Czy pulsacja czynnika chłodniczego w instalacjach zawsze jest szkodliwa?
Sprężarki stosowane w urządzeniach chłodniczych z powodu swoich konstrukcji i zasad działania powodują pulsację ciśnienia czynników chłodniczych
Sprężarki stosowane w urządzeniach chłodniczych: tłokowe, śrubowe czy spiralne, z powodu swoich konstrukcji i zasad działania powodują pulsację ciśnienia czynników chłodniczych w przewodach tłocznych jak i ssących. Pulsacje te rozprzestrzeniają się wzdłuż przewodów do pozostałych elementów instalacji chłodniczej. Powoduje to, że mają wpływ na poziom emitowanego hałasu, ilość wymienianego ciepła w wymiennikach, poprawność działania automatyki chłodniczej oraz powstawanie drgań.
Sprężarki w układach chłodniczych. Problem drgań w urządzeniach chłodniczych
Głównym elementem układu chłodniczego jest sprężarka. Istnieją urządzenia chłodnicze absorpcyjne i adsorpcyjne, w których sprężarek nie ma, ale nie są one tak powszechnie stosowane jak urządzenia sprężarkowe. Sprężarki, obok wentylatorów, są głównym źródłem hałasu i drgań urządzeń chłodniczych. Wynika to z konstrukcji sprężarki. Wirujące bądź poruszające się ruchem posuwisto zwrotnym masy powodują drgania konstrukcji sprężarki. Wiele publikacji zostało poświęconych problemowi eliminacji drgań przenoszonych przez przewody, czy podłoże sprężarki. Praktycy także są przyzwyczajeni do stosowania izolacji akustycznych oraz zabezpieczeń przed rozprzestrzenianiem się drgań. Sprężarki zazwyczaj są tak montowane, aby w jak najmniejszym stopniu przenosiły wibracje na podłoże. Przewody umieszczane są w taki sposób, aby nie przenosiły drgań na elementy konstrukcyjne. Połączenia elastyczne przewodów wentylacji zabezpieczają przed przenoszeniem się wibracji z maszynowni do pomieszczeń użytkowych. Ściany maszynowni są budowane z materiałów dźwiękoszczelnych. Projektanci zwracają także uwagę na możliwości występowania rezonansu zarówno w elementach konstrukcyjnych jak i w elementach izolujących. Ponadto producenci rozwijają swoje sprężarki w taki sposób, aby generowały jak najmniej hałasu i drgań.
Problem pulsacji czynnika chłodniczego
Problem drgań w urządzeniach chłodniczych jest dobrze poznany, podczas gdy problem pulsacji czynnika chłodniczego w instalacji jest zagadnieniem marginalizowanym, a oba zagadnienia mają ze sobą wiele wspólnego. Tak więc warto się zastanowić czy pulsacje rzeczywiście mają nikły wpływ na poprawne działanie instalacji chłodniczej.
Pulsacje wywołane przez pracę sprężarek
Sprężarki wykorzystywane w chłodnictwie działają w taki sposób, że okresowo lub partiami sprężają zamkniętą przestrzeń gazu poprzez zmniejszenie jej objętości. Z tym zjawiskiem mamy do czynienia zarówno w sprężarkach tłokowych jak i rotacyjnych. Powoduje to, że do przewodu za sprężarką gaz dostarczany jest nie w sposób ciągły, lecz w sposób okresowy. Te chwilowe momenty otwarcia zaworów tłocznych (w przypadku sprężarek, w których zawory występują) dostarczają gaz o ciśnieniu wyższym niż ciśnienie panujące w przewodzie. Ciśnienie w przewodzie tłocznym ma zatem charakter pulsacyjny.
Co różni sprężarki tłokowe od rotacyjnych?
Różnica pomiędzy sprężarkami tłokowymi a rotacyjnymi polega na tym, że w przypadku sprężarek tłokowych podwyższenie ciśnienia powoduje otwarcie zaworu tłocznego i w tym momencie kończy się sprężanie. Natomiast w przypadku sprężarek rotacyjnych, czynnik sprężany jest do końca cyklu sprężania niezależnie od tego jaką wartość ciśnienia się osiągnie. Sprężanie uzależnione jest od konstrukcji sprężarki.
Czy sposób sprężania ma wpływ na występowanie pulsacji?
W rozważaniach teoretycznych pulsacji wszystkie rodzaje sprężarek można sprowadzić do modelu bazującego na sprężarce tłokowej. We wszystkich rodzajach sprężarek objętość sprężanego gazu zmniejsza się wraz z ruchem obrotowym wału. Można pozostać przy tym założeniu, także dlatego, że odpowiedzialny za pulsacje nie jest sam proces sprężania, lecz sposób i częstotliwość dostarczania czynnika do przewodu tłocznego. Jeżeli rozpatrujemy sprężarkę spiralną czy śrubową, pulsacja wywołana jest faktem istnienia różnicy ciśnień pomiędzy ciśnieniem czynnika sprężanego a ciśnieniem czynnika znajdującego się w przewodzie tłocznym. Tak więc sposób sprężania nie ma istotnego znaczenia na sam fakt występowania pulsacji. Sposób sprężania będzie miał za to bardzo istotne znaczenie przy rozważaniach drgań i hałasu.
Model matematyczny powstawania pulsacji. Pulsacje w sprężarce tłokowej
Powstało kilka modeli opisujących powstawanie i rozchodzenie się pulsacji w przewodach urządzeń chłodniczych. Piechna [7] zaproponował, aby ciśnienie w komorze tłocznej pk wyliczane było z zależności (1):
gdzie:
k – wykładnik politropy,
t – czas,
Vzawtlocz – objętość komory tłocznej,
Qtl – wydatek czynnika wpływający z cylindra,
Qskr – wydatek czynnika odpływającego do skraplacza.
Na podstawie tej zależności można wyznaczyć pulsację czynnika na początku przewodu zaraz za sprężarką - co zostało przedstawione na rysunku 1.
Model ten zakłada dość idealny sposób otwierania się zaworów tłocznych, co prowadzi do mocno wyidealizowanego modelu zmiany ciśnienia w przewodzie tłocznym.
Rysunek 2 przedstawia natomiast wynik modelu zaproponowanego przez Laia i Soedela [3].
Jest on bardziej zbliżony do rzeczywistych pulsacji w przewodach urządzenia chłodniczego. Na rysunku 2 przedstawiony został wzrost ciśnienia za sprężarką cztero tłokową. Autorzy wykorzystali do modelowania metodę czwórników (four-pole method) (2):
gdzie:
Qi(ω) – objętościowy strumień czynnika wpływającego do badanej przestrzeni,
pi(ω) – ciśnienie akustyczne czynnika wpływającego,
Ai(ω), Bi(ω), Ci(ω), Di(ω) – parametry czwórnika,
Qo(ω) – objętościowy strumień czynnika wypływającego z badanej przestrzeni,
po(ω) – ciśnienie akustyczne czynnika wypływającego,
i – nr kolejny tłoka.
Parametry wyznaczane są dla każdego tłoka osobno, a następnie wyniki są scalane metodą superpozycji.
Wpływ pulsacji na wymianę ciepła w wymienniku ciepła typu gaz-gaz
Badania przeprowadzone przez Łuszczyckiego i Kowalskiego [4] bardzo dobrze pokazują, jaki wpływ na wymianę ciepła ma pulsacja ciśnienia. W eksperymencie do wymiennika dopływa czynnik w fazie gazowej. Już sam ten fakt powoduje, że wymiana ciepła nie jest dość intensywna. Badania pokazały, że wymiana ciepła może być zintensyfikowana poprzez pulsację czynnika. Przepływający, pulsujący gaz powoduje zmniejszenie się warstwy przyściennej, która odpowiedzialna jest za strumień wymienianego ciepła. Jeśli warstwa jest mniejsza - wymiana ciepła jest większa. Jednakże, jak pokazały ich badania (rys. 3) sam fakt występowania pulsacji nie jest wystarczający, aby osiągnąć wzmożoną wymianę ciepła.
Bardzo istotnym faktem jest, aby pulsacja ciśnienia miała częstotliwość zbliżoną do częstotliwości drgań własnych gazu znajdującego się w instalacji.
Metoda badania zaproponowana przez Łuszczyckiego i Kowalskiego może być także wykorzystana do wyznaczania drgań własnych gazu znajdującego się w wymienniku.
Wpływ pulsacji na działanie automatyki chłodniczej
Pulsacje wywołane przez pracę sprężarki przenoszone są wzdłuż przewodów instalacji. Amplitudy pulsacji z powodu tarcia maleją wzdłuż przewodu. Może się zdarzyć także taka sytuacja, że amplituda pulsacji wzrośnie w wyniku sprzyjających warunków konstrukcyjnych. Zbyt wysokie pulsacje czynnika chłodniczego w przewodach urządzenia mogą mieć niekorzystny wpływ na działanie automatyki chłodniczej - zwłaszcza presostatów. Jeżeli pulsacja o wysokiej amplitudzie będzie występować w preso-stacie, może wystąpić efekt clutteringu, co fizycznie będzie się objawiać włączaniem i wyłączaniem sprężarki z częstotliwością pulsacji. Producenci już dawno spotkali się z tym problemem i obecnie produkowane urządzenia są całkowicie odporne na występowanie opisanego zjawiska.
Wpływ pulsacji na skraplacz. Przepływ dwufazowy w przewodzie poziomym
W początkowej części skraplacza wymiana ciepła wygląda dokładnie tak samo jak zostało to opisane przy wymiennikach ciepła, ponieważ do skraplacza dopływa para przegrzana. Dopóki temperatura nie obniży się do temperatury skraplania, wymiana ciepła będzie wyglądać dokładnie tak samo jak we wcześniej opisanym wymienniku, co sugeruje, że dobrze dobrana częstotliwość pulsacji może doprowadzić do zmniejszenia wymiarów skraplacza, gdyż skraplanie zacznie się wcześniej niż przy innych częstotliwościach.
W dalszej części skraplacza następuje kondensacja czynnika chłodniczego. Podczas skraplania zachodzi zatem przepływ czynnika w dwóch fazach. W fazie ciekłej i w fazie gazowej. Przepływ ten ze względu na różne warunki (rodzaj cieczy, prędkość cieczy i inne) może przyjmować różne struktury. Ponadto struktura przepływu zmienia się wzdłuż skraplacza, ponieważ odprowadzane jest od niego ciepło i zwiększa się procentowy udział cieczy.
Na rysunku 4 zostały przedstawione struktury występujące podczas przepływów dwufazowych w rurze poziomej:
- 1 - struktura pęcherzykowa - pęcherzyki gromadzą się w górnej części przewodu, pęcherzyki przemieszczają się z podobną prędkością jak ciecz,
- 2 - struktura korkowa - gdy wzrasta prędkość gazu pęcherzyki zamieniają się w większe struktury,
- 3 - struktura rozwarstwiona - podczas umiarkowanych przepływów następuje całkowite rozwarstwienie cieczy od gazu,
- 4 - struktura falowa - gdy prędkość gazu wzrasta na powierzchni cieczy tworzą się fale,
- 5 - struktura przerywana - gdy fale wzrosną do dość sporych wysokości mogą powodować powstawanie właśnie takich struktur,
- 6 - struktura pierścieniowa - gdy prędkości gazu są znacząco większe od prędkości cieczy, powstaje struktura pierścieniowa, struktura ta także będzie powstawać w wyniku kondensacji czynnika chłodniczego.
Na rysunku 5 została przedstawiona mapa struktur przepływu mieszaniny dwufazowej ciecz-gaz w przewodzie poziomym, pokazująca jakie struktury występują w jakich warunkach.
Współczynniki Bakera zależą od fizycznej właściwości płynów:
gdzie:
p - gęstość,
a - napięcie powierzchniowe,
jx - lepkość cieczy,
indeksy:
g, c - gaz i ciecz,
p, w - powietrze i woda w warunkach normalnych,
wp - napięcie powierzchniowe wody.
Wpływ pulsacji czynnika na struktury skraplania
Wspomniane zostało o wpływie nieadiabatyczności procesu kondensacji na struktury skraplania. Należy się także zastanowić, jaki wpływ ma pulsacja czynnika. Pulsacja czynnika w skraplaczu będzie bezpośrednio oddziaływać na gaz znajdujący się w skraplaczu, ponieważ ciecz jest mniej ściśliwa. Aczkolwiek gaz będzie miał duży wpływ na granicę fazy ciecz-gaz, mogąc powodować odrywanie się kropel cieczy, czyli zmianę struktury przepływu.
Należy także pamiętać, że model ten został stworzony dla mieszaniny dwufazowej, natomiast w instalacjach chłodniczych dochodzi jeszcze olej, który wraz czynnikiem w fazie gazowej wpływa do skraplacza.
Wnioski
Zjawisko pulsacji czynnika chłodniczego ma wpływ na pracę urządzenia chłodniczego - nie sposób ocenić jednoznacznie, czy jest to wpływ pozytywny czy negatywny. Na niektóre elementy układu wpływ będzie pozytywny na inne natomiast negatywny. A w przypadku skraplacza możemy zauważyć wpływ zarówno pozytywny, jak i negatywny. Jeśli pulsacja czynnika będzie zgodna z częstotliwością drgań własnych, jesteśmy w stanie zmniejszyć powierzchnię wymiany ciepła, jednocześnie pulsacje są powodem powstawania hałasu i drgań, a to z kolei może doprowadzić nawet do uszkodzeń skraplacza.
LITERATURA
[1] HAUGEN W. ZIWEN X., PENGCHENG S.: Theoretical and experimental study on indicator diagram of twin screw refrigera-tion compressor. International Journal of refrigeration, Vol. 27, 2004, s. 331-338.
[2] LAI P. C.-C.: A stady of the acoustical termi-nation on practical gas pulsation measure-ment. Journal of Sound and Vibration, Vol. 233(4), 2000, s. 617-641.
[3] LAI P. C.-C., SOEDEL W.: Gas pulsations in thin, curved or flat cavities due to multiple mass flow sources whit special attention to multi-cylinder compressors. Journal of Sound and Vibration, Vol. 197(1), 1996, s. 45-66.
[4] ŁUSZCZYCKI M., KOWALSKI J.: Wpływ pulsacji ciśnienia przepływającego strumienia gazu na wartość współczynnika wnikania ciepła. Referaty sympozjum wymiany ciepła i masy. Warszawa-Jabłonna, 1979, s. 142-150.
[5] MA Y.-C., MIN O.-K.: Pressure calculation in a compressor cylinder by a modified new helmholtz modelling. Journal of Sound and Vibration, Vol. 243(5), 2001, s. 775-796.
[6] OOI K. T., WONG T. N.: A computer simu-lation of a rotary compressor for household refrigerators, Applied Thermal Engineering, Vol. 17, No 1, 1997, s. 65-78.
[7] PIECHNA J.: Przepływy w instalacjach chłodniczych. Chłodnictwo&Klimatyzacja 5, 2002, s. 20-24.
[8] SUN S.-Y., REN T.-R.: New method of ther-modynamic computation for a reciprocating compressor: Computer simulation f working process. Int. J. Mech. Sci., Vol. 37, No. 4, 1995, s. 343-353.
Autor: mgr inż. Andrzej GRZEBIELEC
Źródło: www.chlodnictwoiklimatyzacja.pl
