Politechnika Wrocławska Wrocław, 28.01.2000.

Wydział Górniczy

Rok 5 / EPO gr.2

KLIMATYZACJA KOPALŃ

TEMAT : BUDOWA MASZYNY KLIMATYZACYJNEJ. ZASADA DZIAŁANIA. OBLICZANIE ELEMENTÓW SKŁADOWYCH MASZYNY KLIMATYZACYJNEJ NA PRZYKŁADZIE DWUSTOPNIOWEGO URZĄDZENIA CHŁODNICZEGO.

Wykonał:

Marcin Pypeć

I.Wstęp.

Urządzenie chłodnicze ma za zadanie utrzymywać w pomieszczeniu, które zwykle jest zamknięte, temperaturę niższą od temperatury otoczenia. Sztuczne chłodzenie wymaga przekazywania ciepła ze środowiska o temperaturze niższej do otoczenia o temperaturze wyższej. Zespół urządzeń realizujących ten proces nazywa się ziębiarką. Stosowana jest również nazwa chłodziarka, a w zagadnieniach klimatyzacji powietrza używa się również nazwy maszyna klimatyzacyjna^[1].

II.Budowa dwustopniowego urządzenia chłodniczego.

Urządzenia chłodnicze, wykorzystujące zasadę sprężania dwustopniowego, są budowane w różnych układach, które umożliwiają nie tylko zmniejszenie pracy sprężania, równej w tym przypadku pracy obiegu, i zwiększenie wydajności, lecz także wprowadzenie dodatkowego parownika międzystopniowego oraz poprawienie pracy parownika niskoprężnego. Jeden z takich układów, który przedstawiony jest na rys. 34 składa się z następujących elementów: chłodnica międzystopniowa, parownik, pomieszczenie chłodzone, skraplacz, sprężarka, zawór dławiący^[2].

Parownik jest przeponowym wymiennikiem ciepła, w którym następuje odbiór ciepła z ziębionego środowiska na skutek parowania(wrzenia) czynnika chłodniczego. Ilość odebranego ciepła odpowiada entalpii parowania czynnika chłodniczego dopływającego do parownika. Wrzenie czynnika chłodniczego przebiega w przybliżeniu w warunkach izotermicznych. O intensywności tego procesu i związanej z nim wymiany ciepła decyduje wartość energii przejmowanej z powierzchni wymiennika przez ciekły czynnik chłodniczy. Warunkiem koniecznym dla prawidłowej pracy parownika jest pęcherzykowy charakter wrzenia, umożliwiający intensywny odpływ tworzących się pęcherzyków pary. Nie udaje się stworzyć pożądanych warunków wymiany ciepła w przypadku wrzenia błonkowego. Gęstość strumienia ciepła jest duża wtedy, gdy przepływ czynnika chłodniczego i ziębionego płynu jest turbulentny. Na opór cieplny ścianki przewodu mają wpływ m.in. zanieczyszczenia powierzchni olejem po stronie czynnika chłodniczego oraz warstwa osadów pochodzących z wody lub będących rezultatem korozji^[1].

Skraplacze są wymiennikami ciepła, w których ciepło skraplania i przegrzania czynnika chłodniczego przenoszone jest do chłodziwa w celu przekazania go do otoczenia lub do odbiorników ciepła. W skraplaczu zachodzi proces kondensacji par czynnika chłodniczego dopływających ze sprężarki. Przy klasyfikowaniu skraplaczy zwykle bierze się pod uwagę rodzaj chłodzonego środowiska oraz sposób odprowadzenia ciepła od czynnika chłodniczego. W szczególności za podstawę klasyfikacji przyjmuje się rodzaje i sposoby przepływu chłodziwa i czynnika chłodniczego.

Przy budowie skraplaczy jako wymienników ciepła dąży się do uzyskania jak największych współczynników wymiany ciepła, by z powierzchni o jednostkowym polu móc odprowadzić jak najwięcej ciepła. Zapewnia to mały ciężar i możliwie niewielkie wymiary gabarytowe przy danej mocy urządzenia. Dąży się także do małych oporów hydraulicznych zarówno po stronie czynnika chłodniczego, jak i chłodziwa.

Sprężarka powoduje przepływ czynnika chłodniczego przez ziębiarkę, zapewniając jednocześnie uzyskanie odpowiednich wartości ciśnień w parowniku i skraplaczu. Z uwagi na zasadę działania sprężarki dzieli się na wyporowe i przepływowe. Działanie sprężarek wyporowych jest cykliczne i polega na kompresji zamkniętej czynnika chłodniczego. W sprężarkach przepływowych kompresja następuje w sposób ciągły przez nadawanie czynnikowi dużej prędkości i zamianę energii kinetycznej na energię ciśnienia. Sprężarki stosowane w instalacjach chłodniczych, a w szczególności w klimatyzacji, mają spełniać szereg wymagań, m.in. mają być trwałe, szczelne, o niskim poziomie głośności.

III.Zasada działania dwustopniowego urządzenia chłodniczego.

Jak wiadomo z termodynamiki, sprężanie dwustopniowe z chłodzeniem międzystopniowym, realizowane jest w sprężarkach lub w dwóch oddzielnych sprężarkach pracujących w układzie szeregowym, daje zmniejszenie pracy sprężania, obniżenie końcowej temperatury tłoczenia oraz zwiększenie wartości współczynnika przetłaczania λ dzięki zmniejszeniu stosunków ciśnień w poszczególnych stopniach. Zasada działania takiego urządzenia jest następująca:

Sprężarka niskoprężna SPR NP zasysa z parownika PI czynnik chłodniczy w stanie pary nasyconej suchej o ciśnieniu p₁= p_o1 i temperaturze t₁= t_o1 (punkt 1). Po izentropowym sprężeniu (s = const.) do ciśnienia międzystopniowego p_m = p_o2 pary przegrzane czynnika o temperaturze t₂ (punkt 2) wytłaczane są do chłodnicy CHŁI, gdzie za pomocą wody odprowadzane jest od nich ciepło. W czasie tej przemiany, która przebiega izobarycznie przy ciśnieniu p_o2 zostaje obniżona temperatura czynnika od t₂ do t^'₂. Z wodnej chłodnicy międzystopniowej CHŁI czynnik przepływa do chłodnicy międzystopniowej CHŁII, gdzie stykając się z ciekłym czynnikiem w stanie nasycenia, odpowiadającym ciśnieniu międzystopniowemu p_o2, oddaje całkowicie swoje
ciepło przegrzania i osiąga stan pary nasyconej suchej (punkt 3).

Aby to ciepło mogło być odebrane, do chłodnicy musi być doprowadzany ze skraplacza przez zawór dławiący ZDIII czynnik chłodniczy, który, rozprężając się w zaworze, wpływa do chłodnicy w stanie pary nasyconej wilgotnej (punkt 6).

Ponieważ chłodnica zbudowana jest w formie pionowego zbiornika, para nasycona wskutek gwałtownego spadku prędkości rozdziela się mechanicznie na parę suchą nasyconą (punkt 3), zasysaną następnie przez sprężarkę wysokoprężną SPR WP, oraz ciecz o stanie nasycenia (punkt 7) spływającą na dno zbiornika chłodnicy międzystopniowej. Oczywiście zarówno para, jak i ciecz mają ciśnienia p_o2 oraz temperaturę t_o2. Jeśli do otrzymanego w ten sposób ciekłego czynnika zostanie wprowadzona para przegrzana o stanie 2^', to wskutek różnicy temperatur nastąpi wymiana ciepła między parami czynnika oraz cieczą, przy czym para zostanie ochłodzona do stanu nasycenia, natomiast ciecz będzie parować, dając w rezultacie również parę nasyconą suchą o stanie 3. Oba te strumienie pary, mieszając się ze sobą, są zasysane przez sprężarkę wysokoprężną. O ile, tak jak na schemacie urządzenia, do chłodnicy wprowadzona jest wężownica z przepływającym przez nią ciekłym czynnikiem ze skraplacza SKR, to wskutek tego, że ciecz w wężownicy ma temperaturę t₅ wyższą od temperatury cieczy w chłodnicy t₇ = t_o2, nastąpi między nimi wymiana ciepła. W jej wyniku ciecz o ciśnieniu p_k, płynąca ze skraplacza, ulegnie izobarycznemu dochłodzeniu do temperatury t₈, natomiast odpowiednia część cieczy w chłodnicy międzystopniowej odparuje, zamieniając się w parę nasyconą suchą (punkt 3). Para ta, wraz z poprzednimi dwoma strumieniami pary, zasysana jest przez sprężarkę wysokoprężną.

Sprężarka wysokoprężna może być jeszcze dodatkowo wykorzystana dla wprowadzenia do układu parownika o temperaturze parowania t_o2 odpowiadającej ciśnieniu p_o2, co w praktyce jest często bardzo pożądane. W tym celu parownik PII jest przyłączony z jednej strony do przewodu cieczy ze skraplacza, z drugiej zaś do przewodu ssawnego sprężarki wysokoprężnej, przez co w parowniku tym wytworzone jest ciśnienie p_o2. Dla zdławienia cieczy płynącej ze skraplacza w przewód cieczowy wstawiony jest zawór dławiący ZDII, w którym następuje zmiana stanu czynnika od stanu 5 do stanu 6. Otrzymana w ten sposób para nasycona wilgotna doprowadzona jest do parownika PII, gdzie odprowadzając ciepło ze środowiska chłodzonego PMII, paruje izobarycznie, dając parę nasyconą suchą o stanie 3.

Otrzymana para jest sprężana izentropowo w sprężarce wysokoprężnej do ciśnienia p_k, przy czym jej temperatura wrasta do wartości t₄, a następnie wytłaczana do skraplacza SKR. W skraplaczu przy stałym ciśnieniu p_k zostaje odprowadzone od czynnika ciepło, wskutek czego następuje najpierw obniżenie jego temperatury do stanu nasycenia (temperatura t_k), a następnie skroplenie i ewentualne dochłodzenie do temperatury t₅. Ciekły czynnik o tym stanie zostaje teraz rozdzielony na trzy strumienie i skierowany do poszczególnych punktów odbioru, a mianowicie:

• do chłodnicy międzystopniowej przez zawór dławiący ZDIII,

• do parownika PII przez zawór dławiący ZDII,

• do parownika PI przez wężownicę umieszczoną w chłodnicy międzystopniowej i zawór dławiący ZDI.

Pierwszy strumień cieczy jest zatem dławiony od ciśnienia p_k do p_o2, zmieniając swój stan od stanu 5 do stanu 6, drugi natomiast jest dławiony również od stanu 5 do stanu 6, lecz następnie wprowadzany do parownika PII, gdzie paruje przy ciśnieniu p_o2 i odpowiadającej mu temperaturze t_o2, odbierając ciepło z otoczenia. Trzeci strumień cieczy przy przepływie przez chłodnicę międzystopniową zostaje dochłodzony izobarycznie (ciśnienie p_k) do temperatury t₈, a następnie zdławiony przy stałej wartości entalpii do ciśnienia p_o1. Dochłodzenie czynnika przedstawia na wykresach odcinek 5-8 izobary p_k, dławienie zaś odcinek 8-9. Otrzymana w ten sposób para nasycona o stanie 9 jest wprowadzana do parownika PI, gdzie odbierając ciepło z otoczenia paruje przy ciśnieniu p_o1 i temperaturze t_o1 i w stanie pary nasyconej suchej (punkt 1) zasysana jest przez sprężarkę niskoprężną.

IV.Wielostopniowe dławienie czynnika.

Pewną odmianą opisanego układu dwustopniowego jest układ z wielostopniowym dławieniem czynnika, umożliwiający zmniejszenie stopnia suchości pary wpływającej do parownika niskoprężnego. W urządzeniu takim, którego schemat przedstawiony jest na rys. 36, a obieg na wykresach T-s oraz lg p-i (rys.37), skroplony czynnik ostanie 5 zostaje zdławiony w zaworze dławiącym ZDII przy stałej wartości entalpii (odcinek 5-6) i w całości wprowadzony do chłodnicy międzystopniowej CHŁ. Tutaj wpływająca para nasycona wilgotna, a więc mieszanina pary i cieczy, o stanie 6 zostaje mechanicznie rozdzielona na parę nasyconą suchą o stanie 3 oraz ciecz nasyconą o stanie 7, przy czym ilość pary tak się ma do cieczy, jak odcinek 6-7 do odcinka 6-3. Otrzymana ciecz zostaje następnie skierowana częściowo do zaworu dławiącego ZDI oraz do parownika PI, częściowo zaś do parownika PII, gdzie parując przy stałym ciśnieniu p_o2 (przemiana 7-3) odbiera ciepło z otoczenia. W parowniku PI parowanie odbywa się przy stałym ciśnieniu p_o1, przy czym czynnik zmienia swój stan od stanu 8 do stanu1.

---