© Strojni{ki vestnik 46(2000)10,697-702 © Journal of Mechanical Engineering 46(2000)10,697-702 ISSN 0039-2480 ISSN 0039-2480 UDK 621.5.012:621.574 UDC 621.5.012:621.574 Strokovni ~lanek (1.04) Speciality paper (1.04) Dimenzioniranje in izvedba sodobne dvostopenjske hladilne naprave Dimensioning and Construction of the Contemporary Two-Stage Cooling Device Marjan Dimnik - Alojz Poredo{ V prispevku je predstavljena metodologija dimenzioniranja in izvedbe dvostopenjske hladilne naprave, ki lahko deluje tudi kot enostopenjska . Poudarjene so posebnosti preračuna sestavnih elementov v primerjavi z običajno enostopenjsko izvedbo. Opisan je postopek izdelave, zagona in meritev na napravi, ki uspešno deluje v eni ali dveh stopnjah. Na koncu je z rezultati meritev dokazana pravilna odločitev za dvostopenjsko izvedbo v primeru večjih razlik tlakov uparjanja in kondenzacije. © 2000 Strojniški vestnik. Vse pravice pridržane. (Ključne besede: procesi hladilni, moč hladilna, moč grelna, naprave hladilne) In the paper the methodology for the dimensioning and construction of two-stage cooling device, which could operate as a single-stage also, is presented. Emphasis is laid on the calculation of the component parts in comparison with standard single-stage device. Furthermore a construction process, testing and measurements on experimental device, which successfully operates with single- or two stages, are described. At the end it is proofed that in case of higher differences between evaporation and condensation pressure it is reasonable to decide on two-stage cooling device. © 2000 Journal of Mechanical Engineering. All rights reserved. (Keywords: cooling process, cooling capacity, heating capacity, cooling devices) 0 UVOD Na Fakulteti za strojništvo Univerze v Ljubljani v Laboratoriju za hladilno tehniko smo izdelali hladilno napravo, ki je namenjena za demonstracijo delovanja v enostopenjski in dvostopenjski izvedbi. Z zvečanim razmerjem tlakov kondenzacije in uparjanja pri parnih hladilnih napravah se močno zmanjšuje dobavno število in s tem izkoristek kompresorja. Vsi koeficienti dobavnega števila X=ITL se namreč pri obrabljenih kompresorjih bolj ali manj zmanjšujejo, poleg tega pa je pri kompresiji v eni stopnji pri velikih tlačnih razmerjih temperatura hladiva na izstopu iz kompresorja visoka in lahko presega mejo kemične stabilnosti, tako hladiva kakor olja za mazanje kompresorja. Zato se pri razmerju tlakov pk/ p >5 do 9 odločamo za dvostopenjske in pri višjih tlačnih razmerjih za več stopenjske hladilne naprave. Nižja mejna vrednost velja za amoniak, višja vrednost pa za preostala hladiva. Za ekstremno visoke razlike tlakov lahko uporabimo tudi kaskadne izvedbe hladilnikov. 1 DVOSTOPENJSKA HLADILNA NAPRAVA Z VMESNO POSODO Nizkotlačni (NT) kompresor (sl.1) sesa uparjeno hladivo stanja 1 (sl.2) iz uparjalnika in ga komprimira na tlak p v vmesni posodi (stanje 2), kjer se ohladi blizu rosilne krivulje (stanje 3). Visokotlačni VT kompresor stiska paro hladiva na tlak kondenzacije pk. V kondenzator vstopa pregreta para hladiva stanja 4 in se ohlaja do temperature nasičenja ter kondenzira do stanja 5. Kondenzat teče skozi zbiralno posodo, sušilno patrono, pokazna stekla in prvi dušilni ventil v vmesno posodo (stanje 6). Od tukaj odteka kapljevina stanja 7 skozi drugi dušilni ventil v uparjalnik (stanje 8), od tukaj pa pregreto paro ponovno sesa NT kompresor. M. Dimni zbiralna posoda duš i l ni ventil vmes na posoda 5 [kondenzator 3 ]VT- kompresor 6 J. I i ¦?»' KK J2 pnt (j V) NT-kompresor 1 ___^ 8 r~ duš i l ni UJ uparjalnik Sl. 1. Dvostopenjska hladilna naprava z dvostopenjsko ekspanzijo 10 0.3 100 150 200 250 300 350 400 entalpija [kJ/kg] Sl. 2. Krožni proces v dvostopenjski hladilni napravi z dvostopenjsko ekspanzijo v diagramu logp-h 2 PRERAČUN, IZBIRA IN DIMENZIONIRANJE ELEMENTOV Opisano hladilno napravo smo dimenzionirali za naslednje podatke: hladilna mocQ u=2,5 kW, temperatura uparjanja tu= -40 °C, tlak uparjanja pu=1,37 bar, temperatura kondenzacje t = 40 °C, tlak kondenzacije pk = 18,3 bar. Za preračun hladilne naprave moramo najprej določiti proces v diagramu log p-h. Zato potrebujemo srednji tlak, ki ga izračunamo po enačbi: i pk-pu (1) in pomeni geometrično srednjo vrednost obeh tlakov. V praksi se je izkazal tako določen srednji tlak bolj ustrezen kakor pa aritmetična srednja vrednost. Tlak uparjanja pu in tlak kondenzacije pk ter izračunani srednji tlak pm vrišemo v diagram log p-h za hladivo R404A in iz njega preberemo entalpije v točkah, ki so v nadaljevanju namenjene za termodinamični preračun. 2.1 Preračun uparjalnika Uparjalnik v našem primeru odvzema toploto zmesi vode in etilenglikola v posodi s prostornino 0,14 m3. Narejen je iz gladkih bakrenih cevi z zunanjim premerom 16 mm. Za potek uparjanja hladiva v uparjalniku in s tem povezano ohlajanje okolice smo izbrali 0 Snn5jfokJ][M]lBi[rLfl I | ^SSfiTTMlliC | stran 698 7 1 M. Dimnik - A. Poredo{: Dimenzioniranje in izvedba - Dimensioning and Construction Preglednica 1. Vrednosti entalpij (kJ/kg) v posameznih točkah h1 h2* h3 h4* 352 378 371 h5=h6 h7=h8 temperaturno razliko 10 K med hladivom in hla kapljevino. Na temelju znane moči uparjal izračunamo površino oziroma dolžino cevi uparja po enačbi: Qu = AkDt => A Qu ^l = A kDt dn Rezultat izračuna je dolžina cevi l=13m. Vrednost za toplotno prehodnost k povzeli po [2] in znaša 348 W/m2K. 2.2 Izbira NT kompresorja Na podlagi izkoristka: h2* -h1 h2 -h1 (3), ki znaša za tovrstne kompresorje okrog 0,8, izračunamo entalpijo pare hladiva na izstopu iz kompresorja: h2* - h1 h2 =----- + h1 hi in nadalje masni tok nizkotlačnega kompresorja: P nt (4) (5) (h2-h) ter moč nizkotlačnega kompresorja: PNT=mNT(h2-h1) (6). Iz kataloga Danfoss izberemo kompresor SC15DLX 2.3 Izbira visokotlačnega kompresorja Podobno kakor za nizkotlačni kompresor tudi v tem primeru vzamemo enako vrednost izkoristka ter analogno enačbi (4) izračunamo entalpijo h4. Masni tok hladiva v VT kompresorju izhaja iz masne bilance vmesni posodi. Torej lahko zapišemo bilančne enačbe: m&NT h2 + m&VT h6 = mVT h3 + m&NT h7 (7), m&NT (h2 -h7 ) = m&VT (h3 -h6 ) (8), h2 -h7 m&VT = m&NT (9). Moč VT kompresorja je: ¦(h4-h3) (10). in znaša 730 W. h,2 ihm ll7 ihm Sl. 3. Bilančna shema vmesne posode Iz kataloga Danfoss izberemo kompresor SC18CLX 220-240/50 2.4 Preračun kondenzatorja Skozi kondenzator teče masni tok mVT, zato je toplotna moč kondenzatorja določena z enačbo: Qk=m VT (h4-h5) (11). Na podlagi Q k, računane po tej enačbi znaša 3,76 kW, določimo potrebno površino vodnega kondenzatorja. V kondenzatorju se hladivo najprej ohladi do temperature nasičenja in nato kondenzira. Pri ohlajanju pare hladiva je toplotna prestopnost v cevi relativno majhna (150 W/m2K), zato potrebujemo za ta proces razmeroma veliko površino. Na podlagi poznanih enačb iz prenosa toplote [3] smo izračunali površino A = 0,162 m2. Podobno smo izračunali površino kondenzatorja, potrebno za čisto kondenzacijo hladiva, ki znaša A = 0,284 m2. Tako znaša celotna potrebna površina kondenzatorja A = 0,446 m2 . Po podatkih proizvajalca tovrstnih kondenzatorjev LTH smo izbrali tip kondenzatorja VZ - 0,75. 3 IZDELAVA IN ZAGON NAPRAVE Pri izdelavi naprave smo posebno pozornost posvetili čistosti vseh sestavnih elementov. Glavne, v prejšnjih poglavjih opisane elemente smo povezali z bakrenimi cevmi. Premer cevi smo določili na podlagi najmanjših hitrosti, ki so potrebne za pretok olja skozi elemente hladilnega sistema. V nasprotju z grelnimi sistemi, pri katerih cevi ponavadi predimenzioniramo zato, da se izognemo velikim tlačnim izgubam, v tem stran 699 glTMDDC 'I rej ohlajevanje hladiva čista kondenzacija t5 = 42°C tvik = 35°C ^\ ts=42°C twk=15°C Aohl Ac A&k l[m]" el Sl.5. Izvedena eno- in dvostopenjska hladilna naprava z zaznavali nastajajo poškodbe kompresorja. Poleg tega smo vgradili še elemente krmiljenja in varovanja ter elemente za preklop med enostopenjskim in dvostopenjskim načinom delovanja. Po sestavi naprave (sl.5) smo opravili preskus tesnosti pri tlaku 18 bar. Napravo smo nato napolnili s hladivom R404A. Posebnih zagonskih težav ni bilo, tudi preklop iz enostopenjskega delovanja v dvostopenjski režim je uspel brez zapletov. 3.1 Zagon Pri načrtovanju naprave smo se odločili, da vgradimo elektromagnetne ventile, s katerimi smo lahko vzpostavili ustrezne cevne povezave in na ta način dosegli želena obratovanja. V fazi testiranja naprave se je izkazala potreba po dodatni vgraditvi protipovratnih ventilov (elektromagnetni ventili tesnijo samo enosmerno). Pred polnjenjem naprave s hladivom R404A smo napravo temeljito testirali na tesnost (vakuum). 4 MERITVE NA IZVEDENI NAPRAVI Z meritvami želimo potrditi, v kolikšni meri smo napravo pravilno načrtovali in izdelali. Posebno skrb smo posvetili nameščanju in umerjanju zaznaval. Merilna zaznavala smo namestili v karakterističnih točkah hladilnega procesa. Merili smo: temperature, tlake, masni pretok hladiva in porabljeno električno moč na sponkah motorjev visoko- in nizko-tlačnega 0 SnnsjfoUUMllBilrSfl I | ^SsFÜWEIK | stran 700 M. Dimnik - A. Poredo{: Dimenzioniranje in izvedba - Dimensioning and Construction Preglednica 2: Rezultati meritev dvostopenjske naprave h1 kJ/kg h2* kJ/kg h4 kJ/kg h8 kJ/kg m& NT kg/h 371 434 248 187 39,83 -34 -9.4 370 730 T'C Tfiu Pnt W Pvt W Preglednica 3: Rezultati meritev enostopenjskega delovanja h1 kJ/ kg h 2* kJ/ kg 371 434 kompresorja, ki je namenjen za določitev hladilnega števila. 4.1 Rezultati meritev dvostopenjskega delovanja Izmerili smo parametre hladiva (p, T) v vseh značilnih točkah hladilnega sistema v primeru eno- in dvostopenjskega delovanja. Na podlagi teh smo iz diagrama log p-h za hladivo R 404A razbrali vrednosti entalpij (preglednica 2). S podatki iz preglednice 2 lahko izračunamo hladilno število edej dvostopenjske hladilne naprave. Dejansko hladilno število hladilnega sistema je razmerje med dejansko hladilno močjo za pogon kompresorjev (priključna moč na sponkah kompresorja). h2 kJ/ kg 448. 77 h4 kJ/ kg 248 Pdej W 370 Q&u 2,dej P +P NT VT (12). in znaša 1,85. Na temelju podatkov iz preglednice 3 izračunamo hladilno število enostopenjske hladilne naprave. Q&u e1, = dej Pd dej (13) in znaša 1,58. 5 SKLEP V zadnjem času lahko na podlagi pregleda literature ugotovimo, da se večstopenjske hladilne naprave vse bolj uporabljajo. Po natančni proučitvi hladiv smo se odločili za freon R404A. Preračun in dimenzioniranje dvostopenjske hladilne naprave poteka podobno kakor običajne enostopenjske z nekaterimi posebnostmi. Te smo v tem prispevku posebej poudarili, kar velja predvsem za vmesno posodo in oba kompresorja. Izdelava nestandardnih elementov ter montaža celotne naprave je v celoti potekala v Laboratoriju za hladilno tehniko na Fakulteti za strojništvo v Ljubljani. Po manj ših začetnih težavah hladilna naprava sedaj uspešno deluje in dosega želene parametre. V dokaz uspešnega delovanja smo opravili tudi meritve na napravi v vlogi enostopenjskega in dvostopenjskega hladilnika. Po analizi meritev smo ugotovili, da je hladilno število v primeru dvostopenjske kompresije za 15 % večje kakor v primeru enostopenjske. Torej lahko povzamemo, da je primerno graditi dvostopenjske naprave v primeru, ko je razmerje kondenzacijskega in uparjalnega tlaka večje od 9 (v našem primeru 12,3). Preklop iz eno- v dvostopenjsko funkcijo je izveden z magnetnimi ventili. Izdelana hladilna naprava bo zanesljivo prispevala h kakovostnejšemu študiju strojništva v smeri Hladilna in ogrevalna tehnika. Zahvala Večino elementov smo dobili kot darilo sponzorja Danfoss tovarne kompresorjev iz Črnomlja, za kar se jim najlepše zahvaljujemo. 6 UPORABLJENI SIMBOLI A površina v m2 d premer cevi v m d zunanji premer cevi v m h specifična entalpija v kJ/kg k toplotna prehodnost v W/m2K l dolžina cevi v m m masni tok v kg/s P močv W p srednji tlak v Pa t temperatura v oC T temperatura v K V prostorninski tok v m3/s hitrost v m/s Q hladilna moč v W l dobavno število e hladilno število hi izkoristek Indeksi č čista d dušenje dej dejanski f freon fiu freon, izstop iz uparjalnika fvu freon, vstop v uparjalnik stran 701 M. Dimnik - A. Poredo{: Dimenzioniranje in izvedba - Dimensioning and Construction k kondenzacija skupni skupni k, kondenzacija, čista šp. škodljivi prostor k, oh kondenzacija, ohlajevalna t termometrični m merjeno u uparjanje n notranji, netesnost u, dej uparjalna, dejanska vik voda, izstop iz kondenzatorja oh ohlajevalna v, sr voda, srednja ok okolica v voda, vstop R hladivo VT visokotlačni kompresor sr srednja vvk voda, vstop v kondenzator sr,č srednja, čista z zunanji 7 LITERATURA [I] Breidert, H.-J. (1995) Projektirung von Kälteanlagen, C.F Müller Verlag, Heidelberg. [2] Breidenbach, K. (1990) Der Kälteanlagenbauer, Band 1. C.F Müller Verlag, Karlsruhe. [3] Breidenbach, K (1990) Der Kälteanlagenbauer, Band 2. C.F Müller Verlag, Karlsruhe. [4] Breidert, H.-J. (1996) Formeln,Tabellen und Diagramme für die Kälteanlagenbauer, C.F Müller Verlag, Heidelberg. [5] Kraut, B. (1981) Strojniški priročnik, 6. izdaja. Strojniški vestnik, Ljubljana. [6] VDI Wärmeatlas (1993) 7. Erweiterte Auflage. VDI Verlag, Düsseldorf. [7] Poredoš, A. (1998) Zapiski predavanj in vaj. [8] Vujič, S. (1988) Rashladni uredaji. Masinski Fakultet, Beograd. [9] Veith, H. (1995) Grundkurs der Kältetechnik, 7. überarbeitete, aktualisierte Auflage. C.F. Müller, Heidelberg. [10] Danfoss (1996) Katalog RK 00. H5. 03, 9/96. [II] Heinrichs, Messgeräte GmbH, Katalog Nr. 2.310, Köln. [12] Zbornik predavanj (1984) Osnove vakuumske tehnike, Ljubljana, druga izdaja. Naslov avtorjev: Marjan Dimnik profdr. Alojz Poredoš Fakulteta za strojništvo Univerze v Ljubljani Aškerčeva 6 1000 Ljubljana Prejeto: 21.7.2000 Sprejeto: 20.12.2000 0 snnataieflMliBilrSO | ^BSfirTMlliC | stran 702