VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ Energetický ústav

Transkript

1

2 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ Energetický ústav Ing Marian Formánek VÝVOJ ENERGETICKY ÚSPORNÝCH CHLADICÍCH ZAŘÍZENÍ DEVELOPMENT OF ENERGY SAVING COOLING EQUIPMENT Zkrácená verze PhD Thesis Obor: Konstrukční a procesní inženýrství Školitel: Doc Ing Milan Pavelek, CSc Oponenti: Doc Ing Zdeněk Kratochvíl, Csc Ing Stanislav Patočka PhD Datum obhajoby:

3 Klíčová slova: chladicí faktor, odpadní teplo, akumulační výměník, energetický přínos Keywords: cooling factor, waste heat energy, accumulative exchanger, energy asset Místo uložení práce: Areálová knihovna FSI VUT v Brně Technická 2 Marian Formánek, 2008 ISBN ISSN

4 Obsah: 1 Úvod 5 2 Současný stav řešené problematiky 5 3 Cíle disertační práce 6 4 Základy cyklů kompresorových chladicích zařízení odpařovacích 6 41 Energetické hodnocení cyklů chladicích zařízení 6 42 Teoretický cyklus kompresorového chladicího zařízení odpařovacího 6 43 Možnosti snižování energetické náročnosti chlazení 7 5 Chladiva kompresorových chladicích zařízení 8 51 Přehled nejpoužívanějších chladiv 8 52 Doporučení chladiv pro různé aplikace 8 6 Konstrukce energeticky úsporných chladicích zařízení Tepelné izolace v chladicí technice Optimální dimenzování spojovacího potrubí Intenzivní chlazení sprchováním srážníků Experimentální ověření sprchování srážníků 13 7 Využití odpadního tepla z chlazení Využití odpadního tepla z chlazení za pomocí výměníku zapojeného paralelně Teoretický rozbor paralelního zapojení Experimentální ověření paralelního zapojení Využití odpadního tepla z chlazení za pomocí výměníku zapojeného do série Teoretický rozbor sériového zapojení Experimentální ověření sériového zapojení Praktická aplikace sériového zapojení Provozní měření chladicího zařízení se sériově zapojeným akumulačním výměníkem pro využití odpadního tepla z chlazení 24 8 Závěr 26 9 Conclusion 27 Seznam nejdůležitějších označení 29 Literatura 30 Publikační činnost 31 Životopis autora 32 3

5

6 1 Úvod Chladicí technika je s rozvojem životní úrovně společnosti stále více používaná Jedná se především o tepelné stroje pracující na principu obrácených termodynamických oběhů Původně se chladicí zařízení vyvinula pro chlazení potravin, aby se zabránilo jejich zkáze teplem V současnosti se chladicí technika používá v mnoha odvětvích lidské činnosti Výzkum energeticky úsporných zařízení v oblasti chladicí techniky, ale i tepelných čerpadel a využívání odpadního tepla, přináší proto nemalé energetické úspory, které zlevňují chod chladicích zařízení Disertační práce je zaměřena na vývoj energeticky úsporných chladicích zařízení v oblasti teoretických úvah, v oblasti návrhu a v oblasti experimentálního i praktického ověření navržených řešení Jedná se především o kompresorová chladící zařízení odpařovací, kde je pozornost věnována chladivům, konstrukcím zařízení a možnostem zpětného získávání tepla Práce se v úvodu zabývá vhodností používaného chladiva s ohledem na aplikace, výkon, účinnost a také vliv daného zařízení na životní prostředí Je zde uveden výčet chladiv používaných v historii až po moderní ekologická chladiva, která jsem rozdělil do pěti kategorií podle typů použití v praktických aplikacích Na závěr této kapitoly je stanoven postup výběru vhodného ekologického chladiva pro požadovanou aplikaci o který se opírám při své projekční práci Další kapitola uvádí rozbor tepelných izolací vhodných pro použití v chladicí technice Jsou zde uvedeny vhodné vlastnosti izolačních materiálů Izolace rozděluji do pěti základních kategorií a v následném textu jsou blíže popsány jejich vlastnosti a možný způsob použití, který je na závěr velmi podrobně popsán tak, aby bylo možné pro dané použití vybrat nejvhodnější tepelnou izolaci prostoru, potrubí nebo izolaci mezi horkým a chladným prostorem Neméně důležitou kapitolou je navrhování potrubních systémů v chladicí technice V kapitole je stanoven výpočtový postup pro stanovení vhodné rychlosti proudění chladiva v daném úseku potrubí Stanovení této rychlosti výrazně ovlivňuje správný a ekonomický chod zařízení V disertační práci jsou tyto jednotlivé typy potrubí popsány a znázorněny ve schématu a podle uvedeného postupu lze provést výpočet vhodných dimenzí potrubí pro praktické zařízení Výběr vhodné rychlosti potom závisí na způsobu využívání chladicího zařízení a v neposlední řadě na pořizovacích nákladech Dále je zde rozebráno využívání odpadního tepla z chlazení a jeho další využití např pro ohřev vody, pro vytápění apod Práce se zabývá především kompresorovými chladicími zařízeními založenými na odpařování chladiva Teoretické úvahy využívání odpadního tepla jsou ověřovány experimentálně na zkušebním zařízení, které umožňuje zapojení výměníku pro využití odpadního tepla z chlazení do série se srážníkem, nebo zapojení srážníku paralelně s výměníkem pro využití odpadního tepla Na tomto zařízení byly také experimentálně ověřeny možnosti intenzivního chlazení sprchováním srážníku Všechna měřená zapojení jsou provedena při různém tepelném zatížení chlazeného prostoru, které je 70 W, 100 W, 120 W, 140 W a 190 W Teoretické úvahy i experimentální ověření je aplikováno na reálné příklady a doplněno ekonomickým rozborem o podmínkách výhodnosti využívání odpadního tepla z chlazení Na závěr je v disertační práci uvedeno měření za pomocí termovize a ověřování navrženého reálného zařízení v potravinářském závodě, pro využití odpadního tepla z chlazení za pomocí akumulačního výměníku pro předehřev teplé vody 2 Současný stav řešené problematiky Chladicí technika je s rozvojem životní úrovně společnosti stále více používaná Nejrozšířenější chladicí zařízení jsou kompresorová chladicí zařízení odpařovací Konstrukčně jsou poměrně jednoduchá a spolehlivá a je možné je použít pro velký rozsah aplikací Disertační práce se zaměřuje na další zdokonalení takových zařízení, jelikož vzhledem k jejich velkému rozšíření, jakékoliv další vylepšení vedou k velkým energetickým 5

7 úsporám ve světě U každého chladicího zařízení se v kondenzátoru odvádí teplo, které přijal výparník, plus ekvivalentní teplo příkonu kompresoru Ve většině fungujících chladicích zařízení se toto teplo bez užitku odvádí do venkovního prostředí Přitom přináší hospodárné využívání odpadního tepla přináší značné energetické úspory a tím i snižování sekundárního skleníkového efektu (menší spalování fosilních paliv a tím menší emise CO 2 ) 3 Cíle disertační práce Navrhnout postup při výběru vhodného chladiva a izolací pro chladicí zařízení Navrhnout postup při dimenzování potrubí chladicích zařízení Experimentálně ověřit snížení elektrického příkonu chladicího zařízení sprchováním srážníku Experimentálně ověřit snížení elektrického příkonu chladicího zařízení při použití výměníku pro využití odpadního tepla Navrhnout modelové nízkoenergetické chladicí zařízení s využitím odpadního tepla 4 Základy cyklů chladicích zařízení odpařovacích Nejrozšířenější chladicí zařízení jsou kompresorová chladicí zařízení odpařovací, poněvadž se jedná o zařízení, která poměrně dobře využívají dodanou energii Konstrukčně jsou poměrně jednoduchá a spolehlivá a je možné je použít pro velký rozsah aplikací 41 Energetické zhodnocení cyklů chladicích zařízení Tepelný cyklus (oběh ) představuje několik po sobě následujících dějů, po jejichž vykonání se soustava dostane do původního stavu Rozlišujeme cykly přímé, při nichž se práce získává a cykly nepřímé, při nichž se práce spotřebovává Přímé cykly jsou cykly tepelných motorů (v p-v diagramu probíhají ve smyslu hodinových ručiček), nepřímé cykly (obrácené) jsou cykly tepelných pracovních strojů (chladicích zařízení a tepelných čerpadel) Vzhledem k zaměření disertační práce se další text zabývá pouze nepřímými cykly [3], [10], [13] Práci termického cyklu vypočteme ze vztahu A = Q H Q C (1) Porovnání energetické náročnosti nepřímých cyklů se provádí pomocí chladicího faktoru, který je definován vztahem QC QC ε ch = = (2) A Q Q H C 42 Teoretický cyklus kompresorového chladicího zařízení odpařovacího Teoretický cyklus chladicího zařízení máme snahu přiblížit Carnotovu cyklu, viz obr 1a Energeticky úsporná zařízení pracují jako odpařovací, využívají výparné teplo, a tak značná část oběhu se blíží Carnotovu cyklu s izotermickým přívodem a odvodem tepla V základním chladicím parním oběhu, jsou syté páry chladiva nasávány kompresorem stav 1 Dále se předpokládá adiabaticka komprese v chladicím kompresoru na stav 2 Přehřáté páry chladiva zkondenzují ve srážníku na sytou kapalinu stav 4 a dalším průchodem srážníku se podchladí Ve vstřikovacím ventilu dochází k izoentalpickému seškrcení chladiva o stavu 4 a chladivo přechází na stav mokré páry 5, viz obr1 b [4], [7], [13] 6

8 P log p kr Q H TH TO 3 dq=0 4 T H Q H A Q C 2 T O dq=0 1 v Q C Q H h A Q C Obr1a Obrácený Carnotův cyklus s 1kg plynu v p-v diagramu Obr 1b Chladicí okruh v diagramu log p-h s přehřátím a dochlazením chladiva 43 Možnosti snižování energetické náročnosti chladicího zařízení Z uvedené teorie cyklů chladicích zařízení vyplývá, že chladicí faktor můžeme zvětšovat zvyšováním tepla Q C, snižováním ztrát tepla Q C, snižováním práce cyklu Úspory můžeme také dosáhnout vhodnou regulacía využitím odpadního tepla Q C [8], [9], [11], [12], [13] Zvyšování tepla Q C například pomocí: - Vhodného chladiva, s co nejvyšším výparným teplem s ohledem na danou aplikaci a životní prostředí - Použití detandéru, kdy se snažíme chladicí oběh přiblížit carnotovu cyklu Detandér využívá energii při expanzi k odlehčení pohonu chladicího kompresoru a tudíž bývá instalován na jedné hřídeli Chladnou páru potom vedeme do prostoru kde potřebujeme odebírat teplo Vzhledem k tomuto uspořádání je vhodné využití dentandéru u kompaktních zařízeních, kdy motorkompresor, detandér a potřeba chladu jsou v jednom místě Není totiž vhodné chladné páry vést delším potrubím z důvodů ztrát chladu izolacemi - Intenzivní chlazení a sprchování srážníků S využitím kondenzátní vody představuje intenzivní chlazení a sprchování srážníků ekonomicky výhodné a energeticky úsporné řešení snížení spotřeby zařízení a zvýšení chladicího faktoru Snižováním ztrát tepla Q C předávaného do chlazeného prostoru tepelnými izolacemi: - Izolace chlazeného prostoru, který je součástí chladicích zařízení, ledničky, boxy externí prostory - Izolace potrubí brání ztrátám tepla Q C,než se dostane do chlazeného prostoru - Izolace mezi chladným a horkým provozem u nedělených jednotek brání ztrátám tepla Q C přímo do horké části chladicího zařízení Snižováním práce A například pomocí: - Optimálním dimenzováním spojovacího potrubí zamezíme tlakovým ztrátám a tím snižujeme práci kompresoru A - Zvýšením účinnosti kompresoru, například mechanické, objemové - Chlazením kompresorů Tento způsob úspor energie je dostatečně znám a nebude dále v disertační práci rozebírán 7

9 Využitím odpadního tepla Q H : - Přímé využití odpadního tepla Q H Tato problematika je v disertační práci podrobně řešena v kapitole 6 V uvedené kapitole jsou uvedeny způsoby zpětného získávání tepla, experimentální ověření a ekonomický rozbor Kapitola je ukončena termovizním měřením na reálném zařízení, (provozované v potravinářské výrobě) - Využitím odpadního tepla Q H prostřednictvím tepelných čerpadel Teplo, které získáme, můžeme například akumulovat do vody Takto ohřátá voda zpravidla dosahuje cca 50 C což je dostatečná teplota pro předehřev teplé vody, přívodního vzduchu do vzduchotechnického zařízení a vytápění Může však nastat situace, že bude zapotřebí vyšší teploty Jedna varianta je dohřát vodu jiným způsobem (plyn, elenergie a pod) nebo lze použít tepelné čerpadlo a odebírat teplo z ohřáté vody z chlazení a získat vodu o vyšší teplotě Variantu použití tepelného čerpadla je nutné ověřit ekonomickou bilancí a návratností vložených investic Vhodnou regulací chlazení ( snižuje spotřebu tepla Q C ) - Chlazením míst, kde to je potřeba - Chlazení v době, kdy je to potřeba 5 Chladiva kompresorových chladicích zařízení V této kapitole je uvedena historie chlazení a chladicí techniky V přehledu chladiv jsou uváděny látky používané od prvopočátků chlazení až po moderní ekologická chladiva používaná v současné době V podkapitolách jsou dále uvedeny důležité fyzikální vlastnosti chladiv a rozdělení chladiv podle použití v zařízeních určených pro obytné budovy, průmyslové objekty, transportní chlazení a chladicí nábytek Stěžejní částí kapitoly je naznačení vlastního přístupu k výběru chladiva pro danou aplikaci s využitím vytvořených tabulek 51 Přehled nejpoužívanějších chladiv Chladiva HFC (chladiva typu HFC částečně fluorované uhlovodíky ): R-508B, R-23, ISCEON 89, R-410A, R-422A, R-404A, R-507, R-407C, R-422D, R-417A, R-413A, R-134a, R-423A, R-227 OSTATNÍ EKOLOGICKÁ CHLADIVA: R 290, R 600aR-717 Stále probíhá výzkum chladiv a vyvíjejí se další nová chladiva 52 Doporučení chladiv pro různé aplikace Při výběru chladiv se řídíme jejich vlastnostmi popisovanými v následujícím textu V rámci disertační práce byly sestaveny tabulky usnadňující výběr vhodného chladiva pro různé aplikace, které lze rozdělit do pěti kategorii: 1) chladiva pro obytné budovy, viz tab 1, 2) chladiva pro průmyslové objekty, viz tab 2, 3) chladiva pro transportní chlazení, viz tab 3, 4) chladírenský nábytek ( chladničky, mrazničky, chladicí vitríny, mrazící truhly apod), viz tab 4, 5) chladiva pro velmi nízké teploty, viz tab 5 8

10 Tab 1 Chladiva pro obytné budovy Chladivo Vhodná odpařovací teplota C R-404A klimatizace, tepelná čerpadla R-410A klimatizace, tepelná čerpadla R-507 kompaktní klimatizační zařízení R-290 klimatizace, tepelná čerpadla R-417 klimatizace, tepelná čerpadla R-422D chladiče vody R-407C klimatizace, tepelná čerpadla R-134A klimatizace R-124 klimatizace pro vysoké teploty R-227 klimatizace pro vysoké teploty Tab 2 Chladiva pro průmyslové objekty Chladivo Vhodná odpařovací teplota C R-404A chladírny, mrazírny, chlazení vody apod R-410A chladírny, mrazírny, chlazení vody apod R-507 chladírny, mrazírny, chlazení vody apod R-417 velké chladírny a mrazírny R-422D chladírny, mrazírny, chlazení vody apod R-407C chladírny, mrazírny, chlazení vody apod R-134A chladírny velké chladírny, R-717 chlazení ledových ploch apod Tab3 Chladiva pro transportní chlazení chladivo Vhodná odpařovací teplota C R-404A přepravní chlazení R-410A přepravní chlazení R-507 přepravní chlazení R-417 přepravní chlazení R-422D přepravní chlazení R-407C přepravní chlazení R-134A přepravní chlazení Tab 4 Chladírenský nábytek Vhodná odpařovací teplota C Chladivo chladnábytek R-600A s minimální náplní chladiva R-134A chladírenský nábytek 9

11 Tab 5 Chladiva pro velmi nízké teploty Chladivo Vhodná odpařovací teplota C R-508B vícestupňová chladicí zařízení R-23 vícestupňová chladicí zařízení ISCEON 89 malá nízkoteplotní zařízení Postup při výběru vhodného chladiva pro danou aplikaci Pokud se rozhodujeme, jaké chladivo použijeme pro navrhovanou aplikaci, zvolíme kategorii, do které naše zařízení patří Podle zvolené kategorie volíme příslušnou tabulku chladiv viz tab 1 až tab 7 Z vybrané tabulky vybíráme vhodné chladivo pro naše použití, viz [6], [19] 6 Konstrukce energeticky úsporných zařízení 61 Tepelné izolace v chladicí technice V této kapitole jsou uvedené používané izolace pro různé části chladicích zařízení a současně naznačen postup při výběru vhodné izolace pro danou aplikaci, zpracovaný v rámci disertační práce Izolace chlazeného prostoru se používají pro snížení ztrát tepla Q C generovaného chladicím zařízením Vhodné vlastnosti izolací a druhy izolací pro různé aplikace, jsou uvedeny v následujícím textu Vhodné vlastnosti izolací - Nízká tepelná vodivost - Nízká nasákavost a malá difuze vodní páry - Dostatečná pevnost v tlaku - Nesmí zapáchat - Odolnost izolace proti rozkladu - Malá hořlavost - Chemická stabilita - Tvarová stálost - Dobrá zpracovatelnost - Malá hmotnost ( u přepravního chlazení a na stavbách ) Druhy izolací Při výrobě chladírenského mrazírenského nábytku i při stavbách mrazíren, chladíren a izolaci obytných budov se používají izolace, které lze rozdělit na: - přírodní organické materiály - minerální vláknité materiály - pěnové hmoty - pěnové sklo - vakuové izolace Jako perspektivní a v praxi stále více používané tepelné izolace jsou na bázi polyuretanové pěny (PUR pěna), ať už ve formě desek, tak v tekuté formě pro vypěňování chladírenského nábytku Pro izolace potrubí se nejvíce používá syntetický kaučuk, viz [1], [3], [11], [18] Z výše uvedeného textu plyne, že výběr vhodné izolace závisí na způsobu použití izolace (izolace prostoru nebo izolace potrubí) Vhodnou izolaci vybíráme podle popsaných 10

12 vlastností a hlavně podle ceny V chladírenství se pro chlazení prostorů nejvíce používá polyuretanová pěna, polystyrén a pro izolací potrubí kaučuková izolace V projekční praxi se volí hlavně tloušťka izolace podle typu zařízení a hlavně podle ceny, viz [1], [3], [11], [18] Tab 6 Hustota a součinitel tepelné vodivosti tepelných izolací při 20 C Izolace Hustota ρ [kgm -3 ] Součinitel tepelné vodivosti λ [Wm -1 K -1 ] skelná vláknina 22 0,035 minerální vlna 200 0,043 korkové desky 120 0,041 pěnové sklo 136 0,054 syntetický kaučuk - 0,035 iporka 15 0,031 pěnový polystyrén 25 0,035 styrofoam 30 0,033 polyuretanová pěna (PUR) 40 0,022 perlit 50 0,0016 ( vakuum 10-3 mbar, 188 K) superizolace 50 0,0001 ( vakuum 10-4 mbar, 188 K) vakuová izolace - 0,008 tvrdé dřevo, třískové desky ,17 porézní dřevotřískové desky 250 0,05 62 Optimální dimenzování spojovacího potrubí Navržená řešení vycházejí jednak z literatury a především z vlastních poznatků publikovaných v článku přijatém k publikaci v časopise VVI [I] Popis zařízení Popis jednotlivých potrubních systémů v chladicím zařízení Výtlačné potrubí, dopravuje stlačené páry chladiva s obíhajícím množstvím oleje z kompresoru (kompresorů) do kondenzátoru Tlumí vlivy značného tepelného namáhání a kmitání vznikajícího stlačováním par chladiva Potrubí kondenzátní, dopravuje kondenzát (směs částečně zkondenzovaného chladiva a par chladiva) z kondenzátoru do sběrače chladiva Je možné je použít pro zpětné proudění par ze sběrače do kondenzátoru Kapalinové potrubí, dopravuje směs oleje a kapalného chladiva ze sběrače k expanznímu ventilu Potrubí expandovaného chladiva, dopravuje z expanzního ventilu expandované chladivo do výparníku (výparníků) Sací potrubí, dopravuje obíhající olej a přehřáté páry chladiva z výparníku (výparníků) do sání kompresoru (sacího rozvodu u sdružených kondenzačních jednotek), viz obr 2 M A 4 B C D 3 E LEGENDA: VÝTLAČNÉ POTRUBÍ POTRUBÍ KONDENZÁTNÍ KAPALINOVÉ POTRUBÍ POTRUBÍ EXPCHLADIVA SACÍ POTRUBÍ 1 M 2 A - VÝPARNÍK B - ŠKRTÍCÍ VENTIL C - KOMPRESOR D - ZÁSOBNÍK CHLADIVA E - VZDUCHOVÝ KONDENZÁTOR STAV LÁTKY V DIAGRAMU log p-h 1,2,3,4, Obr 2 Popis potrubních systémů kompresorového chladicího zařízení 11

13 Pro dimenzování výše uvedených úseků potrubí je důležité zachovat vhodnou rychlost, hmotnostní tok a směr proudění chladiva příslušným úsekem potrubí Rovněž je důležité přihlédnout k délce a rozsáhlosti potrubní sítě a způsobu nástřiku chladiva (přímý nástřik chladiva do výparníku, nebo použití rozdělovače), [5] Průměry potrubí Výpočet průměru potrubí je poměrně jednoduchý, vychází z chladicího výkonu, parametrů chladiva v konkrétním chladicím zařízení a respektuje doporučené rychlosti proudění wi [ms -1 ], viz tab 7 Tab 7 Doporučené rychlosti proudění chladiva pro různé typy potrubí [ms -1 ] Sací potrubí Výtlačné potrubí Kapalinové potrubí Potrubí kondenzátu R 22 5,5-11 4,0-11 0,2-0,8 < 0,5 R 134a 5,0-11 3,0-14 0,2-0,8 < 0,5 R 404A 5,0-15 2,0-15 0,3-0,8 < 0,5 R 407C 5,0-11 4,0-11 0,3-0,8 < 0,5 R 410A 4,0-18 3,0-16 0,4-0,8 < 0,5 R 507 5,0-16 2,0-16 0,3-0,8 < 0,5 NH ,5 2 < 0,5 Chladicí výkon C [W] závisí na hmotnostním průtoku chladiva ṁ [kgs-1 ], který je ve všech místech potrubí stejný a dále na hmotnostní chladivosti q 0 [Jkg -1 ] Lze jej vyjádřit rovnicí Q Q C = m q0 = m( h1 h5 ) (3) kde q 0 je rozdíl měrných entalpií chladiva h 1 h 5 [Jkg -1 ]mezi vstupem a výstupem z výparníku, viz obr 1b Hmotnostní průtok chladiva můžeme vyjádřit pomocí lokálních měrných objemů vi [m 3 kg -1 ] v uvedených místech, které lze odečíst pro jednotlivé i-té stavy chladiva obvykle z diagramu log p-h nebo parních tabulek a platí rovnice kontinuity pro stlačitelné tekutiny m Q Si w i = = (4) q0 v i Z rovnice (3) a (4) se dá vypočítat potřebný lokální průřez potrubí Si, v závislosti na lokální rychlosti proudění wi a dalších veličinách S m v i Q v i Q v i i = = = (5) w i q0 w i ( h1 h5 ) w i a pak pro optimální lokální vnitřní průměr i-té části kruhového potrubí při zachování doporučené rychlosti proudění chladiva wi v různých typech potrubí, viz tab 9 platí 4 Si 4 Q v i d i = = (6) π π w i ( h1 h5 ) Vnější průměr potrubí se stanoví pevnostním výpočtem Materiál potrubí volíme dle druhu používaného chladiva, [3], [4], [10] 12

14 Důležité je volit vhodné rychlosti proudění chladiva, protože příliš velké rychlosti způsobují velké tlakové ztráty a tím vysoké provozní náklady, naopak malé rychlosti zvyšují pořizovací náklady zařízení Důležité je brát ohled na provozní dobu zařízení a ceny energií U zařízení pracujících okolo 1000 hodin za rok volíme rychlosti vyšší, naopak u zařízení pracujících nad 5000 hodin za rok je vhodné volit rychlosti proudění chladiva nižší 63 Intenzivní chlazení sprchováním srážníků Z teoretického rozboru chladicího zařízení je zřejmé, že energetických úspor při chlazení by bylo možné dosáhnout sprchováním, či intenzivním chlazením srážníku V následující části disertační práce je provedeno experimentální ověření tohoto chlazení a jsou uvedeny vhodné způsoby tohoto řešení Intenzivní chlazení srážníku, nebo jeho částí obvykle umožňuje i využití odpadního tepla z chlazení, které je řešeno v kap Experimentální ověření sprchování srážníků Experimentální ověření bylo provedeno na zařízení skládajícího se z izolovaného prostoru o objemu cca 0,05 m 3, hermetického kompresoru Danfoss typ:fr8,5 CLX o chladícím výkonu 468 W při odpařovací teplotě 10 C a kondenzační teplotě +45 C (informace získána z katalogu výrobce), výparníku, vzduchového kondenzátoru, výměníku pro zpětné získávání tepla, automatického vstřikovacího ventilu, solenoidů a ovládacího rozvaděče osazeného regulátorem teploty FLICA 110, viz obr 3 Zařízení pracuje s ekologickým chladivem R507 Schéma zkušebního zařízení je zakresleno na obr 4, [2] Obr 3 Fotografie zkušebního chladicího zařízení Měření bylo provedeno vždy v ustáleném stavu při zátěžích chlazeného prostoru Z = 70 W, Z = 100 W, Z = 120 W, Z = 140 W a Z = 190 W Zátěž byla realizována z odporových topných kabelů Měření bylo provedeno měřícím přístrojem pro měření tlaků a teplot v chladících systémech testo 556, pro měření příkonu byl použit voltmetr INSTALATEST 61557, a ampérmetr VA 18B 13

15 Při měření bylo zkušební zařízení nastaveno pro provoz v režimu pouze kondenzátor 6 Elektroventily A, C, D jsou zavřené a elektroventil B je otevřený Čerpadlem kondenzátu 10 je kondenzát čerpán a tryskami je vháněn na srážník a regulací průtoku je regulován kondenzační tlak Kalibrace průtoku chladicí vody byla provedena následovně Pomocí potenciometru bylo měněno přívodní napětí do čerpadla a tím jeho otáčky Po nastavení napětí byla voda vedena do kalibrované nádoby a byl změřen čas, za jaký se nádoba naplní Ze změřeného objemu vody, který natekl do nádoby za určitý čas, byl spočítán daný průtok Takto byly ocejchovány průtoky pro jednotlivé zatížení prostoru Postup (změny napětí na čerpadle a měření průtoku vody) se opakoval tak dlouho, až byl udržen konstantní kondenzační tlak pro každou zátěž chlazeného prostoru Obdobný postup pro kalibraci čerpadla byl použit pro výměník pro využití odpadního tepla z chlazení, viz kapitola M P P M Měření snížení příkonu chladicího zařízení a zvýšení chladicího faktoru v důsledku sprchování bylo prováděno vždy v ustáleném stavu při třech kondenzačních tlacích a pěti zátěžích chlazeného prostoru Sprchování bylo provedeno vodou o teplotě 20,5 C, což bývá obvykle teplota např v zásobníku vody při komfortní klimatizaci Sprchováním byly udržovány kondenzační tlaky 1620 kpa, 1700 kpa a 1800 kpa Chladicí voda byla dopravována do trysek čerpadlem jehož příkon byl měřen současně s příkonem celého zařízení, viz [15] Naměřené body mají velký rozptyl, který je způsoben mechanickými ztrátami v zařízení, nedokonalostí mazání apod Vzhledem k uvedeným chybám je výhodné uvést závislost chladicího faktoru na spotřebě energie za 24 hodin při různém zatížení prostoru Tato závislost je prezentována na obr 5 Obr 4 Schéma zkušebního chladicího zařízení 14

16 Z uvedeného měření vyplývá, že při snižování kondenzačního tlaku se zvyšuje chladicí faktor, snižuje se okamžitá spotřeba zařízení a dále se snižuje délka chodu zařízení U vyššího zatížení prostoru pozorujeme, že dochází k vyrovnání výkonu chladicího zařízení se zatížením prostoru společně se ztrátami chladu U zatížení prostoru 190 W a kondenzačním tlaku 1800 kpa dochází téměř ke stálému chodu zařízení Sprchování může v extrémních podmínkách výrazně zvýšit výkon srážníků a tím ochránit zařízení před nadměrným tlakovým zatížením V případě zařízení, kdy je možné vznikající kondenzát ve výparnících přímo odvádět na lamely srážníků, dochází k výrazné úspoře elektrické energie a výrazně se zvýší životnost zařízení Přímé odvádění kondenzátu na lamely srážníku je vhodné použít pro kompaktní zařízení (chladírenský nábytek, některé typy klimatizací apod) a pak jsme schopni výrazně zvýšit efektivitu chlazení a snížit provozní náklady a zároveň snižovat ekologickou zátěž chladicího zařízení Pokud je možné vést kondenzátní vodu samospádem bez využití čerpadla kondenzátu, jsou zvýšené náklady na instalaci zařízení zanedbatelné vzhledem k celkovým nákladům a nutnosti kondenzátní vodu odvádět Pokud bývá využíváno čerpadlo, zvyšují se pořizovací náklady v řádu do 5% z celkových investičních nákladů, což je vzhledem ke snížení příkonu zařízení a zvýšení chladicího faktoru zanedbatelné viz [18] 3,3 3,2 CHLADICÍ FAKTOR [-] 3,1 3 2,9 2,8 2,7 2,6 ZATÍŽENÍ 70 W ZATÍŽENÍ 100 W ZATÍŽENÍ 120 W ZATÍŽENÍ 140 W ZATÍŽENÍ 190 W 2, CELKOVÁ SPOTŘEBA EL ENERGIE ZA 24 HODIN [KWh] Obr 5 Závislost vlivu sprchování srážníků na spotřebu chladicího zařízení Z naměřených hodnot vyplývá, že např při zátěži 120 W a udržování kondenzačního tlaku 1620 kpa, oproti standardnímu zapojení pouze kondenzátor bez sprchování, se uspoří 0,508 kwh za 24 hodin, což za rok činí 185 kwh Při ceně 6,-Kč za jednu kwh to činí úsporu 1110,-Kč za 1 rok Je zřejmé, že sprchování srážníků, je jednoduchý a účinný způsob snižování energetické náročnosti chladicích zařízení a lze ho aplikovat prakticky u všech zařízení Zvláště výhodné je použití sprchování srážníku u kompaktních zařízení, kdy srážník a chlazený prostor jsou blízko vedle sebe (mobilní klimajednotky) a u zařízení malých 15

17 výkonů, kdy další využívání odpadního tepla z chlazení je ekonomicky nevýznamné U velkých průmyslových aplikací je vhodné kondenzátní vodu svádět do sběrné nádoby a za pomocí čerpadla sprchovat srážník pouze při chodu motorkompresorů, kdy dochází ke kondenzaci chladiva Výhodnější je ale odpadní teplo dále využít, viz kapitola 6 7 Využití odpadního tepla z chlazení U každého chladicího zařízení se v kondenzátoru odvádí teplo Q H Ve většině fungujících chladicích zařízení se toto teplo bez užitku odvádí do venkovního prostředí Přitom využívání odpadního tepla přináší značné energetické úspory a tím i snižování sekundárního skleníkového efektu na Zemi (menší spalování fosilních paliv a tím menší emise CO 2 ) V hospodářské oblasti se odpadní teplo dá využívat mnoha způsoby Vysoké hospodárnosti se dosáhne, pokud bude využito celé odváděné teplo Q H Způsob využívání odpadního tepla je závislý na účelu využití a na pořizovacích a provozních nákladech V dalším výčtu je uvedeno několik důležitých průmyslových oblastí využívání odpadního tepla z chladicích zařízení Další důležitou úlohou je volba vhodného výměníku (dvoutrubkový nebo deskový), který je zabudován ve výtlačném potrubí před kondenzátorem a volba, zda je vhodné použít akumulace tepla Teplota vystupující ohřáté vody má být v rámci možnosti volena co nejnižší, protože provoz chladícího zařízení je o to hospodárnější, o co nižší je kondenzační tlak Zapojení výměníků může být sériové nebo paralelní, viz [12], [16], [18] 71 Zpětné získávání tepla pomocí výměníku zapojeného paralelně 711 Teoretický rozbor paralelního zapojení Na obr 6 je uvedeno paralelní zapojení výměníku tepla G pro ohřev vody a kondenzátoru chladicího zařízení F Z obrázku je zřejmé, že ve směru proudění za kondenzátorem zařízení je zabudován regulátor kondenzačního tlaku E Regulátor umožňuje přednostně kondenzaci ve výměníku tepla pro ohřev vody Regulátor otevírá při stoupajícím kondenzačním tlaku a zavírá při jeho poklesu Při veliké spotřebě tepla chladivo v kapalném stavu zcela zaplavuje kondenzátor A B C D E F G zařízení Pokud je menší LEGENDA: spotřeba tepla, tak M Pára chladiva vlivem stoupajícího 4 1 M 2 3 Kapalné chladivo Stav látky v diagramu log p-h 1,2,3,4 A - Výparník B - Škrtící ventil C - Kompresor D - Zásobník chladiva E - Regulátor kondenzačního tlaku F - Vzduchový kondenzátor G - Výměník pro zpětné získávání tepla kondenzačního tlaku regulátor otevírá větev pro kondenzátor, zařízení se vyprazdňuje natolik, kolik odpovídá přebytku tepla produkovaného chladícím zařízením Při paralel-ním Obr 6 Paralelní zapojení výměníku tepla a kondenzátoru zapojení nedochází k zaplavení výměníku pro ohřev V době, kdy není spotřeba tepla, se může regulátor pomocí magnetického ventilu nuceně otevřít, čímž je regulace kondenzačního tlaku uvedena mimo provoz Paralelní 16

18 zapojení zvyšuje náročnost konstrukce, montáže a spolehlivost zařízení se snižuje z důvodu závislosti zařízení na regulačním ventilu Velkou výhodou je možnost docílit při ohřevu vyšších teplot předehřívané vody až 45 C, kdy tuto vodu můžeme např za pomocí podlahových vytápěcích systémů přímo využívat pro vytápění Na druhou stranu se výrazně zhorší chladicí faktor a zvýší se kondenzační tlak Je důležité vždy důsledně propočítat a zvážit tuto variantu ohřevu, viz [18] Přednosti paralelního zapojení jsou následující nižší tlakové ztráty prouděním, protože chladivo proudí jen jedním výměníkem (to představuje energetickou výhodu), není zapotřebí regulátor tlaku sběrače chladiva, protože tlak regulovaný regulátorem kondenzačního tlaku přímo působí na sběrač přes výměník ohřívané vody, výměník tepla pro ohřívanou vodu nemůže být zaplaven, takže je zapotřebí menší náplň chladiva ve sběrači Nevýhody paralelního zapojení jsou tyto: je zapotřebí větší know how o proti sériovému zapojení, aby se zabezpečilo proudění chladiva v obou větvích, je nutné vyspádování spojovacího potrubí obou výměníků ke sběrači chladiva, páry z výtlaku se mohou přes výměník ohřevu vody dostat přímo do sběrače a částečně snižují podchlazení kapalného chladiva Když vezmeme v úvahu definici chladicího faktoru, dochází při využití odpadního tepla k většímu zhodnocení využité energie cyklu Proto je možné definovat tzv poměrný energetický přínos η [-], který může maximálně být jako součet chladícího faktoru ε ch [-] a topného faktoru ε top [-] η max = ε ch + ε top (7) Maximální energetický přínos můžeme také definovat pomocí entalpíí max ( h1 h5 ) + ( h2 h4 ) ( h h ) ( h h ) η = (8) kde h 1 až h 5 jsou entalpie daného chladiva odečtené z diagramu log p-h, viz obr 1b V praktických aplikacích, při provozu chladicího zařízení, je využití odpadního tepla z chlazení druhotnou záležitostí a nelze využít celý tepelný tok je vhodné definovat reálný poměrný energetický přínos η [-] Q H Z těchto důvodů QC + QVT η = (9) P kde Q C [W] je tepelný tok dodaný chladicímu cyklu ve výparnících, VT [W] je tepelný tok získaný ve výměníku pro zpětné získávání tepla, P [W] je celkový (reálný) příkon chladícího zařízení se zpětným získáváním tepla Q 17

19 712 Experimentální ověření paralelního zapojení Experimentální ověření bylo prováděno na zkušebním zařízení umožňující různá zapojení, viz obr 4 Při paralelním zapojení jsou elektroventily C,D uzavřené a elektroventily A,B jsou otevřené Při experimentálním měření byla simulace řídícího ventilu nahrazena teplotním čidlem, které měřilo kondenzační tlak a pomocí elektroventilů byl celý chod řízen Na obr 7 je zobrazena závislost chladicího faktoru ε na příkonu celého zařízení P [W] Obdobnou závislost vidíme na obr 8, kde je zobrazen poměrný maximální energetický přínos v závislosti na příkonu celého zařízení Měření bylo provedeno při zátěžích chladicího prostoru 70 W, 100 W, 120 W a 140 W Zvláštní případ nastal při zatížení prostoru 190 W, kdy zařízení nedosáhlo měřené teploty prostoru +5 C Došlo zde k vyrovnání tepelných ztrát prostoru a chladicího výkonu zařízení Pro regulaci paralelního zařízení je možné stanovit vhodný chladicí faktor v závislosti na kondenzačním tlaku Pokud ve výměníku pro využívaní odpadního tepla je odběr tepla, chladicí faktor je na vyšší úrovni než při zapojení pouze srážník, pokud odběr tepla poklesne, vzrůstá kondenzační tlak a chladící faktor se zmenšuje Při měření byly použity dva způsoby První způsob, kdy výměníkem pro zpětné získávání tepla proudila kapalina daným průtokem Tento způsob je, ale v praktických aplikacích nevýhodný z důvodu nesoučasnosti chodu chladicího zařízení a potřeby tepla Jako druhá možnost je ohřívání vody ve výměníku tepla a kumulace do kapaliny Tento způsob je v praktických aplikacích používanější a v rámci disertační práce jsem se zabýval převážně simulací akumulace tepla do kapaliny Volba výměníku pro zpětné získávání tepla je důležitá právě s ohledem na nesoučasný chod chladicího zařízení a potřeby tepla Z těchto důvodů je vhodnější místo přímého výměníku tepla využít výměník s akumulací tepla [1], [3], [4], [13], [13] 7,500 7,000 MAXIMÁLNÍ ENERGETICKÝ PŘÍNOS [-] TEPELNÉHO OBĚHU 6,500 6,000 5,500 5,000 4,500 4,000 PROSTORU 70 W PROSTORU 100 W PROTORU 120 W PROTORU 140 W 3, CELKOVÝ PŘÍKON ZAŘÍZENÍ [W] Obr 7 Závislost maximálního poměrného energetického přínosu na příkonu zařízení a zatížení chlazeného prostoru 18

20 3,500 CHLADICÍ FAKTOR [-] TEPELNÉHO OBĚHU 3,000 2,500 2,000 1,500 PROSTORU 70 W PROSTORU 100 W PROTORU 120 W PROTORU 140 W 1, CELKOVÝ PŘÍKON ZAŘÍZENÍ [W] Obr 8 Závislost chladicího faktoru na příkonu zařízení a zatížení chlazeného prostoru 72 Využití odpadního tepla pomocí výměníku zapojeného do série 721 Teoretický rozbor sériového zapojení Při sériovém zapojení (obr 9) je výměník tepla G pro ohřev vody zapojen před kondenzátorem chladicího zařízení F Mezi kondenzátorem a zásobníkem chladiva D je připojen regulátor kondenzačního tlaku E Regulátor kondenzačního tlaku se nastaví podle požadované teploty vystupující ohřívané vody Kondenzační teplota se mění v rámci rozsahu nastavení proporcionálně s teplotou ohřáté vody Při vysoké spotřebě tepla, při nízké teplotě ohřáté vody, nastává kondenzace výhradně ve výměníku pro ohřev vody a kondenzátor chladicího zařízení je zaplaven Při klesající spotřebě tepla stoupá teplota ohřívané vody a kondenzaci chladiva přebírá kondenzátor chladicího zařízení, který bývá dimenzován na celý chladicí výkon při průměrných teplotách okolního prostředí Pro toto zapojení je kotlový kondenzátor jako přídavný výměník tepla nevýhodný, protože má velký objem a nemůže být kapalným chladivem zaplaven (není k dispozici takové množství chladiva) Alespoň částečné zaplavení tohoto výměníku tepla je však zapotřebí ještě při chladné užitkové vodě ve fázi spouštění, aby se dal vyregulovat nastavovaný tlak Přednosti sériového zapojení jsou : A B C D M 4 1 M 2 3 E F G LEGENDA: Pára chladiva Kapalné chladivo Stav látky v diagramu log p-h 1,2,3,4 A - Výparník B - Škrtící ventil C - Kompresor D - Zásobník chladiva E - Regulátor kondenzačního tlaku F - Vzduchový kondenzátor G - Výměník pro zpětné získávání tepla Obr 9 Sériové zapojení výměníku tepla a kondenzátoru snadné zapojení a není nebezpečí přemisťování chladiva, není zapotřebí vyspádovat spojovací potrubí obou výměníků směrem ke sběrači chladila, 19

21 další velkou výhodou je, že odpadá regulace řízení kondenzačního tlaku Nevýhody sériového zapojení jsou tyto: vyšší tlaková ztráta proudícího chladiva ( je to součet tlakových ztrát v obou výměnících), pro potřebu zaplavování není vhodné použít kotlový kondenzátor Zdálo by se jako nejednodušší použít jen výměník bez srážníku a přímo využívat odebrané teplo V praktických aplikací to není zcela možné, protože potřeba chladu a potřeba teplé vody se ve většině případů časově liší Proto se využívá akumulace odebraného tepla do vody, kdy výměník pro zpětné získávání tepla je zhotoven z měděného potrubí vloženého do izolované nádrže, kde se teplo akumuluje do vody Naakumulované teplo se přes druhý podobný výměník předává do předehřívané vody Velikost nádrží bývá různá podle provozních podmínek chladicího zařízení a spotřebě předehřívané vody Podle mých zkušeností se pohybuje mezi 1 m 3 až 5 m Experimentální ověření sériového zapojení Experimentální ověření bylo prováděno na zkušebním zařízení, viz obr 4, kdy se při sériovém zapojení elektroventily B,C uzavřou a elektroventily A,D jsou otevřeny Zařízení předává ve výměníku teplo dokud není zásoba akumulační vody ohřátá, páry chladiva přestanou odevzdávat teplo a proudí do srážníku, kde zkondenzují Tato změna práce se neprojeví na výrazném zvýšení spotřeby zařízení, protože zařízení samo přejde do režimu pouze srážník bez nutnosti dalšího regulačního členu U paralelního zapojení se průtoky musí řídit, což je složitější problém, zařízení se tak komplikuje a vlivem dalších elektronických komponentů se snižuje jeho spolehlivost Na obr 10 je uvedena závislost chladicího faktoru na celkovém příkonu zařízení Naměřené hodnoty mají velký rozptyl způsobený mechanickými ztrátami a nerovnoměrností chodu zkušebního zařízení Z obr 10 je patrné, že při zvyšování zátěže prostoru nejdříve roste spotřeba zařízení a pro zatížení větší než 120 W opět klesá Toto měření bylo provedeno pro zátěže prostoru 70 W, 100 W, 120 W, 140 W,a 190 W 3,65 3,45 CHLADICÍ FAKTOR [-] REÁLNÉHO OBĚHU 3,25 3,05 2,85 2,65 PROSTORU 70 W PROSTOR 100 W PROSTORU 120 W PROSTORU 140 W PROSTORU 190 W 2,45 2, CELKOVÝ PŘÍKON ZAŘÍZENÍ [W] Obr 10 Závislost chladicího faktoru na příkonu zařízení a zatížení prostoru 20

22 8,25 MAXIMÁLNÍ ENERGETICKÝ PŘÍNOS[-] TEPELNÉHO OBĚHU 7,75 7,25 6,75 6,25 5,75 PROSTORU 70 W PROSTOR 100 W PROSTORU 120 W PROSTORU 140 W PROSTORU 190 W 5, CELKOVÝ PŘÍKON ZAŘÍZENÍ [W] Obr 11 Závislost maximálního poměrného energetického přínosu na příkonu zařízení a zatížení chlazeného prostoru Na obr 11 je znázorněna závislost maximálního poměrného energetického přínosu na celkové spotřebě zařízení při zátěžích prostoru 70 W, 100 W, 120 W, 140 W,a 190 W Závěry z tohoto obrázku jsou obdobné,jako u obr ,5 CHLADICÍ FAKTOR [-] 3 2,5 2 1,5 1 PROSTORU 70[W] PROSTOR 100[W] PROSTORU 120[W] PROSTORU 140[W] PROSTORU 190[W] 0, TEPLOTA OHŘÍVANÉ KAPALINY [ C] Obr 12 Závislost chladicího faktoru na teplotě předehřívané vody 21

23 Na obr 12 je uvedena závislost chladicího faktoru na teplotě předehřívané vody Zde vidíme, že chladicí zařízení je schopno pracovat i při vysoké zátěži chlazeného prostoru, jako by nebylo zpětné získávání tepla použito Tab 8 Spotřeba zkušebního zařízení za 24 hodin pro zapojení sériové a zapojení pouze srážník Zapojení pouze srážníku Zatížení chlazeného prostoru [W] Celková spotřeba zkušebního zařízení v [kwh] za 24 hodin Zapojení výměníku pro zpětné získávání tepla do série se srážníkem Zatížení chlazeného prostoru [W] Celková spotřeba zkušebního zařízení v [kwh] za 24 hodin 70 7, , , , , , , , , ,198 Z tab 8 vyplývá, že při zapojení výměníku pro zpětné získávání tepla se i sníží celková spotřeba chladicího zařízení za 24 hodin oproti zapojení pouze srážník Toto snížení spotřeby se pohybuje okolo 10% až 20% z celkové spotřeby Přesnější vyjádření úspory energie závisí na spotřebě a vstupní teplotě předehřívané vody Z tohoto závěru plyne, že úspory ze zpětného získávání tepla jsou velmi významné a skládají se ze dvou částí, a to z části tepla předaného předehřívané vodě a přímé úspory na celkové spotřebě zařízení z důvodu výrazného zvýšení chladicího faktoru Další druhotnou úsporou je snížení kondenzačního tlaku, délky chodu zařízení a tím i opotřebení chladicího zařízení Je jasné, že toto se projevuje na životnosti a tím pádem i na případných opravách zřízení 723 Praktická aplikace sériového zapojení V disertační práci uvedené teoretické rozbory a ověření na experimentálním zařízení byly aplikovány i na projektech v praxi Napřve výrobnách na zpracování masa, kde je velká potřeba teplé vody, je výhodné využít akumulované teplo na předehřev této vody V následujícím textu bude proveden teoretický výpočet tepelného výkonu zařízení pro zpětné získávání tepla z chladicího zařízení, kdy výměníky jsou zapojeny sériově Výpočet je vztažen na reálné zařízení projektované pro Zpracovatelské a distribuční centrum drůbežího masa [III] Výpočet je doplněn stručným ekonomickým rozborem Chladírenské zařízení bude osazeno společnou kondenzační jednotkou typ: 4H-252Y o chladicím výkonu 122 kw při odpařovací teplotě 10 C a kondenzační teplotě +40 C Zařízení bude pracovat s chladivem R507 Vstupní parametry: a) Chladicí zařízení Chladicí výkon Q C = 122 kw Tepelný výkon kondenzátoru Qk = 165 kw Teplota vypařování t A = -10 C 22

24 Teplota kondenzační t B = +40 C Entalpie stavu 1 h 1 = 363 kjkg -1 Entalpie stavu 2 h 2 = 399 kjkg -1 Entalpie stavu 4 h 4 = 259 kjkg -1 Entalpie stavu 5 h 5 = 259 kjkg -1 Hmotnostní průtok chladiva ṁ r = 1,17 kgs -1 Tlak kondenzační p 2 = 1,868 MPa Teplota kondenzační t C = 57,58 C Měrná tepelná kapacita chladiva R507 při teplotě 53 C c r = 2,38 kjkg -1 K -1 b) Parametry vody při teplotě akumulační vody 40 C Tepelná kapacita vody cp = 4,18 kjkg -1 K -1 Hustota vody ρ = 990,2 kgm -3 Předpokládaná teplota akumulační vody t v = 40 C Tepelný tok, Q VT [W], který je schopné chladicí zařízení předat akumulační vodě, lze spočítat ze vztahu VT = r C V Q m r c ( t t ) = 1,17712,3873(57,58 40) = 49,4 kw (10) Teoretický hmotnostní tok předehřívané vody m v [kgs -1 ], lze vypočítat z uvedeného tepelného toku Q VT [W], ze vstupní teploty vody t D = 10 C a výstupní teploty vody t E = 35 C při zachování tepelného pádu t = 5 K Platí: QVT = m v c p( t E t D ) (11) Hmotnostní tok je pak dán vztahem QVT 49,401 m v = = = 0,4727 kgs -1 (12) c ( t t ) 4,18(35 10) p E D Objemový průtok ohřívané vody η VT = 60% V = VT V mv η ρ V V = 17,16 lmin -1 V V [m 3 s -1 ] při účinnosti rekuperace 0,4727 = 0,6 = 0, m 3 s -1 (13) 990,2 Množství tepelné energie Q [kwh] dodávané akumulačním výměníkem s ohledem na jeho účinnost za jednu hodinu je Q VT η VT Q = τ = 49,40,61 = 29,64 kwh (14) Při ceně energie 6,- Kč za 1 kwh to činí hodinovou úsporu 177,8- Kč Z toho se dá vypočítat, že při navýšení vstupních nákladů o cenu akumulačního výměníku pro zpětné získávání odpadního tepla z chlazení, včetně montáže o ,-Kč, se dané zařízení zaplatí za 2531 hodin provozu při maximálním odběru předehřívané vody Přesnější údaje o spotřebě 23

25 předehřáté pitné vody se v oblasti návrhu zařízení těžko určují Za předpokladu využití zařízení 5 hodin denně (při celotýdenním provozu na tři směny) se daná investice zaplatí za 507 dní Dále bychom měli brát v úvahu přímou úsporu na spotřebě elektrické energie ve výší 10% až 20%, která povede ještě k rychlejší návratnosti vložené investice V praktický aplikacích, bývá zařízení v provozu až 12 hodin denně Správnou volbou velikosti akumulačních nádrží se zajistí stálý předehřev vody z 10 C na 35 C Tato voda je vedena do dohřívacího bojleru, který vodu dohřívá na potřebnou teplotu Bojler je nutné nadimenzovat na plný výkon, aby byla zajištěna spotřeba teplé vody při odstávce chlazení 724 Provozní měření chladicího zařízení se sériově zapojeným akumulačním výměníkem pro využití odpadního tepla z chlazení V rámci disertační práce byla provedena také rozsáhlá provozní měření chladicího zařízení se sériově zapojeným výměníkem pro zpětné získávání tepla realizovaném v projektu [VII], ve výrobně uzenin a lahůdek Uvedená měření měla potvrdit v disertační práci uvedené teoretické úvahy, jejich laboratorní ověření a projektované parametry Ověření bylo provedeno kontrolou měřených hodnost vestavených čidel, ale především měřením teplot s využitím termovize Z měření jsou patrné tepelné zisky u rekuperačních zařízení, které jsou již prakticky provozovány Vybrané výsledky termovizních měření jsou v dalším textu Obr 13 Soustava kompresorů Nejdříve byla měření provedena v tzv velké strojovně, kde byla sledována soustava kompresorů, viz obr 13 Z termogramu, viz obr 14 je patrné, že kompresor který je v chodu má povrchovou teplotu až 64 C Teplota výtlačných par proudících do akumulačního výměníku má teplotu 47,9 C 650 C 550 C 450 C 350 C Obr 14 Termogram soustavy kompresorů 250 C 24

26 Další měření proběhlo v tzv malé strojovně, kde byl akumulační výměník pro využívání odpadního tepla v provozu,viz obr15 Z termogramu obr16, je patrné, že voda z vodovodního řadu vstupující do výměníku byla 12,3 C a voda předehřáté vody byla 35,3 C Předehřátá voda pak proudí do dohřívacího bojleru, kde je dohřívána na potřebnou vyšší teplotu Obr 15 Akumulační výměník zapojený do série se srážníkem 600 C 475 C 350 C 225 C 100 C Obr 16 Termogram akumulačního výměníku zapojeného do série se srážníkem Z uvedeného měření plyne, že je výhodné používat akumulaci pro využívání odpadního tepla z chlazení, kdy kryjeme, alespoň částečně, nesoučasnost provozu chladicího zařízení a potřeby předehřáté vody Teploty byly měřeny za pomocí termokamery Testo a ve vytypovaných místech kontrolovány dotykovým teploměrem (Testo 825-T4) Z naměřených hodnot akumulačního výměníku v provozu v malé strojovně obr15, plyne, že výše popsané teoretické poznatky a laboratorní ověření se potvrdily i na prakticky používaném zařízení, [14], [17] 25

27 8 Závěr Předložená disertační práce byla zaměřena na vývoj energeticky úsporných chladicích zařízení se zaměřením na chladicí systémy kompresorové založené na vypařování chladiva Tyto chladicí systémy jsou v praktických aplikacích nejrozšířenější a jejich správný návrh zásadně snižuje spotřebu elektrické energie a zvyšuje životnost těchto zařízení Mezi důležité hlavní cíle disertační práce patří experimentální ověření výhodnosti sprchování srážníku kondenzátem vznikajícím ve výparnících, nebo sprchování vodou z externích zdrojů Dalšími hlavními cíli bylo navržení a experimentální ověření využívání odpadního tepla z chlazení pro zvýšení efektivity při využívání chladicího zařízení Pro možnost provádění experimentálního výzkumu bylo v rámci disertační práce postaveno zkušební chladicí zařízení, na kterém bylo možné simulovat potřebné nastavení chladicího okruhu, a to sprchování srážníku, zapojení výměníku pro zpětné získávání tepla do série se srážníkem, zapojení výměníku pro zpětné získávání tepla paralelně se srážníkem a zapojení pouze se srážníkem Experimentální zařízení bylo doplněno potřebnými měřícími přístroji Na počátku uvedeného výzkumu byla provedena literární rešerše a teoretický rozbor chladicích zařízení, založených na vypařování chladiva i netradičních způsobů chlazení Práce se zabývá systémy kompresorovými založenými právě na vypařování chladiva, a proto je zde uveden i základní cyklus těchto chladicích zařízení, včetně energetického hodnocení Dále je disertační práce zaměřena na vlastní řešení uvedených problémů Nemalá část práce ze zabývá chladivy a jejich vývojem k současným moderním ekologickým chladivům Možnosti používání těchto moderních chladiv jsou uváděny ve vytvořených tabulkách, které usnadní postup při výběru vhodného chladiva pro konkrétní aplikaci Možnost snížit nároky na chlazení se skrývá i ve vhodném používání tepelných izolací, které jsou v dnešní době na vzestupu V práci jsou probrány různé izolace pro jednotlivá místa chladicího zařízení a chlazeného prostoru a jsou vybrány nejvhodnější z nich Jedna z hlavních je polyuretanová izolace, která má výhodné tepelně izolační vlastnosti a je v současné době nejpoužívanější izolací v chladírenství Velké možnosti skýtá i ve výstavbě hal a výrobních závodů, kdy se ve formě sendvičových panelů používá pro stavbu obvodových stěn Pro budoucnost začíná být zajímavá i vakuová izolace, která dosahuje nejvýhodnějších tepelně izolačních vlastností, ale vhledem k vysoké ceně se používá jen omezeně Správně navržené spojovací potrubí u chladicích zařízení zaručuje spolehlivý a úsporný provoz Nesprávná montáž má za následek především větší energetickou náročnost V krajních případech může nesprávné řešení a montáž zapříčinit poruchy chladicího zařízení, nedosažení projektovaných parametrů, poškození kompresorů zadřením v důsledku nedostatku oleje, nebo nadměrné zatěžování hlav kompresoru a jejich poškození vlivem velké tlakové ztráty Hlavní zásady navrhování a montáže spojovacího potrubí uváděné v disertační práci mohou tato rizika poškození chladicího zařízení eliminovat Při experimentálním ověřování sprchování srážníku bylo zkušební zařízení pracující s ekologickým chladivem R507 nastaveno do režimu pouze kondenzátor a byly udržovány následující kondenzační tlaky 1620 kpa, 1700 kpa a 1800 kpa a byly měněny zátěže vychlazovaného prostoru, a to 70 W, 100 W, 120 W, 140 W a 190 W Pro udržení potřebného kondenzačního tlaku bylo prováděno sprchování vodou, u kterého byl měřen průtok a teplota Při těchto experimentech byl sledován sací a výtlačný tlak, odpařovací a kondenzační teploty, teplota chlazeného prostoru, napětí a proud napájení zařízení Z uvedených měření se potvrdilo výrazné zvýšení chladicího faktoru při snížení kondenzačního tlaku sprchováním Efektivní použití odpadní vody vznikající na výparnících v chlazeném prostoru má za následek nemalé úspory na spotřebě elektrické energii při provozu chladicího zařízení Pokud je možné využít samospádu kondenzační vody, je efekt 26