środa, luty 09th, 2011 | Author: admin

Teoretycznej strat dławienia w urządzeniach klimatyzacyjnych sprężarkowych. Zaproponowano oszacowanie tej wielkości oraz wzrostu COP wynikającego ze spadku stopnia suchości. Zamieszczono wyniki obliczeń teoretycznych strat dławienia dla naturalnych czynników chłodniczych, stanowiących alternatywę dla wycofanych czynników syntetycznych klimatyzacji HCFC oraz aktualnie ograniczanych w stosowaniu czynników HFC.

Zagadnienie wpływu podstawowych parametrów roboczych na efektywność energetyczną obiegu chłodniczego jest podejmowane coraz częściej jako wciąż aktualny problem badawczy, zwłaszcza dla naturalnych czynników chłodniczych. Zagadnienie to staje się szczególnie aktualne obecnie z uwagi na tworzoną aktualnie dyrektywę dotyczącą stosowania gazów cieplarnianych używanych w klimatyzacji (tzw. Dyrektywa F-Gases) [1], a także wprowadzone już regulacje zakazujące stosowania w nowych instalacjach czynników z grupy CFC oraz HCFC. Zasadnicze znaczenie posiada zatem ocena efektywności energetycznej czynników naturalnych, które wobec powyższej sytuacji stają się podstawową alternatywą jako płyny robocze w sprężarkowych urządzeniach chłodniczych. Jedną z najistotniejszych strat w tych urządzeniach jest strata dławienia. Przedmiotem referatu są zagadnienia oceny tej straty w sprężarkowych urządzeniach chłodniczych i klimatyzacji pracujących z naturalnymi czynnikami chłodniczymi.

Efektywność energetyczna jednostopniowego obiegu chłodniczego jest w zdeterminowana własnościami czynnika roboczego. Oznacza to, że w aspekcie substytucji czynników syntetycznych jednym z zasadniczych problemów jest zagadnienie oceny poziomu efektywności energetycznej układu pracującego z perspektywicznym czynnikiem roboczym.
Na Rys. 1 zamieszczono porównanie wartości względnej efektywności energetycznej urządzenia chłodniczego jednostopniowego - zdefiniowanej jako stosunek COP dla urządzenia pracującego z analizowanym czynnikiem do wartości COP dla urządzenia pracującego z czynnikiem R-134a. Z zamieszczonego wykresu można wywnioskować, iż czynniki węglowodorowe posiadają zbliżoną efektywność energetyczną w odniesieniu do przyjętego za wzorcowy czynnika R-134a. Efektywność ta w przypadku dwutlenku węgla (R-744) jest na tyle niska, że jego zastosowanie wymaga podjęcia szeregu działań zmierzających do wyeliminowania najistotniejszych strat w układzie [2,3].

Rys.1. Zależność względnej efektywności energetycznej urządzenia klimatyzacji jednostopniowego od temperatury parowania to.  Do obliczeń przyjęto temperaturę skraplania tk = +35 oC, brak przegrzania pary zasysanej przez sprężarkę oraz brak dochłodzenia ciekłego czynnika wypływającego ze skraplacza.

Jednym z bardzo istotnych parametrów roboczych układu klimatyzacji sprężarkowego jest dochłodzenie ciekłego czynnika przed zaworem regulacyjnym. Obniżenie temperatury skroplonego czynnika o Δ Td jest związane z przekazaniem do otoczenia większej ilości ciepła, bowiem jednostkowa wydajność chłodnicza zwiększa się o wartość Δqd równą jednostkowemu ciepłu dochłodzenia Δqd. Oznacza to, że dochłodzenie ciekłego czynnika zawsze gwarantuje uzyskanie wyższych wartości COP.

Bezpośrednio z omawianą problematyką wiąże się zagadnienie strat dławienia [2]. Proces dławienia w zaworze rozprężnym jest przemianą nieodwracalną, podczas której czynnik traci możliwość wykonania pracy, pomimo, że jego poziom energetyczny reprezentowany wartością entalpii właściwej - nie ulega zmianie. Praca ta nie byłaby stracona, gdyby w układzie została zastosowana rozprężarka, w której ciecz nasycona ulegałaby izentropowej ekspansji od ciśnienia skraplania do ciśnienia parowania. Dodatkową stratą jest odparowanie większej ilości czynnika w zaworze regulacyjnym w porównaniu z rozprężarką. Zastosowanie dochłodzenia umożliwia częściowe odzyskanie tych strat. W wyniku dochłodzenia ulega bowiem obniżeniu stopień suchości czynnika na wlocie do parownika o wartość  Δx=x4- x4′, gdzie 4 oznacza stan czynnika na wylocie z zaworu rozprężnego w warunkach bez dochłodzenia, zaś 4’ odpowiada temu stanowi dla warunków z dochłodzeniem.
W pracy [2] zaproponowano następujące oszacowanie tej wielkości oraz wzrostu COP wynikającego ze spadku stopnia suchości o Δx. Przyjmując następującą zmianę wartości jednostkowej masowej wydajności chłodniczej w wyniku dochłodzenia:

gdzie: c’p – ciepło właściwe cieczy nasyconej przy stałym ciśnieniu, h – entalpia właściwa,
s – entropia właściwa, sfg – entropia parowania (sfg = s” – s’), można wyliczyć zmianę stopnia suchości:

Biorąc pod uwagę zależność na ciepło właściwe:

otrzymuje się zależność na wzrost jednostkowej masowej wydajności chłodniczej z tytułu dochłodzenia czynnika:

Ze wzoru (4) wynika, iż wzrost wydajności chłodniczej z tytułu dochłodzenia ciekłego czynnika jest zdeterminowany przebiegiem krzywej granicznej cieczy nasyconej: im ta krzywa jest bardziej stroma, tym korzyści wynikające z dochłodzenia czynnika są mniejsze. Natomiast do oceny wzrostu współczynnika COP konieczna jest znajomość pracy technicznej lt izentropowego sprężania pary. Wielkość tę można oszacować następująco [4]:

gdzie Badylkes [4] proponuje:

Wobec tego wzrost współczynnika COP z tytułu dochłodzenia ciekłego czynnika wynosi:

Korzystając z zależności (3) oraz z równania Clausiusa-Clapeyrona otrzymuje się:

Wobec tego:

czyli:

Z zależności (10) wynika, że dochłodzenie ciekłego czynnika jest tym efektywniejszym sposobem podwyższania COP urządzenia, im bardziej jest stroma krzywa nasycenia T = f(p), bardziej stroma krzywa graniczna cieczy nasyconej s’=f(T) oraz mniejsza objętość właściwa pary nasyconej. Wniosek ten jest istoty z punktu widzenia doboru nowych czynników chłodniczych, gdyż dochłodzenie ciekłego czynnika jest najprostszym oraz skutecznym sposobem poprawy efektywności energetycznej urządzenia.
Stratę dławienia, wynikającą z większego odparowania rozprężnego cieczy w zaworze rozprężnym niż w procesie rozprężania izentropowego, można wyeliminować wówczas, gdy ciekły czynnik zostanie dochłodzony do takiej temperatury Td‘gr, w której punkt końcowy przemiany dławienia 3’-4’gr pokrywa się z punktem końcowym rozprężania izentropowego cieczy nasyconej 3-4’gr. Sytuację taką pokazano na Rys. 2. Konieczną do uzyskania tego stanu różnicę temperatur można obliczyć z przybliżonej zależności [5]:

Zwiększenie dochłodzenia ponad podane wartości spowoduje dalszy wzrost jednostkowej wydajności chłodniczej, co jednak ogranicza brak łatwo dostępnego czynnika chłodzącego o temperaturze znacznie niższej od otoczenia.

Na Rys. 3 pokazano wyniki obliczeń [2] zależności współczynnika wydajności chłodniczej COP od dochłodzenia ciekłego czynnika dla trzech wybranych płynów roboczych. Biorąc pod uwagę własności tych czynników ujęte w Tabeli 1, uzyskano w ten sposób potwierdzenie zależności (10). Największy wzrost COP uzyskano dla propanu
(R-290), zaś najmniejszy – dla amoniaku (R-717), pomimo, iż właśnie dla tego czynnika uzyskuje się największy przyrost jednostkowej masowej wydajności klimatyzacji w myśl wzoru (1). Przyczyną tego stanu rzeczy jest przede wszystkim znacznie większa zmiana objętości właściwej czynnika w procesie wrzenia vfg, a przede wszystkim – znaczna objętość właściwa pary nasyconej v”. Dochłodzenie ciekłego czynnika okazuje się najbardziej efektywne dla propanu (R-290), który posiada najmniej strony przebieg krzywej granicznej cieczy nasyconej. Porównanie krzywych nasycenia dla amoniaku oraz propanu z krzywymi dla czynnika R-22 przedstawiono na Rys. 4. Z zaprezentowanych obliczeń wynika ponadto, że dochłodzenie ciekłego czynnika przed zaworem rozprężnym pozwala w praktycznym zakresie zmian ΔTd na podwyższenie COP w granicach około 10%.



Proces dławienia jest stosowany powszechnie w urządzeniach klimatyzacji parowych. W urządzeniach tych ciekły czynnik chłodniczy jest dławiony izentalpowo od ciśnienia skraplania do ciśnienia parowania. Proces dławienia jest typowym procesem nieodwracalnym, toteż znacznie korzystniejsze byłoby w tym przypadku zastosowanie rozprężarki ciekłego czynnika, mającej możliwość pracy w obszarze dwufazowym. Układ taki pokazano w sposób ideowy na Rys. 5. W obiegu z rozprężarką COPr jest zawsze większy w odniesieniu do obiegu z zaworem rozprężnym, gdyż:

Aktualnie prowadzi się wiele prac badawczych w zakresie zastosowań rozprężarki w układach sprężarkowych w celu wyeliminowania procesu dławienia [6,7,8,9]. Szczególnie wiele prac koncentruje się nad aplikacją tego typu rozwiązania dla dwutlenku węgla, gdyż dla tego czynnika różnica ciśnień w układzie (pk – po) przekracza nawet 100 bar, w związku z czym straty wynikające z dławienia ciekłego czynnika są tu szczególnie dotkliwe. Należy jednak podkreślić, że zastosowanie rozprężarki w układach chłodniczych jest jeszcze dalekie od praktycznej realizacji, przede wszystkim z uwagi na poważne trudności związane z opracowaniem konstrukcji rozprężarek o wystarczającej, z aplikacyjnego punktu widzenia, sprawności procesu rozprężania.

W trakcie procesu dławienia następują straty dwojakiego rodzaju:

  • strata jednostkowej masowej wydajności klimatyzacji spowodowana większą wartością stopnia suchości pary mokrej zasilającej parownik w porównaniu z przemianą iznetropowego rozprężania (dającą najmniejszą wartość stopnia suchości na końcu tego procesu);
  • strata wynikająca z faktu, że w procesie dławienia izentalpowego nie ma wykonanej pracy zewnętrznej przez rozprężający się czynnik, zaś praca wewnętrzna przemiany zostaje całkowicie i nieodwracalnie zamieniona na wewnętrzne ciepło tarcia. Strata ta jest liczbowo równa stracie jednostkowej masowej wydajności chłodniczej.

Straty dławienia są zdeterminowane zarówno wartościami temperatury parowania, temperatury skraplania, jak również własnościami czynnika chłodniczego. Straty dławienia zostały już częściowo omówione w podrozdziale 2.2, gdyż straty te w zakresie wydajności chłodniczej są możliwe do częściowego wyeliminowania poprzez proces dochłodzenia ciekłego czynnika.
Na Rys. 6 pokazano wyniki obliczeń [2] zależności względnych strat dławienia ltr/qo (patrz Rys. 5) od temperatury parowania to. Straty te są najbardziej dotkliwe dla dwutlenku węgla (R-744), zaś najmniej – dla amoniaku (R-717). W tym ostatnim przypadku zasadniczą przyczyną tak małych strat są bardzo korzystne własności tego czynnika, ujęte w Tabeli 1, co jest również przyczyną niskiej efektywności dochłodzenia cieczy dla tego czynnika (Rys. 1). Na Rys. 7 pokazano wyniki obliczeń [2] zależności zmiany współczynnika wydajności chłodniczej COP z tytułu zastosowania rozprężarki od temperatury parowania to. Należy podkreślić, iż są to maksymalne możliwe zmiany tego współczynnika, bowiem w obliczeniach założono zarówno proces sprężania, jak i rozprężania jako przemiany izentropowe. W przypadku dwutlenku węgla (R-744) korzyści wynikające z zastosowania rozprężarki są zdecydowanie największe i dla najniższych temperatur parowania sięgają około 90%, zaś dla amoniaku (R-717) wynoszą one od około 10 do 15%. Dla propanu (R-290) zmiany te wynoszą z kolei od około 20% do 35%. Z zamieszczonych danych wynika, że zastosowanie rozprężarki ciekłego czynnika jest najbardziej efektywnym sposobem podniesienia efektywności energetycznej urządzeń sprężarkowych. Jak jednak wykazały dotychczasowe prace badawcze [10], jest to również rozwiązanie najbardziej kłopotliwe, jak dotąd bardzo mało efektywne (uzyskuje się zazwyczaj wzrost COP na poziomie około 10%), a zarazem bardzo kosztowne. Nie udało się jak dotąd opracować efektywnej konstrukcji rozprężarki dwufazowej, możliwej do aplikacji w sprężarkowych urządzeniach chłodniczych.

Jednym z najbardziej obiecujących sposobów odzyskiwania energii dławienia jest zastosowanie strumienicy dwufazowej w przewodzie pomiędzy parownikiem a oddzielaczem cieczy [2,3]. Sposób ten został opatentowany przez Gaya w 1931 roku (U.S. Patent No. 1,836,318). Schemat ideowy takiego urządzenia pokazano na Rys. 8. W tym rozwiązaniu ciekły czynnik również pełni rolę czynnika napędowego. Ciecz rozprężając się w dyszy może ulegać częściowemu odparowaniu, zatem dyszę może opuszczać strumień cieczy bądź pary mokrej. Strumień ten wskutek wymiany pędu zasysa parę z parownika. Ze strumienicy mieszanina obu strumieni kierowana jest do oddzielacza cieczy. Ciekły czynnik zasila poprzez zawór rozprężny parownik, natomiast para zasysana jest przez sprężarkę. W odniesieniu do analizowanego układu oczekuje się, że ponieważ w strumienicy formuje się dwufazowa mieszanina cieczy i pary, zatem możliwe jest osiągnięcie wyższych sprawności strumienicy.

W referacie przeanalizowano zagadnienie jednostkowych strat dławienia dla urządzeń klimatyzacji sprężarkowych pracujących z naturalnymi czynnikami roboczymi. Wskazano, iż strata ta nie odgrywa zasadniczej roli w przypadku amoniaku, jednak jest już istotna dla propanu, zaś zdecydowanie ogranicza ona efektywność energetyczną urządzeń pracujących z dwutlenkiem węgla. Stratę tę można częściowo wyeliminować poprzez zastosowanie dochłodzenia ciekłego czynnika przed zaworem rozprężnym. Przeanalizowano wpływ własności termodynamicznych czynnika na możliwość redukcji tejże straty wskazując na szczególne znaczenie dochłodzenia ciekłego czynnika dla propanu. Zasadniczym kierunkiem poprawy efektywności energetycznej urządzeń sprężarkowych jest jednak zmniejszenie straty dławienia poprzez całkowite lub częściowe wyeliminowanie procesu dławienia, co jest przedmiotem własnych prac badawczych autorów [11]. Szczególną nadzieję budzi w tym aspekcie zastosowanie strumienicy dwufazowej w roli elementu rozprężnego, co jest szczególnie atrakcyjne dla układów pracujących z dwutlenkiem węgla, a także z węglowodorami.

You can follow any responses to this entry through the RSS 2.0 feed. Both comments and pings are currently closed.

Comments are closed.