1

Akademia Górniczo – Hutnicza

im. Stanisława Staszica w Krakowie

Instrukcja laboratoryjna do ćwiczenia:

„Badanie współczynnika EER sprężarkowego układu chłodniczego”

2

1. Wprowadzenie teoretyczne

1.1. Obiegi chłodnicze

Stosując podstawowe kryterium podziału obiegów

termodynamicznych( zwanych również w nomenklaturze naukowej cyklami

termodynamicznymi) ze względu na kierunek następowania kolejnych przemian można

wyróżnić obiegi prawobieżne i lewobieżne. Obieg prawobieżny to szereg cyklicznych

przemian realizowanych w układzie zamkniętym, które następują w kierunku zgodnym

z ruchem wskazówek zegara. We wspomnianym układzie zamkniętym na dowolnym

wykresie prezentującym charakter danego obiegu, punkt początkowy pierwszej

przemiany jest zaraz końcem ostatniej przemiany( stan czynnika roboczego na końcu

pokrywa się ze stanem początkowym). Realizując cykl prawobieżny otrzymujemy

pracę. Urządzenia pracujące według tego obiegu nazywamy silnikami cieplnymi.

Odwrotnie zachowują się obiegi lewobieżne, w których kierunek zamkniętych

przemian jest przeciwny do ruchu wskazówek zegara. Cykle te wymagają dostarczenia

pracy z zewnątrz, aby zgodnie z II Zasadą Termodynamiki był możliwy transport ciepła

ze źródła o niższej temperaturze do źródła o wyższej temperaturze. Urządzenia

działające w ten sposób nazwane zostały maszynami roboczymi, z których można

wymienić np.: urządzenia chłodnicze, pompy, sprężarki, pompy ciepła. Obiegi

chłodnicze stanowiące punkt wyjścia do analizy zasady działania i budowy chłodziarek

są zgodnie z powyższą definicją obiegami lewobieżnymi, wykorzystującymi

dostarczoną energię w celu odebrania ciepła z obszaru chłodzonego, co w rezultacie

skutkuje obniżeniem jego temperatury.

1.1.1. Idealny obieg Carnota

Idealny odwracalny obieg Carnota jest obiegiem teoretycznym. Pozwala on na

ocenę pracy rzeczywistego urządzenia i charakteryzuje się maksymalną sprawnością.

Składa się z dwóch przemian izotermicznych i dwóch izentropowych [1]. Na rysunku

1.1. został przedstawiony wykres tego obiegu we współrzędnych temperatura – entropia

właściwa oraz opis przemian tworzących cykl.

3

Rys. 1.1. Lewobieżny obieg Carnota,To – temperatura dolnego źródła ciepła, Tk – temperatura górnego

źródła ciepła, Ls – praca sprężania, Qd – Wydajność chłodnicza [2]

Zgodnie z oznaczeniami zawartymi na rysunku 1.1. lewobieżny obieg Carnota tworzą

następujące przemiany termodynamiczne:

• przemiana 1-2: izentropowe sprężanie czynnika

• przemiana 2-3: izotermiczne oddawanie ciepła do źródła górnego

• przemiana 3-4: izentropowe rozprężanie

• przemiana 4-1: izotermiczne pobieranie ciepła ze źródła dolnego

Chcąc przeprowadzić termodynamiczną ocenę efektywności cyklu

ziębniczego korzysta się ze współczynnika wydajności chłodniczej Ɛ. W anglojęzycznej

literaturze współczynnik ten określany jest jako Energy Efficiency Rating ( zwany dalej

w skrócie EER) lub też rzadziej Coefficient of Performance (COP)-( z reguły dla pomp

ciepła). Określa on stosunek mocy chłodniczej do mocy dostarczonej do napędu tego

urządzenia (np. w przypadku ziębiarki sprężarkowej będzie to moc dostarczana do

napędu sprężarki). Zależność ta dana jest wzorem:

��� �

��

���

� ∗ ∆�

�� � �� ∗ ∆��

�

�� � ��

��

�� � ��

(1.1)

gdzie:

Qd – wydajność chłodnicza

Ls – praca sprężania

∆S – zmiana entropii czynnika

To – temperatura parowania

Tk – temperatura skraplania

Td – temperatura dolnego źródła

4

Tg – temperatura górnego źródła

1.1.2. Obieg Lindego

Praca parowych sprężarkowych urządzeń chłodniczych, w których

następuje zmiana stanu skupienia czynnika roboczego podczas kolejnych przemian

termodynamicznych jest modelowana za pomocą cyklu Lindego uwzględniającego

własności rzeczywistego czynnika chłodniczego. Przemiany zachodzące podczas tego

obiegu najwygodniej ze względu na prowadzone obliczenia oraz funkcjonalność

i łatwość odczytu parametrów przedstawiać na wykresie we współrzędnych ciśnienie –

entalpia właściwa, co przedstawia rysunek 1.2.

Rys. 1.2. Obieg Lindego w układzie ciśnienie – entalpia właściwa [3]

po – ciśnienie parowania, pk – ciśnienie skraplania, K -punkt krytyczny ,ix – entalpia w kolejnych

punktach pracy obiegu gdzie x jest oznaczeniem konkretnego punktu

• przemiana 1-2: izentropowe sprężanie czynnika

• przemiana 2-3: izobaryczne oddawanie ciepła do źródła górnego

• przemiana 3-4: izentalpowe dławienie czynnika

• przemiana 4-1: izobaryczne pobieranie ciepła z obszaru chłodzonego

Zgodnie z oznaczeniami z rysunku 1.2. współczynnik wydajności chłodniczej można

obliczyć z następującej zależności:

5

��� �

��

����� �� � ���

�� �� � ���

(2.2)

1.2. Czynniki chłodnicze

W chłodnictwie czynniki termodynamiczne, które cyrkulują w obiegu

pośrednicząc w wymianie i transporcie ciepła ze źródła dolnego do źródła górnego

( otoczenia) nazywane są czynnikami ziębniczymi lub chłodniczymi. Używane

w technice czynniki robocze są najczęściej pochodnymi węglowodorów wytworzonych

syntetycznie. System kodowy oznaczeń tych związków jest zunifikowany, dzięki

Europejskiej Komisji Międzynarodowego Komitetu Chłodnictwa, która ujednoliciła ich

nazewnictwo ze względu na budowę cząsteczki chemicznej, z której dany związek się

składa[4]. Oznaczenia kodowe są tworzone w oparciu o pewne reguły, według których

opisywany jest skład czynnika. Dla przykładu oznaczenie Rxyz tłumaczymy

w następujący sposób:

R – (ang. Refrigerant) oznacza czynnik chłodniczy

x – liczba atomów węgla w cząsteczce pomniejszona o jeden ( w przypadku metanu

i jego pochodnych pomijamy liczbę x we wzorze)

y – liczba atomów wodoru powiększona o jeden

z – liczba atomów fluoru

Jeżeli na końcu oznaczenia kodowego znajdzie się dodatkowo mała litera np. jak

w przypadku czynnika R134a oznacza to, że istnieją różne izomery tego związku.

Tabela 1.1. przedstawia systematykę czynników chłodniczych

w zależności od budowy cząsteczki opracowaną na podstawie źródeł: [1] i [4].

Tabela 1.1. Systematyka czynników chłodniczych [1], [4]

Nazwa związku Skrót Cechy charakterystyczne Przykład

związku

Chlorofluoro-

-węglowodory

CFC Zastąpienie wszystkich atomów wodoru

bromem, fluorem bądź chlorem

CFC-11

CFC-12

Wodorochloro-

-fluorowęglowodory

HCFC Nie wszystkie atomy wodoru zastąpiono

atomami chloru i fluoru

HCFC-22

HCFC-123

Hydrofluoro-

-węglowodory

HFC Część atomów wodoru zastąpiona atomami

fluoru

HFC-134a

HFC-227ea

Fluorowęglowodory FC Atomy wodoru zastąpione atomami fluoru FC-218

Węglowodory nasycone HC Nie występują w nich halogenki HC-290

6

HC-600a

Czynnikiem roboczym zastosowanym w urządzeniu chłodniczym będącym

przedmiotem tego ćwiczenia jest R404a - mieszanina substancji jednorodnych

w następującym stosunku wagowym:

• R143a – 52 %

• R125 – 44 %

• R134a -4 %

Czynnik jest klasyfikowany, jako ekologiczny zamiennik za wycofane już środki R22

oraz R502. Jego cechami charakterystycznymi są niepalność i niewybuchowość. R404a

nie jest trujący, natomiast w niskich stężeniach może wywoływać efekty narkotyczne

podczas wdychania ( np. w wyniku rozszczelnienia instalacji). Bardziej niebezpieczne

jest dopuszczenie do wysokiego stężenia czynnika, gdyż jego pary są cięższe od

powietrza i wypierają je, co może skutkować uduszeniem[5].

1.3

Sprężarkowy układ chłodniczy

Podstawowymi elementami, z których składa się to urządzenie jest

sprężarka mechaniczna, skraplacz, zawór rozprężny oraz parownik. Zasada działania

opiera się o zmianę stanu skupienia czynnika roboczego cyrkulującego w obiegu

zamkniętym. Pośredniczy on w przekazywaniu ciepła z dolnego źródła do górnego na

skutek przemian termodynamicznych, którym jest poddawany. Na rysunku 1.3.

widnieje schemat ideowy chłodziarki sprężarkowej wraz z zaznaczonymi elementami

konstrukcyjnymi.

7

Rys. 1.3. Schemat parowej, sprężarkowej ziębiarki (a); wykres Sankey`a przedstawiający jej bilans

energetyczny (b) [6]

gdzie:

�� – strumień ciepła pobrany z obszaru chłodzonego w parowniku

��� – strumień ciepła oddany do otoczenia w skraplaczu

Pt – moc pobierana przez sprężarkę

W parowniku urządzenia dochodzi do odparowania czynnika, którego

temperatura wrzenia zawiera się w granicach od około -40oC do około 10

oC. Podczas

tego procesu czynnik intensywnie odbiera ciepło z dolnego źródła, co prowadzi do

obniżenia jego temperatury, czyli chłodzenia. Odparowany czynnik roboczy zasysany

jest przez sprężarkę, do której należy dostarczyć energię z zewnątrz zgodnie z II Zasadą

Termodynamiki. Czynnik ziębniczy ulega sprężeniu – rośnie jego temperatura

i ciśnienie. Następnie trafia on do skraplacza, w którym oddaje ciepło do górnego źródła

(otoczenia) i ulega skropleniu. Ze skraplacza skropliny kierowane są do zaworu

rozprężnego, gdzie ma miejsce ich rozprężenie (obniżenie ciśnienia) do ciśnienia

panującego w parowniku. W tym miejscu obieg się zamyka, a cały cykl jest

powtarzany.

Oprócz najbardziej podstawowych elementów konstrukcyjnych

wymienionych w tym podrozdziale, stanowiących absolutne minimum, rzeczywisty

układ sprężarkowy jest wyposażony w dodatkowe oprzyrządowanie kontrolno-

pomiarowe jak np. wziernik, presostat, filtr-osuszacz, zawory elektromagnetyczne,

termopary, manometry itd. Wymienione podzespoły zostaną opisane w części

dotyczącej charakterystyki stanowiska laboratoryjnego.

8

Chłodziarka absorpcyjna

Tego typu chłodziarka działa na zasadzie krążenia czynnika chłodniczego

między absorberem (tutaj jest pochłaniany) a desorberem (w chłodziarce tę funkcję spełnia

warnik). W desorberze czynnik chłodniczy wydziela się z roztworu. Układ absorbera i desorbera

stanowi de facto sprężarkę chemiczną, pozostała część obiegu jest identyczna jak w

chłodziarce sprężarkowej.

Chłodziarki absorpcyjne to pierwsze chłodziarki elektryczne. Z wynalezieniem chłodziarek

sprężarkowych, które są bardziej wydajne, systematycznie przechodzono na nowe rozwiązanie.

W pewnych sytuacjach stosuje się je do dziś. Przykładem mogą być chłodziarki małe,

stacjonarne (poniżej 1 m wysokości). W tego typu chłodziarkach nie montuje się sprężarek,

gdyż układ sprężarkowy, mimo że bardziej wydajny, zajmuje więcej miejsca.

Charakterystycznym typem chłodziarek absorpcyjnych jest chłodziarka gazowa. W typowej

chłodziarce warnikiem jest grzałka elektryczna, a w gazowej palnik gazowy. To rozwiązanie jest

często stosowane w miejscach, gdzie nie ma prądu lub częste są jego zaniki, a urządzenie łatwo

może być podłączone do butli gazowej, np. w przyczepach kempingowych. W tego typu

chłodziarkach często zamontowana jest też grzałka i urządzenie można zasilać zarówno

prądem, jak i gazem.

Chłodziarka adsorpcyjna

Jest to urządzenie realizujące obieg chłodniczy w podobny sposób, co chłodziarka absorpcyjna,

z tą jednak różnicą, że wykorzystywany jest proces adsorpcji. Ten fakt powoduje, że

urządzenie jest zbudowane zgoła inaczej. Adsorpcja zachodzi na powierzchni ciała stałego

(np.: węglu aktywnym), więc nie ma możliwości przepływu ani roztworu bogatego ani

roztworu ubogiego, jak to się dzieje w przypadku chłodziarki absorpcyjnej.

Chłodziarka termoelektryczna

Chłodziarka termoelektryczna opiera swoje działanie na efekcie Peltiera. Elementem

chłodzącym są w niej Moduły Peltiera.

Chłodziarka magnetyczna

W ostatnich latach zaczęły się również pojawiać chłodziarki wykorzystujące efekt

magnetokaloryczny. Ich zaletą jest sprawność wyższa o ok. 40% od konstrukcji tradycyjnych.

Chłodziarka termoakustyczna

Termoakustyczne urządzenia chłodnicze oparte są na efekcie termoakustycznym, który został

odkryty ponad 100 lat temu przez dmuchaczy szkła. Zauważyli oni że długa rura która na

jednym końcu jest rozgrzana a na drugim końcu chłodna generuje dźwięk. Kilka dekad później

zauważono że da się efekt odwrócić czyli działając falą akustyczną na rurę można wytworzyć

gradient temperatury. Fala akustyczna rozchodząca się w np. w powietrzu to nic innego jak

rozchodzące się zaburzenie gęstości, ciśnienia, temperatury i energii. Zmiana tych parametrów

powoduje miejscowe przemieszczenie się wyodrębnionego elementu gazu. Termoakustyczne

9

urządzenie chłodnicze wykorzystuje fakt przemieszczenia się gazu do przetransportowania

ciepła z ośrodka o temperaturze niższej do ośrodka o temperaturze wyższej.

Schemat chłodziarki termoakustycznej

Schemat chłodziarki:

głośnik,

gorący wymiennik ciepła,

stos,

zimny wymiennik ciepła,

rura rezonatora.

Najważniejszym elementem całego urządzenia jest stos. To dzięki niemu jest możliwa realizacja

przenoszenia ciepła i uzyskiwanie gradientu temperatury. Stos najczęściej zbudowany jest w

postaci cienkich warstw tworzących między sobą szczeliny o określonych wysokościach.

Geometria stosu jest w różnych wariancjach np.: kratkowa, spiralna, iglicowa. Materiał z

którego wykonany jest ten element powinien się charakteryzować pojemnością cieplną

większą od gazu który znajduje się wewnątrz rezonatora oraz małą przewodnością cieplną aby

zapobiec przepływie ciepła od wymiennika gorącego do zimnego.

2. Charakterystyka stanowiska laboratoryjnego

Stanowisko laboratoryjne przeznaczone do badania układu chłodniczego tworzą

następujące elementy:

• hermetyczna sprężarka tłokowa firmy Embraco o pojemności skokowej 12,11

cm3, pracująca w zakresie temperatur czynnika od -20

0C do +10

0C oraz zasilana

napięciem 230 V o częstotliwości 50 Hz, 1- fazowa. Jej maksymalne ciśnienie

po stronie ssania wynosi: 0,83 MPa, natomiast maksymalne ciśnienie po stronie

tłoczenia: 2,8 MPa.

• skraplacz chłodzony powietrzem z wbudowanym wentylatorem o mocy 16 W,

• zbiornik na czynnik chłodniczy o pojemności 1,1 dm3,

10

• filtr osuszacz, którego zadaniem jest usunięcie zawartości wody i wilgoci

z krążącego w instalacji czynnika chłodniczego,

• wziernik cieczy wyposażony we wskaźnik wilgoci, pozwalający ocenić

i kontrolować stan czynnika chłodniczego w układzie oraz jego poziom wilgoci.

Wilgoć obecna w czynniku ziębniczym jest niepożądana i niezbędne jest jej

usunięcie w celu zapewnienia poprawnej pracy zaworu rozprężnego. O stanie

wilgoci informuje nas odpowiedni kolor wskaźnika. Zielony oznacza brak

wilgoci w czynniku, natomiast kolor żółty o jej obecności. W sytuacji

pojawienia się wilgoci w układzie zaleca się wymianę filtra osuszającego.

• zawór elektromagnetyczny Castel służący do odcięcia bądź wznowienia

przepływu czynnika w układzie,

• podwójny presostat niskiego i wysokiego ciśnienia podłączony do sprężarki,

którego rolą jest kontrola i zabezpieczenie przed zbyt niskim ciśnieniem

zasysania czynnika do sprężarki i zbyt wysokim ciśnieniem tłoczenia oraz na tej

podstawie sterowanie pracą załączenia i wyłączenia sprężarki.

• rurka kapilarna miedziana, w której następuje dławienie czynnika oraz jego

regulacja dopływu przy zasilaniu parownika,

• parownik z wbudowanym wentylatorem o mocy 16 W.

Na rysunku 2.1. przedstawiony jest schemat budowy i opomiarowania stanowiska

znajdującego się w laboratorium.

11

Rys. 2.1 Schemat budowy i rozmieszczenia oprzyrządowania do pomiaru.

1 – parownik, 2 – sprężarka, 3 – skraplacz, 4 – zbiornik z czynnikiem ziębniczym, 5 – filtr

osuszacz, 6 – wziernik, 7 – zawór elektromagnetyczny,8 rurka kapilarna 9 – temperatura

czynnika przed parownikiem, 10 – temperatura czynnika za parownikiem, 11 – temperatura

czynnika przed skraplaczem, 12 – temperatura czynnika za skraplaczem, 13 – ciśnienie

tłoczenia, 14 – ciśnienie ssania, 15 – presostat niskiego i wysokiego ciśnienia

2.1. Opis układu pomiarowego

Urządzenia pomiarowe są zintegrowane ze środowiskiem Laboratory Virtual

Instrument Engineering Workbench autorstwa firmy National Instruments zwanym

w skrócie, jako LabVIEW. Poprzez zaprogramowaną do tego celu aplikację możliwy

jest odczyt parametrów pracy układu chłodniczego. Na rysunku 2.2. przedstawiony jest

widok interfejsu pomiarowo-sterującego aplikacji.

W interfejsie użytkownika umieszczono kontrolki do sterowania włączeniem

i wyłączeniem działania urządzenia (ON/OFF oraz STOP). Ponadto do dyspozycji jest

odczyt następujących wielkości:

• temperatura czynnika chłodniczego na wejściu do parownika, [oC]

• temperatura czynnika chłodniczego na wyjściu z parownika, [oC]

• temperatura czynnika chłodniczego na wejściu do skraplacza, [oC]

12

• temperatura czynnika chłodniczego na wyjściu ze skraplacza, [oC]

• ciśnienie zasysania czynnika przez sprężarkę (ciśnienie niskie/rozprężania),

[bar]

• ciśnienie tłoczenia ( ciśnienie wysokie/sprężania), [bar]

Na rysunku 2.2. przedstawiony jest widok interfejsu pomiarowo-sterującego aplikacji.

Rys. 2.2. Widok interfejsu aplikacji kontrolno- pomiarowej.

1 – temperatura czynnika na wylocie z parownika, 2 – temperatura czynnika na wlocie do skraplacza, 3 –

ciśnienie ssania, 4 – ciśnienie sprężania, 5 – temperatura czynnika na wlocie do parownika, 6-

temperatura czynnika na wylocie ze skraplacza, 7 – parametry elektryczne sprężarki, 8 – legenda

wykresu, 9 – wykres wartości mierzonych temperatur i ciśnień w funkcji czasu, 10 – Przycisk ON/OFF,

11- przycisk STOP

Wyjścia urządzeń pomiarowych takich jak czujniki temperatur, manometry,

woltomierze czy amperomierze są podłączone do karty pomiarowej. Aplikacja

kontrolno-pomiarowa odczytuje dane z karty i wyświetla je za pomocą wcześniej

zaprogramowanych kontrolek i wskaźników tworzących program jak na rysunku 2.2.

Taka konstrukcja pozwala na zintegrowany odczyt parametrów pracy agregatu

chłodniczego w czasie rzeczywistym ze wszystkich urządzeń, a następnie archiwizację

tych danych i możliwość dalszej obróbki dzięki pakietom obliczeniowych i biurowym.

13

Oszczędza to czas oraz pozwala zminimalizować błąd ludzki podczas manualnych

odczytów z każdego miernika osobno.

Oprócz parametrów temperatury i ciśnienia w ramce „parametry elektryczne”

przedstawione są wartości napięcia, natężenia i mocy pobieranej przez sprężarkę. Po

prawej stronie interfejsu programu znajduje się wykres, na którym w czasie

rzeczywistym rysowane są zależności temperatur wejścia i wyjścia czynnika

z parownika i skraplacza oraz ciśnienia ssania i sprężania w zależności od czasu

odczytu. Każdy parametr ma przyporządkowany odpowiadający mu kolor, który można

odczytać na załączonej obok wykresu legendzie.

2.2. Warianty konfiguracji stanowiska

Wariant nr 1 to podstawowa konfiguracja, w jakiej pracowało stanowisko przed

zmianami konstrukcyjnymi. Zarówno parownik jak i skraplacz pracują w temperaturze

otoczenia panującej w laboratorium, co przedstawia poniższy rysunek 2.3.

Rys. 2.3. Fotografia obrazująca wariant konfiguracji nr 1

Wariant nr 2 to konfiguracja, w której zimne powietrze na wyjściu z wentylatora

parownika trafia do komory poprzez rurę spiro, a następnie jest kierowane

z powrotem na wejście parownika w celu pokazania wpływu spadku temperatury

pracy parownika na wydajność chłodniczą i współczynnik EER. Rysunek 2.4.

ilustruje tę konfigurację.

14

Rys. 2.4. Fotografia obrazująca wariant konfiguracji nr 2

Wariant nr 3 przedstawiony na rysunku 2.5. symuluje chłodzenie skraplacza za

pomocą powietrza pochodzącego z komory. W tej konfiguracji powietrze

z wentylatora parownika trafia do komory, a następnie jest kierowane na wejście do

wentylatora skraplacza. Wpływa to na schłodzenie skraplacza oraz pozwala ocenić

wpływ na wydajność chłodniczą i współczynnik EER.

Rys. 2.5. Fotografia obrazująca wariant konfiguracji nr 3

15

3. Przebieg ćwiczenia

3.1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie współczynnika EER dla trzech dostępnych

wariantów konfiguracji stanowiska oraz porównanie otrzymanych wartości.

3.2. Procedura wyznaczenia pomiarów

Przed rozpoczęciem wykonywania wszelkich czynności w laboratorium należy

zapoznać się z regulaminem pracowni a także z instrukcją załączoną do ćwiczenia oraz

stosować się do poleceń prowadzącego. Nie wolno podejmować działań, które byłyby

niezgodne z zasadami BHP oraz mogłyby powodować bezpośrednie zagrożenie życia

i zdrowia osób przebywających w laboratorium, a także działań niewymienionych

w instrukcji bez uprzedniej zgody. Wszelkie awarie, usterki, wycieki i nieregularności

powinny być niezwłocznie zgłoszone prowadzącemu.

Procedura wyznaczenia pomiarów jest następująca:

1. Zapoznać się z instrukcją dołączoną do ćwiczenia, zwracając szczególną uwagę

na budowę stanowiska oraz możliwe warianty pracy.

2. Włączyć komputer, a następnie uruchomić aplikację LabVIEW „układ

chłodniczy” znajdującą się na pulpicie.

3. Włączyć miernik temperatury YCT YC-747UD DATA LOGGER

THERMOMETER i podłączyć do jego kanałów dwie termopary otrzymane od

prowadzącego.

4. Umieścić jedną z termopar wewnątrz komory, przebijając nią górną ścianę

styropianową, natomiast za pomocą drugiej termopary mierzyć temperaturę

otoczenia w laboratorium.

5. Skonfigurować układ połączeń według wariantu nr 1 łącząc wyjście

z wentylatora parownika z komorą za pomocą rury spiro.

6. Sprawdzić sztywność połączeń, w razie potrzeby dokręcić opaskę ślimakową.

7. Przygotować stoper.

8. Włączyć układ chłodniczy za pomocą przycisku ON w aplikacji LabVIEW

„układ chłodniczy” oraz włączyć stoper.

9. Przed rozpoczęciem właściwych pomiarów odczekać 5 minut w celu uzyskania

optymalnych warunków pracy urządzenia.

16

10. Po upływie 5 minut zacząć właściwy pomiar.

11. Co 30 sekund przez 10 minut zapisywać wartości parametrów wyświetlanych

w aplikacji „układ chłodniczy” oraz odczytywać temperaturę w komorze.

12. Wyłączyć układ chłodniczy przyciskiem OFF w aplikacji LabVIEW.

13. Po przeprowadzeniu pomiarów pierwszej konfiguracji układu przejść do

konfiguracji według wariantu nr 2:

• za pomocą pierwszej rury spiro połączyć wyjście z wentylatora

parownika z wejściem do komory

• za pomocą drugiej rury spiro połączyć wyjście z komory z wejściem do

wentylatora parownika

14. Zadbać o szczelność połączeń, w razie potrzeby dokręcić mocniej opaskę

ślimakową.

15. Włączyć układ za pomocą przycisku ON w aplikacji, włączyć stoper i rozpocząć

pomiary.

16. Zapisywać co 30 sekund przez 10 minut parametry pracy chłodziarki oraz

temperaturę we wnętrzu komory z miernika YCT YC-747UD DATA LOGGER

THERMOMETER.

17. Następnie po skończeniu pomiaru wyłączyć układ chłodniczy przyciskiem OFF

w aplikacji LabVIEW.

18. Przejść do zmiany konfiguracji stanowiska według wariantu nr 3:

• pierwszą rurą spiro połączyć wyjście z wentylatora parownika

z wejściem do komory

• drugą rurą połączyć wyjście z komory z wejściem do wentylatora

skraplacza.

19. Ponownie wykonać czynności według punktów 14-17.

20. Wyłączyć aplikację i komputer oraz pozostawić porządek na stanowisku pracy.

3.3. Procedura prowadzenia obliczeń i opracowanie wyników

Zebrane w trakcie ćwiczenia dane należy umieścić w tabeli 3.1., której format

i wygląd przedstawiony jest poniżej.

17

Tabela 3.1. Wzór tabeli wyników pomiarów

Wariant nr :………….. Temperatura otoczenia: ………

Lp. T1[oC] T2[

oC] T3[

oC] T4[

oC] Ciśnienie

ssania[bar]

Ciśnienie

tłoczenia[bar]

Temperatura

w

komorze[oC]

Gdzie:

T1 – temperatura czynnika na wyjściu z parownika

T2 – temperatura czynnika na wejściu do skraplacza

T3 – temperatura czynnika na wyjściu ze skraplacza

T4 – temperatura czynnika na wejściu do parownika

Korzystając z danych umieszczonych w tabeli 3.1. należy przejść do wykonania

obliczeń. Pierwszym krokiem jest wyznaczenie entalpii czynnika w poszczególnych

punktach pracy zgodnie z rysunkiem 3.1.

Rys. 3.1. Punkty pracy obiegu urządzenia chłodniczego

W tym celu można wykorzystać wykres czynnika R404a we współrzędnych

ciśnienie - entalpia właściwa przedstawionego wcześniej na rysunku 6.3. Jednakże

w celu zwiększenia dokładności odczytu poszczególnych entalpii zaleca się

skorzystanie ze specjalnego pakietu przeznaczonego do obliczeń parametrów

18

czynników chłodniczych np. „DUPREX”, „Thermofluids.net”, „REFPROP” itp. Skróci

to czas opracowywania dużej ilości danych oraz pozwoli na uzyskanie bardziej

precyzyjnych wartości entalpii, szczególnie w przypadku małych różnic temperatury

i ciśnienia pomiędzy kolejnymi seriami pomiarów. W obliczeniach należy przyjąć,

że czynnik chłodniczy jest dławiony izentalpowo w rurce kapilarnej zgodnie

z wykresem na rysunku 3.1. W poniższej tabeli 3.2. należy umieścić wartości

odczytanych entalpii oraz dokonać obliczeń wydajności chłodniczej i mocy pobieranej

przez sprężarkę.

Tabela 3.2. Tabela wynikowa

Wariant nr: ……..

Lp. i1[kJ/kg] i2[kJ/kg] i3[kJ/kg] i4[kJ/kg] qd[kJ/kg] ls[kJ/kg] EER

Następnie po dokonaniu obliczeń współczynnika EER należy wykonać wspólny

wykres, na którym zostanie przedstawiona zależność jak kształtowały się wartości

współczynnika EER w każdym z wariantów konfiguracji w zależności od numeru serii

pomiaru. Po wykonaniu wykresów należy napisać wnioski, w których zawarta będzie

analiza otrzymanych wyników, ich porównanie oraz uzasadnienie.

4. Sposób wykonania sprawozdania

Sprawozdanie należy wykonać w grupie osób o liczebności ustalonej

indywidualnie przez prowadzącego i oddać maksymalnie do terminu kolejnych zajęć

laboratoryjnych. Powinno ono zawierać następujące elementy:

• stronę tytułową zgodną ze wzorem załączonym na końcu instrukcji,

• cel przeprowadzanego ćwiczenia laboratoryjnego,

• krótką charakterystykę stanowiska ze schematem budowy, opomiarowania

i trzema badanymi wariantami konfiguracji,

• opracowanie wyników uzyskanych podczas ćwiczenia przeprowadzone według

procedury zamieszczonej w punkcie 3.3.

• wnioski

19

5. Lista pytań kontrolnych do kolokwium

1. Wyjaśnić różnice między obiegami prawobieżnymi i lewobieżnymi.

2. Podać II zasadę termodynamiki.

3. Opisać, z jakich przemian składa się lewobieżny obieg Carnota, narysować

wykres i podać jego cechy charakterystyczne.

4. Opisać chłodniczy obieg Lindego oraz narysować jego wykres we

współrzędnych ciśnienie - entalpia właściwa.

5. Co to są czynniki chłodnicze? Podać ich systematykę.

6. Co to jest współczynnik EER ? Podać definicję oraz niezbędne wielkości

i wzory.

7. Opisać budowę i zasadę działania sprężarkowego układu chłodniczego.

8. Wymienić i krótko opisać trzy dostępne warianty konfiguracji stanowiska

laboratoryjnego

9. Jaką rolę w budowie układu chłodniczego pełnią: filtr osuszacz oraz wziernik

cieczy?

6. Literatura

[1] Kazimierz M. Gutkowski : Chłodnictwo i klimatyzacja,Wydawnictwa Naukowo

– Techniczne, Warszawa 2003.

[2] Maciej Żyrkowski: Sprężarkowe pompy ciepła, opracowanie dostęp :

http://www.ignis.agh.edu.pl/wp-content/uploads/Pompy-ciep%C5%82a.pdf

[3] Zbiór Wikipedia Commons : Jednostopniowy obieg Lindego w układzie lg p-h

[4] Marian Rubik : Pompy ciepła w systemach geotermii niskotemperaturowej,

MULTICO Oficyna Wydawnicza Warszawa 2011.

[5] Dane ze strony internetowej firmy TCHW-Technika Chłodzenia: czynnik

chłodniczy R404a, dostęp : http://www.tchw.pl/pl/oferta/gazy--i--oleje/czynniki-

chlodnicze/przyszlosciowe-hfc/r404a.html

[6] Zenon Bonca, Waldemar Targański: Badanie chłodziarki sprężarkowej,

instrukcja do ćwiczenia, dostęp:

http://mech.pg.edu.pl/documents/4554812/4554853/11_chlodziarka1.pdf

20

[7] GASCO Nerderland, DTU, Department of Energy Engineering: wykres

czynnika R404a

Załączniki do instrukcji

1. Tabela tytułowa do sprawozdania

Akademia Górniczo Hutnicza

w Krakowie

Laboratorium Maszyn Cieplnych i Przepływowych KMCiP

TEMAT ĆWICZENIA:

Badanie współczynnika EER sprężarkowego układu chłodniczego

Kierunek

/grupa lab.

Imię i Nazwisko

Data

wykonania

Data

Oddania

Ocena/Zaliczenie

21

2. Wykres czynnika R404a we współrzędnych ciśnienie – entalpia

właściwa [7]