09-Rashladni-ureÄaji

5/26/2018 09-Rashladni-ureaji

1/17

Energetska efikasnost sistema grejanja i klimatizacije

187

9 RASHLADNI UREAJI I TOPLOTNE PUMPE9.1 MAINE ZA HLAENJE

Zadatak maina za hlaenje jeste da ohlade izvesna tela ili predmete do temperature nieod temperature okoline i da ih na toj temperaturi odravaju.

Hlaenjem se naziva proces pri kome se od nekog tela (hlaeni objekat) odvodi toplota ipredaje nekom drugom telu (toplotni ponor). Ako se pri tome hlaenom objektu ne dovoditehniki rad, njegova entalpija e opadati, a kada nema ni promene faze3 opadae i njegovatemperatura.

Toplota odvedena od hlaenog tela naziva se toplotom hlaenja (J ili kJ), a odvedenatoplota hlaenja u jedinici vremena naziva se rashladnim uinkom(Wili kW).

Poto se trajno hlaenje moe obezbediti jedino ponorom beskonanog toplotnogkapaciteta, najpre e biti razmotren sluaj kada je okolinatoplotni ponor. Ako je temperatura h

hlaenog objekta via od temperature ok okoline proces se moe odvijati spontano (sam od

sebe), tj. bez utroka rada i bez ikakvih promena na telima van sistema hlaeni objekat - okolina(toplotni ponor). Takvo hlaenje naziva se prirodnim hlaenjem; kako se ono odvija samo odsebe, ono se jedino moe ubrzavati (intenziviranjem razmene toplote) ili usporavati (npr.

postavljanjem toplotne izolacije izmeu hlaenog objekta i toplotnog ponora).

Meutim, kada je okh < , iz iskustva je poznato da hlaenje ne moe biti spontano, tj. ne

moe se odvijati samo od sebe4

, vese mora ukljuiti u neki pogodan kompenzacioni proces.

Kada kompenzacioni proces obavlja neka radna materija, prelaz toplote sa izvora nie naponor vie temperature se moe trajno (neprekidno) odvijati jedino ako se ta radna materijaperiodiki vraa u poetno stanje, tj. ako maina obavljakruni kompenzacioni proces.

Kompenzacioni proces je najee neki od klasinih levokretnih krunih procesa(levokretnih ciklusa) sa utrokom mehanikog rada. Po takvim ciklusima radetzv. kompresorskemaine; one prema vrsti radne materije mogu biti gasne (kada radna materija tokom krunog

procesa ne menja agregatno stanje) iliparne kompresorske maine (iji se ciklus najveim delomodvija u podruju vlane pare). Ako se u kompenzacionom procesu koristi toplota, rashladna

maina radi po nekom kombinovanom (integrisanom) ciklusu, koji u stvari predstavlja spregudesnokretnog i levokretnog ciklusa. Po kombinovanim ciklusima rade ejektorske i sorpcionemaine

Kao kompenzacioni proces se moe iskoristiti i otvoreni proces kod koga se smanjenjeentropije hlaenog objekta usled odvoenja toplote u potpunosti kompenzuje porastom entropijeusled trajne promene fizikog stanja i/ili hemijske strukture neke materije (tzv. rashladne smese).Poto je za odvijanje otvorenog procesa potrebno potroiti odreene koliine takve rashladnematerije, otvoreni procesi se jo nazivaju i potronim procesima.

Razmatranja slina prethodnim se mogu sprovesti i kada nekom telu (grejani objekat)

treba dovoditi toplotu iz nekog izvora toplote. Ako je temperatura izvora via od temperature3 , ().4 II .


2/17


188

grejanog objekta, proces grejanja se odvija spontano, tj. sam od sebe; takvo je npr. tradicionalnogrejanje kada su toplotni izvor produkti sagorevanja fosilnih goriva ili biomase.

Meutim, ako se za grejanje eli koristiti termodinamiki bezvredna toplota iz okoline, priemu je temperatura grejanog objekta via od temperature okoline, u takvo grejanje se moraukljuiti u neki pogodan kompenzacioni proces (npr. levokretni) sa utrokom rada. Ureaji

pomou kojih se to ostvaruje nazivaju se toplotnim pumpama.

Dakle, sve toplotne maine koje rade po nekom levokretnom ciklusu odvode toplotu

(rashladni uinak HQ

) od izvora nie temperature ( HT ) i predaju toplotu (grejni uinak GQ

)

ponoruvie temperature ( HG TT > ).

Ako je pri tome ponor okolina ( okG TT = ), njoj se predaje termodinamiki bezvrednatoplota, pa po rashladnom uinku H , koji je jedino koristan, maina se naziva rashladnommainom, a izvor hlaenim objektom.

Analogno tome, ako je izvor okolina ( okH TT = ), od nje se uzima termodinamiki

bezvredna toplota, koristan je grejni uinak GQ

i maina se po njemu naziva toplotnom pumpom,

a ponorgrejanim objektom.

9.1.1 Fizike osnove hlaenja

Odvoenje toplote od hlaenog objekta mogue je samo njegovim dovoenjem u termikikontakt sa nekom radnom materijom nie temperature. Najvaniji procesi koji su nali znaajniju

primenu za postizanje niskih temperatura u praksi su:

Ekspanzija gasova i para (sa odvoenjem rada). Najvee sniavanje temperature priekspanziji od datog poetnog do datog krajnjeg pritiska se postie u sluaju kada je taekspanzija adijabatska i kvazistatika (tj. izentropska).

Ekspanzija bez odvoenja rada (adijabatsko priguivanje); Termoelektrini efekat (proputanjem elektrine struje kroz spoj dva razliita

provodnika u pogodnom smeru moe se postii hlaenje tog spoja); Efekat rastvaranja (rashladne smee) (pri adijabatskom meanju dve materije,

temperatura rastvora moe biti i znatno nia od poetne temperature komponenata).

9.1.2 Levokretni procesi sa utrokom rada

Levokretni ciklusi sa utrokom rada su kompenzacioni procesi koji omoguavaju trajnoprebacivanje toplote iz izvora nie u ponor vie temperature. Kada su i izvor i ponor beskonanihtoplotnih kapaciteta, promene stanja izvora i ponora su izotermske. Povratan ciklus u tom sluajumoe biti levokretni ciklus Carnot koji sainjavaju dve izentrope i dve izoterme.

Procese izotermskog dovoenja odnosno odvoenja toplote levokretnog ciklusa Carnotjerelativno lako ostvariti kada se radi o vlanoj pari jednokomponentne radne materije. Tada se ti

procesi poklapaju sa izobarskim procesima isparavanja, odnosno kondenzacije. ema parnekompresorske maine koja radi po levokretnom ciklusu Carnot i ciklus u sT dijagramu

prikazani su na sl. 9.1.a i sl. 9.1.b; maina se sastoji od kompresora (proces 1-2), kondenzatora

(proces 2-3), ekspanzione maine (proces 3-4) i isparivaa (proces 4-1).


3/17


189

1'4s'0'

b)

K

1

T3 2

T0x=1

0

p 0

p

4s

x=0

KP

2

M

1

D

4

KD

3

a)

s

T

Sl. 9.1. Parna kompresorska maina koja radi po ciklusu Carnot:

a) ema (KP - kompresor; KD - kondenzator; D detander; R - ispariva); b) T-s dijagram

Po definiciji, koeficijent hlaenja rashladnog ciklusa je

0

000)(qq

q

ww

q

w

qEER

dch

=

== (9.1)

i predstavlja toplotu hlaenja (odvedenu od hlaenog objekta) po jedinici utroenog rada.

Iako nema problema pri izotermskoj razmeni toplote ciklus Carnotsa vlanom parom nijepogodan za praktinu primenu jer ima tehnikih problema pri sabijanju i ekspanziji. Zato se ciklustehniki pojednostavljuje na sledei nain:

1) detander se zamenjuje neuporedivo jevtinijm prigunim ventilom, tj. izentropskaekspanzija se zamenjuje adijabatskim priguivanjem (sl. 9.2); poto je to izentalpski proces

(h=const) bie shhh 443 >= ;

2) da bi se izbegli problemi usled usisavanja vlane pare uvodi se tzv. suvo usisavanje; tj.kompresor usisava suvozasienu paru stanja 1 (sl. 9.2b), koja, nakon izentropskog sabijanja, ukondenzator ulazi kao pregrejana para stanja 2, kondenzuje se i u priguni ventil ulazi kaokljuala tenoststanja 3; posle adijabatskog priguivanja iz prigunog ventila izlazi vlana parastanja 4.

a)

M

KP

KD

3

2

4

S

0

R

1

b)

1'

K

1

T

4

32"

T0

x=0

x=1

0

3'0'

p 0

p

2

ws

1v

wcp

q0p

q0s

1v'4'

T

s

PV

Sl. 9.2 Parna kompresorska maina sa prigunim ventilom i suvim usisavanjem: a) ema maine

(S - separator); b) ciklus u T-s dijagramu


4/17


190

Opisani ciklus sa priguivanjem i suvim usisavanjem pri umerenim razlikama temperaturekondenzacije i isparavanja je tehniki izvodljiv i esto ima prihvatljiv koeficijent hlaenja. Stogase on koristi i kao uporedni ciklus sa ijim se koeficijentom hlaenja uporeuju koeficijentihlaenja drugih modifikovanih ciklusa.

Sa porastom razlike izmeu temperatura kondenzacije i isparavanja dolaze sve vie doizraaja osnovni nedostaci uporednog ciklusa (priguivanje i razmena toplote pri konanimrazlikama temperature kod hlaenja pregrejane pare u kondenzatoru, padovi pritiska pri

strujanju rashladnog fluida. itd). pa se primenjuju odreene mere u cilju poveanja koeficijentahlaenja. One se mogu svrstati u tri kategorije:

prehlaivanje kondenzata; viestepeno priguivanje; viestepeno sabijanje sa meuhlaenjem.

Slika 9.3 ema kompresorske rashladne instalacije i izgled hlaenog prostorasa isparivaem (hladnjakom)

U zavisnosti od temperatura isparavanja i kondenzacije rashladnog fluida, kao ikarakteristika rashladnog kompresora i samog ciklusa, razlikuju se vrednosti koeficijentahlaenja.

Slika 9.4 Zavisnost koeficijenta hlaenja u funkciji temperature isparavanja i kondenzacije zarashladni fluid R134a

Okolina spoljanji vazduh


5/17


191

Koeficijent hlaenja postie vrednosti od 1,5 (kod rashladnih ureaja koji se koriste zaduboko zamrzavanje robe), do 3,5 i vie kod rashladnih ureaja koji se koriste za komfornohlaenje. Vrednosti koeficijenta hlaenja u graninim sluajevima mogu biti manje od jedan, ali ivee od 6. Na slici 9.4 prikazana je zavisnost koeficijenta hlaenja u funkciji temperatureisparavanja i kondenzacije za rashladni fluid R134a.

Primene vetakog hlaenja se razvrstavaju u tri grupe :

za odravanje kvaliteta materijala, tj. za usporavanje nepoeljnih promena hemijskih,biohemijskih strukturnih karakteristika raznih proizvoda, u prvom redu zakonzervisanje namirnica;

za stvaranje i odravanje karakteristika ambijenta, tj. da bi se ostvarila klimatizacijaprostora u kojima se ivi, radi i/ili obavljaju razne proizvodne aktivnosti;

kada vetako hlaenje predstavlja glavni ili sporedni proces pri ostvarivanju nekeaktivnosti (proizvodnja, istraivanje, leenje, sport itd.).

9.1.3 Rashladni fluidi

Radna materija koja u rashladnoj maini ili toplotnoj pumpi obavlja levokretni ciklusnaziva se primarni rashladni fluid, ili, krae, rashladni fluid. Sekundarni rashladni fluidje fluidkoji oduzima toplotu hlaenja od hlaenog objekta (izvora toplote) i predaje je (obinoisparavajuem) primarnom rashladnom fluidu. Pri tome sekundarni rashladni fluid krui kao

posrednik, u zatvorenom toku, izmeu hlaenog objekta i rashladne maine (npr: rastvori raznihsoli ili etilen glikola u vodi).

Uvoenjem u upotrebu halogenih derivata parafinskih ugljovodonika (poznatih pod irokoprihvaenim zajednikim komercijalnim nazivom freoni), tridesetih godina prolog veka, brojrashladnih fluida silno se poveao; za freone je (najpre u SAD) uveden sistem trocifrenih

brojanih oznaka iza zajednike oznake F (Freon); kasnije, taj sistem je meunarodnoprihvaen, prilagoen je za sve rashladne fluide, a oznaka F zamenjena je novom optomoznakomR(refrigerant).

U novije vreme se ponekad u literaturi umesto oznake R koristi grupa od dva do etirivelika slova koja ukazuju na to koji su elementi zastupljeni u molekulu, tj. ukazuje na tzv. tip

jedinjenja. Npr.HC(ugljovodonici), CFC(potpuno halogenizovani hlorofluorougljenici),HCFC(delimino halogenizovani hidrohlorofluorougljenici), FC (potpuno halogenizovanifluorougljenici) i HFC (delimino halogenizovani hidrofluorougljenici). Ovakav sistemoznaavanja, pored toga to prua oigledniju informaciju o sastavu, ima dodatnog opravdanja usluajevima kad se jedno te isto jedinjenje koristi u razliite svrhe (kao rashladni fluid, ispenjivaizolacije, rastvara, itd.).

Neki primeri oznaavanja rashladnih fluida:

Brojevima od 400 do 499 oznaavaju se raznezeotropske smee.

Brojevima od 500 do 599 oznaavaju se razne azeotropske smee.

Brojevima od 600-699 obeleavaju se po proizvoljnom redosledu razna organskajedinjenja, koja se koriste ili mogu da se iskoriste kao rashladni fluidi. Tako npr. Za n-butan i izobutan koriste se oznake R 600 odnosno 600a.


6/17


192

Brojevima od 700 pa nadalje oznaavaju se neorganski rashladni fluidi, tako to se posleprve cifre (7) koja ukazuje da se radi o neorganskom rashladnom fluidu dodaju jo dve cifre kojepokazuju njegovu relativnu molekulsku masu. Npr. amonijak (NH3) ima oznaku R 717,ugljendioksid (CO2) ima oznaku R 744 itd.

Brojni rashladni fluidi tetno deluju na razgradnju ozonskog omotaa. Ozonski omotajevaan jer upija ultraljubiasto (UV) zraenje sa Sunca, spreavajui da veina UV zraka dopre doZemljine povrine. UV zraenje talasnih duina izmeu 280 i 315 nm naziva se UV-B, a tetno jeza gotovo sve oblike ivota. Upijajui veinu UV-B zraenja pre nego to ono dopre do Zemljine

povrine ozonski omota titi nau planetu od tetnih uticaja tog zraenja. Ozon je prisutan i uniim slojevima atmosfere (tj. u troposferi), ali u niim koncentracijama nego u stratosferi.

Hlorofluorugljici (CFC) su materije koje imaju najvei uticaj na razgradnju ozona. CFC suse od vremena njihove sinteze (1928. godine) koristili na razliite naine: kao radne materije uhladnjacima i klimatizacionim ureajima, kao potisni gas u limenkama aerosola, kao sredstvo zaekspandiranje u proizvodnji fleksibilnih pena za jastuke i madrace, i kao sredstvo za ienje uelektronskoj industriji.

Delimino halogenizovani hlorofluorougljovodonici (HCFC) su slini CFC-ima, pa su se uvelikoj meri proizvodili kao zamena u ureajima za hlaenje i za ekspandiranje. HCFC-i manjeunitavaju ozon od CFC-a, jer ih atom vodonika ini manje stabilnim i podlonijim razgradnji udonjim slojevima atmosfere, spreavajui da veina njihovog hlora dospe do stratosfere. Freoni izgrupe fluorougljenika (HFC i FC) ne sadre hlor i nemaju tetan uticaj na razgradnju ozonskogomotaa.

Potencijal razgradnje ozona - ODP

Potencijal razgradnje ozona, ODP (engl. Ozone Depletion Potential) zavisi od sposobnostioslobaanja hlora (Cl) i broma (Br), kao i od vremenske postojanosti u atmosferi. Kao jedinina(referentna) vrednost uzeto je delovanje freona R-11. Ovaj faktor je posledica svih potencijalnihdelovanja na ozon koja traju do potpune razgradnje (vrijeme raspada) za ozon tetne materije.Vodonik u molekulama HCFC smanjuje njihovu postojanost u atmosferi na 2 do 20 godina. HFCne sadre hlor, pa zato ne razaraju ozon, pa je njihov ODP=0.

Potencijal globalnog zagrevanja - GWP

Atmosfera poput stakla uglavnom proputa kratkotalasno Sunevo zraenje, ali je slabopropusna za dugotalasno zraenje kojim zrai Zemljina povrina. Zato deo energije koja jedozraena u sistem Zemlja-atmosfera ostaje u njemu kao u stakleniku i pretvara se u toplotu. Ovajefekat se naziva efektom staklene bate. Potencijal globalnog zagrevanja, GWP (engl. GlobalWarming Potential) neke materije je relativni uticaj te materije na efekt staklene bate u odnosuna uticaj CO2. Kao referentna vrednost uzeto je delovanje CO2 jer se u atmosferu emituje unajveim koliinama. CO2trajno ostaje u atmosferi, pa je zato uvek potrebno navesti za koje jevremensko razdoblje GWP izraen (20, 100 ili 500 godina). Najznaajniji gasovi staklene batesu: CO2, CH4, N2O, HFC-i, PFC-i i SF6.

Iako rshladni fluidi iz grupe HFC-a nemaju uticaja na razgradnju ozonskog omotaa (ODP= 0), svi halogenizovani ugljovodonici, pa tako i materije iz grupe HFC-a su gasovi staklene batesa velikim GWP potencijalom.

U tabeli 9.1 date su vrednosti ODP i GWP za razliite rashladne fluide


7/17


193

Tabela 9.1 Vrednosti ODP i GWP za razliite rashladne fluide

GWPRashladni fluid ODP

20 god 100 god 500 godR-11 1 4500 3400 1400

R-12 1 7100 7100 4100R-502 0.34 - 4300 -R-22 0.055 4200 1700 540R-134a 0 3100 1300 -R-404a 0 - 3800 -R-407C 0 - 1600 -R410A 0 - 1725 -R-717 0 0 0 0

9.1.4 Osnovne komponente rashladnih maina

Kompresori su osnovni elementi onih rashladnih maina iji se kompenzacioni proceszasniva na utroku mehanikog rada. U njima se radna materija (rashladni fluid) sabija kako bi sedostigli i u neophodnoj meri premaili: temperatura ponora i pritisak koji vlada u razmenjivautoplote sa ponorom.

Rashladni kompresori mogu da se podele prema principu rada, veliini rashladnog uinka,nainu hermetizacije, broju stupnjeva sabijanja, vrsti rashladnog fluida i tako dalje.

Prema principu rada kompresori mogu biti:

Kompresori zapreminskog dejstva u kojima se usisana para (odn. gas) sabija usledsmanjivanja zatvorene radne zapremine (tzv. elije) u kojoj se para nalazi. Prema nainuformiranja (odn. obliku) elija i kinematskim karakteristikama koje iz toga proizilaze, ovikompresori se dele na:

- (klasine) klipne kompresore sa translatornim kretanjem klipova,

- rotacione kompresore, kod kojih se radna zapremina formira izmeu (jednog ili vie)rotorai zidova cilind(a)ra (kuita), i

- spiralne kompresore, kod kojih se radne zapremine formiraju izmeu spregnutihcilindrinih spiralnih povri u zahvatu, pri emu pokretna spirala ne rotira veorbitiraunutar nepokretne spirale.

a) b)

Slika 9.5 Izgled kompresora: a)klipni, b)spiralni (vijani)


8/17


194

Strujni kompresori, kod kojih je porast pritiska rezultat razmene energije priopstrujavanju lopatica turbomaine (turbokompresori) ili pri meanju sa radnom parom koja savelikom brzinom dolazi iz mlaznika (parni ejektorski kompresori odn. parni ejektori).

Prema veliini rashladnog uinkakompresori se dele na male (do 10 kW), srednje (od 10do 50 kW) i velike (od 50 do 500 kW i vie).

Kondenzatoriparnih kompresorskih rashladnih maina su razmenjivai toplote u kojimase rashladni fluid kondenzuje predajui toplotu sredstvu za hlaenje kondenzatora. U zavisnostiod konstrukcije kondenzatora i pregrejanja pare na ulazu, u kondenzatoru se, osim zonekondenzacije zasiene pare, (ponekad) mogu uoiti i zone hlaenja i kondenzacije pregrejane

pare, kao i zona prehlaivanja kondenzata.

Kod uobiajenih rashladnih instalacija kondenzatori se hlade vazduhom i/ili vodom, priemu se kod kombinovanog hlaenja koristi efekat vetrenja (ishlapljivanja) vode u vazduh evaporativni kondenzatori. Kondenzatori toplotnih pumpi namenjenih grejanju, hlade se najeevodom ili vazduhom, dok se kod specijalnih toplotnih pumpi kondenzatori hlade onim fluidomijem je zagrevanju toplotna pumpa namenjena.

a) b) c)

Slika 9.6 Izgled kondenzatora: a)vazduhom hlaeni, b)vodom hlaeni - ploasti, c)evaporativni

Isparivaiparnih rashladnih maina su razmenjivai toplote u kojima se isparavajuemrashladnom fluidu dovodi toplota, bilo neposredno od hlaenog objekta, bilo posredno - odsekundarnog rashladnog fluida. Zbog raznovrsne primene rashladnih ureaja, postoji i veliki brojraznolikih konstrukcija isparivaa.

Klasifikacija (podela) isparivaa se obino vri prema nameni (vrsti hlaenog objekta),rashladnom fluidu i prema konstrukciji, dok su ostale klasifikacije najee od manjeg znaaja.Meutim, imajui u vidu da namena i rashladni fluid u mnogome predodreuju konstrukciju, te

podele se dobrim delom podudaraju, i zato je najpogodnija opta podela prema nameni sapotpodelama prema konstrukciji i vrsti rashladnog fluida (gde je to svrsishodno):

Isparivai za hlaenje tenosti: Isparivai za hlaenje tenosti se najee izrauju kaodoboasti isparivaisa cevnim snopom unutar doboa, kao ploasti isparivai,ili kao potopljenibazenski isparivai; postoje jo i specijalne konstrukcije isparivaa namenjene za hlaenjetenosti preko zida suda u kome se ona nalazi; to su obino isparivake cevne zmije ili platovioko hlaenog suda.

Isparivai za hlaenje gasova(najee vazduha)izrauju se od orebrenih cevi. Rashladnifluid isparava unutar cevi; orebrenje je sa strane vazduha, a rebra su tanka i visoka, pa su

koeficijenti orebravanja dosta veliki (obino izmeu 8 i 15). Zbog velike visine (reda veliineprenika cevi), rebra se najee izrauju posebno, od lima ili limene trake, pa se nakon toganavlae odnosno namotavaju na cevi i na pogodan nain fiksiraju na zadatom meusobnomrastojanju;


9/17


195

Specijalni isparivai - pored navedenih, u praksi se koriste i isparivai specijalne namene:za proizvodnju ljuspiastog leda, za brzu proizvodnju leda u kalupima (tzv. rapid-ice ureaji)itd.

Veoma vana podelaisparivaa je prema koliini rashladnog fluidakoja im se dovodi:

-

suvi, kada se u ispariva dovodi onoliko tenosti koliko u njemu moe da ispari (ustvari, zbog nesavrenosti regulisanja protoka, dovodi se neznatno manje, tako da iznjega izlazi vrlo malo pregrejana para), ili

- preplavljeni (kada im se dovodi viestruko vie tenosti); pri tome se koeficijentcirkulacije n (odnos koliine dovedene prema koliini isparene tenosti rashladnogfluida) bira u zavisnosti od vrste hlaenog objekta. Cirkulacija tenosti kroz

preplavljene isparivae moe bitipumpna iligravitaciona.

Slika 9.7 Izgled isparivaa za hlaenje vazduha

Pomoni aparati

Za razliku od glavnih elemenata instalacije, u kojima se ostvaruju osnovne promene stanja

koje karakteriu ciklus rashladnog fluida (npr. isparavanje, sabijanje, kondenzacija), pomoniaparati su opcionalni elementi rashladne maine iji je zadatak da poboljaju njenetermodinamike i/ili ekspoloatacione karakteristike.

Prvu grupu pomonih aparata sainjavaju razni razmenjivai toplote (spoljanji i unutranjiprehlaivai kondenzata, meuhladnjaci, hladnjaci ulja i sl.), priguni separatori i/ili njihovekombinacije koje omoguavaju modifikovanje ciklusa u cilju poveanja uinka i/ili koeficijentahlaenja.

Drugu grupu sainjavaju razni pomoni aparati iji je osnovni zadatak da spree neeljenereime rada, ublae ili eliminiu posledice usled nesavrenosti konstrukcije i/ili postupaka

montae i time omogue dugotrajan i nesmetan rad, kao i lake opsluivanje (npr. odvajai ulja,odvajai vazduha, filteri, suai). Pri tome, pojedini pomoni aparati iz ove grupe doprinose iutedi energije, zato to, intenzivirajui razmenu toplote, omoguavaju povoljnije temperaturskereime rada.

Cevovodi povezuju sve relevantne komponente u jedinstvenu rashladnu instalaciju,odnosno toplotnu pumpu.

Pri strujanju u cevovodima, eksergija rashladnog fluida opada zbog trenja (odnosno padapritiska) i razmene toplote pri konanim razlikama temperatura. Meutim, pad eksergijerashladnog fluida i investicioni trokovi nisu jedini parametri o kojima treba voditi rauna pri

izboru brzine strujanja (ime se u stvari odreuje unutranji prenik cevi): u nekim sluajevimabrzina strujanja mora biti dovoljno velika da obezbedi transport tene faze ili ulja i time spreinjihovo nagomilavanje u cevovodu, dok je u drugim ograniena doputenim padom pritiska (npr.


10/17


196

u usisnim vodovima prema kompresorima). Zbog toga, pri optimizaciji brzine u cevovodima,postoje ogranienja u izboru brzine koja nameu zahtevi za nesmetanim funkcionisanjeminstalacije u svim relevantnim reimima rada

Automatika rada rashladnih instalacija

Pouzdan, ekonomian i energetski efikasan rad rashladne instalacije podrazumeva stalannadzor, odravanje relevantnih parametara u zadatim granicama, kao i blagovremene intervencijeu cilju otklanjanja nepogodnih radnih reima koji mogu prouzrokovati opasnosti po ljude,okolinu, uskladitene proizvode i/ili samu instalaciju. Bez automatizacije, ostvarivanje tih ciljeva

je neekonomino ili ak nemogue.

Za automatizaciju radarashladnih instalacija koriste se:

Ureaji za automatski nadzor i signalizaciju, koji slue za merenje, pokazivanje i beleenjerelevantnih parametara rada maine ili hlaenog objekta. Za prikazivanje radnog stanja instalacijei objekta koristi se se esto tzv. sinoptika ema instalacije na kojoj se lampicama raznih boja

oznaava pogonsko stanje elemenata instalacije.

Ureaji automatske zatite i/ili upozoravanja,koji automatski iskljuuju iz radapojedinedelove ili celokupnu instalaciju i/ili aktiviraju odgovarajui zvuni i/ili svetlosni alarm ako nekiod relevantnih parametara rada izae iz predvienog opsega, te moe da uzrokuje oteenje ilihavariju maine, opasnost po zdravlje ljudi ili hlaene proizvode i/ili izazove ekoloke posledice.Kao zatitni ureaji se najee koriste termostati i presostati; to su termometri, odnosnomanometri, sa elektrinim prekidaem, koji automatski prekidaju rad tiene maine kada

predmetna temperatura ili pritisak dobiju neeljene vrednosti;

Ureaji za automatsku regulaciju,koji slue za odravanje relevantnih parametara rada

rashladnog postrojenja i hlaenog objekta, najee u unapred zadatim granicama ili (ree) pounapred zadatom programu. U novije vreme raste trend primene tzv. optimalnih regulatora kodkojih je zadata vrednost regulisane veliine funkcija izmerenih vrednosti jednog ili vie uticajnih

parametara i odreuje se raunarom po zadatom, prethodno unetom programu.

Merenje relevantnih parametara

Najznaajniji relevantni parametri rada rashladne instalacije su pritisci i temperaturerashladnog fluida ili ulja, protoci fluida i nivoi tenosti (rashladnog fluida ili ulja) u sudovima;kod klimatizovanih objekata, koji se hlade (ili greju), najznaajniji su temperatura i vlanostvazduha, a kod ostalih objekata temperatura, protok, pritisak i/ili nivo tenosti fluida koji se hladi

(ili greje).

Za merenje temperaturekoriste sestakleni termometri sa tenou (iva, alkohol ili nekadruga tenost, zavisno od temperaturskog podruja), elektrini termometri (najee otporniki,termoelektrini termometri (sa pojedinanim ili redno vezanim termoparovima) ili, znatno ree,bimetalniiligasni termometri.

Za merenje pritiska koriste se najee manovakuummetri (sa burdonovom cevi, sapijezoelektrinim davaima, ili membranski); Poto u podruju vlane pare postoji jednoznanaveza izmeu temperature i pritiska, manovakuumetri za rashladni fluid su opremljeni i satemperaturskom funkcionalnom skalom koja pokazuje ravnotenu temperaturu zasienja za

izmereni pritisak.


11/17


197

Za merenje vlanosti vazduhase najee koriste elektrini higrometri bazirani na principumerenja elektroprovodnosti rastvora neke higroskopne soli (najee vodeni rastvor LiCl) uravnotei sa vazduhom ija se vlanost meri. Za merenje vlanosti koriste se ipsihrometri, kao irazne vrste indikatora take rose;

Za merenje protoka koriste se uglavnom razni rotametri, standardne prigunice ilimlaznicekao i razniprotokomeri sa obrtnim kolom; u novije vreme se koriste i protokomeri kojise baziraju naDoppler-ovom efektu;

Za merenje nivoa tenostikoriste se davai sa plovkomi kapacitivne sonde.

Regulisani parametri i pripadajui regulatori

Najvaniji relevantni parametriod ijeg uspenog kontrolisanja bitno zavisi ispravan radmaine i/ili spregnutog objekta (grejanja i/ili hlaenja) su:

- Temperatura hlaenog objekta;

-

Protok rashladnog fluida kroz suve isparivae- Pritisak (temperatura) isparavanja

- Pritisak (temperatura) kondenzacije

- Temperatura pare na potisu kompresora

- Nivo tenosti rashladnog fluida u preplavljenim isparivaima ili separatorima

Vrste regulatora

U rashladnim instalacijama primenjuju se, kako regulatori direktnog dejstva (bezpojaivaa), kod kojih se reguliui organ pokree neposredno od strane davaa, tako i regulatori

posrednog dejstva, koji imaju pojaava i kod kojih reguliui organ radi u servo sprezi (zanjegovo pokretanje se obino koristi pritisak rashladnog fluida ispred regulatora) ili pak pomonaenergija dovedena od spolja (elektromagnetni, elektromotorni, pneumatski ili kombinovaniregulatori); pri tome regulatori mogu biti bilo kontinualnog, bilo pozicionog dejstva (najeedvopozicioni, tzv. on-off regulatori).

Potrebna tanost regulisanja je obino takva da doputa primenustatikih regulatora(tzv.Proporcionalni, ili P regulatori). Astatiki regulatori (tzv. Integrirajui, ili, I regulatori), kodkojih je brzina promene reguliue veliine srazmerna odstupanju regulisane veliine od zadatevrednosti, su u principu savreniji i taniji, ali su sloeniji i skuplji, pa se zato znatno ree

primenjuju. Ostali, jo sloeniji tipovi regulatora (npr.: PD, PI i PID

), koji imaju stabilizirajue

naprave pomou kojih se skrauju prelazni procesi i smanjuju dinamika odstupanja, se, zbogsvoje visoke cene, samo izuzetno koriste pri automatizaciji rashladnih ureaja.

9.1.5 Indirektni sistemi hlaenja

Kod direktnih sistema hlaenja ispariva rashladne maine je ujedno i hladnjak koji sekoristi za odvoenje toplote od hlaenog objekta. Meutim, kada se eli izbei kontakt rashladnogfluida i hlaenog objekta ili smanjenje koliine rashladnog fluida u instalaciji (i njegovog cevnograzvoda kroz objekat), primenjuju se sekundarni rashladni fluidi u indirektnim sistemima. Kao to

je vebilo pomenuto, sekundarni rashladni fluid krui kao posrednik, u zatvorenom toku, izmeuhlaenog objekta i rashladne maine hladi se u isparivau rashladne maine, a zagreva u

hladnjaku, oduzimajui toplotu hlaenom objektu. Kada su u pitanju relativno visoke temperaturehlaenja (iznad 0oC), kao to je sluaj u komfornoj klimatizaciji, kao sekundarni rashladni fluid sekoristi voda. U cilju snienja temperature mrnjenja sekundarnog rashladnog fluida, prilikom


12/17


198

primene za nie temperaturske reime, mogu se koristiti vodeni rastvori glikola i soli. Rashladnemaine koje se koriste za pripremu hladne vode nazivaju se ilerima. Uobiajeni temperaturskireim hladne vode za klimatizacione sisteme je 7/12oC. Na slici 9.8 prikazana je ema ilera savodom hlaenim kondenzatorom.

Slika 9.8 ema ilera sa vodom hlaenim kondenzatorom

Hladna voda pripremljena u ileru vodi se do hladnjaka u ureajima za klimatizaciju, a tomogu biti hladnjaci u klima komorama ili hladnjaci koji se nalaze u klimatizovanim prostorijama(kao to su ventilator konvektori ili cevne zmije panela ugraenih u tavanice ili zidove prostorijakoje se hlade). Ukoliko se izvodi sistem panelnog hlaenja, temperaturski reim hladne vode jevii nego u drugim sluajevima, jer se mora izbei kondenzacija vlage iz vazduha na rashladnim

povrinama (tzv. visokotemperatursko hlaenje).

Termodinamiki gledano direktni sistem hlaenja je u prednosti u odnosu na indirektnisistem. S obzirom da indirektni sistem sadri jedan razmenjiva vie, postie nie temperatureisparavanja u odnosu na direktni, (poreenje ciklusa je dato na slici 9.9). Time je za isti rashladniuinak potrebno sistemu dovesti veu pogonsku snagu, to za posledicu ima manji koeficijenthlaenja indirektnih sistema.

Slika 9.9 Prikaz poreenja indirektnog i direktnog sistema hlaenja


13/17


199

9.2 TOPLOTNE PUMPE

Toplotne pumpe su rashladni ureaji koji rade po levokretnom ciklusu, ali se kod njihtoplota kondenzacije (koja je kod rashladnih maina termodinamiki beskorisna toplota koja se

odvodi u okolinu) koristi za zagrevanje objekta, a toplota potrebna za isparavnje rashladnog fluidase oduzima od okoline (koja se kod rashladne maine oduzima od hlaenog prostora). Okolina(spoljni vazduh, podzemne i nadzemne vode ili tlo) predstavljaju toplotni izvor. Prema tome,

jedna instalacija sa mainom koja radi po levokretnom ciklusu moe se koristiti i u svrhu hlaenjai u svrhu grejanja. Na slici 9.10 dat je prikaz rada rashladnog ureaja u reimu toplotne pumpe.

Slika 9.10 Prikaz rada rashladnog ureaja u reimu toplotne pumpe

Opravdanost primene toplotnih pumpi u svrhe grejanja prostora je velika. Toplotnepumnpe se smatraju obnovljivim izvorom energije, jer se koristi raspoloiva toplota iz okoline.Efikasnost toplotne pumpe izraava se koeficijentom grejanja g ili COP (engl. Coefficient of

Performance), koji predstavlja odnos dobijene toplote i uloenog rada (elektrine energije zapogon kompresora):

komp

kondkondg

P

Q

w

qCOP

==)( (9.2)

9.2.1 Izvori toplote toplotnih pumpi

Za postrojenje toplotne pumpe od najveeg su znaaja svojstva toplotnog izvora. Moe serei da je postrojenje za grejanje sa toplotnom pumpom onoliko dobro, koliko je dobar njegovtoplotni izvor. Kao niskotemperaturski toplotni izvori koriste se voda (rena, jezerska, morska i

podzemna), vazduh, otpadna toplota, Sunce ili se ispariva zakopava u zemlju, pri emu tlopredstavlja izvor toplote. Da bi se osigurao ekonomian rad toplotne pumpe, za izvor toplote sepostavlja niz zahteva, meu kojima su najvaniji sledei:

-

toplotni izvor treba da osigura potrebnu koliinu toplote u svako doba i na to viojtemperaturi,

- trokovi za prikljuenje toplotnog izvora na toplotnu pumpu treba da budu to nii,


14/17


200

- energija za transport toplote od izvora do isparivaa treba biti to manja.

Vazduh kao izvor toplote toplotne pumpe je jako povoljan sa aspekta raspoloivosti ipristupanosti. Orebreni razmenjiva toplote sa prinudnom cirkulacijom vazduha koristi se zarazmenu toplote izmeu vazduha i rashladnog fluida (slika 9.11). Razlika temperature spoljnogvazduha, kao izvora toplote i rashladnog fluida kree se od 6 do 10C. Kod izbora ovakve izvedbe

toplotne pumpe, potrebno je voditi rauna o sledee dve stvari: temperaturi spoljnog vazduha zaposmatranu lokaciju i stvaranju inja i leda na orebrenim sekcijama isparivaa.

Loa strana vazduha kao izvora toplote su varijacije njegove temperature, to znatno utiena koeficijent grejanja. Sniavanjem temperature okoline smanjuje se i grejni uinak toplotne

pumpe. Ovi ureaji se ne dimenzioniu na puno optereenje, odnosno za najnepovoljniju radnutaku, jer bi u najveem delu godine sistem bio predimenzionisan. U zavisnosti od temperaturispoljnog vazduha, koeficijent grejanja se kree od 2,5 do 3,5. Nedostatak toplotnih pumpi kojerade s spoljnim vazduhaom kao izvorom toplote su visoka buka i velika koliina vazduha koja je

potrebna zbog male vrednosti specifinog toplotnog kapaciteta. Hlaenjem vazduha za 6 do 8Cdobijaju se optimalni odnosi izmeu: koliine vazduha, veliine ventilatora, veliine isparivaa i

koeficijenta grejanja. Vano je primetiti da ugradnjom etvorokrakog ventila ureaj u tokom letamoe raditi u reimu hlaenja.

Ventilator konvektorili panelno hlaenje

Kompresor

Ispariva

Kondenzator

Priguniventil

Cirkulacioni krugtople vode u sistemugrejanja

Slika 9.11 ema toplotne pumpe sa vazduhom kao izvorom toplote

Nadzemne vode kao izvor toplote u mnogim sluajevima su pristupane i jeftine zaprimenu (slika 9.12). Takve vode se mogu uobiajeno koristiti pri temperaturama viim od +4C.Na osnovu iskustva i prorauna, temperaturska razlika vode ohlaene u isparivau ne bi trebalabiti manja od 4C (npr. od 4 do 6C). Korienje toplotne pumpe sa ovakvim izvorima toploteekonomski je opravdano kod spoljnih temperatura iznad granice od 0C. Pri tome veliku uloguimaju poloaj i veliina reke ili jezera. Nedostatak ovog izvora je ogranienost njegove primenesamo na mali broj potroaa koji lee uz samo jezero. Za potroae koji su udaljeni od jezerainvesticioni i pogonski trokovi za crpljenje i povratak vode u jezero su preveliki.


15/17


201

Priguniventil

Ispariva

Kompresor

Ventilator konvektor

ili panelno hlaenje

Cirkulacioni krugtople vode u sistemugrejanja

Cirkulacioni krugtople vode u sistemupripreme STV

Reka iliJezero

BojlerSTV

Slika 9.12 ema toplotne pumpe sa povrinskom vodom kao izvorom toplote

Podzemne vode kao izvor toplote su povoljne za primenu zbog visoke i relativnoujednaene temperature, koja u veini sluajeva iznosi izmeu 8 i 12C, to zavisi od dubine sakoje se crpi. Za crpljenje podzemne vode potrebna su dva bunara, crpni i povratni (slika 9.13).Razmak izmeu ovih bunara treba biti to je mogue vei, a po mogunosti ne manji od 10 m.Crpni bunar treba da daje u svim vremenima pogona dovoljnu koliinu vode, odnosno izdanost

crpnog bunara je najvanija za projektovanje ove toplotne pumpe. Potopljena crpna pumpa seugrauje obino do dubine 15 m kako bi se smanjili pogonski trokovi pumpe. Ispod pumpe,ostavlja se slobodna visina bunara koja omoguuje nakupljanje peska i neistoa. Prenik bunara

je obino 220 mm ili vei. Protok pumpe za vodu proraunava se na tempersturskoj razlici vodena isparivau od 4 do 5C.

BojlerTVS

Crpni bunar Povratnibunar

Ispariva

Slika 9.13 ema toplotne pumpe sa podzemnom vodom kao izvorom toplote


16/17


202

Tlo kao izvor toplotepredstavlja ogroman toplotni izvor koji se moe koristiti kako zagrejanje tako i za hlaenje prostora. Iako se hlaenje moe ostvariti neposrednim korienjemrazmenjivaa toplote u tlu, u svrhu grejanja je po pravilu potrebno upotrebiti toplotnu pumpu.Ugradnjom etvorokrakog ventila, toplotna pumpa se naelno zimi moe koristiti za grejanje, aleti za hlaenje. Glavnaprednost zemlje kao izvora ili ponora toplote je u relativno konstantnojtemperaturi ve na dubini od 2 m (od 7 do13C), koja omoguuje rad u optimalnoj projektnojtaki, bez dnevnih i sezonskih varijacija.

Horizontalna izvedba razmenjivaatoplote (slika 9.14) zahteva neto nie investicionetrokove, ali zbog nedostatka potrebne slobodne povrine esto nije primenljiva, osim u ruralnim

podrujima. Potrebna slobodna povrina je otprilike dvostruko vea od grejane povrine objekta.Najee se razmenjivatoplote polae u tlo u obliku snopa vodoravnih cevi na dubini od 1,2 do1,5 m, sa meusobnim razmakom cevi od 0,5 do 1 m, u zavisnosti od sastava i vrste tla. Priblinona svaki m2grejanog prostora treba u zemlju poloiti 1,5 do 2 m cevi. Razmenjivake sekcije kojese paralelno spajaju, treba da budu podjednake duine radi lakeg balansiranja razmenjivaa.Duina jedne razmenjivake sekcije iznosi do 100 m. Prenik polietilenske cevi uglavnom iznosi

25 ili 32 mm. Uinak razmenjivaa, kree se u granicama od 15 do 35 W/m

2

, pri emu se najboljaefikasnost dobija za glineno tlo i tlo sa podzemnim vodama.

Od kondenzatora

Kompresor

Isparivac

Horizontalno postavljenrazmenjivatoplote u tlu

Vertikalnozmenjiva

postavljenra toplote u tlu

Ispuna

Slika 9.14 ema toplotne pumpe sa tlom kao izvorom toplote

Vertikalna izvedba razmenjivaa do dubina od 60 do 150 m (200 m) esto je prihvatljivau gustonaseljenim podrujima, pogotovo na mestima gde je prostor ureen, pri emu dolazi dominimalnih promena spoljnogizgleda okoline. Ovakvi su sistemi iroko prihvaeni u razvijenomsvetu, u emu prednjae vedska, SAD, Austrija, Nemaka, vajcarska, Francuska. Koliko setoplote moe oduzeti tlu zavisi od njegovog sastava i vlanosti, kao i od mesta polaganja cevi.Dosada sprovedena istraivanja, kao i u praksi instalirani sistemi pokazuju da je temperatura tla nadubini od 2 m otprilike 7 do10C, a na dubini do 100 m temperatura tla se kree izmeu 12 i15C. Razmenjiva(fabriki predmontiran) se u tlo polae udve osnovne izvedbe: kao dvostrukaU cevilikao koaksijalna cev pri emu kroz unutranju PE cev struji hladni fluid (voda + glikol),dok se kroz spoljnu metalnu cevzagrejani fluid vraa na ispariva.


17/17


203

9.3 GODINJA POTREBNA ENERGIJA ZA HLAENJE

Godinja potrebna energija za hlaenje izraunava se prema standardu SRPS EN ISO13790, analogno potrebnoj finalnoj energiji za grejanje, pri emu se mogu primeniti sezonski (tj.meseni) model ili asovni model prorauna. Potrebna godinja energija za hlaenje je zapravokoliina toplote koju tokom letnjeg perioda treba odvesti iz zgrade kako bi se odravala eljenatemperatura unutranjeg vazduha. Za razliku od zimskog perioda, tokom leta je znaajno vieizraena nestacionarnost razmene toplote sa okolinom, pa je od velike vanosti uzeti pravilno uobzir akumulaciona svojstva zgrade kroz odgovarajue dinamike parametre.

Godinja potrebna energija za hlaenje izraunava se kao:

( ) ( )VTlsCsolndC QQQQQ ++= ,int, [kWh/a], (9.3)

gde su:

ndCQ , - Godinja potrebna energija za hlaenje [kWh/a]

solQQ +

int - Godinja koliina toplote koja potie od unutranjih dobitaka toplote i dobitaka usledsunevog zraenja [kWh/a]

lsC, - Faktor iskorienja gubitaka toplote za period hlaenja

gnHQ , - Godinja koliina toplote koja potie od transmisionih i ventilacionih gubitaka toplote

[kWh/a]

Specifina godinja potrebna toplota za hlaenje, QC,anpredstavlja kolinik godinjepotrebne toplote za hlaenje i korisne povrine zgrade:

f

ndCanC A

QQ ,, = [kWh/(m2a)], (9.4)

gde je:Af korisna povrina zgrade [m

2].

Ukupna godinja energija za hlaenje, osim finalne, obuhvata i gubitke u sistemu zahlaenje, koji se odnose na proizvodnju rashladne energije, gubitke u transformaciji ili predajitoplote i gubitke u transportu do potroaa:

lsCndCC QQQ ,, += . (9.5)

Documents

09-Rashladni-ureÄaji