87 2 2012 kgh

BIBLID 03501426 (206) 41:2 p. 8795

EXPERIMENTAL ANALYSIS OF A COMMERCIAL REFRIGERATION SYSTEM OPERATING WITH R22 AND THE HYDROCARBON R1270This work contributed to the knowledge on the study to replace halogenated fluids by natural refrigerants reducing the damage to the environment. Initially, it was important to know the operation limits of the experimental facility, with maximum refrigerating capacity of 17.5 kW. At the same time to the first goal, instrumentation and control strategies were adopted, allowing extending the focus of this research such as the energy savings. The experimental facility has been submitted at three different configurations: the first one depicted a conventional refrigeration system that, basically, consists of a reciprocating compressor working at nominal frequency, two concentric tubes heat exchanger, a thermostatic expansion valve (TEV) and R22 as work fluid; in the second case, the compressor speed was controlled by an inverter frequency drive and an electronic expansion valve (EEV) replaced the thermostatic expansion valve (TEV) and, finally, it was proposed a third system configuration, exactly the second one, in which was used R1270 (propylene) as the working fluid. The experimental results showed that the system operating at frequencies below 60 Hz and the implementation of a PID controller in the expansion device enabled the improvement in the coefficient of performance (COP) of the automated system compared to the COP of the conventional system, which used an onoff controller. Consequently, the automation of the conventional system reduced by 35% the average monthly energy consumption. The replacement of R22 by R1270 increased even more the values of the COP and reduced the environmental damage, calculated by the total equivalent warming impact (TEWI). It was showed that the automation and the replacement of a traditional fluid by a hydrocarbon decrease up to 39% the damage to the environment for this specific application

KEY WORDS: refrigeration; air conditioning; control; R22 and R1270

ARTHUR HELENO PONTES ANTUNES, arthur.h.p.antunes@gmail.com, i ENIO PEDONE BANDARRA FILHO, bandarra@mecanica.ufu.br, Savezni univerzitet u uberlandiji, Mainski fakultet, Laboratorija za energiju i toplotne sisteme, Uberlndia/MG, Brasil

Ovaj rad predstavlja doprinos studiji o zameni halogenizovanih fluida prirodnim rashladnim fluidima, ime se smanjuje teta koja se nanosi ivotnoj sredini. Na poetku je bilo vano znati ogranienja rada eksperimentalnog postrojenja, sa maksimalnim rashladnim kapacitetom od 17,5 kW. Istovremeno su usvojeni glavni cilj, instrumenti i strategije regulacije, ime je omogueno da se panja ovog istraivanja proiri i na utedu energije. Eksperimentalno postrojenje je uraeno sa tri razliite konfiguracije: u prvoj je opisan konvencionalni rashladni sistem koji se u osnovi sastoji od klipnog kompresora koji radi sa nominalnom frekvencijom, dva razmenjivaa toplote sa koncentrinim cevima, termostatskim ekspanzionim ventilom (TEV) i R22 kao radnim fluidom; u drugom sluaju, brzina kompresora je regulisana korienjem pogona sa promenljivim brojem obrtaja, a elektronski ekspanzioni ventil (EEV) je upotrebljen kao zamena za termostatski ekspanzioni ventil (TEV). Na kraju je predloena trea konfiguracija sistema, ista kao druga, ali u kojoj je kao rashladni fluid korien R1270 (propilen). Eksperimentalni rezultati su pokazali da sistem koji radi sa frekvencijom ispod 60 Hz i primena PID regulatora u ekspanzionom ureaju omoguavaju poboljanje koeficijenta hlaenja (COP) automatizovanog sistema u poreenju sa koeficijentom hlaenja (COP) konvencionalnog sistema, koji koristi regulator onoff. Rezultat toga je taj da je automatizacija konvencionalnog sistema smanjila prosenu mesenu potronju energije za 35%. Zamenom R22 fluidom R1270 jo vie su poveane vrednosti koeficijenta hlaenja i smanjena je teta koja se nanosi ivotnoj sredini, proraunata preko ukupnog ekvivalentnog uticaja zagrevanja (total equivalent warming impact TEWI). Pokazano je da automatizacija i zamena tradicionalnog fluida ugljovodonikom smanjuje za 39% tetu koju ova konkretna aplikacija nanosi ivotnoj sredini

Kljune rei: hlaenje; klimatizacija; regulacija; r22; R1270

eksperimentalna analiza komercijalnog rashladnog sistema u kojem se koriste r22 i ugljovodonik r1270

88kgh 2 2012

1. Uvod Od stvaranja ciklusa kompresije pare, razvoj rashladne i klimatizacione industrije je direktno povezan sa razvojem rashladnih fluida, koji uzima u obzir potrebe drutva. Na prvom mestu, rashladni fluid mora da ima sloen skup karakteristika neophodnih da se to efikasnije izvri proces razmene toplote u termodinamikom ciklusu. U ovom trenutku, halogenizovane supstance zadovoljavaju ove potrebe i uspeno se koriste irom sveta u sektoru grejanja, hlaenja, klimatizacije i ventilacije.Tokom prethodnih decenija u velikoj meri se razmatralo pitanje degradacije ivotne sredine na globalnom nivou. Emisija rashladnih fluida ili CO2 od upotrebe sistema za KGH je na prvom mestu, ali ne iskljuivo, povezana sa dva globalna ekoloka problema, a to su oteenje ozonskog omotaa i globalno zagrevanje. Protokol iz Montreala (1987) i Protokol iz Kjota (1997) su kroz razne mere zahtevali da se eliminie i smanji emisija ovih gasova. Meu gasovima koji negativno utiu na ivotnu sredinu, istiu se konvencionalni rashladni fluidi (CFC, HCFC i HFC). Zbog toga se namee neophodnost da se u najkraem roku ovi fluidi zamene alternativnim rashladnim fluidima koji manje agresivno utiu na ivotnu sredinu. Ugljovodonici, zajedno sa vodom, amonijakom i ugljendioksidom predstavljajuju rashladne fluide koji zadovoljavaju uslove nultog potencijala u pogledu oteenja ozonskog omotaa (potencijal oteenja ozonskog omotaa ODP) i takoe imaju zanemarljiv potencijal globalnog zagrevanja (GWP). Takoe, ovi prirodni rashladni fluidi predstavljaju supstance kojih u prirodi ima u obilju, to doprinosi i konkurentnosti ovih fluida na svetskom tritu. Peixoto (2007) je opisao nacionalni i internacionalni scenario o korienju HC u industriji KGH. to se tie komercijalnog hlaenja (kompaktni ureaji, kondenzatorski agregati i centralizovani sistemi) u evropskim zemljama, u kojima evropski standardi o bezbednosti zahtevaju smanjenje rashladnih optereenja, koriste se R600a, R290 i meavine ugljovodonika u komercijalnoj kompaktnoj opremi za manje radnje. Amonijak i ugljovodonik kao primarni rashladni fluidi u indirektnim sistemima (ukljuujui R1270 i R290) primenjuju se i koriste u nekoliko evropskih zemalja. to se tie industrijskog hlaenja, koriste se R1270, R290 i meavine R290/R600a, budui da svi ovi fluidi pokazuju uslove zasienja (pritisak i temperatura), koji su vrlo slini uslovima koji se dobijaju kada se koriste R22 i R502.Colbourne i Suen (2000) su pokazali prednosti primene ugljovodonika u vezi sa korienjem fluorisanih rashladnih fluida. Primena ugljovodonika je predstavljala poboljanje uinka i to do 6,0% u rashladnim ureajima za domainstva, 15,0% u ureajima za komercijalno hlaenje, 8,8% za klimatizaciju i 9,6% za toplotne pumpe.Park and Jung (2007) su analizirali toplotne karakteristike dva ugljovodonina rashladna fluida (R290 i R1270) u pokuaju da zamene R22. Oni su koristili eksperimentalno postrojenje opisujui klimatizacioni sistem/sistem toplotne pumpe sa kapacitetom od 3,5 kW. Rezultati ispitivanja su pokazala da su koeficijenti efikasnosti ugljovodoninih rashladnih fluida bili za 11,5% vii od koeficijenata za R22 u svim uslovima. Corberan i grupa autora (2008) su prikazali svoj rad o glavnim standardima za bezbednost koji su usvojeni za primenu ugljovodoninih rashladnih fluida. Veina standarda obuhvata sledee grupe tema: klasifikaciju vrste rashladnih fluida (toksinost i zapaljivost), ovlaena mesta (za uvanje), maksimalne koliine rashladnog fluida; uslove za konstruisanje mehanikog sistema i spoljanje resurse povezane sa instalacijom (kao to su ventilacija i otkrivanje ugljovodonika).

Svi rashladni ureaji doprinose globalnom zagrevanju na dva naina, direktno i indirektno. U sluaju kada rashladni fluid istie u atmosferu, globalno zagrevanje je direktno proporcionalno potencijalu globalnog zagrevanja svakog rashladnog fluida. Kada nastane emisija ugljendioksida nakon sagorevanja fosilnih goriva radi proizvodnje elektrine energije i rada neophodnog za rad kompresora, globalno zagrevanje je indirektno i zavisi od potronje elektrine energije. Uteda energije je direktno povezana sa karakteristikama svakog ureaja u sistemu. Smanjenje karakteristika zbog razliite podeenosti klimatizacije usled gubitka modulacije onoff ciklusa razmatrali su autori Nguyen i drugi (1982), koji su zakljuili da isprekidan rad sistema izaziva razne probleme, kao to su velika koliina energije koja se troi na pogon kompresora i odravanje eljene temperature isparavanja. Racionalno korienje elektrine energije, zajedno za tehnikama regulacije omoguava da ovi automatizovani rashladni sistemi na inteligentan nain rade kontinuirano nekoliko sati.Elektronski ekspanzioni ventil omoguava bolji uinak u poreenju sa konvencionalnim ekspanzionim ureajima prema studijama rashladnih sistema (Schmidt, 1999).Pttker (2006) je uzimao u obzir uticaj stepena otvaranja ekspanzionog ureaja, brzinu kompresora i punjenje rashladnog fluida. Komparativni testovi su pokazali da sistemi koji su opremljeni kompresorom sa promenljivim brojem obrtaja (VRC) i elektronskim ekspanzionim ventilom (EEV) uvek budu efikasniji od sistema sa VRC i ekspanzionim ureajem sa diznom, i efikasniji od sistema sa kompresorom sa konstantnom brzinom i elektronskim ekspanzionim ventilom (EEV).Garcia (2010) je izvrio eksperimentalno ispitivanje sa korienjem fazi regulatora u rashladnom sistemu sa kompresijom pare u kojem se kao rashladni fluid koristi R22. Rezultati su pokazali optimalne karakteristike rashladnog sistema, to predstavlja utedu u potronji elektrine energije do 20%, delujui na EEV i brzinu kompresora. Cilj ovog rada je da doprinese podizanju svesti o potrebi da se halogenizovani fluidi zamene prirodnim rashladnih fluidima. Zamisao je bila da se kao rashladni fluid koristi R22, a da se zatim zameni fluidom R1270 (propilenom).Pored glavnog cilja, odlueno je da se odredi koliina elektrine energije koju troi konvencionalan rashladni sistem i da se uporedi sa energijom koju troi automatizovani sistem. Za oba cilja je bilo neophodno isplanirati tri projekta za izvoenje eksperimenata, odnosno tri razliite konfiguracije postrojenja (konvencionalan sistem sa R22, automatizovani sistem sa R22 i automatizovani sistem sa R1270), kako bismo dokazali da automatizacija komercijalnog rashladnog sistema daje bolji koeficijent hlaenja i, takoe, kako bismo dokazali da bi R1270 mogao da zameni R22.

2. Metodologija Na poetku je za rashladni sistem uraen eksperimentalni projekat, kako bi se analizirao uticaj svakog parametra na celokupno ponaanje sistema.

2.1. Eksperimentalno postrojenje Eksperimentalno postrojenje u osnovi ine alternativni kompresor, dva razmenjivaa toplote sa koncentrinim cevima, dva paralelna ekspanziona ventila, za filtersua, mera masenog protoka coriolis i ostali odgovarajui instrumenti, kao to su pretvarai pritiska i termoparovi. Postavljanje dva mehanizma ekspanzije, na obilaznom vodu, izvreno je sa namerom da se svaki ventil koristi odvojeno za svaki ek

89 2 2012 kgh

sperimentalni plan. Na slici 1 je ematski opisano eksperimentalno postrojenje iz ove studije.

Rashladni sistem

Odzivi ili zavisne promenljive: rashladni kapacitet i koeficijent uinka

Faktori ili nezavisne promenljive:

frekvencija kompresora i stepen pregrevanja

Centralni sloeni projekat

T = j + j xj + i xi xj + i xm2 +

j=1 Kj j-i

Matrica eksperimenataPonavaljanja i sluajnost

Analiza uticaja faktora

na odziv

Analiza varijacija: statistika

provera

Metodologija odzivnih povrina

Poluempirijski model: funkcija prenosa

Slika 2. Postupak korien za eksperimentalno projektovanje

Senzori su korieni za merenje temperature (PT100) i pritiska (piezootporni), prikupljanje podataka je izvreno pomou elektronske ploe sa analognim izlaznim signalom.

tgomeryu (2003), odzivne povrine se koriste kada na promenljive utiu mnoge nezavisne promenljive, a zadatak je da se ti odzivi optimiziraju.Grafikon na slici 2 ilustruje postupak koji je primenjen tokom planiranja testova.Prvi eksperimentalni plan je bio zasnovan na analizi koeficijenta hlaenja. Namera je bila da se vrate optimalni radni uslovi konvencionalnog sistema u kojem se koristi R22. Drugi eksperimentalni plan, izraen za automatizovani sistem u kojem se koristi R22, imao je za cilj da istrai ceo opseg frekvencija kompresora. Trei projekat je izraen kako bi se dokazalo da se rashladni fluid R1270 ponaa isto kao rashladni fluid R22.

3. Eksperimentalni rezultati Testovima koji su obavljeni u eksperimentalnom postrojenju prethodio je niz koraka, uzimajui u obzir elektrine i termodinamike akspekte, spreavajui tetu na komponentama postrojenja. Tri projekta eksperimenata (jedan za svaku konfiguraciju) dala su 51 ispitivanje, obavljeno prilikom stacionarnog strujanja. Pored toga, uraena je komparativna analiza rada konvencionalnog sistema sa R22, automatizovanog sistema sa R22 i automatizovanog sistema sa R1270, i to oba u prelaznom reimu, kako bi se vizuelizovalo ponaanje raznih parametara sistema za obe vrste usvojene regulacije (onoff i PID).

3.1. Analiza konvencionalnog sistema sa R22 Prvi eksperimentalni projekat imao je za cilj da istrai granice i obezbedi optimalne uslove rada eksperimentalnog postrojenja. Primenom softvera STATISTICA, razvijen je centralni sloeni projekat sa tri faktora: maseni protok vode koja cirkulie kroz ispariva, temperatura vode koja ulazi u ispariva i punjenje R22. Devetnaest testova je planirano i nivoi faktora su usvojeni prema tabeli 1.Pravilan rad bilo kog rashladnog sistema koji radi sa ciklusom kompresije pare zahteva da se nadgledaju odreeni termodinamiki parametri, kao to su temperatura ispara

P3 T3

P4 T4 P1 T41

P2 T2

P5 T10

T5

T9 T5

T6

T0

Pumpa

Filter-sua Kondenzator

Meramasenogprotoka

Meramasenogprotoka

UsisniakumulatorRezervoar za

akumulacijutoplote

Displejneto

vrednostiKompresor

promenljivebrzine

Ispariva

Elektronskiekspanzioni

ventil

Pumpa

Rashladnitoranj

Termostatskiekspanzioni

ventil

Slika 1. ematski prikaz eksperimentalnog objekta

Mera protoka coriolis je korien za merenje protoka R22 u glavnom kolu. Analogni signali temperature, pritiska i protoka su konvertovani u digitalne preko logikog kontrolera koji se moe programirati (PLC). Podaci su praeni i njima je upravljano preko interfejsa koji je napravljen pomou softvera LABVIEW. Voda iz rashladnog tornja je koriena za kondenzovanje radnog fluida u kolu. Pored toga, prenos toplote u isparivau je postignut korienjem rezervoara za akumulaciju toplote koji stimulie toplotno optereenje preko elektrinog otpora od 21 kW kojim je upravljao PID kontroler programiran u PLCu, sa funkcijom da odrava stabilnost eljene temperature vode na ulazu u ispariva. Invertor frekvencije je takoe postavljen za regulaciju brzine kompresora prema potrebnom sistemu.

2.2. Eksperimentalni planovi Metodologija koja je koriena tokom analize je metoda odzivnih povrina (RSM response surface methodology). Prema autorima Caladou i Mon

90kgh 2 2012

vanja i kondenzacije, stepen pregrevanja (meren na delu gde se nalazi dava TEVa, posle izlaza iz isparivaa) i stepen pothlaivanja. Svi ovi odzivi sistema moraju da budu usklaeni sa graninim vrednostima prikazanim u tabeli 2 i sve ove vrednosti su zadate od strane proizvoaa kompresora, jer rad postrojenja odraava normalne uslove rashladnog sistema.

Tabela 1. Vrednosti na donjem, centralnom i gornjem nivou mase-nog protoka vode u isparivau, temperature vode na ulazu u ispari-

va i mase R22 za prvi eksprimentalni projekat

Faktori eksperimentalnog projekta

m W [kg/s]

Donji Centralni Gornji

0,25 0,30 0,35

TW,IN,EV [C]

Donji Centralni Gornji

25,0 27,0 29,0

mR22 [kg]

Donji Centralni Gornji

1,60 1,80 2,00

Tabela 2. Granine vrednosti temperature isparavanja i kondenzaci-je, stepen pregrevanja i stepen pothlaivanja za klimatizaciju

Ograniavajui parametri

TEV [C] TCD [C] TSH [C] TSC [C]

Min Max Min Max Min Max Min Max

0,0 5,0 30,0 45,0 6,0 12,0 3,0 10,0

U tabeli 3 je predstavljen pregled glavnih rezultata koji se tiu ponaanja konvencionalnog rashladnog sistema u kojem se koristi R22 u skladu sa varijacijom tri faktora prvog eksperimentalnog projekta. Kompresor je u svakom od 19 testova radio sa frekvencijom od 60 Hz, to je kao rezultat imalo jedinstvenu vrednost potroene energije, 3,14 kW tokom prvog skupa testova. Zanimljivo je primetiti da je koeficijent hlaenja izuzetno osetljiv na promene u masi rashladnog fluida. Rashladni ciklus (slika 1) nema rezervoar tenosti posle kondenzatora (visok pritisak), tako da se moe verifikovati uticaj punjenja rashladnog fluida na uinak sistema. Treba imati u vidu da minimalna vrednost ovog faktora (1,4 kg) odgovara koeficijentu hlaenja od 1,1. Kada se punjenje R22 povea na 2,0 kg, koeficijent hlaenja dostie maksimalnu vrednost od 2,9. Poveavanjem mase rashladnog fluida u sistemu, rashladni kapacitet se smanjuje i, prema tome, smanjuju se vrednosti koeficijenta hlaenja.Nakon obavljenih testova, prema statistikoj metodologiji centralnog sloenog projekta, izvedena je kvadratna jednaina za ponaanje odziva (koeficijent hlaenja) kao funkcija tri faktora, omoguavajui da se ovaj odziv pobolja. Kritine take su koreni kvadratne jednaine (poluempirijski model), koje se vraaju na maksimalnu taku odziva, to jest, 3,1 za koeficijent hlalenja. Tabela 4 pokazuje kritine take. Vrednosti sva tri faktora koje se odnose na test broj 8 (istaknute tj. osenene su u tabeli 3) bile su one koje predstavljaju najbolje vrednosti koeficijenta hlaenja konvencionalnog sistema koji radi sa R22. U ovim uslovima, vrednosti faktora iz testa broj 8 usvojene su za drugi eksperimentalni projekat.

Tabela 3. Ulazne vrednosti sistema (faktori: maseni protok vode ko-ja cirkulie kroz ispariva, temperatura vode koja ulazi u ispariva i punjenje R22) i izlazne vrednosti sistema (odzivi) za prvi eksperi-

mentalni projekat konvencionalni sistem sa R22

Test

Faktori Odzivi

m W[kg/s]

TW,IN,EV[C]

mR22[kg]

TSH[C]

Q EW[kW]

COP[]

6 0,35 25,0 2,00 6,3 8,80 2,80

9 0,22 27,0 1,80 5,4 7,71 2,45

14 0,30 27,0 2,14 6,3 8,73 2,76

4 0,25 29,0 2,00 7,1 8,62 2,74

10 0,38 27,0 1,80 6,6 8,86 2,82

7 0,35 29,0 1,60 6,7 3,48 1,12

16 0,30 27,0 1,80 6,3 8,45 2,69

3 0,25 29,0 1,60 6,6 3,29 1,06

13 0,30 27,0 1,46 8,8 3,47 1,10

18 0,30 27,0 1,80 6,6 8,38 2,67

15 0,30 27,0 1,80 6,4 8,35 2,65

17 0,30 27,0 1,80 6,6 8,51 2,71

1 0,25 25,0 1,60 6,6 3,79 1,22

5 0,35 25,0 1,60 6,7 3,62 1,17

2 0,25 25,0 2,00 6,8 7,95 2,53

12 0,30 30,4 1,80 6,7 8,50 2,70

8 0,35 29,0 2,00 7,5 9,05 2,92

11 0,30 23,5 1,80 6,5 8,03 2,55

19 0,30 27,0 1,80 6,8 8,38 2,66

Tabela 4. Minimalne, maksimalne i kritine vrednosti posmatrane za faktore koji se odnose na ponaanje koeficijenta uinka za konven-

cionalan sistem sa R22

Faktori Minimalna vrednostKritina vrednost

Maksimalna vrednost

m W [kg/s] 0,21 0,34 0,38

TW,IN,EV [C] 23,6 28,2 30,4

mR22 [kg] 1,46 2,00 2,13

3.2. Analiza automatskog sistema sa R22

Drugi plan je imao za cilj da istrai celokupan opseg radne frekvencije i razliite vrednosti stepena pregrevanja. Trinaest testova je osmiljeno u skladu sa nivoima faktora predstavljenim u tabeli 5.

Tabela 5. Vrednosti nivoa radne frekvencije i stepena pregreva-nja rashladnog fluida posle isparivaa u drugom eksperimental-

nom projektu

Faktori eksperimentalnog projekta

FCP [Hz]

Donji Centralni Gornji

40,0 50,0 60,0

TSH [C]

Donji Centralni Gornji

5,0 10,0 15,0

91 2 2012 kgh

U tabeli 6 su prikazani rezultati koji se odnose na ponaanje automatizovanog rashladnog sistema u kojem se koristi R22 u skladu sa varijacijom dva faktora drugog eksperimentalnog projekta. Glavni zakljuci se odnose na fleksibilnost rada sistema. Od ulaznih uslova masenog protoka vode i punjenja R22, koje je fiksno, razliiti kapaciteti i koeficijenti hlaenja su postignuti samo zbog varijacije stepena pregrevanja i radne frekvencije kompresora. Pokazalo se da su ovi uslovi idealni za primenu kada je toplotno optereenje promenljivo tokom perioda kada sistem radi.

Tabela 6. Ulazne vrednosti sistema (faktori: radna frekvencija kom-presora i stepen pregrevanja) i izlazne vrednosti sistema (odziva) za drugi eksperimentalni projekat automatizovani sistem sa R22

Test

Faktori Odzivi

FCP[Hz]

TSH[C]

Q EW [kW]

W CP [kW]

COP[]

11 50,0 10,0 8,75 2,29 3,82

12 50,0 10,0 8,81 2,27 3,88

5 50,0 2,9 10,07 2,29 4,40

3 40,0 15,0 7,22 1,78 4,05

4 60,0 15,0 7,11 3,10 2,29

1 40,0 5,0 10,26 1,78 5,77

10 50,0 10,0 8,97 2,29 3,92

7 35,8 10,0 7,08 1,66 4,27

9 50,0 10,0 8,81 2,29 3,85

2 60,0 5,0 10,29 3,10 3,32

13 50,0 10,0 8,81 2,27 3,88

8 64,1 10,0 8,78 3,56 2,47

6 50,0 17,1 7,21 2,29 3,15

3.3. Analiza automatizovanog sistema u kojem se koristi R1270

Trei plan je obavljen sa ciljem da istrai celokupan opseg radne frekvencije kompresora kako bi se varirao stepen pregrevanja i pronalo optimalno punjenje R1270, radi fleksibilnog rada sistema. Izvreno je 16 testova, koji su planirani kao nivoi faktora u tabeli 7.

Tabela 7. Vrednosti nivoa radne frekvencije kompresora, stepen pregrevanja i punjenja R1270 za trei projekat

Faktori eksperimentalnog projekta

FCP [Hz]

Donji Centralni Gornji

40,0 50,0 60,0

TSH [C]

Donji Centralni Gornji

5,0 10,0 15,0

mR1270 [kg]

Donji Centralni Gornji

0,7 1,0 1,3

Dok je obavljan trei skup ispitivanja (testova), usvojen je niz postupaka kako bi se osigurala bezbednost opreme i ljudi, budui da je R1270 vrlo zapaljiv. Takoe je u ovoj fazi

uzet u obzir evropski standard EN 378 iz 2000, kako bi se izraunali dozvoljeno punjenje (1,3 kg), mehanika ventilacija (20 izmena vazduha na sat) i ostali postupci za bezbednost. Pitanje kompatibilnosti izmeu rashladnog fluida i ulja za podmazivanje, takoe je uzeto u obzir. U sva tri plana za eksperimente (R22 i R1270) korieno je mineralno ulje Capella ISO 68 TEXACO.U tabeli 8 su pokazani rezultati testova obavljenih u skladu sa treom konfiguracijom postrojenja, u kojoj je korien R1270.Testovi sa smanjenim punjenjem rashladnog fluida (0,5 kg i 0,7 kg) nisu bili od znaaja, budui da vei deo isparivaa radi sa parom, to prouzrokuje loiji prenos toplote.

Tabela 8. Izlazne vrednosti sistema (faktori: frekvencija rada kom-presora, stepen pregrevanja i punjenje R1270) i izlazne vrednosti sistema (odzivi) za trei eksperimentalni projektat automatizova-

ni sistem sa R1270

Test

Faktori Odzivi

FCP[Hz]

TSH[C]

mR1270[kg]

Q EW [kW]

W CP [kW]

COP[]

13 50,0 10,0 0,50 5,29 2,28 2,32

4 40,0 15,0 1,30 7,14 1,79 3,99

3 40,0 15,0 0,70 5,50 1,78 3,09

15 50,0 10,0 1,00 9,40 2,26 4,16

7 60,0 15,0 0,70 7,28 3,19 2,28

2 40,0 5,0 1,30 9,21 1,78 5,18

1 40,0 5,0 0,70 6,97 1,76 3,96

5 60,0 5,0 0,70 7,30 3,08 2,37

16 50,0 10,0 1,00 9,87 2,25 4,39

18 50,0 10,0 1,00 9,43 2,25 4,19

19 50,0 10,0 1,00 9,71 2,27 4,28

17 50,0 10,0 1,00 9,63 2,25 4,28

11 50,0 10,0 1,00 9,24 2,25 4,11

8 60,0 15,0 1,30 9,46 3,07 3,08

10 66,2 10,0 1,00 10,4 3,51 2,99

14 50,0 10,0 1,50 9,72 2,26 4,30

6 60,0 5,0 1,30 11,1 3,05 3,61

9 33,8 10,0 1,00 8,43 1,64 5,14

12 50,0 18,4 1,00 7,35 2,25 3,27

Bilo je mogue da se eksperimentalno potvrdi prisustvo mehuria na ulazu u EEV za vreme testa broj 13, koje je odravano u uslovima minimalnog punjenja sa R1270 (0,5 kg). U istom testu, EEV je bio potpuno otvoren i sistem i dalje nije postigao prethodno zadatu vrednost za stepen pregrevanja, koja treba da iznosi otprilike 10,0 C, ali je vrednost dostigla 29,0 C, to je dovelo do smanjenja rashladnog kapaciteta (5,3 kW). injenica da je EEV ostao poptuno otvoren znai da nije mogao da zadovolji potrebe za tenim rashladnim sredstvom za odgovarajue toplotno optreenje i eljeni stepen pregrevanja.Testovi obavljeni sa 0,7 kg R1270 pokazali su poboljanje rashladnog kapaciteta. Sistem je radio pri pritisku koji je slian onom u automatizovanom sistemu u kojem se koristi R22. Mehurii su se mogli videti kroz vidno staklo koje je postavljeno nakon kondenzatora, a ova injenica smanjuje

92kgh 2 2012

razmenu toplote u isparivau budui da rashladni fluid prolazi kroz EEV sa vrednou stepena suvoe koja je vea od nule. Minimalni postignut nivo pregrevanja iznosio je 9,3 C, a to je bilo stanje u kojem je EEV ostao potpuno otvoren.

Meu testovima sa 1,3 kg, istie se test pod brojem 6, koji je imao najvei rashladni kapacitet (11,0 kW), iako je kompresor radio sa 60 Hz i postigao koeficijent hlaenja (COP) od 3,6. Test broj 2 je imao najveu vrednost koeficijenta hlaenja, 5,2, i rashladni kapacitet od 9,2 kW, radio je sa 40 Hz i 5,0 C pregrevanja.

Centralne take sloenog projekta su dale najbolje rezultate. Srednje vrednosti za rashladni kapacitet i koeficijent hlaenja iznosile se 9,6 kW i 4,3.

Test br. 14 je pokazao sline rezultate kao centralni testovi, ali je obavljen sa punjenjem od 1,5 kg R1270.

Glavna mana rada sistema sa 1,5 kg ili 1,3 kg odnosi se na visoke vrednosti potisnog pritiska, koji doprinosi velikim vrednostima nivoa pothlaivanja. Ovaj faktor je imao maksimalnu vrednost od 25,8 C za vreme testa br. 14.

Nakon poslednjeg eksperimentalnog projekta, primeeno je da je koeficijent hlaenja izuzetno osetljiv na varijacije tri faktora i da, za ovaj opseg temperature, R1270 moe da zameni R22 u ovom rashladnom sistemu.

3.4. Analiza sistema u prelaznom reimu

Analiza automatizovanog sistema u toku stacionarnog stanja bila je zasnovana na kontrolisanju stepena pregrevanja, faktora koji je obezbedio pravilno funkcionisanje konvencionalnog sistema u kojem se koristi R22, kao i automatizovanih sistema. Meutim, pri radu u prelaznom reimu, zamisao je da se stvori slina situacija onoj koja postoji u svakodnevnom radu opreme. Sa namerom da se karakterie ponaanje klimatizacionog sistema koji radi tokom leta, kontrolisan je drugi parametar, temperatura vode na izlazu iz isparivaa.

Regulator sistema je projektovan tako da odrava temperaturu vode na izlazu iz isparivaa na nepromenljivoj vrednosti od 22 C. Temperatura vode na ulazu u ispariva je uvek odravana na 29 C i maseni protok vode u isparivau je u svim situacijama testiranja imao nepromenjenu vrednost od 0,35 kg/s.

Konvencionalan sistem u kojem se koristi R22 radio je na 60 Hz i sa punjenjem rashladnog fluida od 2,0 kg, a vrednosti ova dva parametra i stanje vode u isparivau, kao to je prethodno pomenuto, bili su izabrani na osnovu testa broj 8 prvog eksperimentalnog projekta, to znai da su to bili optimalni uslovi za konvencionalan rad. Poreenja radi, nametnuto je da automatizovani rashladni sistemi treba da dostignu barem isti rashladni kapacitet kao konvencionalni sistem u kojem se koristi R22, a to je 9,0 kW.

Iz tog razloga, radni uslovi automatizovanog testa su bili kao u testu broj 1 drugog eksperimentalnog projekta, odnosno odgovaraju uslovima maksimalnog koeficijenta hlaenja. Zbog toga je stepen pregrevanja ostao na otprilike 5,0 C, sa punjenjem dva kg R22 i radnom frekvencijom kompresora koja je bila nepromenljiva na 40 Hz. Automatizovani sistem sa R1270 je imao iste radne uslove kao automatizovani sistem u kojem se koristi R22 (pregrevanje i frekvencija 40 Hz), ali je masa propilena iznosila polovinu od one koja je ranije koriena, 1 kg.

Rad svakog regulatora poinje kada temperatura vode na izlazu iz isparivaa dostigne eljenu donju vrednost (22,0C). Reakcija se razlikuje od konvencionalnog sistema u kojem se koristi R22 i automatizovanih sistema. Dok konvencionalni sistem iskljuuje kompresor, automatizova

ni sistemi poinju proces modulacije, sa radom na niim frekvencijama rotacije kompresora.

Radni uslovi su vrlo blizu graninim vrednosti za klimatizaciju tokom leta, kao to se moe videti na slici 7.

Ponaanje graninih parametara

Konvencionalni sistem sa R22

Automatizovani sistem sa R22

Automatizovani sistem sa R1270

Slika 7. Ponaanje temperature isparavanja i kondenzacije i nivo pregrevanja i pothlaivanja za rashladne sisteme

Radne granine vrednosti za klimatizaciju u tabeli 2 nisu potovane za sistem sa R1270. Kompresor korien u eksperimentalnom pregledu, projektovan da radi sa R22, radio je pri pritisku koji je vii od uobiajenog. Ekstrapolacija ovih graninih vrednosti desila se usled promene rashladnog fluida. Korienje ugljovodonika kao posledicu ima vei pritisak zasienja; to jeste mana, budui da ne radi sa niim stepenom sabijanja.

Slika 8 ilustruje promenu rashladnog kapaciteta u isparivau i energiju koja je potrebna u tri sistema.

Potroena energije je bila konstantna, jer su svi testovi obavljeni sa konstantnom frekvencijom kompresora. Potronja energije konvencionalnog sistema koji koristi R22 iznosila je 3,1 kW, a kao rezultat toga, sistem je postigao rashladni kapacitet od otprilike 9,5 kW.

U automatizovanim sistemima promena rashladnog kapaciteta u isparivau pratila je modulaciju EEVa. Kapacitet je

93 2 2012 kgh

bio u opsegu od 8,5 kW do 9,5 kW i tokom celog perioda ispitivanja, kompresor je ostao povezan i troio je 1,9 kW energije. Maksimalna vrednost dobijena za sistem koji radi sa R1270 u pogledu potronje energije iznosila je 1,8 kW i rashladni kapacitet je imao prosenu vrednost od 9,2 kW. Ove prosene vrednosti su bile vie od onih kod automatizovanog sistema koji koristi R22.

Ponaanje rashladnog kapaciteta i potronje energije

Konvencionalni sistem sa R22

Automatizovani sistem sa R22

Automatizovani sistem sa R1270

Slika 8. Ponaanje rashladnog kapaciteta i potronje energije u sistemu

TEV kod konvencionalnog sistema koji koristi R22 imao je ulogu da odrava nivo pregrevanja u eljenom opsegu, dok je EEV, pored odravanja odgovarajueg nivoa pregrevanja, garantovao ravnomeran rashladni kapacitet tokom cele duine rada automatizovanih sistema.

Maseni protok je varirao od 0,048 kg/s do 0,054 kg/s za R22 u automatizovanom sistemu, omoguavajui kontinuirani rad kompresora. Sistem u kojem se koristi R1270 pokazao je slino ponaanje prethodnom, mada su vrednosti masenog protoka fluida varirale od 0,027 kg/s do 0,032 kg/s.

Ovo smanjenje je direktno povezano sa razlikom u latentnoj toploti isparavanja. Latentna toplotna fluida R1270 je vea od one koju ima R22 i stoga maseni protok treba da bude manji, kao to pokazuju rezultati.

Konano, na slici 9 su prikazana ponaanja koeficijenta hlaenja za svaki sistem.

Ponaanje koeficijenta uinka

Konvencionalni sistem sa R22

Automatizovani sistem sa R22

Automatizovani sistem sa R1270

Slika 9. Ponaanje koeficijenta uinka rashladnih sistema Kao to je oekivano, smanjenje potrebne potronje energije kada sistem radi sa frekvencijom ispod 60 Hz i primenom PID regulatora dovelo je do visokih vrednosti koeficijenta hlaenja u automatizovanim sistemima u poreenju sa koeficijentom hlaenja sistema sa regulatorom onoff.U mometnu kada je kompresor radio, ustanovljen je koeficijent hlaenja ovog sistema od 3,1. Koeficijent hlaenja automatizovanog sistema koji radi sa R22 bio je u opsegu od 4,8 do 5,4, nakon modulacije EEV u bilo kom periodu ispitivanja. Koeficijent hlaenja sistema koji radi sa R1270 bio je u opsegu od 4,9 do 5,3, to predstavlja prosenu vrednost koja je vea od rezultata automatizovanog sistema u kojem se koristi R22. Na osnovu ovih rezultata bilo je mogue izraunati potrebnu energiju i mesenu potronju energije za tri sistema. Kada se posmatra konvencionalni rashladni sistem u kojem se koristi R22, potreba za energetskom opremom za ovu vrstu rada se procenjuje po zahtevu koji reim rada namee elektrinom motoru kompresora, gde se to iskljuuje izmeu vremena aktivacije, tako da se ekvivalent potrebne energije izraunava pomou jednaine 1.

( )( )

PP t

t 13

tm

2i2

i1

n

i r1

n=+

(1)

gde su:ti period tokom koga elektrini motor ostaje povezan [s];ti period tokom koga elektrini motor ostaje iskljuen [s];Pi ogovarajua energija u trenutku dok elektrini motor

radi [kW].Metoda za izraunavanje ekvivalentne energije automatizovanih sistema treba da uzme u obzir hipotezu da optere

94kgh 2 2012

enje primenjeno na motor vodi do istog toplotnog napona koji je ekvivalentan vetakom optereenju, koje stalno trai potrebu za energijom, Pm, jendaina 2. To vai sa motore koji imaju stalnu rotaciju, mada su potrebni s vremena na vreme.

( )( )

( )P

P t

tm

i i

n

i

n2

2

1

1

=

(2)

Sa stanovita ekonominosti, uzimaju se u obzir elektrini parametri rada za trofazni motor kompresora, broj polova, napon, potronja energije usled dodatnih gubitaka, minimalna nominalna efikasnost, period kontinuiranog rada od 8 sati na dan za 22 dana meseno. Odreivanje potronje energije u kompresoru sa primenjenim regulatorima izraunava se pomou jednaine 3.

W P t dtCPt

= ( )0

(3)

Kako ova energija ima cenu, cs, ona je zavisna od uslova snabdevanja energijom. Meseni troak se moe izraunati pomou jednaine (4), uzimajui u obzir prosene trokove za energiju od 0,35 dolara po kWh (izvor: CEMIG/Brazil 02/2011).

E W Cw CP= $ (4)Rezultati koji se odnose na potrebnu energiju i potronju energije prikazani su u tabeli 6.

Tabela 6. Vrednosti trokova za tri sistema

Konfirguracija sistema

Potrebna energija [kW]

Mesena potronja energije [kWh/meseno]

Konvencionalan sa R22 2,9 517,4

Automatizovan sa R22 1,9 334,4

Automatizovan sa R1270 1,8 319,6

Rezultati pokazuju da se glavne razlike u prosenoj potronji energije odnose na razliite vrste modulacija ekspanzionih ureaja i frekvenciju rada kompresora. Mesena potronja energije konvencionalnog sistema sa R22 bila je 35% vea od potronje automatizovanog sistema sa R22 za ovu aplikaciju, naroito za uslov kada je simulacija toplotnog optereenja ekvivalentna 9,5 kW.Mesena potronja energije konvencionalnog sistema sa R22 bila je 37% via od potronje automatizovanog sistema sa R1270.teta koja se nanosi ivotnoj sredini izraunata je na osnovu ukupnog ekvivalentnog uticaja na zagrevanje (TEWI). Ova metoda uzima u obzir direktne i indirektne uticaje povezane sa korienjem rashladnog fluida za aplikacije u sektoru KGH.Jednaina (5) predstavlja metodologiju koja je primenjena u ovom proraunu:

TEWI = CO2 equDIRECT + CO2 equINDIRECT (5)

Deo koji je u vezi sa direktnim uticajem moe se izraunati pomou jednaine (6).

CO2 equDIRECT = MREF LRATE VUTIL GWP (6)

gde su:

MREF punjenje rashladnog fluida u sistemu [kg];LRATE godinja koliina emitovanog rashladnog fluida

(zamena i isticanje) [%];VUTIL ekonominost ivotnog veka sistema [godine];GWP specifini indeks rashladnog fluida [].Definicija potencijala globalnog zagrevanja (GWP) prema Meuvladinom panelu o klimatskim promenama (IPCC) iz 1990. godine, odnosi se na meru uticaja supstance kao to je gas sa efektom staklene bate, koji na globalno zagrevanje ima slina masa CO2 tokom utvrenog vremena.Koliina koja je povezana sa indirektnim uticajem moe da se izrauna promou jednaine (7):

CO2 equINDIRECT = WEEL tSERV VUTIL ECO2G (7)

gde su:WEEL elektina energije opreme [W];TSERV broj radnih sati u godini [];ECO2G emisija CO2 za proizvodnju elektrine energije [kg CO2/kWh].Za vreme prorauna, punjenje R22 je odravano na koliini od 2 kg, dok je punjenje R1270 iznosilo 1 kg. Godinja koliina emitovanog rashladnog fluida je iznosila 200% za tri sistema, a ova vrednost opisuje situaciju gde je celo punjenje fluida iscurelo iz objekta u atmosferu i ista koliina je povraena. Usvojeno je da je vek opreme 10 godina za tri scenarija. Elektrina snaga opreme je usvojena kao to je prikazano u tabeli 6, to je prethodno izraunato. Ukupan broj sati rada je bio isti za sve sisteme, i iznosio je 2112. Deo koji se odnosi na emisiju CO2 za proizvodnju elekrine energije bio je nepromenjen i iznosio je 0,7 ton CO2/kWh (za sve sisteme). U tabeli 7 su prikazani rezultati ukupnog ekvivalentnog uticaja na zagrevanje za svaku konfiguraciju eksperimentalnog postrojenja.

Tabela 7. Vrednosti ukupnog ekvivalentnog uticaja na zagrevanje sva tri sistema

Konfiguracija sistema Uticaji TEWI

[kg CO2]Direktan Indirektan

Konvencionalan sa R22 76,000 43,464,000 44,540,000

Automatizovan sa R22 76,000 28,089,000 28,165,000

Automatizovan sa R1270 60 26,906,000 26,982,000

Uteda energije je vana za smanjenje indirektnog uticaja, a time i za smanjenje TEWI. Ova injenica se moe posmatrati kroz smanjenje koliine TEWI konvencionalnog sistema sa R22 za automatizovani sistem sa R22. Korienjem rashladnog fluida sa niim GWP, smanjuje se teta (direktni uticaji) koja se nanosi ivotnoj sredini, a ova injenica se vidi kada se uporede vrednost TEWI za automatizovani sistem sa R1270 (GWP = 3) i vrednost TEWI za automatizovani sistem sa R22 (GWP = 1900).

4. Zakljuci Rezultati u stacionarnom stanju pokazuju optimalne radne uslove i osetljivost koeficijenta hlaenja na promene u masi rashladnog fluida. Drugi plan je pokazao fleksibilnost rada automatizovanog sistema. Trei skup testova je dokazao da je automatizovani sistem, koji sadri rashladni fluid R1270, postigao opseg vrednosti koeficijenta hlaenja koji je vei u poreenju sa sistemima u kojima je korien R22.Na osnovu rezultata dobijenih u prelaznom reimu, bilo je mogue zakljuiti da je TEV imao ulogu da odrava nivo

95 2 2012 kgh

pregrevanja u eljenom opsegu, dok je EEV regulisao nivo pregrevanja i garantovao da rashladni kapacitet i koeficijent halenja ostanu ravnomerni. Pored toga, automatizacija i zamena tradicionalnog fluida prirodnim rashladnim fluidom obezbedila je smanjenje od 38% u prosenoj mesenoj potronji energije i smanjenje od 39% ukupne tete koja se odnosi na globalno zagrevanje.

5. Izjava zahvalnosti Ovaj rad je imao podrku CAPESa, organa Vlade Brazila za obuku ljudskih resursa

6. Literatura [1] Calado, V., C. D. Montgomery, Design of Experiments

Using Statistica, 1. ed. Rio de Janeiro, Brazil, Epapers Editorial Services, 2003. pp. 260.

[2] Colbourne, D., K. O. Suen, Assessment of performance of hydrocarbon refrigerants, In: Proceedings of the Fourth IIR Gustav Lorentzen Conference on Natural Working Fluids, Purdue, USA, 2000.

[3] Corbern, M. J., J. Segurado, D. Colbourne, J. Gonzlvez, Review of standards for the use of hydrocarbon refrigerants in A/C, heat pump and refrigeration equipment, International Journal of Refrigeration. V. 31, n. 1, pp. 748756, 2008.

[4] Garcia, F. E. M., Theoretical and experimental evaluation of techniques of fuzzy control applied to refrigeration systems, 2010. 207 p. Ph.D. Thesis. In portuguese Universidade Federal of Uberlandia, Uberlandia, Brazil.

[5] Nguyen, H., V. Goldschmidt, S. Thomas, D. Tree, Trends of residential airconditioning cyclic tests, ASHRAE Transactions. V. 88, n. 2, pp. 954972, 1982.

[6] Park, K. J., D. Jung, Performance of alternative refrigerants for residential airconditioning applications, Applied Energy. V. 84, pp. 985991, 2007.

[7] Peixoto, R. A., Use of hydrocarbon refrigerants Current status and trends, in: Use of Natural Fluid in Refrigeration Systems and AirConditioning, 1, 2007, Sao Paulo, Brazil. Technical Publication. 2008, pp. 6377.

[8] Pttker, G., Analysis of the combined effect of compressors and expanders with variable action on the performance of refrigeration systems, 2006. 178 p. Master Thesis In portuguese Universidade Federal de Santa Catarina, Florianpolis, Brazil.

[9] Schmidt, F., Optimal control of electronic expansion valves in modern low charge evaporator systems requires fast reacting expansion valves and new controller design, in: The 20th International Congress of Refrigeration, IIR/IIF, Sydney, 1999.

kgh

SA NAMA JE ZIMA LEP A

ELEKTRINI GREJNI SISTEMI