W niniejszym artykule przedstawiono teoretyczną analizę warunków powstawania przepływów krytycznych w kapilarnym elemencie dławiącym. Zwrócono uwagę na celowość doboru średnicy kapilary do zadanych parametrów pracy agregatu. Ponadto wykonano sprawdzające badania efektów akustycznych pracy kapilary.

Przedmiotem analizy jest agregat sprężarkowy chłodziarko-zamrażarki typ XX 320, który charakteryzuje się bardzo głośną pracą. Jest to przyczyną licznych reklamacji u producenta wyrobu. Przeprowadzone badania testowo-kontrolne [2, 5] wykazały jednoznacznie, że przyczyną nadmiernych efektów akustycznych jest element dławiący, którym jest rurka kapilarna, a szczególnie jej ostatni odcinek, gdzie panują warunki przepływu krytycznego. (...)

Propozycja rozwiązania, analiza teoretyczna procesu

Można z dużym prawdopodobieństwem stwierdzić, że dla badanego systemu ziębienia element dławiący nie został zaprojektowany poprawnie. Urządzenie nie osiąga wymaganej wydajności o czym świadczą temperatury w komorze WT [2], a rzeczywista temperatura odparowania jest zbyt niska. W układzie krąży zbyt mało czynnika, stąd tendencje do pracy na podciśnieniu [2].

Z punktu widzenia prawidłowej pracy rurki kapilarnej, a także całego urządzenia chłodniczego niezwykle istotnym zagadnieniem jest prawidłowe określenie tzw. krytycznych parametrów procesu, krytycznej średnicy elementu dławiącego i krytycznego strumienia masy ziębnika [4].

Warunki powstawania przepływów krytycznych

Na możliwość występowania warunków przepływu krytycznego, w czasie dławienia czynników chłodniczych w kapilarnych elementach dławiących, zwrócono uwagę w trakcie prowadzenia prac doświadczalnych [3, 4, 6]. Zaobserwowano wtedy zjawisko tzw. zatykania się kapilarnego elementu dławiącego, tzn. zwiększanie strumienia ziębnika na wlocie do elementu nie powodowało dalszego obniżania temperatury wylotowej ani wzrostu strumienia czynnika na wylocie. Temu zjawisku towarzyszyły silne efekty akustyczne. Uniemożliwiało to osiągnięcie dowolnie niskich ciśnień i temperatury wylotowej przy zadanych wartościach strumienia czynnika i średnicy przewodu.

Prędkość krytyczna

 Krytyczne warunki przepływu pojawiają się w chwili, gdy wzrastająca prędkość odparowującego dwufazowego czynnika osiągnie wartość prędkości dźwięku, przy danych parametrach czynnika. Założenie modelu homogenicznego przepływu dwufazowego, wykorzystanie równań pędu, energii, równań addytywności, a także zależności uzupełniających, umożliwia stworzenie modelu przepływowego procesu dławienia [3, 4] i określenie przebiegu zmian parametrów dławionego czynnika w zależności od stopnia obniżania ciśnienia. Przebieg zmian podstawowych parametrów dla wybranego przypadku przepływu adiabatycznego przedstawiono na rys. 1.

Rys. Linia przepływu krytycznego i prędkości dźwięku dla dławienia R 134a

Dobór elementu dławiącego

Biorąc pod uwagę równania (9) i (10), projektowanie elementu dławiącego należy rozpocząć od obliczenia wartości Dkr dla danej wartości strumienia masy ziębnika oraz określonych parametrów realizowanego obiegu ziębienia (tabela 1 i 2 wg [2]).  

Wykorzystując dane eksperymentalne ustalono obliczeniowe parametry realizowanego obiegu ziębienia:

• czynnik chłodniczy R 134a,
• ciśnienie skraplania pk = 10,72 bar (dla tk = 42^oC),
• ciśnienie odparowania po = 1,22 bar (dla to = -22^oC),
• stopień dochłodzenia na wlocie do kapilary (Td = 10K (wartość przyjęta na podstawie badań testowych [2]),
• temperatura pary ziębnika na ssaniu tss = 15^oC,
• strumień masy ziębnika = 0,00096 kg/s.

   Zakładając przebieg procesu dławienia po linii FANNO [3, 4] i wykorzystując procedurą obliczeniową elementu dławiącego dla temperatury wylotowej to = -22^oC, wyznaczono stopień suchości x = 0,3485 oraz wartości v´(T), v˝(T), s´(T), s˝(T). Po podstawieniu otrzymanych wartości do zależności (9) i (10) uzyskano wartość Dkr = 0,81 mm. Ponieważ w stosunku do otrzymanej wartości wymagane jest spełnienie warunku D - Dkr zaproponowano średnicę elementu dławiącego D = 0,84 mm - najbliższą większą z programu produkcyjnego rurek.

Dla zadanego strumienia substancji ziębnika oraz dobranej średnicy elementu dławiącego obliczono najniższą z możliwych do uzyskania temperaturę ziębnika w przekroju wylotowym elementu dławiącego to min = -26^oC.

Do określenia długości elementu dławiącego wykorzystano metodę obliczeniową zaproponowaną w pracy [3] oraz dane z badań doświadczalnych. Dla dobranej średnicy D = 0,84 mm uzyskano:

• długość części jednofazowej
L´ = 2,145 m,
• długość części dwufazowej
L˝ = 1,810 m,
• łączna długość kapilary L = 3,955 m.

Wnioski

Odpowiedni dobór elementu dławiącego może znacznie ograniczyć, a nawet wyeliminować niekorzystne efekty akustyczne związane z jego pracą. W analizowanej konstrukcji chłodziarki szczegółowej analizy wymaga też rozwiązanie połączenia wlotu kapilary z przewodem parowacza. W parowaczach kanalikowych, stosowanych w chłodziarkach i chłodziarko-zamrażarkach, wprowadza się na wlocie element o specjalnej konstrukcji (tzw. osuszacz wewnętrzny), umożliwiający obniżenie prędkości i złagodzenie uderzenia dwufazowej strugi czynnika. W omawianej konstrukcji nie zastosowano tego elementu.

W trakcie prowadzonych badań i wprowadzonych z konieczności modyfikacji konstrukcyjnych, gruntownej analizie poddano całą konstrukcję chłodziarki i technologię jej wykonania. Biorąc pod uwagę podobny sprzęt domowy produkowany przez inne renomowane firmy nasuwają się wnioski natury ogólnej.

Analizowana konstrukcja agregatu sprężarkowego chłodziarko-zamrażarki odbiega w kilku punktach od rozwiązań konstrukcyjnych firm, których wyroby z powodzeniem istnieją na rynku chłodniczym i stanowią konkurencyjną ofertę handlową.

W tradycyjnych rozwiązaniach powielane są pewne standardy projektowe, sprawdzone i testowane w warunkach laboratoryjnych, jak i eksploatacyjnych u użytkowników. Gwarantują one uzyskanie zakładanych parametrów termodynamicznych procesu i prawidłowość pracy urządzenia. Stąd też poważne modyfikacje jak np. rozwiązania konstrukcyjne parowacza, wprowadzenie dodatkowych sekcji skraplacza, czy sposób prowadzenia kapilary są niezbyt często wprowadzane. Najczęściej zmiany i modyfikacje są wynikiem wieloletnich prób i wszechstronnych analiz teoretycznych, eksploatacyjnych, ekonomicznych i niezawodnościowych. Prawie każda zmiana konstrukcyjna aparatu czy elementu pociąga za sobą możliwość zmian i odstępstw w realizacji danego procesu. W przypadku systemów ziębienia bez zbiornika ciekłego czynnika chłodniczego pociąga za sobą konieczności zmiany sposobu napełnienia układu czynnikiem obiegowym. W konsekwencji, w układzie zamkniętym urządzenia, dochodzi do zmiany parametrów termodynamicznych pracy obiegu.

W analizie problemu akustycznego należy szczegółowo rozważyć skutki zmian szeroko pojmowanej części dławiącej obejmującej: parametry rurki kapilarnej, sposób jej prowadzenia i mocowania, obecność i sposób rozwiązania doziębiacza, sposób rozwiązania wlotu rurki kapilarnej do parowacza.

Więcej informacji na łamach miesięcznika Chłodnictwo&Wentylacja nr 6/2004. www.chlodnictwo.euro-media.pl