Ulaz za korisnike

Upute za transkritični pogon

|
Upute za transkritični pogon
 
Upute za transkritični pogon
Uvođenje rashladnog sredstva CO2 na cijelu površinu i kod iskusnih majstora rashladne tehnike širi nesigurnost. U tom slučaju pomoći će upute u ovom prilogu jer više ne vrijede činjenice koje su do sada bile nepobitne

Kod lagano padajuće temperature okoliša na vanjskom prijenosniku topline (plinski hladnjak analogno prema ukapljivaču) može se primijetiti da se ukapljivanje koje je u početnoj fazi u tekućem prijelazu odvija potpuno nedramatično, to jest ne primijeti se kada se nalazi ispod kritičnog visokog tlaka. Stanje početnog ukapljivanja bi se u analogiji prema dosadašnjem procesu hladne pare moglo okarakterizirati kao ekstremni nedostatak rashladnog sredstva, jer ovdje rashladno sredstvo koje otječe još dugo nije pothlađeno, dakle, daleko je od „bezmjehurastog“ stanja.

Taj kriterij „nepostojanja mjehurića“ kod transkritičnog vođenja procesa nema nikakvo značenje, jer rashladno sredstvo (ovdje CO2) ostaje plinovito sve do ulaženja u ekspanzijski organ i pretvara se tek onda u mokru paru. Kod daljnje padajuće temperature okoline pojavljuje se onda sve više potpuno „normalno“ ponašanje postrojenja na hlađenje hladnom parom na strani visokog tlaka, dakle, snažna ovisnost (temperature ukapljivanja) o vanjskoj temperaturi na vanjskom prijenosniku topline i pojavljuje se tekuće rashladno sredstvo.

Budući da kriterij „nepostojanje mjehurića“ nije kompetentan kao značajka za dostatno ispunjen kružni tok kod CO2, potreban je neki drugi kriterij. To je nakon dužeg stanja mirovanja kružnog toka podešeni srednji tlak postrojenja, jer on je kod dovoljno visoke temperature (iznad kritične temperature od 31º C) direktna mjera za postojeću količinu punjenja – ovisno o stvarno postojećem u unutarnjem slobodnom volumenu postrojenja.

Zbog toga je moguć navod postignutog visokog tlaka kod kompresora koji radi kao oznaka za ispravnu količinu punjenja. Doduše, u to se ubrajaju i svi drugi vanjski uvjeti koji utječu na pogonsku točku. A ta se pretpostavka općenito ne može praktično ispuniti. Pomoć u tom slučaju pruža računalni program, kao ovdje upotrijebljeni, pomoću kojega se mogu uzeti u obzir proizvoljni vanjski uvjeti. Potrebno je, dakle, samo unijeti uvjete koji trenutno vladaju i usporediti obračunati visoki tlak s onim izmjerenim.

Ako je izmjereni tlak niži, onda vlada manjak rashladnog sredstva i obrnuto. Pri čemu ovdje, zapravo, nedostatak rashladnog sredstva zapravo nije ispravan izraz, jer usprkos promjeni količine punjenja ostaje se kod temperature okoline iznad 31º C na plinskom hladnjaku na strani visokog tlaka uvijek u transkritičnom području – dakle, ne nastaje razina tekućine čije bi se stvaranje u dosadašnjem smislu moglo promatrati kao quasi mjera za realnu količinu punjenja.

„Manjak“ u tom slučaju znači odstupanje od planirane pogonske točke, konkretno, dakle, primarno smanjivanje visokog tlaka s različitim djelovanjima na sve druge procesne parametre. U tom se slučaju može govoriti samo o dimenzioniranoj količini punjenja koja se kod drugih utvrđenih vanjskih pogonskih uvjeta isporučuje točno traženu rashladnu snagu na isparivaču.

Uostalom, to je odlučna razlika prema dosadašnjim podkritičnim rashladnim postrojenjima hladne pare. Tamo je doduše djelatna i načelno ista promjena potrebne količine punjenja kod različitih pogonskih uvjeta, samo se ta promjena najčešće odvija potpuno neprimjetno u ukapljivaču (ili u akumulatoru ako postoji), s time što su razina tekućine na izlazu iz ukapljivača, a time i pothlađivanje tekućeg rashladnog sredstva snažnije i temperatura ukapljivanja (a naravno i u jednakoj mjeri tlak ukapljivanja) općenito malo osciliraju. A razlog da sve to tako dobro funkcionira leži u većoj razlici gustoće između tekućine i plina kod rashladnog uređaja koji radi podkritički naspram manje razlike gustoće između tlačnog i usisnog plina kod transkritičkog procesa.

Dakle: Aktivna količina punjenja koja struji u kružnom toku u transkritičkom je području dominirajuća za visinu visokog tlaka kod nepromijenjenog hardvera!

Ovdje se pokazuje prednost u odnosu na normalna rashladna sredstva s ispodkritičnim pogonom, jer kod CO2-postrojenja se može bez ikakvih promjena na građevnim elementima koji određuju snagu kroz povišenje aktivne količine punjenja povisiti visoki tlak, a time i rashladnu snagu, no tada, naravno, treba sve biti postavljeno jasno u pogledu eventualno nastajuće granice kod uporabe (krajnja temperatura kompresije i potrebe za snagom kompresora). Ovisno o polaznim uvjetima može se time postići povećanje snage od cca. maksimalno 7 %. Da viši tlak može dovesti do veće snage, potpuno je novo iskustvo i za „normalnog“ tehničara rashladne tehnike.

Za sve pogonske uvjete uvijek postoji određeni visoki tlak s maksimalnim iznosom snage, dakle, s najvišom energetskom učinkovitošću. U modelu se taj optimalni tlak također utvrđuje jednostavno preko manualne varijacije visokog tlaka kod odgovarajućih konfiguracija postrojenja i naravno uzima se u obzir njegov utjecaj kod utvrđivanja energetske potrošnje.

Daljnja prednost CO2 je tlačna razlika koju treba dokinuti u ekspanzijskim elementima između visokog tlaka i usisnog tlaka kod snažno promjenjivih pogonskih uvjeta, relativno gledajući, samo upola tako snažno oscilira kao primjerice u kružnim optocima s R134a. Onda je odabir prikladnih elemenata jednostavniji i jedva da dolazi do preopterećenja tih ekspanzijskih i prigušnih elementa kod ekstremnih uvjeta.

Plinski hladnjak dijeli se kod obračuna na maksimalno 60 jednako velikih pojedinačnih odsjeka, kako bi se uredno mogle uvažiti jako promjenjive unutarnje vrijednosti materijala blizu kritične točke

Računski modeli

Pomoću dokazanog, konstrukcijskog programa koji obuhvaća opterećenje prostora za rashladne uređaje na hladnu paru s ukapljivačem koji rashlađuje zrak za različite se vanjske pogonske uvjete referentnog odsječka godine (uvjeti A do D u tabeli 1) tako dugo varira rashladna snaga kompresora preko broja okretaja (brzine vrtnje) kompresora, sve dok se ne dosegne tražena temperatura prostora. Stanje ulaznog zraka na isparivaču i rashladna snaga koja je potrebna za postizanje tražene temperature prostora, te pogonska snaga kompresora mogu se također saznati iz računa. Te su vrijednosti navedene u tabeli referentnog odsječka godine.

Za egzaktnu usporedbu: R134a- i CO2-postrojenja za oba je uređaja upotrijebljena u zrakom opterećenim lameliranim prijenosnicima topline Cu-cijev dimenzija 8,5x0,7 mm (ispitni tlak 150 bara). Svi drugi parametri koji određuju snagu bili su oni koji su uobičajeni za R134a-uređaj. Jedino broj bujica/poplava (podjela rashladnog sredstva na puno paralelnih putova unutar paketa za prijenos topline) učinjena je optimalnom za oba rashladna sredstva i zato je različito odabrana. Ali, apsolutna veličina usporedivih prijenosnika topline isparivača i ukapljivača odnosno plinskih hladnjaka potpuno je jednaka kod R134a- i CO2 uređaja.

Rashladna snaga na isparivaču obračunata s R134a ulazi onda kao vrijednost u obračun CO2-kružnog toka. Na taj je način zajamčeno da je pogon obaju sustava uređaja osiguran pod usporedivim uvjetima.

Energetska potrošnja odnosi se isključivo na električnu energiju koja je potrebna za pogon kompresora. To je moguće jer se druge pogonske energije (za ventilatore) jednake u svim usporedivim konfiguracijama uređaja. Kako bi se naposljetku mogle dati izjave o ukupnoj energetskoj potrošnji rashladnih uređaja, zanimljive su i ove vrijednosti: I isparivač – (dolazni zrak) – ventilator:

  • 00,4 kW s 2000 H/a daju 800 kWh,
  • I Plinski hladnjak-ventilator:
  • 0,6 kW s 1100 h/a daju 660 kWh.
  • Ovdje upotrijebljeni CO2-računalni program vjerno odražava sve termodinamičke uvjete. Spoznaje se na glavnoj ulaznoj masci programa između ostalog da se moraju uvažiti i cjevovodi kružnog toka kod modeliranja (količina punjenja i gubitak tlaka) – a osim toga i svi gubici tlaka unutar samih prijenosnika topline. U tu je svrhu odabrana 2-stupanjska varijanta uređaja, kakva dolazi u obzir kod visoke vanjske temperature, ali koja nije predmet usporedbe.

    Plinski hladnjak dijeli se kod obračuna na maksimalno 60 jednako velikih pojedinačnih odsjeka, kako bi se uredno mogle uvažiti jako promjenjive unutarnje vrijednosti materijala blizu kritične točke. Drugi prijenosnici topline (ispitivači i unutarnji prijenosnik topline kao i u danom slučaju međuhladnjak) obračunavaju se en bloc uz uporabu svojih pogonskih pokazatelja. Pored numeričkih rezultata u programskom se modelu pokazuju i ph-dijagram (slika 2) i grafika koja prikazuje promjene temperature i unutarnjih vrijednosti nanesenih preko površine koja prenosi toplinu plinskog hladnjaka.

    Energetska potrošnja odnosi se isključivo na električnu energiju koja je potrebna za pogon kompresora. To je moguće jer se druge pogonske energije (za ventilatore) jednake u svim usporedivim konfiguracijama uređaja

    Prostor koji se treba klimatizirati

    Radi se o fiktivnom prostoru za predavanja i sjednice. Volumen prostora iznosi 8 x 6 x 2,5 m = 120 m3 s velikim prozorskim pročeljima od ukupno 13 m3. U njemu se nalazi 26 osoba od kojih se svakomu dovodi 35 m3/h vanjskog zraka. Ukupno potrebna specifična rashladna snaga uključujući i rashlađivanje i odvlaživanje vanjskog zraka iznosi kod točke A 141 W/m3 – to, dakle, odgovara rashladnoj snazi na isparivaču od 17 kW.

    Klima-uređaj koji opskrbljuje prostor ne sadrži energetski ekonomične komponente, kao primjerice, sustave za povratno dobivanje rashladne energije hlađenjem vanjskog zraka s odlaznim zrakom. To određivanje služi povećanju razlika kod energetskih potreba, kako bi se one što je više smanjile.

    Načini pogona CO2-klimatskog uređaja

    Kod usporedbe se koriste kompresori s podiznim klipovima s varijabilnim brojem okretaja (brzinom vrtnje), kako bi se taj stupanj slobode mogao iskoristiti za postizanje iste rashladne snage na isparivaču. Kod modernih uređaja, kao primjerice klima-uređaja za vozila na tračnicama to je određivanje često ispunjeno, jer se ovdje elektro-energetska opskrba pomoćnih motora (dakle ne vučnih motora) odvija gotovo isključivo preko statičnih pretvarača frekvencije, koji omogućuju promjenu frekvencije. Kod stacionarnih uređaja to najčešće (još) nije slučaj. Tada bi trebao stupanj slobode biti prilagođen manjoj traženoj snazi i smanjenom hodnom vremenu kompresora. Ovdje se zamjenski računa, i, na primjer, za pola snage kroz isključenje cilindra i s pola brzine vrtnje (broja okretaja).

    Teškoća kod izjednačenja (poravnanja, usporedbe) sastoji se u tome što kompresori za tu vrstu rashladnog sredstva tek dolaze na tržište i stoga njihovi objavljeni podaci o snazi nisu uvijek dostatni za računalno-tehničko modeliranje.

    Stoga se CO2-model temelji na fiktivnom kompresoru. Stoga su smislene međusobne usporedbe pojedinih CO2-varijanti. Vrednovanje razlika prema dosadašnjem R134a-klimatizacijskom uređaju je zato pomalo nesigurno. No, ono općenito pokazuje činjenicu koja je već negdje drugdje ustvrđena, a to je da energetska potrošnja CO2- klimatizacijskog uređaja i kod uključivanja tobožnjih poboljšanih dodatnih sastavnih dijelova postrojenja ne može konkurirati do sada poznatim uređajima na hladnu paru.

    Između ostaloga razmjerno mali prolaz rashladnog sredstva (velika volumetrijska rashladna snaga) i viša gustoća plina kod CO2 imaju za posljedicu jasno više razvlačenje ulja kompresora, što se izražava s 6 postotnih masa (kod kružnog toka bez uljnog filtra).

    Općenito se može primijetiti da se za razliku od rashladnog programa na bazi hladne pare, kod kojega je snaga kompresora uvijek dana zajamčenim podacima proizvođača koji potječu iz opsežnih mjerenja, kod CO2-programa se kompresorska snaga obračunava na temelju numerički određenih faktora utjecaja koje je autor sam odabrao, izentropski faktor djelovanja, električni faktor djelovanja pogonskog motora, podizni volumen i stupanj isporuke. Zatim se objašnjavaju samo neke konfiguracije te matrice (stoga nedostaju neke podtočke).

    Najjednostavniji 1-stupanjski kružni tok

    Kod maksimalnih uvjeta dimenzioniranja /konstruiranja (točka A) visoki tlak s 107 bara (nadtlak) je odabran tako da se postigne maksimalna krajnja temperatura kompresije (stlačivanja) od samo 100º C. Istodobno se ta točka nalazi s minimalnom pogonskom snagom kompresora od 8,32 kW na maksimalnom COP-u za sve vanjske uvjete koji utječu na model-račun. Taj visoki tlak je razumno određen u odnosu na dugi životni vijek kompresora. Iz toga proizlazi određena, kod usporednog računa konstantno ostala količina punjenja. To je količina punjenja koja je potrebna za potpuno punjenje područja kružnih tokova koja podliježu različitim termičkim uvjetima - ona se uvijek automatski podešava! To jest, zapravo je obrnuto: Visoki tlak se uvijek tako podesi, da se u kružnom optoku nalazi upravo potrebna postojeća količina punjenja. Isto tako visoki tlak utječe na usisni tlak, najčešće ga povisuje utjecajem kompresora s njegovom količinom prijenosa koja ovisi o visokom tlaku i usisnom tlaku. Naravno, to se uvažava u modelu.

    S unutarnjim prijenosnikom topline

    Ovdje se u modelu radi o jednostavnom dvocijevnom prijenosniku topline u protustrujnom načinu izvedbe – unutarnji promjer zaštitne cijevi 9 mm / dujina 1000 mm, kojega s malim utroškom može proizvesti svaki proizvođač klima-uređaja. On hladi u plinskom hladnjaku već pomoću okolnog zraka ohlađeni tlačni plin preko lagano pregrijanog plina koji izlazi iz kompresora. Utjecaj tog prijenosnika topline na rashladnu snagu i neučinkovitost kružnog optoka nije uvijek pozitivan. Mora se računati i s eventualno negativnim posljedicama kod različitih pogonskih uvjeta, a reflektiraju se i na energetsku bilancu.

    S ekspanderom

    Ekspanzija koja se kod realnih uređaja postiže preko TRV i mehaničke snage istražuje se u mnogim mjestima, kao zamjena jednostavnog prigušenja. Autor to samo može primiti na znanje, bez da se to sada može primijeniti u konkretnom modelu. Stoga se ekspander samo teorijski razmatra u modelu, t.j. može se unijeti samo izentropski stupanj djelovanja ekspanzije (ovdje 70 %), kroz to što se smanjuje ulazna entalpija u isparivač. Nije, dakle, modeliran realni uređaj.

    Vrijedi ono što je rečeno pod. Dodatno je kružnom toku pridodana tlačna posuda za primanje rashladnog sredstva. Taj tzv. aktivni spremnik je kolektor koji se za razliku od dosadašnjih uređaja na hladnu paru ne prozračuje u pogonskom smislu. On je povezan preko dva magnetna ventila s kružnim tokom na oba mjesta s maksimalnom i minimalnom gustoćom rashladnog sredstva, po potrebi kratko vrijeme i naizmjenično. To su mjesta nakon plinskog hladnjaka (odnosno nakon unutarnjeg prijenosnika topline sa strane visokog tlaka) i nakon isparivača (odnosno nakon unutarnjeg prijenosnika topline sa strane usisnog tlaka).

    Podešavanjem jednog od dvaju magnetskih ventila može u širokim granicama utjecati na aktivnu količinu punjenja u kružnom toku, ovisno o odabranom volumenu spremnika – i na taj način gotovo proizvoljno podesiti visoki tlak u kružnom toku, dakle i optimalni pogonski tlak s najvišom energetskom učinkovitošću.

    Ali i kratkotrajno povećanje snage kod ekstremnog opterećenja povećanjem visokog tlaka lako je moguće kod automatskih uređaja, ako se pri tome nadziru i drugi kritični parametri poput krajnje temperature kompresije, temperature namota i struje motora kompresora i statičkog pretvarača frekvencije za opskrbu strujom.

    Djelotvorni usisni sklop uz dodatni zaporni ventil u kružnom toku lako se može realizirati ispred isparivača, što prije svega kod pokretnih uređaja omogućuje da se zaborave problemi pokretanja s hladnim uljem kompresora i nakupljanjem rashladnog sredstva u uljnom mulju, kod uređaja čija energetska opskrba u stanju mirovanja može dugo vremena biti prekinuta. I na kraju krajeva kroz to se na minimalnu mjeru svodi problem nebrtvljenja, jer se znatno može reducirati tlak kružnog toka. Nebrtvljenje kod CO2, naravno, nije ekološki problem, ali još više povisuje ionako visoke servisne troškove.

    Rezultati

    Rezultati su prikazani u dijagramima. Maksimalna razlika između jednostavnog kružnog toka i energetski najboljeg kružnog toka iznosi samo 8 %. Kod tarife od cca. 0,20 €/kWh rezultira to uštedom troškova od godišnje 70 €. Nažalost, ekonomski rezultat tih energetskih nastojanja je premali.

    Izjave drugih autora su nešto povoljnije. Razlog za to može biti različita baza podataka. Stoga se ovdje još na dijagramu 3 pokazuje kako COP (coefficient of performance) ne ovisi samo o konfiguraciji postrojenja, već naravno još i više o klimatski determiniranim pogonskim uvjetima A do D. Uviđa se da je COP kod CO2-varijanti s ekspanderom i povratnim dobivanjem energije kod kompresije kod točke A gotovo jednak kao kod R134a, dok kod drugih slučajeva opterećenja B do D generalno R134a pokazuje daleko najbolji COP. Vremenska raspodijeljenost opterećenja doista igra ulogu. Stoga su izjave o energetskoj učinkovitosti nekog uređaja smislene samo ako obuhvaćaju iskorištenost uređaja tijekom cijele godine. Kod realne energetske usporedbe vrijeme ispitivanja bi kod oba uređaja trebalo biti identično i obuhvaćati istu godinu ili isti dio godine, ili čak više istih godina. To si gotovo nitko ne može priuštiti, stoga se radi računska usporedba.

    Interpretacija rezultata

    Postoje različita istraživanja koja sadrže izjave o optimalno visokom tlaku, njegovom reguliranju, korištenju rasterećenja itd. Ovaj članak ide u prilog stvaranja vlastite slike i vlastitih model-izračuna u pogledu toga koji su energetski efekti mogući kod CO2-kružnog toka za klimatizacijske uređaje. Osjeća se energetski učinak ekspandera/kompresora. Neovisno o tome što ti uređaji nedostaju na tržištu, mora se sumnjati i u pogledu energetskih troškova.

    Izvor: www.masmedia.hr

    Materijali