oraz log p-i pkt 1' oznaczy się stan czynnika na wyjściu z parownika, to poszczególne odcinki o przedstawiają się nastę­pująco:

l'-l" -przewód ssawny,

1"-1"' - króciec i zawór ssawny sprężarki,

1"'-2' - sprężanie przy sႹ const,

2'-2" - zawór tłoczny i króciec sprężarki,

2"-3 - przewód tłoczny i skraplacz,

3-4 - dochładzacz,

4-5 - zawór dławiący,

5-1' -parownik.

Rys Ochładzanie z uwzględnieniem strat: a -w ukł T-s, b - w ukł logp- i

BILANS CIEPLNY URZĄDZENIA CHŁODNICZEGO

Rów. bilansu cieplnego­ odniesione do obiegu czynnika chłodniczego:

Q₀+၄Q₀+L=Q_k+Q_d+၄Q_k

Uwzględnienie wpływu cieczy chłodzonej (chłodziwa),

Q₀=Q_oe+၄Q_oe+L_p

otrzymuje się równanie bilansu cieplnego odniesione do całego urządzenia, stąd:

Q_oe +၄Q_oe+L_p +၄Q₀+L= Q_k+Q_d+၄Q_k

Wydajność chłodzenia urządzenia chłodniczego (Q_o) ilość ciepła, którą pobierze czynnik chłodniczy na drodze od zaworu regulacyjnego do za­woru ssawnego sprężarki. Q₀=Mq₀ Pomiar wydajności chłodniczej sprowadza się do określenia strumienia masy przetła­czanego czynnika, który można wyznaczyć następująco metodami:

2} pomiaru zwężkami,

3) pomiaru naczyniami cechowanymi,

4) pomiaru pośredniego z bilansu wymienników ciepła (skraplacza, do­chładzacza lub parownika).

Użyteczna wyd chł (Q_oe) ilość ciepła, która odprow­adzana jest od ośrodka chłodzonego. Określana jest iloczynem strumienia masy chłodzonej cieczy i różnicy entalpii tej cieczy przy wejściu i wyjściu ze zbiornika: Q_oe = m_ch( i_ch2 - i_ch1 )

m_ch - strumień masy cieczy chłodzonej; i_ch1 i_ch2 - entalpia cieczy chło­dzonej przy wlocie i wylocie ze zbiornika.

Jeżeli chłodzenie odbywa się za pomocą parowników umieszczonych bez­pośrednio w chłodzonym pomieszczeniu (bez czynników pośrednich), to w tym przypadku wydajność określana jest ilość ciepła, którą można doprowadzić do rozpatrywanego pomieszczenia w stanie równowagi cieplnej całego układu.

Straty cieplne rurociągów oraz parownika (၄Q_oe) Q_oe=၄Q_oe `+၄Qoe”

• Straty cieplne rurociągów

၄Q_oe `= m_ch (၄i' + ၄i") -L_p

၄i — różnica entalpii cieczy chłodzonej przed odbiornikiem i przed pa­rownikiem [kJ/kg]; ၄i" - różnica entalpii cieczy chłodzonej za odbiornikiem i za parownikiem; L_p - praca pompowania cieczy chłodzonej.

• Straty cieplne w parowniku określa się jako różnicę między wydajnością chłodzenia a pozostałymi pozycjami bilansu cieplnego:

၄Q"_oe = Q₀-(Q_oe + ၄Q'_oe +L_p)

Prace pompowania chłodziwa (L_p) można wyznaczyć z pracy silnika elektrycznego napędzającego pompę: L_p=N_el*ၨ_el

N_el - moc silnika elektrycznego; ၨ_el - sprawność sprzęgła.

Straty cieplne między zaworem regulacyjnym a zaworem ssawnym (၄Qo). spowodowane są wymianą ciepła między otoczeniem a rozprę­żonym czynnika, między zaworem regulacyjnym a wlotem do parownika oraz na odcinku rurociągu ssawnego między parownikiem a zaworem ssawnym sprężarki. ၄Q_o =M*(၄i_l +၄i₂)

၄i_l - różnica entalpii między zaworem regulacyjnym a wlotem do pa­rownika; ၄i₂ - różnica entalpii między wyjściem z parownika a zaworem ssaw­nym

Praca sprężania (L) równa jest sumie pracy zużytej na bezpośrednie sprę­żanie oraz prący tarcia. L=M*၄i₃ ၄i₃- przyrost entalpii w sprężarce

Wydajność cieplna skraplacza (Q_k) Q_k = M*q_k

Wydajność cieplna dochładzacza (Q_d) Q_d = M*q_d

Straty cieplne rurociągów między sprężarką a zaworem redukcyjnym (၄Q_k) są określane jako suma strat między zaworem tłocznym sprężarki a wejściem do skraplacza (၄Q_k1) oraz między skraplaczem ą zaworem redukcyjnym ၄Qk₂

၄Q_k = ၄Q_k1+ ၄Q_{k 2} = M (၄i₄ + ၄i₅)

၄i₄ - różnica entalpii między sprężarką a skraplaczem ၄i₅ - różnica entalpii między skraplaczem a zaworem redukcyjnym.

Ogólne warunki przeprowadzania badania urządzenia chłodniczego

Badanie urządzenia chłodniczego polega na sporządzeniu bilansu energetycznego urządzenia. W tym celu należy wykonać pomiary cieplne poszczególnych elementów energetycznych urządzenia, takich jak aparaty (wymienniki ciepła), maszyny i rurociągi. Bilans sporządza się w stanie równowagi cieplnej, tzn. że we wszystkich pkt pomiaru jest stała w czasie, a ilości energii podlegające wymianie w poszczególnych elementach energetycznych powinny się bilansować. Stan ten wyznacza się na podstawie powtarzalności wskazań przyrządów pomiarowych. Okres pomiarowy do obliczania zaleca się dobrać po co najmniej 30min pracy urządzenia w stanie termicznie ustalonym. Czas trwania okresu pomiarowego nie powinien być krótszy od 1h. Dopuszczalne są następujące wahania wskazań poszczególnych przyrzą­dów dla:

- temperatura skraplania, parowania, dochłodzenia ±0,2°C;

- temperatura czynnika przed i za sprężarką ±2,0°C;

- różnic temperatury wody i cieczy chłodzącej o 5% mierzonej wartości.

3