Chłodziarki

Ćwiczenie wykonywane jest na doświadczalnej komorze chłodniczej

Celem ćwiczenia jest poznanie cyklu chłodniczego, wykazanie róznic sfektywności urządzenia dla różnych stopni przegrzania a także sporządzenie wykresów Lindego obiegu termodynamicznego dla trzech różnych zaworów rozprężnych

Schemat komory chłodniczej podany jest na rysunku poniżej. Jest to typowy obieg chłodniczy z trzema zaworami rozprężnymi, termostatycznym TS-2, automatycznym AEL-05 oraz sterowanym elektronicznie EEV-AC

Rysunek pokazuje również cykl Lindego (lgp-h). Jest to tzw odwrócony cykl termodynamiczny realizowany w urządzeniu chłodniczym. Na osi poziomej mamy entalpię właściwą h a na pionowej cisnienie czynnika termodynamicznego p.

Wykres ten naniesiony na wykres przemian fazowych czynnika termodynamicznego odzwierciedla pracę układu chłodniczego ze wszystkimi najważniejszymi parametrami termodynamicznymi. Pamiętac należy, że omawiany obieg termodynamiczny realizowany jest w układzie chłodniczym o stałej objętości przez czynnik termodynamiczny w wyniku jego przepływu i przemian fazowych - ciecz->gaz w parowniku i gaz->ciecz w skraplaczu. Z doświadczenia wiemy, że bez względu na to jak zmusimy ciecz do parowania będzie ona odbierać ciepło z otoczenia. Ponieważ parowanie jest przemianą fazową odwracalną spodziewać się należy że skraplanie będzie to ciepło otoczeniu oddawać. Należy tutaj wyraźnie przestrzec przed utożsamianiem ciepła z temperaturą. Ciepło jest w termodynamice tym czym praca w mechanice - sposobem przekazywania energii. W tzw przemianach odwracalnych czynnik termodynamiczny może odbierać lub oddawać ciepło w zależności od stanu w jaki został wprowadzony. Odbieranie ciepła obniża temperaturę zaś jego przyjmowanie ją podwyższa. Zauważmy że w urządzeniach chłodniczych odbieramy ciepło z miejsca o niższej temperaturze (komora chłodnicza) i oddajemy je w miejscu o wyższej temprtaturze (przestrzeń zewnętrzna).

Związek ciepła z temperaturą pokazuje entrpia S. Otóż w klasycznej termodynamice przyrost entropii ΔS jest ilorazem przyrostu ciepła ΔQ przez temperaturę T w jakiej zachodzi. Entropia pokazuje własnie związek temperatury z kierunkiem wymiany ciepła.

Należy zauważyć, że teoretyczny obieg chłodniczy składać się może jedynie z czterech elementów - kompresora i zaworu rozprężnego będącego zwężką dławiącą przepływ - które rozdzielają strefy wysokiego i niskiego ciśnienia układu chłodniczego oraz dwóch radiatorów - wymienników ciepła. Radiator w strefie wysokiego ciśnienia jest skraplaczem w którym para jest „zmuszana” do skroplenia a więc oddaje ciepło otoczeniu. Radiator w strefie niskiego ciśnienia jest parownikiem w którym ciecz jest „zmuszana” do parowania odbierając ciepło z komory chłodniczej - przy okazji obniżając jej tremperaturę. Cały pozostały osprzęt układu chłodniczego służy do zapewnienia jego rzeczywistej i bezawaryjnej pracy (filtr, akumulator ciśnienia, zaworu automatyki sterowania itp..)

Dokładny wykres fazowy czynnika termodynamicznego użytego w urządzeniu (R404A) pokazany jest w załączniku do tej instrukcji.

Jak wiadomo entalpia H jest sumą energii wewnętrznej U oraz czynnika pV. Zgodnie zaś z I zasadą termodynamiki przyrost entalpii ΔH równy jest sumie przyrostu ciepła ΔQ, pracy nieobjętościowej wykonanej nad układem W_e (tutaj równej zeru) i czynnikaVδp. Ta zasada pokazana jest na wykresie obiegu termodynamicznego realizowanego przez urządzenie. Dolna część wykresu pokazuje ciepło pobrane przez czynnik chłodniczy podczas parowania q₀ (odcinek 5-6) przegrzewania pary q_p' (odcinek 6-1) oraz izentropową (izoentropową - tutaj adiabatyczną) pracę l kompresora (odcinek 1-2). Górna część wykresu to ciepło oddane przez czynnik chłodniczy schładzaniem pary q_p (odcinek 2-2') skraplaniem q_k (odcinek 2'-3) i dochładzaniem cieczy q_d (odcinek 3-4). Odcinek 4-5 to izentalpowa (izo-entalpowa) zmiana ciśnienia czynnika chłodniczego w zaworze rozprężnym.

Z pomocą tego wykresu można obliczyć tzw wewnętrzną wydajność chłodniczą ε jako iloraz ciepła odbieranego q₀ + q_p' przez pracę sprężarki l

Efektywność cyklu chłodniczego zależy między innymi od stopnia przegrzania pary czynnika termodynamicznego - wartość q_p' na wykresie Lindego. Pamiętać jednak należy, że tzw punkt przegrzania w rzeczywistych układach nie powinien być ustawiony niżej niż 4-5 stopni ze względu na niebezpieczeństwo zalania kompresora.

Celem ćwiczenia jest sporządzenie wykresów teoretycznego obiegu termodynamicznego układu a także zademonstrowanie różnicy efektywności ε układu chłodniczego przy róznych wartościach stopnia przegrzania - realizowanych za pomocą trzech różnych zaworów rozprężnych.

Wykonanie ćwiczenia

Poslugując się schematem funkcjonalnym (załącznik na końcu instrukcji) identyfikujemy wszystkie opisane elementy obiegu - przede wszystkim zawory rozprężne, kompresor, skraplacz i parownik. Identyfikujemy też opisane tam punkty pomiaru temperatury T1 do T6 i odpowiadające im wskażniki na panelu sterowania

Zamykamy wszystkie zawory BML6 obracając pokrętła w prawo do lekkiego oporu

Następmie otwieramy zawem BML6 przepływ czynnika chłodzącego jedynie przy zaworze rozprężnym termostatycznym TS-2.

JEST BARDZO WAŻNE ŻEBY W CZASIE PRACY URZĄDZENIA OTWARTY BYŁ PRZEPŁYW TYLKO NA JEDNYM ZAWORZE ROZPRĘŻNYM.

OTWARCIE PRZEPŁYWU NA KILKU ZAWORACH ROZPRĘŻNYCH JEDNOCZAŚNIE MOŻE SPOWODOWAC ZALANIE KOMPRESORA CIECZĄ CHŁODZĄCĄ CO DOPROWADZIC MOŻE DO JEGO ZNISZCZENIA.

Wyłączamy przełącznik zaworu EEV-AC na panelu sterowania (z prawej strony na górze) opisany ZAWÓR - AKV -

Po sprawdzeniu prawidłowego podłączenia aparatu do zasilania załączamy wyłączniki zasilania kompresora F1 i automatyki F2

Po ustabilizowaniu wskazań wyświetlaczy - po załaczeniu będą migać - na panelu kontrolera ID985/V ustawiamy żądaną minimalną temperaturę komory chłodniczej (naciśnij SET>naciśnij SET>naciśnij ∨ lub ∧) na -7°C. Potwierdzamy ustawienie naciśnięciem SET i wychodzimy przez dwukrotne nacisnięcie FNC

Czekamy aż temperatura w komorze - pokazywana na bieżąco na wyświetlaczu kontrolera - ustabilizuje się. Może to potrwać ok. 30 minut więc w miedzyczasie na wykresie przemian fazowych czynnika R404A (w załączniku) identyfikujemy obszar parowania ograniczony krzywymi x=0 początku parowania z lewej strony i x=1 końca parowania z prawej, izotermy opisane temperaturą - poziome w obszarze parowania i zakrzywione ostro w dół w fazie gazowej oraz izentropy (tutaj adiabaty) fazy gazowej idace w górę lekko zakrzywione w prawo. Zauważamy też że skala p na osi pionowej jest jako jedyna na tym wykresie logarytmiczna.

Zapoznajemy się też z dalszą częścią instrukcji wykonania ćwiczenia

Przez cały czas pracy urządzenia kontrolujemy czy wziernik jest całkowicie wypełniony czynnikiem chłodniczym (nie powinno być widac zamglenia)

Po ustabilizowaniu się temperatury komory odczytujemy i zapisujemy w tabeli następujące dane niezbędne do sporządzenia wykresu obiegu Lindego

Zawór rozprężny	Termostatyczny TS-2
Temperatura w komorze	°C
Moc pobierana	W
Stopień przegrzania SHt	°K
Ciśnienie absolutne dolne p0	bar
Ciśnienie absolutne górnene pk	bar
Temperatura pary przegrzanej tp (T6)	°C
Trmperatura cieczy dochłodzonej td (T4)	°C
Obliczona wydajność chłodnicza ε

Odczyt watomierza W (środkowe wskazanie na wyświetlaczu watomierza).

Z panelu ID985/V stopień przegrzania - parametr SHt (naciśnij SET - trzymaj 5 sek>wyświetli się EE0>naciśnij SET>naciśnij ∧>wyświetli się SHt>naciśnij SET >wyświetli się wartość SHt- wychodzimy przez FNC>FNC>FNC).

Ciśnienia p₀ z manometru PSS oraz p_k z PTL.

Ponieważ do sporządzenia wykresu obiegu Lindego potrzebne są wartości ciśnień absolutnych w barach a manometry pokazują ciśnienia w względne Mpa (1Mpa =10bar) każdy odczyt z manometru mnozymy przez 10 i dodajemy 1bar jako przybliżoną wartośc ciśnienia atmosferycznego

Wartość temperatury pary przegrzanej t_p z czujnika T6

Wartość temperatury cieczy dochłodzonej t_d z czujnika T4

Następnie zaworami BML6 zamykamy przepływ przez termostatyczny zawór rozprężny TS-2 i otwieramy przepływ przez automatyczny zawór rozprężny AEL-05

Czekamy ok. 5 minut az układ się ustabilizuje i odczytujemy opisane powyżej parametry wpisując je do poniższej tabeli

Zawór rozprężny	Automatyczny AEL-05
Temperatura w komorze	°C
Moc pobierana	W
Stopień przegrzania SHt	°K
Ciśnienie absolutne dolne p0	bar
Ciśnienie absolutne górnene pk	bar
Temperatura pary przegrzanej tp (T6)	°C
Trmperatura cieczy dochłodzonej td (T4)	°C
Obliczona wydajność chłodnicza ε

Po zakończeniu odczytów ponownie zaworami BML6 zamykamy przepływ przez automatyczny zawór rozprężny AEL-05 i otwieramy przepływ przez elektryczny zawór rozprężny EEV-AC. Pamiętamy też o załączeniu przełącznika zaworu EEV-AC na panelu sterowania (z prawej strony na górze) opisanego już na wstępie

Czekamy ok. 10 minut az układ się ustabilizuje i ponownie odczytujemy opisane powyżej parametry wpisując je do poniższej tabeli

Zawór rozprężny	Elektryczny EEV-AC
Temperatura w komorze	°C
Moc pobierana	W
Stopień przegrzania SHt	°K
Ciśnienie absolutne dolne p0	bar
Ciśnienie absolutne górnene pk	bar
Temperatura pary przegrzanej tp (T6)	°C
Trmperatura cieczy dochłodzonej td (T4)	°C
Obliczona wydajność chłodnicza ε

Sporządzenie wykresów obiegu Lindego

Jako podkład wykresu używamy kopii (formatu A3) załaczonego do opisu ćwiczenia wykresu przemian fazowych czynnika chłodniczego R404A

Do sporządzenia wykresu obiegu - teoretycznego, nie uwzględnającego strat przepływu, tarcia itp. - wystarczy znależc cztery charakterystyczne punkty 1, 2, 4 i 5

Sporządzamy trzy wykresy - każdy parametrów pracy układu z określonym zaworem rozprężnym

Na wstępie kreślimy na podkładzie poziome linie absolutnego ciśnienia dolnego p₀ oraz absolutnego ciśnienia górnego p_k. Pamiętamy że skala ciśnienia p na osi pionowej jest logarytmiczna.

Mając wykreślone linie poziome ciśnienia dolnego i górnego możemy znaleźć poszczególne punkty charakterystyczne. Punkt 1 leży na przecięciu prostej ciśnienia dolnego p₀ oraz krzywej izotermy pary przegrzanej czynnika R404A (pęk krzywych po prawej stronie wykresu zakrzywionych stromo w dół i opisanych temperaturą na osi poziomej). Wartość temperatury izotermy odczytujemy z czujnika T6. Jest to temperatura t_p do jakiej „podgrzewany” jest odparowany calkowicie czynnik chlodniczy. Teraz idąc na wykresie w lewo prostą ciśnienia dolnego p₀ do przecięcia z krzywą przemiany fazowej x=1 można znaleźc na izotermie punkt 6 wykresu Lindego czyli temperaturę przy jakiej odbywa się parowanie czynnika w zadanym ciśnieniu. Jest to tzw temperatura saturacji dla danego ciśnienia zależna od parametrów fizykochemicznych cieczy chłodzącej. Różnica temperatury przegrzania i temreratury saturacji jest właśnie stopniem przegrzania czynnika chłodniczego. Zaznaczyć tu należy że temperatura saturacji jest niższa niż temperatura Pb2 mierzona na powierzchni parownika ( odczyt z kontrolera ID985/V ścieżką naciśnij SET>naciskaj ∨ lub ∧ do wyświetlenia Pb2>naciśnij SET>wyświetli się wartość - wyjście przez wielokrotne naciskanie FNC). A to dlatego że mowiąc nieprecyzyjnie lecz obrazowo transport ciepła odbywa się w kierunku czynnika chodniczego który „wysysa” je z wnętrza komory niską temperaturą procesu parowania.

Znalazłszy punkt 1 prowadzimy z niego do góry linię równoległą do wiązki krzywych izentalpowych (adiabat) aż do przecięcia z poziomą prostą ciśnienia górnego p_k. Jest to punkt 2 wykresu Lindego.

Następnie szukamy punktu 4. Odczytujemy temperaturę czujnika T4. Jest to czujnik umieszczony najbliżej zaworów rozprężnych od strony wysokiego ciśnienia. Pokazuje on w przybliżeniu temperaturę „dochłodzonej” cieczy „przeciskającej się” przez zwężki. Szukamy tej temperatury na przecięciu lewej krzywej (x=0) przemiany fazowej z poziomymi izotermami parowania czynnika R404A. Jest to temperatura oznaczona na wykresie Lindego jako t_d. Ze znalezionego punktu kreślimy linię pionową. Na przecięciu z linią ciśnienia górnego p_k znajdujemy punkt 4 zaś na przecięciu z linią ciśnienia dolnego p₀ punkt 5 co zamyka wykres obiegu.

Zaznaczyć tu należy, że jest to wykres teoretyczny, nie uwzględniający np. strat przepływu oraz traktujący np. skraplacz i wymiennik ciepła jako jedno urządzenie.

Teraz możemy korzystając z wykresu obliczyc wartośc wspólczynnika wydajności chlodniczej ε. Na osi poziomej odczytujemy różnicę entalpii między punktami 1 i 5 wykresu. Jest to entalpia jaką odbiera strumieniem ciepła z komory czynnik chłodniczy. Następnie dzielimy tę wartość przez różnice entalpii pomiędzy punktami 2 i 1 wykresu. Jest to entalpia jaką wklada w postaci pracy w czynnik chłodniczy kompresor. Wyliczoną wartość ε zapisujemy w odpowiedniej tabeli.

Wykresy Lindego z obliczoną wewnętrzną wydajnoscią cyklu chłodzenia ε oraz wnioskami dotyczącymi wpływu punktu przegrzania na pracę układu należy zamieścić w sprawozdaniu.

Tomasz Plewicki

Warszawa 21 stycznia 2011

1

---