TZB - VZDUCHOTECHNIKA

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STAVEBNÍ JIŘÍ HIRŠ, GÜNTER GEBAUER TZB - VZDUCHOTECHNIKA MODUL BT0-10 CHLAZENÍ PRO KLIMATIZACI STUDIJNÍ OPORY PRO STUDIJNÍ PROGRAMY S KOMBINOVANOU FORMOU STUDIA

2 Název předmětu Modul # Ing. Günter Gebauer, CSc, Ing. Olga Rubinová, Ph.D., Brno (18) -

3 Obsah OBSAH 1 Úvod Cíle Požadované znalosti Doba potřebná ke studiu Klíčová slova Použitá terminologie...5 Chlazení pro klimatizaci Klasifikace kompresorového systému chlazení...7. Základní části kompresorového chlazení Příklady komponentů soustav chlazení Faktory návrhu chlazení Návrh soustavy nepřímého kompresorového chlazení s vodou chlazeným kondenzátorem Užití systémů Příklad Úkol Kontrolní otázky Závěr Shrnutí Studijní prameny Seznam použité literatury Seznam doplňkové studijní literatury Odkazy na další studijní zdroje a prameny (18) -

4

5 Úvod 1 Úvod 1.1 Cíle Nezbytnou části zejména klimatizačních systémů je chlazení, který představuje samostatný obor technické a projekční činnosti. Cílem modulu je seznámení se ze základní problematikou chlazení pro účely vzduchotechniky, zejména klimatizace, klasifikace a chahateristika soustav, skladba jejich aplikovatelných sestav, schémata a dopady na stavební řešení. 1. Požadované znalosti Ke zvládnutí modulu jsou elementární znalosti z termiky a vzduchotechniky. 1.3 Doba potřebná ke studiu Potřebná doba hodiny a následné opakování. 1.4 Klíčová slova Chlazení pro klimatizaci, chlazení kompresorové, soustavy strojního chlazení, chladicí jednotky, chladicí věže, návrh kompresorového chlazení. 1.5 Použitá terminologie Akumulátor chladu výměník v němž lze uchovat vyprodukovaný chlad Carnotův cyklus ideální proces tvořený nevratnými ději tj. kompresi, expanzi, vypařováním a kondenzací Expanze zvětšení objemu plynu změnou jeho tlaku Freon obecné označení halogenového uhlovodíku Chladicí jednotka bloková kompletní kompaktní jednotka s chladivem Chladicí jednotka bloková dělená jednotka s výparníkem situovaným mimo jednotku Chladič hybridní chladič vody ochlazovaný venkovním nebo adiabaticky ochlazeným vzduchem Chladič kapaliny chladicí věž pro soustavy s vodním okruhem chlazení kondenzátoru Chladivo látka v chladicím zařízení nebo tepelném čerpadle přenášející teplo pomocí skupenských změn Komprese adiabatická stlačení plynu probíhající bez výměny tepla s okolím - 5 (18) -

6 Název předmětu Modul # Komprese polytropická - stlačení plynu probíhající v reálných podmínkách Kompresor spirálový (sroll) objemový kompresor s rotory ve tvaru spirály Kompresor šroubový - objemový kompresor stlačující plyn změnou objemu mezi šroubovými zuby rotoru Kondenzační jednotka jednotka tvořená kompresor, kondenzátorem a dalšími komponenty vysokotlakého okruhu Rankinův cyklus ideální oběh tvořený adiabatickou kompresí, izobarickou kondenzací, izoentalpickým škrcením a izobarickým vypařováním chladiva Tepelné čerpadlo zařízení pracující na principu čerpaní tepla z nižší na vyšší teplotní hladinu a umožňující účelně využívat nízkopotenciální teplo Turbokompresor rotační dynamický kompresor s lopatkovými oběžnými koly Uhlovodík halogenový uhlovodík jehož jeden nebo všechny atomy jsou nahrazeny halovými prvky Výparníková jednotka jednotka sestávající z kompresoru, výparníku a dalších komponentů nízkotlakého okruhu Zařízení hermetické zařízení sestavené nerozebíratelnými spoji Zařízení nepřímé zařízení s teplonosnou látkou předávající teplo z chlazené látky chladivu - 6 (18) -

7 Chlazení pro klimatizaci Chlazení pro klimatizaci Účelem chlazení ve vzduchotechnice je výroba chladu pro provoz zejména klimatizačních systémů. K uvedenému účelu lze užít chlazení: nestrojní představující přirozené chlazení, které využívá přírodní zdroje, (studniční voda, vnější vzduch, ap.), strojní, kdy se chlad vyrobí zařízením pracujícím na principu obráceného Carnotova cyklu. Ve vzduchotechnice se nejčastěji užívají kompresorové a absorpční chladicí zařízení. Princip, skladba a funkce je popsán v [1], [], [4]. Teplo uvolněné v kondenzátoru se odvádí vzduchem nebo vodou do atmosféry. Je-li využíváno teplo uvolňované v kondenzátoru, pracuje zařízení jako tepelné čerpadlo. Výkonnější zařízení pro výrobu chladu jsou instalována do strojoven chlazení, které musí být s ohledem na vysokou hlučnost chladicího soustrojí vhodně situována v budově či v exteriéru. V ČR je převažujícím kompresorové chlazení..1 Klasifikace kompresorového systému chlazení Z hlediska způsobu přenosu tepla jsou soustavy pro účely klimatizace: s přímým a nepřímým chlazením vzduchu, s vodou či vzduchem chlazenými kondenzátory chladicích jednotek. Zmíněné způsoby lze kombinovat do reálných sestav dle obr. 1. Nepřímé chlazení s chladicí jednotkou s vodou chlazeným kondenzátorem var. A. Přímé chlazení s chladicí jednotkou s vodou chlazeným kondenzátorem, var. C. Nepřímé chlazení s chladicí jednotkou se vzduchem chlazeným kondenzátorem, var. B. Přímé chlazení s chladicí jednotkou s vzduchem chlazeným kondenzátorem, provedení označované jako split tzn. dělený systém, var. D.. Základní části kompresorového chlazení Základní částí kompresorového chlazení tvoří chladicí jednotky, chladiče kapalin, chladiva a teplonosné látky. a. Chladicí jednotky jsou běžně bloková kompaktní soustrojí. Sestávají se ze strojních komponentů dle obr. a tvoří je výparník, kondenzátor, kompresor (pístový, šroubový, spirálový, turbokompresor), armatury, potrubí a regulace. Provedení jednotek je běžně blokové v hermetické či polohermetickém provedení. Běžné je i provedení jednotek pro vnější prostředí. Bližší popis je - 7 (18) -

8 Název předmětu Modul # v [1], [], [4]. Zásadní při návrhu a situování chladicích kompresorových jednotek je jejich hlučnost a hmotnost. KJ 6 KJ 6 7 Var. A KJ V 3 4 =6 1 5 EV V 7 Var. B KJ V 3 4 =6 1=5 EV V Legenda 1 Výparník CJ Kompresor CJ 3 Kompresor CJ 4 - Škrticí armatura 5 Chladič kapaliny 6 - Chladič KJ 7 Regulace vody KJ - Klimajednotka CJ Chladicí jednotka Ch chladivo V - voda EV externí vzduch 5 EV 1=5 3 Ch 3 EV 1 Var. C 4 Var. D 4 Obr. 1 Schéma základních variant sestav chlazení pro klimatizaci 6 4 Exteriér 4b Exteriér 3 Strojovna klimatizace Strojovna klimatizace Legenda var. A 1 Klimajednotka Výparník CJ 3 Kondenzátor CJ 4 Chladicí věž 4b Chladič vody 5 - Oběhové čerpadlo 6 Teplonosná látka voda Legenda var. B 1 Klimajednotka Výparník CJ 3 Kondenzátor CJ 4 - Kompresor 5 Chlazená voda 6 - Oběhové čerpadlo 7 Chladivo Klimatizovaná místnost Var. C Exteriér Klimatizovaná místnost Var. D Exteriér Klimatizační jednotka Chladič vzduchu =výparník Chladivo Chladič kapaliny Voda Chladicí věž Klimatizační jednotka Chladič vzduchu =výparník Chladivo Kondenzátor var. B Kondenzátor var. A V c, t i Kompresor V e, t e V c, ti Kompresor V c, t i Kondenzátor Chladivo Obr. Příklady řešení základních variant chlazení pro klimatizaci b. Chladicí věž je zařízení k ochlazení vody kondenzátorového kruhu chladicích jednotek s vodou chlazenými kondenzátory. Principiální funkcí věží je odnímání tepla vodě odpařováním proudícím vzduchem. Ochlazení se uskuteční částečným odparem do přirozeně nebo nuceně proudícího vzduchu. Intenzivnějšího vypařování se dosáhne zkrápěním porézních desek vodou. Základní části věže jsou nosná konstrukce, vodní sprchový registr, sběrná nádrž, ventilá- - 8 (18) -

9 Chlazení pro klimatizaci tor a zkrápěné desky. Voda se ochlazuje vzduchem proudícím protisměrně mezi deskami. Při volbě místa situování věže v exteriéru se musí uvažovat možný úlet vodních kapek a tvoření námrazy v zimě. Progresivním provedení tvoří chladiče vody s uzavřeným oběhem vody a hybridní chladiče. Schéma typic- kých provedení jednotek je na obr. 3. t v 1 t v1 S C V K t k1 t k P Legenda V - výparník C - kondenzátor S - škrticí ventil K - kompresor P - potrubí chladiva t k1, t k teplota vody okruhu 1 tj. kondenzátor-chladicí věž t k1, t k teplota vody okruhu tzn. výparník-chladič Obr. 3 Ideové schéma kompresorové jednotky Chladicí věž (vodní) Voda z kondenzátoru Chladič kapalin vody, roztoky H O Nasávaný vzduch Doplňovaní vody Voda do kondenzátoru Obr. 4 Schéma chladičů vody c. Chladiva jsou látky obíhající ve okruhu jednotky a přenášející teplo pomocí skupenských změn na principu Carnotova cyklu (modul BT0-0). Základními chladivy jsou uhlovodíky klasické (etan, etylén, propan, čpavek) nebo halogenové (freony). Použití chladiv musí respektovat ekologické požadavky, zejména tzv. Montrealský protokol, sledující minimalizaci halogenových uhlovodíků na životní prostředí. d. Teplonosné látky jsou kapaliny slouží k distribuci chladu mezi výparníkem a spotřebičem chladu (chladič klimajednotky) a přenosem tepla mezi kondenzátorem a chladicí věží (chladičem). Základními látkami jsou nejčastěji voda nebo solanky (CaCl, NaCl, MgCl ) pro podnulové teploty. e. Rozvodné potrubí s čerpadly a regulací tvoří jednotlivé okruhy k přenosu tepla vodou mezi zdrojem chladu a jeho spotřebičem. f. Spotřebiče chladu představují ve VZT chladiče klimatizačních jednotek..3 Příklady komponentů soustav chlazení Na níže uvedených obrázcích jsou pohledy na komponenty a jejich osazení v reálných podmínkách. - 9 (18) -

10 Název předmětu Modul # Obr. 5 Fragment chladicí jednotky Obr. 6 Chladicí věž osazená na střeše Obr. 7 Kondenzátory osazené na střeše budovy - 10 (18) -

11 Chlazení pro klimatizaci Obr. 8 Kondenzátory osazené na střeše budovy Obr. 9 Kondenzátory na střeše.4 Faktory návrhu chlazení a. Výchozí pro návrh je chladicí výkon klimatizačního systému. Potřeba chladu však není konstantní, ale kolísá v závislosti na působení agencií a vyskytuje se jen několik dnů v roce. Proto je vhodné k pokrytí odběrových maxim u rozsáhlým zařízení využít akumulace chladu event. ústřední chlazení s dálkovým rozvodem. Výkonnější zařízení pro výrobu chladu se instalují do strojoven chlazení, které musí být s ohledem na vysokou hlučnost soustrojí vhodně situována v budově či v exteriéru. b. Volbu soustavy chlazení pro klimatizaci ovlivňují faktory technické (výkon, teploty, účinnost), ekonomické (investiční a provozní náklady), provozní (regulace výkonu, obsluha a údržba), prostorové (stavební dispozice, situování v - 11 (18) -

12 Název předmětu Modul # exteriéru) a faktory ekologické (chladiva, hluk). Konečná volba a návrh je často kompromisem výše faktorů. c. Návrh soustavy chlazení a jeho komponentů vychází z tepelně technického výpočtu s vyčíslením základních veličin, kterými jsou chladicí výkon, výkon kondenzátoru, příkon kompresoru, hmotnostní tok teplonosných látek a chladiva. Návrh závisí na stupni informativní aplikuje se chladicí výkon a údaje výrobce předběžný vychází z tepelně technického výpočtu s řešením tepelných dějů komplexní projekční návrh zařízení.5 Návrh soustavy nepřímého kompresorového chlazení s vodou chlazeným kondenzátorem a. Koncepční řešení je prvořadým úkolem návrhu a spočívá ve výběru optimální varianty odpovídající místním podmínkám a požadovanému chladicímu výkonu zařízení v sestavě bez akumulace nebo s akumulací chladu zpravidla ve vodních zásobnících. b. Cíl návrhu sleduje specifikaci jednotky, chladicí věže, dimenzování potrubí, armatur a ideové řešení regulace. Výchozí hodnoty návrhu jsou chladicí výkon, teploty chlazené vody a vnějšího vzduchu. Uvedené hodnoty jsou také podkladem pro řešení chladicího oběhu a určení dalších hodnot, pomocí kterých lze přesněji nárokovat typ a velikosti zařízení, hmotnostní toky teplonosných látek, potřeby energií atd. Schéma tepelných výměn je na obr. 10. t t 1 t t r E Vodní chladič r 1 h v I h v1 Kondenzátor t k t w1 t m1 t m Výparník t w t m m tm tw w p 3=p p 4=p 1 log p 3 t k v 4 t o 1 v 1 x t o Průběhy teplot Chladicí jednotka h 3=h 4 h 1 h h Obr. 10 Schéma tepelných výměn c. Chladicí výkon jednotky tj. výparníku Q o je dán vztahem 1 pro průtok vzduchu V p a jeho entalpie h v1 a h v, jenž vyplývají z řešení úprav vzduchu dle BT0-0 a 08. Q o ( h h ) = V ρ (1) p.. v1 v d. Teplota vypařování chladiva ve výparníku t o se odvodí z teploty rosného bodu chladiče t r, jenž je přibližně shodná se střední teplotou chladicí vody t m. Pro zvolené rozdíly teplot t m = 4-8 K a m = 3-5 K se určí teplota t o ze vztahu - 1 (18) -

13 Chlazení pro klimatizaci t o = t m - 0,5. t m - m () e. Teplota kondenzace chladiva t k závisí na teplotě vnějšího vzduchu proudícího chladicí věží. Pro naše území lze volit t ev = 30-3 o C s reálným ochlazením vody ve věží o t w = 4 až 8 K. Pro rozdíl teplot w = 3-5 K se stanoví teplota kondenzace t k z rov. 5 pro výstupní teplotu vody z chladicí věže t w1. t k = t w1 + t w + w (3) f. Tepelné děje chladicího pochodu se řeší pomocí předchozích hodnot postupem dle obr. 5 v diagramu log p h. Pro stav chladiva po kompresi daný bodem lze uplatnit obecný vztah 4 nebo přepokládat idealizovaný izoentropický děj. Polytropický exponent n je závislý na druhu chladiva. V případě chladiva R134a se pohybuje v intervalu teplot chlazení pro klimatizaci v mezích 1,01 až 1,03. n n pv. = pv. (4) 1 1 g. Hmotnostní průtok chladiva m se určí pro tepelný výkon výparníku z rov. 5 pro entalpie h 1 a h 4. ( h ) m = Qo / h (5) 1 4 g. Adiabatický příkon kompresoru P ad je dán pro entalpii h 1 a h rov. 6. P ad = m.(h - h 1 ) (6) h. Tepelný výkon kondenzátoru Q k lze určit z rozdílu entalpie h a h 3 chladiva na vstupu a výstupu dle rov. 7. Q k ( h ) = m. h (7) 3 i. Tepelný výkon chladicí věže musí krýt ochlazení chladiva v kondenzátoru Q k. Výchozí pro návrh věže je hmotnostní průtok vody daný vztahem 8. ( ) m = Q / c. t 1 t (8) k k w w j. Hmotnostní průtok vody protékající okruhem výparník-chladič m o závisí na výkonu chladiče Q o a teplotě chladicí vody t m1, t m. Průtok se určí ze vztahu 9. ( ) m = Q / c. t 1 t (9) o o m m k. Hmotnostní tok vody protékající okruhem kondenzátor-chladicí věž m k se určí pro výkon Q k a teploty chladicí vody t w1, t w dle vztahu 10 ( ) m = Q / c. t 1 t (10) k k w w l. Průměry potrubí se určí dle obvyklých zásad pro dimenzování potrubí - semestr ZT či ÚT pro hmotnostní toky okruhy chladič-výparník m o a kondenzátor-chladicí věž m k. m. Návrh chladicích jednotek a chladicích věží Podkladem pro specifikaci komponentů jsou výše uvedené veličiny. Vlastní návrh vyžaduje technické podklady výrobců chladicích zařízení (18) -

14 Název předmětu Modul #.6 Užití systémů Systémy nepřímého kompresorového chlazení s vodou chlazeným kondenzátorem dosahují nejvyšší účinnosti zejména v letním období. Nacházejí proto široké možností uplatnění u větších a rozsáhlých klimatizačních zařízení v provedení s ústřední zdrojem chladu s event. akumulaci chladu. Při návrhu a provozu všech chladicích systémů je nutno respektovat hlediska minimalizující negativní dopady chladiv na životní prostředí a požadavky bezpečnosti při práci a provozu..7 Příklad Zadání: Úkolem je navrhnout kompresorové chladicí zařízení s nepřímým uzavřeným systémem pro systém nízkotlaké klimatizace. Systém klimatizace pracuje s objemovým průtokem přívodního vzduchu V p = 4,34 m 3 s -1, vstupní a výstupní teplota vzduchu pro chladič klimatizační jednotky v letním provozu t v1 = 6 o C, t v = 16 o C, entalpie vzduchu h v1 = 56, kjkg -1, h v = 41 kjkg -1, chlazená voda má střední teplotu t m = 9 o C a teplotní spád t m = 6 K, teplonosnou látkou kondenzátorového okruhu je voda se vstupní teplotou t w1 = 6 o C, provoz soustavy chlazení je přímý bez akumulace chladu, tlaková ztráta chladiče klimatizační jednotky p c = 8 kpa, chladicím zařízením bude soustava strojního chlazení s kompresorovým oběhem a kondenzátory chlazenými vodou ochlazovanou v chladicích věžích. Postup: Řešení sleduje ideový návrh zařízení a koncepci chladicího systému, jehož základní komponenty tvoří chladicí jednotka, chladicí věž a potrubní síť. Návrh uvedených komponentů vychází z tepelných bilancí a řešení fyzikálních dějů spojených s přenosem tepla. 1. Přehled výchozích hodnot. Návrh chladicí jednotky 3. Návrh chladicí věže 4. Návrh rozvodné soustavy 5. Dispoziční a grafické řešení 3. Výstupy řešení Numerické řešení a grafické výstupy vyžadující tabulkové hodnoty a technické údaje výrobků přesahují rozsah opor. Jsou uvedeny v []..8 Úkol Návrh kompresorového chladicího zařízení s přímým uzavřeným systémem pro systém nízkotlaké klimatizace a vstupní hodnoty z příkladu (18) -

15 Chlazení pro klimatizaci.9 Kontrolní otázky Strojní chlazení princip, funkce, komponenty Soustavy strojního chlazení klasifikace, schémata sestav Chladicí jednotky, chladiče kapalin Návrh kompresorového chlazení Užití kompresorového chlazení - 15 (18) -

16

17 Závěr 3 Závěr 3.1 Shrnutí Modul pojednává o základech chlazení pro klimatizaci. Výchozí pro řešení jsou fyzikální děje tepelných oběhů. Zásadním prvkem je chladicí jednotka. Výroba chladu je energeticky náročná záležitost a vyžaduje proto odpovědný přístup s cílem výběru optimálního řešení soustavy chlazení. 3. Studijní prameny 3..1 Seznam použité literatury [1] Dvořák, Z. Základy chladicí techniky. SNTL/ALFA, 1986 [] Gebauer, G., Rubinová, O., Horká, H. Vzduchotechnika. ERA, Brno 005 [3] Hirš J., Gebauer, G., Rubinová, O. Vzduchotechnika příklady a návrh. Cerm, Brno 006 [4] Chyský, J., Hemzal, K., a kol. Větrání a klimatizace. Bolit, Brno 1993 [5] Názvoslovný výkladový slovník z oborů techniky prostředí. Přílohy časopisu VVI 001 a 00 [6] ČSN Vzduchotechnická zařízení. Názvosloví [7] ČSN Výpočet tepelné zátěže klimatizovaných prostorů [8] Vyhláška MZ č. 6/003, kterou se stanoví hygienické limity chemických, fyzikálních a biologických ukazatelů pro vnitřní prostředí pobytových místností některých staveb [9] Vyhláška MPR č. 137/1998 o obecných technických požadavcích na výstavbu [10] Nařízení vlády č. 441/004, kterým se stanoví podmínky ochraně veřejného zdraví zaměstnanců [11] Nařízení vlády č. 53/00, kterým se stanoví podmínky ochraně veřejného zdraví zaměstnanců, které upravuje Nařízení vlády č. 178/001, kterým se stanoví podmínky ochraně veřejného zdraví zaměstnanců 3.. Seznam doplňkové studijní literatury [1] Petrák, J., Dvořák Z., Klazar, L. Chladivo R 134a. Praha, ČVUT 1993 [13] Recknagel-Spenger-Hönmann Taschenbuch für Klimatechnik. Oldenbourg, Mnichov 001 [14] Sazima, M. a kol. Teplo. Technický průvodce, sv., SNTL, Praha, (18) -

18 Název předmětu Modul # 3..3 Odkazy na další studijní zdroje a prameny [15] (18) -