VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STAVEBNÍ
JIŘÍ HIRŠ, GÜNTER GEBAUER
TZB - VZDUCHOTECHNIKA MODUL BT02-10 CHLAZENÍ PRO KLIMATIZACI
STUDIJNÍ OPORY PRO STUDIJNÍ PROGRAMY S KOMBINOVANOU FORMOU STUDIA
Název předmětu · Modul #
© Ing. Günter Gebauer, CSc, Ing. Olga Rubinová, Ph.D., Brno 2005
- 2 (18) -
Obsah
OBSAH 1 Úvod ...............................................................................................................5 1.1 Cíle ........................................................................................................5 1.2 Požadované znalosti ..............................................................................5 1.3 Doba potřebná ke studiu .......................................................................5 1.4 Klíčová slova.........................................................................................5 1.5 Použitá terminologie .............................................................................5 2 Chlazení pro klimatizaci ..............................................................................7 2.1 Klasifikace kompresorového systému chlazení ....................................7 2.2 Základní části kompresorového chlazení ..............................................7 2.3 Příklady komponentů soustav chlazení.................................................9 2.4 Faktory návrhu chlazení......................................................................11 2.5 Návrh soustavy nepřímého kompresorového chlazení s vodou chlazeným kondenzátorem..................................................................12 2.6 Užití systémů.......................................................................................14 2.7 Příklad .................................................................................................14 2.8 Úkol.....................................................................................................14 2.9 Kontrolní otázky .................................................................................15 3 Závěr ............................................................................................................17 3.1 Shrnutí.................................................................................................17 3.2 Studijní prameny .................................................................................17 3.2.1 Seznam použité literatury .....................................................17 3.2.2 Seznam doplňkové studijní literatury ...................................17 3.2.3 Odkazy na další studijní zdroje a prameny ...........................18
- 3 (18) -
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.
1.2
Požadované znalosti
Ke zvládnutí modulu jsou elementární znalosti z termiky a vzduchotechniky.
1.3
Doba potřebná ke studiu
Potřebná doba 2 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) -
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) -
Chlazení pro klimatizaci
2
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], [2], [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.
2.1
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 kondenzátorem, var. B.
jednotkou
se
vzduchem
chlazeným
• Přímé chlazení s chladicí jednotkou s vzduchem chlazeným kondenzátorem, provedení označované jako „split“ tzn. dělený systém, var. D.
2.2
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. 2 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) -
Název předmětu · Modul #
v [1], [2], [4]. Zásadní při návrhu a situování chladicích kompresorových jednotek je jejich hlučnost a hmotnost. KJ
KJ
6
6
5 V
1=5
V
EV
EV 7
V
3
7
3 V
2
2
1 4
Var. A
Var. B
2=6
KJ
KJ
4
Legenda 1 – Výparník CJ 2 – 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
2=6
5 1=5 EV Ch
3
EV
3
1 4
Var. C
Var. D
4
Obr. 1 Schéma základních variant sestav chlazení pro klimatizaci Exteriér 4
Exteriér 4b
3
6 Strojovna klimatizace
Strojovna klimatizace
5
1
4
6
3
6
1
2
7
4
7 2
Legenda var. B 1 – Klimajednotka 2 – Výparník CJ 3 – Kondenzátor CJ 4 - Kompresor 5 – Chlazená voda 6 - Oběhové čerpadlo 7 – Chladivo
Legenda var. A 1 – Klimajednotka 2 – Výparník CJ 3 – Kondenzátor CJ 4 – Chladicí věž 4b – Chladič vody 5 - Oběhové čerpadlo 6 – Teplonosná látka voda
Var.
C
Klimatizovaná místnost
Var.
Exteriér
Klimatizační jednotka Chladič vzduchu =výparník
Chladič kapaliny
Chladicí věž
Voda
Chladič vzduchu =výparník
D
Exteriér
Klimatizační jednotka
Chladivo Vc, ti
Klimatizovaná místnost
Kondenzátor var. B
Kondenzátor var. A
Chladivo
Ve, te
Vc, ti
Kompresor
Vc, ti
Kompresor
Kondenzátor
Chladivo
Obr. 2 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) -
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 typických provedení jednotek je na obr. 3.
tk1
C
tk2
2
S P
tv2
1
V K
tv1
Legenda V - výparník C - kondenzátor S - škrticí ventil K - kompresor P - potrubí chladiva tk1, tk2 – teplota vody okruhu 1 tj. kondenzátor-chladicí věž tk1, tk2 – teplota vody okruhu 2 tzn. výparník-chladič
Obr. 3 Ideové schéma kompresorové jednotky Chladicí věž (vodní) Chladič kapalin vody, roztoky H2O Voda z kondenzátoru
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 BT02-02). 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 (CaCl2, NaCl, MgCl2) 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.
2.3
Příklady komponentů soustav chlazení
Na níže uvedených obrázcích jsou pohledy na komponenty a jejich osazení v reálných podmínkách.
- 9 (18) -
Název předmětu · Modul #
Obr. 5 Fragment chladicí jednotky
Obr. 6 Chladicí věž osazená na střeše
Obr. 7 Kondenzátory osazené na střeše budovy
- 10 (18) -
Chlazení pro klimatizaci
Obr. 8 Kondenzátory osazené na střeše budovy
Obr. 9 Kondenzátory na střeše
2.4
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) -
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
2.5
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. tk E
t1
1
Kondenzátor
I
Vodní chladič
tw2
tw1
∆tw ∆w
t
log p 3
p3=p2
tk
2
v2 hv1 tm
r Výparník
hv2
to
x
Průběhy teplot
tm2
∆tm
tr
tm1
2
p4=p1
to
4
1
v1
∆m
t2
Chladicí jednotka h3=h4
h
h1
h2
Obr. 10 Schéma tepelných výměn c. Chladicí výkon jednotky tj. výparníku Qo je dán vztahem 1 pro průtok vzduchu Vp a jeho entalpie hv1 a hv2, jenž vyplývají z řešení úprav vzduchu dle BT02-02 a 08.
Qo = V p .ρ .(hv1 − hv 2 )
(1)
d. Teplota vypařování chladiva ve výparníku to se odvodí z teploty rosného bodu chladiče tr, jenž je přibližně shodná se střední teplotou chladicí vody tm. Pro zvolené rozdíly teplot ∆tm = 4 - 8 K a ∆m = 3 - 5 K se určí teplota to ze vztahu 2
- 12 (18) -
Chlazení pro klimatizaci
to = tm - 0,5.∆tm - ∆m
(2)
e. Teplota kondenzace chladiva tk závisí na teplotě vnějšího vzduchu proudícího chladicí věží. Pro naše území lze volit tev = 30 - 32 oC s reálným ochlazením vody ve věží o ∆tw = 4 až 8 K. Pro rozdíl teplot ∆w = 3 - 5 K se stanoví teplota kondenzace tk z rov. 5 pro výstupní teplotu vody z chladicí věže tw1. tk = tw1 + ∆tw + ∆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 2 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. p1. v1n = p2 . v2n
(4)
g. Hmotnostní průtok chladiva m se určí pro tepelný výkon výparníku z rov. 5 pro entalpie h1 a h4. m = Qo / (h1 − h4 )
(5)
g. Adiabatický příkon kompresoru Pad je dán pro entalpii h1 a h2 rov. 6. Pad = m.(h2 - h1)
(6)
h. Tepelný výkon kondenzátoru Qk lze určit z rozdílu entalpie h2 a h3 chladiva na vstupu a výstupu dle rov. 7. Qk = m.(h2 − h3 )
(7)
i. Tepelný výkon chladicí věže musí krýt ochlazení chladiva v kondenzátoru Qk. Výchozí pro návrh věže je hmotnostní průtok vody daný vztahem 8. mk = Qk / c. (t w1 − t w 2 )
(8)
j. Hmotnostní průtok vody protékající okruhem výparník-chladič mo závisí na výkonu chladiče Qo a teplotě chladicí vody tm1, tm2. Průtok se určí ze vztahu 9. mo = Qo / c.(t m1 − t m 2 )
(9)
k. Hmotnostní tok vody protékající okruhem kondenzátor-chladicí věž mk se určí pro výkon Qk a teploty chladicí vody tw1, tw2 dle vztahu 10 mk = Qk / c. (t w1 − t w 2 )
(10)
l. Průměry potrubí se určí dle obvyklých zásad pro dimenzování potrubí - semestr ZT či ÚT pro hmotnostní toky okruhy chladič-výparník mo a kondenzátor-chladicí věž mk. m. Návrh chladicích jednotek a chladicích věží Podkladem pro specifikaci komponentů jsou výše uvedené veličiny. Vlastní návrh vyžaduje technické podklady výrobců chladicích zařízení.
- 13 (18) -
Název předmětu · Modul #
2.6
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.
2.7
Příklad
Zadání: Úkolem je navrhnout kompresorové chladicí zařízení s nepřímým uzavřeným systémem pro systém nízkotlaké klimatizace. Systém klimatizace pracuje s objemovým průtokem přívodního vzduchu Vp = 4,34 m3s-1, vstupní a výstupní teplota vzduchu pro chladič klimatizační jednotky v letním provozu tv1 = 26 oC, tv2 = 16 oC, entalpie vzduchu hv1 = 56,2 kJkg-1, hv2 = 41 kJkg-1, chlazená voda má střední teplotu tm = 9 oC a teplotní spád ∆tm = 6 K, teplonosnou látkou kondenzátorového okruhu je voda se vstupní teplotou tw1 = 26 oC, provoz soustavy chlazení je přímý bez akumulace chladu, tlaková ztráta chladiče klimatizační jednotky ∆pc = 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 2. 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 [2].
2.8
Úkol
Návrh kompresorového chladicího zařízení s přímým uzavřeným systémem pro systém nízkotlaké klimatizace a vstupní hodnoty z příkladu 2.6.
- 14 (18) -
Chlazení pro klimatizaci
2.9
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) -
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.
3.2
Studijní prameny
3.2.1
Seznam použité literatury
[1]
Dvořák, Z. Základy chladicí techniky. SNTL/ALFA, 1986
[2]
Gebauer, G., Rubinová, O., Horká, H. Vzduchotechnika. ERA, Brno 2005
[3]
Hirš J., Gebauer, G., Rubinová, O. Vzduchotechnika – příklady a návrh. Cerm, Brno 2006
[4]
Chyský, J., Hemzal, K., a kol. Větrání a klimatizace. Bolit, Brno 1993
[5]
Názvoslovný výkladový slovník z oborů techniky prostředí. Přílohy časopisu VVI 2001 a 2002
[6]
ČSN 12 0000 Vzduchotechnická zařízení. Názvosloví
[7]
ČSN 73 0548 Výpočet tepelné zátěže klimatizovaných prostorů
[8]
Vyhláška MZ č. 6/2003, 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. 441/2004, kterým se stanoví podmínky ochraně veřejného zdraví zaměstnanců
[11]
Nařízení vlády č. 523/2002, kterým se stanoví podmínky ochraně veřejného zdraví zaměstnanců, které upravuje Nařízení vlády č. 178/2001, kterým se stanoví podmínky ochraně veřejného zdraví zaměstnanců
3.2.2
Seznam doplňkové studijní literatury
[12]
Petrák, J., Dvořák Z., Klazar, L. Chladivo R 134a. Praha, ČVUT 1993
[13]
Recknagel-Spenger-Hönmann Taschenbuch für Klimatechnik. Oldenbourg, Mnichov 2001
[14]
Sazima, M. a kol. Teplo. Technický průvodce, sv. 2, SNTL, Praha, 1989
- 17 (18) -
Název předmětu · Modul #
3.2.3 [15]
Odkazy na další studijní zdroje a prameny www.tzbinfo.cz
- 18 (18) -