Wymiarowanie instalacji freonowych (cz. 2.)

Po obliczeniu średnic rurociągów instalacji chłodniczej i ustaleniu ich odpowiednich długości oraz po narysowaniu podstawowego schematu ich przebiegu należy przemyśleć szczegóły rozwiązania instalacji. Dodatkowe informacje zamieszczone poniżej przydadzą się podczas tej fazy projektowania.

Charakterystyka rur miedzianych – w tab. 8. podano fizyczną charakterystykę rur miedzianych stosowanych do wykonywania rurociągów czynnika chłodniczego. Natomiast z tab. 9. można odczytać masę czynnika chłodniczego (w stanie ciekłym i parowym) wypełniającego rury opisane w tab. 8.

Rura ssawna musi zawsze być zaizolowana, aby uniknąć tworzenia się skroplin na zewnętrznej powierzchni i tym samym kapania wody z rury.

Rura ciekłego czynnika musi być zaizolowana tylko wtedy, gdy temperatura otoczenia (lub np. bezpośrednie promieniowanie słoneczne) jest wyższa niż temperatura cieczy (jest ona zazwyczaj o 4÷5 K niższa niż temperatura skraplania).

Rura tłoczna musi być zaizolowana tylko po to, by zabezpieczyć ludzi przed poparzeniami przy przypadkowym kontakcie (sprężarka tłoczy czynnik o temp. 70÷100°C) lub by uniknąć niepożądanego ogrzewania wnętrza. W małych urządzeniach chłodniczych rurę ssawną i cieczową łączy się i izoluje pojedynczą warstwą (nigdy w pompach ciepła). Wpływa to korzystnie na system, gdyż zapewnia się powrót oleju do sprężarki (ogranicza ewentualne parowanie kropel oleju spowodowane działaniem ciepła na rurę z czynnikiem ciekłym), a dochłodzenie ciekłego czynnika jest zwiększone.

Wydłużenia rur miedzianych spowodowane zmianami temperatury podano w tab. 10. Kompensację tych wydłużeń można uzyskać, stosując specjalne złącza (używać zgodnie z instrukcją producenta) lub przy użyciu wydłużek o kształcie „U” lub „L”, które kompensują rozszerzanie i kurczenie się rur. W tab. 11. podano wymiary takich wydłużek, przy czym należy pamiętać, że zawsze powodują one spadki ciśnienia w rurociągach, a więc powinno się stosować je ostrożnie.

Podpory stosowane w rurociągach czynnika chłodniczego muszą przejąć ciężar samych rur, a w pewnych wypadkach muszą zapewnić prawidłowe ich osiowanie. W wypadku znacznych wydłużeń zaleca się zastosowanie specjalne podpór zaprojektowane tak, aby rury mogły przesuwać się bez uszkadzania podpór. Maksymalna odległość pomiędzy podporami rurociągów poziomych wynika z odkształceń spowodowanych ciężarem rury. W tab. 12. podano maksymalne odległości pomiędzy podporami rur miedzianych w zależności od ich średnicy.

Kolana i złączki powodują znaczne spadki ciśnienia. Zakładając, że prędkość przepływu czynnika chłodniczego w stanie parowym jest taka sama (im mniejszy kąt zakrzywienia rury, tym mniejsze są spadki ciśnienia). A zatem należy dążyć do zmniejszenia kątów zakrzywienia rur. Jeśli rurociąg musi ominąć przeszkodę, to lepiej jest wykonać dwa kolana 45° niż jedno kolano o 90° (rys. 5.). Zastosowanie tych kształtek wymaga szczególnego rozważenia, a na rys. 6. przedstawia kilka rozwiązań zmian kierunków przepływu czynnika w rurociągach.

Rozchodzenie się drgań i hałasu musi być uwzględniane podczas projektowania instalacji chłodniczych. Problem ten jest skomplikowany i nie może być dokładnie opisany w tym artykule; zawarto więc w nim tylko praktyczne wskazówki natury ogólnej. Drgania wywołane są m.in. przez pulsację pary czynnika chłodniczego w rurze tłocznej sprężarki, a następnie są one przeniesione przez rury i ciekły czynnik chłodniczy. Celem tłumienia drgań jest:

• zapobieganie zużyciu i zniszczeniu instalacji,
• zapobieganie przenoszeniu się drgań z instalacji do struktury budynku,
• ograniczanie poziomu hałasu.

Podstawową metodą ograniczania hałasu jest zmniejszanie prędkości przepływu czynnika chłodniczego do najniższych możliwych wartości (ciecz 0,5÷1 m/s; para 5÷14 m/s maksymalnie). Zostało to już uwzględnione przy okazji projektowania rurociągów instalacji czynnika chłodniczego w aspekcie ograniczania spadków ciśnienia.

Wibroizolacyjne podpory (amortyzatory) muszą mieć taką charakterystykę, aby nie dopuścić do przenoszenia drgań z rur na ściany. Zaleca się, aby strzałka ugięcia kolejnych trzech podpór od strony sprężarki na długości 15 m była taka sama jak stała strzałka ugięcia podpór sprężarki. Muszą być stosowane połączenia elastyczne, gdy zewnętrzne średnice rur są większe niż 50 mm i przy każdej innej średnicy, jeśli rura jest prowadzona poniżej lub w pobliżu miejsc, gdzie stosowanie izolacji akustycznej jest konieczne.

Jeśli rury prowadzone są przez ściany, to muszą być odizolowane od muru, odpowiednio do koniecznego stopnia ugięcia. Szczególną uwagę należy zwrócić na uszczelnienie otworów w ścianach, aby uniknąć przenoszenia hałasu z jednego pomieszczenia do drugiego. Uszczelnienie może być wykonane za pomocą specjalnych podpór lub przy użyciu materiałów takich, jak włókno szklane lub inne elastyczne szczeliwo. Mocowanie pionów musi zostać rozważone w innym aspekcie. W tym przypadku głównym zadaniem podpór jest ograniczenie i kontrolowanie wydłużeń rury (w kierunku pionowym). A zatem muszą być one sztywno przymocowane do ścian. Takie rozwiązanie oznacza, iż nie będzie można osiągnąć żadnej strzałki ugięcia, dlatego podpory i kotwy muszą być instalowane w miejscach, w których dopuszczalne jest przenoszenie drgań.

Natomiast gdy zabezpieczenie przed drganiami i hałasem jest konieczne, to można użyć zwykłych metod montażu, które ograniczają przenoszenie hałasu. A więc można stosować sprężyny i/lub gumowe podkładki. W praktyce sztywne kotwy uniemożliwiają ugięcie rur, a zatem drgania muszą być wytłumione przed tymi podporami.

Elastyczne złącza wpływają korzystnie na tłumienie drgań i wibracji oraz przejmują wydłużenia cieplne rur; zabezpieczają one zatem sprężarkę przed naprężeniami powstałymi w instalacji, tłumią przenoszony hałas i drgania oraz odciążają podpory, wzmagając elastyczność rur. Typ elastycznych złączy używanych zazwyczaj w instalacjach czynnika chłodniczego zapewnia kompensację bocznych ruchów rurociągów prostopadłych do wzdłużnej osi.

Jednakże tego typu złącza mają małą elastyczność w kierunku osiowym (wzdłużnym). Złącza elastyczne muszą być dobierane odpowiednio do średnicy rurociągów. Aby osiągnąć najlepsze wyniki, zaleca się stosowanie złączy na każdym rurociągu umieszczonych w stosunku do siebie pod kątem 90°. Elastyczne złącza są bardziej efektywne na rurach ssawnych niż na rurach cieczowych i tłocznych, ponieważ pod wpływem wysokiego ciśnienia stają się one sztywniejsze.

Przykład 1.

Warunki pracy wybranych urządzeń (agregat skraplający i szafa klimatyzacyjna z wymiennikiem bezpośredniego odparowania czynnika chłodniczego):

• temp. powietrza w pomieszczeniu – 27°C,
• wilgotność względna powietrza – 50%,
• temperatura otoczenia – 32°C.

Dane określone w projekcie technicznym:

• zapotrzebowanie na moc chłodniczą – 33,0 kW,
• moc pobierana przez sprężarkę – 9,4 kW. Długości rur w obiegu czynnika chłodniczego obrazuje rys. 7.

Średnice rur ssawnych – w tab. 2. (RI 12/07, s. 90.) należy odszukać kolumnę z temperaturą nasycenia po stronie ssawnej +5°C (dopuszczalna zmiana temp. w zakresie od +1 do 8°C). Rura o średnicy zewn. ø 35 mm umożliwia uzyskanie mocy chłodniczej równej 37,31 kW; wartość ta musi być skorygowana, ponieważ wybrane urządzenia pracują przy temperaturze powietrza o ok. 15 K wyższej niż temperatura otoczenia, tzn. ok. 48÷49°C. Toteż moc chłodnicza wynosi:

37,31×0,93 = 34,69 kW.

Odpowiednia długość efektywna obliczana jest w odniesieniu do wybranej średnicy ø 35 mm (z tab. 3. widać, że kolano rurowe o średnicy ø 35 odpowiada długości zastępczej 1 m). Dlatego też:  

wartość ΔT odpowiada dopuszczalnemu spadkowi ciśnienia.

Warunki powrotu oleju: z tab. 6. można odczytać, iż rurze o średnicy ø 35 odpowiada wymagana minimalna moc chłodnicza 8,325 kW.

Ponieważ w ekstremalnych warunkach minimalna moc chłodnicza wynosi 24 kW, to powrót oleju smarowego do sprężarki jest zapewniony.

Średnice rur po stronie cieczowej – odnosząc się po raz kolejny do tab. 2. wybieramy średnicę rury ø18 z kolumny ΔT = 0,02 K/m. Wartości w kolumnie odpowiadającej prędkości przepływu czynnika v = 0,5 m/s są odpowiedniejsze w przypadku skraplaczy chłodzonych wodą, ponieważ wymagają one doboru rur o większej średnicy, a zatem i droższych. Rura o średnicy zewnętrznej ø 18 zapewnia moc chłodniczą 37,49 kW.

Zgodnie z dobraną średnicą możemy ustalić odpowiadającą jej efektywną długość rurociągu (z tab. 3. wynika, że długość zastępcza łuku rurowego o średnicy ø 18 mm odpowiada długości prostego odcinka rury 0,5 m, a długość zastępcza zaworu elektromagnetycznego odpowiada długości rury 10 m). Toteż:

co mieści się w dopuszczalnym zakresie.

Obliczenie masy czynnika chłodniczego wymaganego do napełnienia instalacji – rzeczywista długość rurociągów ssawnych i cieczowych wynosi 2 m (rys. 7.). Z tab. 9. przy zadanych średnicach rur otrzymuje się:

• średnicę zewnętrzną [mm]: ø 35 (rurociąg ssawny) – 0,195 [kg/10 m], ø 18 (rurociąg cieczowy) – 2,36 [kg/10 m],
• całkowitą masę wynoszącą: 0,195 x 1 + 2,36 x 1 = 2,555 kg.

Masa oleju znajdującego się w instalacji może spowodować jego braki (olej łatwo miesza się z freonem). Należy więc sprawdzić poziom oleju w sprężarce. W normalnych warunkach należy zwiększyć masę oleju o ok. 10% w stosunku do masy freonu 22 (10 kg R22 = 1 kg oleju do dodania).

Przykład 2.

Warunki pracy wybranych urządzeń:

• temperatura powietrza w pomieszczeniu – 27°C,
• wilgotność względna – 50%,
• temperatura otoczenia – 32°C,
• bezskraplaczowy agregat wody ziębniczej: nominalna moc chłodnicza – 35,7 kW, temperatura wody – 12/7°C, temperatura skraplania – +50°C, pobierana moc elektryczna – 11,8 kW,
• zdalny skraplacz o mocy cieplnej 51 kW przy różnicy 18 K pomiędzy temperaturą skraplania a temperaturą otoczenia (moc cieplna do odprowadzenia 47,5 kW).

Dane z projektu technicznego:

• zapotrzebowanie na moc chłodniczą – 35,0 kW,
• czynnik chłodniczy R22,
• temperatura wody – 12/7°C,
• temperatura otoczenia – 32°C.

Długość rurociągów w obiegu czynnika chłodniczego pokazano na rys. 8.

Średnice rur tłocznych należy odczytać z tab. 2. w kolumnie odpowiadającej temperaturze nasyconej pary po stronie ssawnej +5°C. Rura o średnicy ø 28 pozwala na uzyskanie mocy chłodniczej 29,70 kW, której wartość jednak musi zostać skorygowana, ponieważ temperatura skraplania wynosi ok. 50°C. Dlatego też moc chłodnicza wynosi:

29,70×1,11 = 32,967 kW.

Na podstawie dobranej rury o średnicy (ø 28) można obliczyć odpowiadającą efektywną długość rur (z tab. 3. wynika, że długość zastępcza łuku rurowego o średnicy 28 mm wynosi 0,8 m, a zaworu zwrotnego 3,6 m):  

co mieści się w dopuszczalnym zakresie spadku temperatury.

Z tab. 7. wynika, że wymagana minimalna moc chłodnicza w przypadku rury o średnicy ø 28 wynosi 6,291 kW, tak że transport oleju jest zapewniony.

Średnice rur cieczowych – postępując w ten sam sposób jak w przykładzie 1. dobiera się rurę o średnicy ø 18 mm. Odpowiednia efektywna długość rurociągu wynosi 12,1 m. Toteż:

Obliczenie masy czynnika chłodniczego do napełnienia instalacji następuje w ten sam sposób jak w poprzednim przykładzie; z tab. 9. otrzymujemy:

• średnicę zewnętrzną [mm]: ø 28 (rurociąg ssawny) – 0,32 [kg/10 m], ø 18 (rurociąg cieczowy) – 2,36 [kg/10 m],
• całkowitą masę czynnika chłodniczego: 0,32×1,1 + 2,36×1,1 = 2,95 kg.

Uwzględniając warunki pracy urządzenia, uwagi z poprzedniego przykładu dotyczą również tego przykładu.

Praktyczne metody wyznaczania średnic rurociągów instalacji

Do wstępnego wymiarowania instalacji chłodniczej mogą okazać się pomocne rys. 9., 10. i 11., dotyczące strony: ssawnej, tłocznej i cieczowej.

Na podstawie zadanej mocy chłodniczej i dobranej średnicy rur z wykresów można wyznaczyć wartości jednostkowych spadków ciśnienia w rurociągach. Jeśli te wartości pomnożymy przez odpowiednie długości przewodów czynnika chłodniczego, to otrzymamy całkowity spadek ciśnienia, którego wartość powinna być mniejsza niż maksymalna wartość podana w prawym górnym rogu każdego wykresu. Rys. 9.÷11. odnoszą się do temperatury parowania R22 wynoszącej 4°C i temperatury skraplania 45°C.

Z rys. 1. wynika, że przy mocy chłodniczej 33 kW są możliwe średnice rur: ø 28, 35, 42. Jeśli wybierzemy rurę o najmniejszej średnicy, to otrzymuje się jednostkowy spadek ciśnienia po stronie ssawnej urządzenia wynoszący 1,7 kPa/m. Z tab. 3. długość zastępcza łuków rurowych o średnicy zewnętrznej ø 28 wynosi 0,6 m. Odpowiednia długość efektywna przewodów wynosi zatem 13,2 m. Jeżeli ta liczba zostanie pomnożona przez jednostkową wartość spadku ciśnienia, to całkowity spadek ciśnienia wyniesie 22,4 kPa. Oznacza to, że należy dobrać rurę o większej średnicy (ø 35).

Podsumowanie

W artykule przedstawiono zagadnienia dotyczące prawidłowego wymiarowania instalacji freonowych. Z uwagi na dostępność materiałów dokonano prezentacji sposobu wymiarowania instalacji freonowych w oparciu o wycofany jednorodny czynnik chłodniczy R22. Przedstawione przykłady oraz tok rozumowania można jednak odnieść do obecnie wykorzystywanych czynników chłodniczych – mieszanin zeotropowych R407C i R410A.

Autor ma nadzieję, iż zawarte w artykule przykłady wymiarowania instalacji freonowych dla bezskraplaczowych agregatów wody ziębniczej przeznaczonych do współpracy ze zdalnym skraplaczem oraz agregatów skraplających współpracujących z wymiennikiem bezpośredniego odparowania czynnika chłodniczego, przybliżą projektantom systemów klimatyzacyjnych zagadnienia związane z zachowaniem się czynników chłodniczych w instalacji, jak również podstawowe aspekty dotyczące freonowych instalacji klimatyzacyjnych. Są to bowiem, obok instalacji opartych na wodzie ziębniczej, najbardziej popularne systemy klimatyzacyjne.  

Literatura

1. Materiały szkoleniowe firmy KLIWEKO BTH.
2. Biuletyny techniczne firmy CLIVET.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!