TLAKOVÉ STRATY PRI PRÚDENÍ CHLADIVA CO2 CEZ VENTILOVÝ SYSTÉM KOMPRESORA

SLOVENSK TECHNICK UNIVERZITA V BRATISLAVE

Strojncka fakulta

TLAKOV STRATY PRI PRDEN CHLADIVA CO2 CEZ

VENTILOV SYSTM KOMPRESORA

BAKALRSKA PRCA

Sjf-5234-43799

Bratislava 2013 Tom Krnok

SLOVENSK TECHNICK UNIVERZITA V BRATISLAVE

Strojncka fakulta

TLAKOV STRATY PRI PRDEN CHLADIVA CO2 CEZ

VENTILOV SYSTM KOMPRESORA

BAKALRSKA PRCA

Sjf-5234-43799

tudijn program: energetick strojrstvo

slo tudijnho odboru: 3921

Nzov tudijnho odboru: 5.2.29. energetika

koliace pracovisko: stav tepelnej energetiky

Vedci zverenej prce: Ing. Radovan Ruman

Bratislava 2013 Tom Krnok

estn prehlsenie

Vyhlasujem, e som zveren prcu vypracoval samostatne s pouitm

uvedenej literatry.

Bratislava, 8. jna 2013 ......................................

Vlastnorun podpis

Poakovanie akujem vedcemu bakalrskej prce Ing. Radovanovi Rumanovi za odborn

pomoc a uiton rady pri vypracovan bakalrskej prce.

Bratislava, 8. jna 2013 Tom Krnok

Nzov prce: Tlakov straty pri prden chladiva CO2 cez ventilov systm

kompresora

Kov slov: piestov kompresor, tlakov straty, samoinn jazkov ventil, CFD

simulcia,

Abstrakt:

Bakalrska prca sa venuje problematike vzniku tlakovch strt pri prden chladiva

cez samoinn ventily piestovho kompresora. Prca obsahuje rozdelenie ventilovch

systmov, spolu s popisom mechanickch a kontruknch vlastnost tchto

systmov a princpom ich innosti. Taktie je venovan priestor parametrom, ktor

ovplyvuj vznik a sprvanie tlakovch strt. Prca alej popisuje jednoduch

matematick model prdenia chladiva CO2 cez samoinn jazkov ventily .

Pomocou CFD simulcie pri pouit rozdielnej geometrie tchto ventilov s

analyzovan vsledky a demontrovan nsledn vplyv pouitch zmien na vznik

tlakovch strt , vkon kompresora , spotrebu energie na jeho pohon a v konenom

dsledku aj na environmentlnu a ekonomick efektvnos celho systmu.

Title: Pressure drops in flowing of CO2 coolant through valve system of

compressor

Keywords: pressure drops, reciprocating compressor, valves, CFD simulation

Abstract:

The main point of this bachelor thesis was about pressure drops in flowing coolant

through valve system of compressor. In the theoretical part is explained dividing of

valve systems together with description of mechanical and construction features. The

other part deals with parameters which affect formation and behavior of pressure

drops. Further is described simple mathematical model of flowing CO2 through

valves. Using CFD simulation with different geometry of valves are analyzed results

and illustrated resulting influence of different changes to formation of pressure

drops, performance of compressor , power consumption and also economic efficiency

of entire system.

8

OBSAH

POUIT ZNAKY, VELIINY A JEDNOTKY ............................................................ 10

VOD...................................................................................................................................... 14

1 PIESTOV KOMPRESORY A PRINCP ICH INNOSTI ................................... 15

1.1 Indiktorov p -V diagram..............................................................................15

1.2 Indiktorov p-V diagram pre skuton kompresor .................................17

1.3 Vpoet vkonnosti , prkonu a innosti piestovho kompresoru.......18

1.3.1 Vkonnos kompresoru .........................................................................18 1.3.2 Prkon a innos kompresoru..............................................................19

2 PRACOVN VENTILY KOMPRESORA .................................................................. 21

2.1 Samoinn ventily.............................................................................................21

2.1.1 Jednosmern kompresory a ich ventilov systm..............................22 2.1.2 Protismern kompresory a ich ventilov systm ...............................22

2.2 Neiaduce stavy vznikajce pri innosti pracovnch ventilov ...............22

3 TLAKOV STRATY VZNIKAJCE PRI PRDEN TEKUTINY ....................... 24

3.1 Tlakov straty dkov .....................................................................................24

3.2 Tlakov straty miestne .....................................................................................24

3.2.1 Miestny odpor vznikajci rozrenm prietonho prierezu ............25 3.2.2 Miestny odpor vznikajci zenm prietonho prierezu ................26 3.2.3 Odpor v kolench a oblkoch ...............................................................26 3.2.4 Tlakov straty krtenm v pracovnch ventiloch kompresora .........27

4 MATEMATICK MODEL PRDENIA CHLADIVA............................................ 28

4.1 Rovnica kontinuity ...........................................................................................28

4.2 Navier-Stokesove rovnice................................................................................28

9

4.3 Rovnica energie .................................................................................................29

4.4 Stavov rovnica..................................................................................................29

4.5 Okrajov a poiaton podmienky ................................................................30

5 CFD SIMULCIA PRDENIA CHLADIVA CEZ VENTILOV SYSTM ...... 32

5.1 Geometria pouitch modelov .......................................................................32

5.2 CFD simulcia pomocou programu ANSYS CFX ......................................33

5.2.1 Vytvorenie kontrolnho objemu a tvorba vpotovej siete ..............33 5.2.2 Okrajov podmienky a parametre prdiacej ltky ............................34 5.2.3 Vsledky simulcie .................................................................................35

6 ZHODNOTENIE VPLYVU TLAKOVCH STRT NA

ENVIRONMENTLNU A EKONOMICK EFEKTVNOS SYSTMU................ 39

6.1 Vplyv tlakovch strt na poadovan vkon kompresora .......................39

6.2 Porovnanie ekonomickej a ekologickej efektvnosti systmu

ovplyvnenho tlakovmi stratami .....................................................................................40

6.2.1 Vyhodnotenie ekonomicko-ekologickej vhodnosti..........................41 6.2.2 Vsledn grafick zhodnotenie ekonomickej a environmentlnej

vhodnosti 43

ZVER .................................................................................................................................... 44

ZOZNAM POUITEJ LITERATRY ............................................................................... 45

ZOZNAM PRLOH .............................................................................................................. 46

10

POUIT ZNAKY, VELIINY A JEDNOTKY

Znaka Nzov veliiny Jednotka

. . Absoltna prca J

Adiabatick innos -

Adiabatick prkon W

, Celkov adiabatick innos -

VG as objemu pracovnho priestoru m3

Dka indiktorovho diagramu cm

Efektvny prkon W

Entalpia J.kg-1

Hmotnostn prietok kg.s-1

Hustota pracovnej ltky poas sania kg m-3

Pi Indikovan prkon W

pk Kondenzan tlak Pa

Mechanick innos -

Mern spotreba energie na sacom ventile -

Mern spotreba energie na vtlanom ventile -

Normlna teplota K

pn Normlny tlak Pa

Objem nasvanho plynu m3.s-1

Objemov prietok vtlanm hrdlom m3.s-1

Otky s-1

Plocha indiktorovho diagramu cm2

11

Plocha piesta m2

Polytropick exponent -

Pp Potrebn prkon W

Ptr Prkon po stratch trenm W

Pi sv Prkon potrebn na prekonanie strt pri san W

Pi vv Prkon potrebn na prekonanie strt pri vtlaku W

P Prkon pri zahrnut krtenia W

VD Sptne vytlaen objem m3

Stredn piestov rchlos m.s-2

pi Stredn indikovan tlak Pa

pis Stredn indikovan tlak Pa

Sinite miestnej straty v sacom ventile -

3 kodliv priestor m3

pecifick plynov kontanta -

. . Technick prca J

ps Tlak na san kompresora Pa

pv Tlak na vtlaku kompresora Pa

ps Tlakov strata pri san Pa

pv Tlakov strata pri vtlaku Pa

Vonkajie objemov straty m3.s-1

p0 Vyparovac tlak Pa

L Zdvih piesta m

VB Zvenie objemu po expanzii m3

12

Znaka Nzov veliiny Jednotka

cs Rchlos prdenia v sacom ventile m/s

Sinite miestnej straty vo vtlanom ventile -

Hustota chladiva v sacom ventile kg/m3

cv Rchlos prdenia vo vtlanom ventile m.s-1

Hustota chladiva vo vtlanom ventile cm

,, Zloky rchlosti v smere sradnicovch os m.s-1

Kinematick viskozita m2. s-1

,, Zloky vonkajej objemovej sily N

ek Kinetick energia J

epot Potencilna energia J

u Vntorn energia J

c Vektor rchlosti m.s-1

Wt Mnostvo privedenej a odvedenej technickej prce

J

A Plocha m2

Mern spotreba energie na sacom ventile -

Mern spotreba energie na vtlanom ventile -

VG as objemu pracovnho priestoru m3

VB Zvenie objemu po expanzii m3

VD Sptne vytlaen objem m3

Sinite miestnej straty v sacom hrdle -

14

VOD

Vskum a vvoj zariaden sliacich na stlaovanie plynov je v modernom

priemysle vemi dleit, nakoko kompresory zasahuj do vetkch oblast udskej

innosti. Poda odhadov prkon tchto zariaden tvor a 30% celkovej spotreby

elektrickej energie v priemysle, o predstavuje nezanedbaten mnostvo. Vek as

tchto zariaden pracuje najm v chladiarenskej technike , kde kompresory s

hlavnou asou chladiaceho obehu a slia k stlaovaniu chladiva - na kompresiu z

tlaku sacieho na tlak vtlan.

K najrozrenejm typom patria kompresory s vratnm pohybom piesta, ktor s

v technickej praxi astejie nazvan ako kompresory piestov. Na efektvne vyuitie

pracovnho priestoru takhoto kompresora negatvne vplva vea faktorov, akmi s

naprklad: expanzia plynu zo kodlivho priestoru , tlakov a tepeln zmeny poas

prevdzky v tomto priestore , netesnosti v upchvkach, krkoch piesta, netesnosti

a kontrukn parametre sacch a vtlanch ventilov...

Prca sa venuje prve vplyvom ventilovho systmu na vznik tlakovch strt

a tm aj nslednmu vplyvu na celkov innos. Zmenou kontruknch

parametrov (najm zmenou geometrie) tohto systmu je mon dosiahnu

obmedzenie vzniku tchto strt, a tm zni celkov prkon zariadenia. S vyuitm

CFD simulcie je znzornen vplyv konkrtnych zmien na prdenie pracovnej ltky (

v naom prpade oxidu uhliitho - CO2 ) cez ventilov systm. Nsledne s

porovnan zmeny prkonu a spotreby elektrickej energie pri pouit rozdielnej

geometrie ventilov.

Na prv pohad sa me zda zvenie innosti pri sprvnom nvrhu geometrie

ako nepatrn , ale s prihliadnutm na poet pracovnch hodn a celkov spotrebu

energie me by tto zmena prospen.

15

1 Piestov kompresory a princp ich innosti

Kompresor je zariadenie , v ktorom sa men mechanick energia na tlakov

energiu , priom sa vyvja teplo. U objemovch piestovch kompresorov s

ventilovm rozvodom dochdza k zvyovaniu tlakovej energie nsledkom

zmenovania pracovnho priestoru vo valci , v ktorom je plyn uzavret. Periodick

zmeny objemu tohto priestoru s dosahovan priamoiarym vratnm pohybom

piestu.

K vyhodnoteniu a nslednmu porovnaniu kvality prce kompresorov sa

pouvaj nasledujce kritri [1] :

- objemov kritri( podmieuj hlavn rozmery kompresorov)

- energetick kritri ( maj priamy vplyv na prkon kompresora)

- kritri hlunosti, pulzci plynu a chvenia

- kritri ivotnosti a opotrebenia trecch dvojc kompresora

K stanoveniu objemovch a energetickch kritri , je potrebn zostroji tzv.

indiktorov diagram danho kompresora , ktor je zvislosou tlaku a objemu ( p-V

).

1.1 Indiktorov p -V diagram

Miera dokonalosti piestovch kompresorov sa najaste jie posudzuje

porovnvanm s idelnym kompresorom. Za idelny kompresor povaujeme tak ,

ktor [1] :

a) pracuje s idelnym plynom

b) nem iadne mechanick ani tlakov straty

c) je dokonale tesn a vytla vetok plyn z valca

d) pracuje bez vmeny tepla s okolm

e) exponent kompresnej a expanznej iary je kontantn. Idelny pracovn obeh je

znzornen v p-V diagrame na Obr.1 . Takto obeh sa vyznauje tm , e sa v om

nevyskytuje expanzia a poas sania pracovnej ltky medzi bodmi 4 - 1 a vtlakom ( 2

- 3 ) je stav plynu nemenn.

16

Obeh zana v bode 4 , kde a po bod 1

dochdza k nasvaniu chladiva s kontantnm

tlakom p1. Pri sptnom pohybe piestu sa chladivo

stla z bodu 1 a po bod 2 na tlak p2 ktor je

v priestore nad vtlanm ventilom a vetok

plyn sa z valca pri tomto tlaku vytla, take na

zaiatku alieho zdvihu tlak klesne z hodnoty

p2 na sac tlak p1.

Z danho p-V diagramu (Obr.2) je mon

odta vekos technickej a absoltnej prce.

Prca absoltna ( kompresn ) - je prca

vynaloen len na stlaenie plynu a je dan vzahom

[1] :

Pre krtke sacie a vtlan potrubia meme

nahradi [1] : 2

1=

=

0 ( 2 )

kde: pv - tlak na vtlaku kompresora

ps- tlak na san

pk - kondenzan tlak

p0 - vyparovac tlak

. . =1 . 1 1

[(21

)

1

1] ( J ) ( 1 )

Obr. 1 p-V diagram idelneho

kompresora [6]

Obr. 2 Znzornenie prce

kompresora v p-V diagrame [1]

17

Prca technick ( prca kompresora ) - prca vynaloen na cel obeh. Je to plocha

vymedzen sekami sania 4-1, vtlaku 2-3 a krivkou kompresie 1-2. je dan

vzahom [1] :

Pre polytropick technick prcu platia tie ist vzahy ako pre prcu adiabatick

s tm rozdielom , e namiesto adiabatickho exponentu k sa pouije polytropick

exponent n. Tento exponent pre piestov kompresory je v rozmedz od 1 a k.

1.2 Indiktorov p-V diagram pre skuton kompresor

V dsledku plnho nevyplnenia

priestoru na konci vytlaovania ,

vznik mal medzera medzi piestom,

ventilovou doskou a kanlmi pod

dotikami vtlanch ventilov. Tento

priestor sa nazva kodliv priestor ( V3

).

Z tohto kodlivho priestoru

dochdza k expanzi malho mnostva

stlaenho chladiva na zaiatku

sacieho zdvihu. Tm sa prakticky

zmen objem nasatho chladiva do

valca.

al faktor ovplyvujci diagram skutonho kompresora ( Obr. 3 ) je existencia

prietokovch odporov v sacom, vtlanom ventile a v priestore hlavy valca. Tieto

odpory spsobuj zvenie plochy diagramu o vyrafovan oblas. Prca

kompresora je v dsledku tchto odporov via v porovnan s idelnym

. . =

1. 1. 1 [(

21

)

1

1] ( J ) (3)

Obr. 3 Indiktorov p-V diagram skutonho

kompresora [6]

18

kompresorom. Tvar vydutch plch na vtlaku a san je charakteristick prve pre

samoinn ventily [6].

Pri urovan vekosti prce kompresoru vychdzame z adiabatickho procesu

a nsledne pomocou zavedenia innost sa pribliujeme ku skutonmu

polytropickmu procesu. Indikovan prca je mern ploche skutonho

indiktorovho diagramu . Tto plochu premieame na obdnik , v ktorom sa

zklada rovn dke zdvihu piestu a vka obdniku sa rovn strednmu

indikovanmu tlaku pi. Nsledne indikovan prca sa vypota poda vzahu [1] :

Ai = pi . Sp . L . n (J) (4)

Kde : pi - stredn indikovan tlak (Nm-2) Sp- plocha piesta (m2)

L - zdvih piesta (m) n - otky (s-1)

1.3 Vpoet vkonnosti , prkonu a innosti piestovho kompresoru

1.3.1 Vkonnos kompresoru

Vkonnos z hadiska vyuitenosti kompresoru je jednm zo zkladnch

parametrov. Je definovan ako objemov prietok plynu vtlanm hrdlom .

Vkonnos je len asou z nasvanho plynu a poas prietoku pracovnej ltky

strojom je ovplyvovan nikom plynu netesnosami do okolia ( - vonkajie

objemov straty ) [5] . = - (m3 s-1 )

(5)

Plat : =

(m3 s-1 ) (6)

Hustota nasvanho plynu sa men s tlakom aj teplotou [5] :

=

. (kg m-3) (7)

V praxi je hmotnostn prietok prepotavan na prietok objemov , na tzv.

technick normlny stav ( ) .

Kde [5] : = .

. (kg.s-1 ) (8)

r - pecifick plynov kontanta ; pn - normlny ( tandardn ) tlak 100kPa

19

TN - normlna (tandardn) teplota 293,16 K = 20C

1.3.2 Prkon a innos kompresoru

Prkon, ktor musme doda na hriadeli kompresoru sa nazva prkon efektvny (

skuton ) Pef. Tento prkon je mon uri z adiabatickej prce, alebo prce

indikovanej a to pomocou energetickch innost.

Pre adiabatick prkon plat [1]: Pad= . (h2 - h1) (W) (9)

Kde: - hmotnostn tok dopravovan kompresorom (kg.s-1)

(h2 - h1) je rozdiel entalp pracovnej ltky za a pred kompresorom (J/kg)

Indikovan prkon urme z indikovanej prce [1].

Pi = 105 . . . .

60=

. .

2 (W) (10)

Kde: pis - stredn indikovan tlak (bar) S - plocha piesta (m2)

L - zdvih piesta (m) n - otky (min-1)

cs- stredn piestov rchlos (m.s-1)

Priom [1] : pis =

. (bar) (11)

Sd- plocha indiktorovho diagramu (cm2); m - mierka tlakov (cm/bar)

Ld = dka indiktorovho diagram (cm)

Prkon hnacieho motora kompresora sa zist pomocou wattmetru a nazva sa

efektvny prkon. Efektvny prkon Pef je o straty trenm v ako indikovan prkon

Pi [1]. Ptr = Pef - Pi (W) (12)

Nsledn mechanick innos je potom [1] : =

(-) (13)

Najmen mon adiabatick prkon idelneho kompresora[1] :

=

1. 1. 1 [(

2

1)

1

1] (W) (14)

Nsledn adiabatick innos [1] : =

(-) (15)

20

Celkov adiabatick innos [1] : , = . =

.

(-) (16)

V indiktorovom diagrame p-V s kontantnmi tlakovmi stratami pv ,ps je

mon stanovi prkon potrebn na prekonanie tlakovch strt vo vtlanom a sacom

ventile ( prekonanie prietokovch odporov vo ventiloch ) Pi vv a Pi sv [1].

P = Pp - Pi vv - Pi sv (W) (17)

Nsledn innos vyjadrujca straty energie krtenm[1] : =

(-) (18)

Na zklade uvedench svislost meme stanovi mern spotrebu energie

dsledkom krtenia [1]: a) v sacom ventile =Pi sv

(-) (19)

b) vo vtlanom ventile =Pi vv

(-) (20)

21

2 Pracovn ventily kompresora

Pracovn ventily piestovho kompresora slia na regulciu vstupu a vstupu

pracovnej ltky vo valci. V chladivovch kompresoroch s pouit klapkov

samoinn ventily. Nzov samoinn je odvoden od absencie ntenho pohybu ,

nakoko pohyb ventilu je buden vplyvom tlaku pracovnej ltky.

2.1 Samoinn ventily

Samoinn ventily delme na [1] :

- vone uloen jazkov ventily - prstencov ventily

- ventily s kruhovou doskou - ventily v tvare podkovy ( vtlan )

- prkov ( planetov ), lamelov resp. dotikov ventily pritlan pruinou

Vzhadom na druh namhania a poadovan vlastnosti sa vyrbaj z kvalitnej

pruinovej psovej ocele ( vhradne vdskej ).Pracovn ventily ovplyvuj priamo

chladiaci vkon , teploty kompresora a prevdzkov spoahlivos. Na vrobu s

pouit najkvalitnejie materily aby bola zaisten spoahlivos pri vysokch

otkach ( napr. 2900 (min-1) ) poas celej doby ivotnosti ktor sa pota na obdobie

minimlne 10 rokov [1] .

Pruinov psov vdska oce pre klapkov a dotikov ventily piestovch

chladivovch kompresorov predstavuje kalen , popusten a nsledne leten oce

Obr. 4 [B]

22

s jemnou povrchovou plochou . Draz na pravu povrchu sa kladie kvli zaisteniu

odolnosti voi nave, oteru a opotrebeniu. Tto oce sa vyznauje vysokou tvrdosou

so zrove vynikajcou hevnatosou.

Poiadavky na pracovn ventily s v mnohch smeroch protichodn :

- mal odpor pri prden plynu

- vasn otvranie a zatvranie ventilov

- dokonal tesnos ventilu v uzavretom

stave

- minimlna vekos kodlivho prie

storu ventilu

- vysok spoahlivos a ivotnos

akosti narastaj so zvyujcim

potom otok a zvujcou strednou

rchlosou piesta. Vyia piestov rchlos priamo zvyuje rchlos prdenia

chladiva a tm narastajce tlakov straty. Taktie sa zvyuje namhanie ventilovej

dosky spsoben zvyovanm potu nrazov[1].

2.1.1 Jednosmern kompresory a ich ventilov systm

Umiestnenie sacieho a vtlanho ventilu pri tchto kompresoroch je nasledovn (

Obr. 5 ): sac ventil sa nachdza na dne piesta a vtlan ventil je umiestnen na

ventilovej doske. Medzi vhody pouitia takhoto rieenia je monos pouitia

dostatone vekch prierezov ( k dispozcii je viac miesta ako pri protismernch

kompresoroch. K nevhodm patr nebezpeenstvo predasnho zatvrania

v dsledku spomaovania piestu po prekroen jeho najvej rchlosti.

Okrem toho me djs ku kondenzcii chladiva na dne piestu a existuje

nebezpeenstvo nasatia oleja do kompresora alebo jeho spenenie pri rozbehu.

Tento systm je vhodn poui len pre otvoren kompresory, nakoko pri

ostatnch typoch sa zhoruje dopravn innos.

Obr. 5 Ventilov systm jednosmernho

kompresora [1]

22

2.1.2 Protismern kompresory a ich

ventilov systm

Pri tomto druhu rieenia ( Obr. 6 ) je

sac a vtlan ventil umiestnen

veda seba na ventilovej doske.

Nsledn umiestnenie ventilov je

nronejie ako pri jednosmernch

kompresoroch , nakoko je k dispozci

menej miesta pre kad ventil. Na ventilov dosku dosad hlava valca a tieto asti s

utesnen tesnenm. Nad ventilovou doskou sa nachdza navzjom oddelen sacia

a vtlan komora. Vzhadom k tmto charakteristikm tohto rieenia mus by

priemer valca ku zdvihu piestu ( D/L) dostatone vek [1] .

2.2 Neiaduce stavy vznikajce pri innosti pracovnch ventilov

Pracovn cyklus idelneho (

bezkmitovo pracujceho ) samoinnho

ventilu je mon rozdeli do tyroch

sekov [6] :

- 1-2 : otvranie

- 2-3 : pln otvorenie

- 3-4 : zatvranie

- 4-1 : pln zatvorenie

Pri vpotoch vkonnosti piestovho

kompresoru sa predpoklad, e ventily

dosadaj presne v vrati piestu ( idelny diagram zdvihu ventilu) . V skutonosti

ventilov doska na zaiatku a na konci zdvihu vplyvom meniacich sa tlakovch a

silovch pomerov kmit.

Po skonen kompresie vo valci nastva proces otvorenia vtlanho ventilu.

Proces otvrania sacieho ventilu zana po skonen expanzie plynu zo kodlivho

Obr. 7 Zvislos uhla pootoenia kuky a zdvihu

ventilu [6]

Obr. 6 Ventilov systm protismernho

kompresora [A]

23

Obr. 8 Vplyv oneskorenho uzatvrania ventilov

( p-V diagram ) [6]

priestoru. Bod 1 predstavuje rovnovhu medzi tlakom plynu na oboch strn ventilu,

silou pruiny a hmoty ventilu. V tomto bode nastva zdvih ventilu zo sedla

a vplyvom prdenia sa pohyb ventilu zrchuje. V bode B dosiahne ventil

obmedzova zdvihu ventilu o predstavuje koniec procesu otvrania. V seku 2-3 je

sila psobiaca na ventil via ako sila pruiny a hmoty ventilu. V bode C nastane

rovnovha sl a nsledne poklesom toku prdenia plynu zane prevaova sila

pruiny a dochdza k zrchovaniu v smere uzatvrania.

V prpade pouitia prli silnej pruiny

nastva predasn zaiatok zatvorenia o

me spsobi viacer nrazy ventilu

o jeho sedlo. V dsledku tchto nrazov

sa zvyuje tlakov strata a zniuje sa

ivotnos ventilu.

Ak sa pouije prli slab pruina ventil

sa uzavrie oneskorene a dochdza

k nslednmu sptnmu prdeniu.

Vplyv oneskorenho uzatvrania na

vkonnos kompresoru je zrejm z Obr. 8 .

V dsledku neskorho uzatvrania

vtlanho ventilu je as pracovnho priestoru VG plnen sptnm prdom

z vtlanho potrubia a tm sa expanzia kodlivho priestoru predi o objem VB.

Neskor uzatvranie sacieho ventilu m za nsledok sptn vytlanie objemu VD

[6] .

24

3 Tlakov straty vznikajce pri prden tekutiny

Pod pojmom straty pri prden skutonej tekutiny s zahrnut vetky inky,

ktor spsobuj rozptyl energie. Tto rozptlen (stratov) energia prejaven

nslednm tlakovm bytkom sa nazva tlakov strata. Celkov odpor pri prden

pozostva zo vzjomnho trenia astc a trenia kvapaliny o steny zariadenia. Je teda

mern viskozite kvapaliny a zmenuje energiu prdiacej kvapaliny. Tento bytok sa

prejav ako pokles energie, avak s ohadom na zkon zachovania energie sa energie

premen na teplo. Pri prden skutonej kvapaliny teda v dsledku odporov vznikaj

tlakov straty dkov a miestne.

3.1 Tlakov straty dkov

S rovnomerne rozdelen po dke zariadenia, ktormi prdi kvapalina

kontantnou rchlosou a vznikaj v dsledku vzjomnho trenia astc a trenia

o povrch zariadenia. Tlakov strata, ktor vznikla v dsledku dkovch odporov

oznaujeme pzl.

Pre potrubie kruhovho prierezu plat [4]:

= .2

.2 (21)

kde d priemer potrubia, l dka potrubia, v priemern rchlos kvapaliny

v potrub, sinite dkovho odporu.

Hodnota sinitea dkovch strt je zvisl na druhu prdenia, teda na

Reynoldsovom sle Re a na drsnosti danho potrubia.

3.2 Tlakov straty miestne

Vznikaj pri prden kvapaln vade tam, kde dochdza k zmene vekosti alebo

smeru rchlosti prdenia, ktor pri vch Reynoldsovch slach me vyvola

vrenie alebo odtrhnutie prdu kvapaliny spojen z rozptylom energie. Tlakov strata

miestna teda vznik pri rozren a zen potrubia, pri prietoku kolenami,

uzatvracmi, regulanmi a meriacimi zariadeniami at.

25

Pre vpoet miestnych strt pouvame vzorec [4] : = 2

2 (22)

kde sinite miestneho odporu, v priemern rchlos kvapaliny

Sinite miestneho odporu zvis od druhu odporu, od jeho geometrie, od

drsnosti stien, tvaru rchlostnho poa pred odporom a od Reynoldsovho sla.

Vplyv Reynoldsovho sla sa prejavuje najm pri jeho malch hodnotch, pri vch

hodnotch povaujeme za kontantn.

3.2.1 Miestny odpor vznikajci rozrenm prietonho prierezu

Pri prden kvapaliny rozrujcim prierezom potrubia sa men vekos rchlosti,

v dsledku oho sa zmenuje energia prdu.

Obr. 9 Nhle rozrenie prierezu

Pre tento prpad platia rovnice [4]: = (1 1

2

22)

2

ezm= .12

2 (23)

resp. =(D2

2

D12 1)

2

ezm= 22

2 (24)

26

3.2.2 Miestny odpor vznikajci zenm prietonho prierezu

Zenie prietonho prierezu me by nhle alebo postupn tzv. konfzor.

Sinite miestneho odporu vypotame [4]: = (1 2

2

12) ; ezm=

22

2 (25)

Obr. 10 Nhle zenie prietonho prierezu [4]

vyjadruje vplyv tvaru vtoku do menieho prierezu a pre tvar na obr.12 plat, e

= 0,5.

3.2.3 Odpor v kolench a oblkoch

Rchlostn profil kvapaliny pritekajcej ku kolenu m maximum v osi potrubia.

V ohybe bude psobi odstrediv sila spsobujca zvovanie tlaku v smere od

stredu krivosti, o sa prejav zmenovanm rchlosti. Teda bude na vntornej strane

kolena rchlos najvia a na vonkajej strane najmenia. Za vrcholom kolena vznik

vrov oblas, ktor mono zmeni vhodnm zaoblenm. [4]

Obr. 11 Ostr koleno [4]

27

3.2.4 Tlakov straty krtenm v pracovnch ventiloch kompresora

Tlakov straty krtenm s vlastne miestne straty vznikajce pri prietoku kvapaliny (

v naom prpade pracovnej ltky - plynu).

Vzah pre vpoet tlakovej straty na sacom ventile [1] : = .2

2. (Pa) (26)

kde: - sinite miestnej straty v sacom ventile (-)

cs - rchlos prdenia v sacom ventile (m/s)

- hustota plynu chladiva v sacom ventile (kg/m3)

Vzah pre vpoet tlakovej straty na vtlanom ventile [1] :

= .2

2. (Pa) (27)

kde: - sinite miestnej straty v vtlanom ventile (-)

cv - rchlos prdenia v vtlanom ventile (m/s)

- hustota plynu chladiva v vtlanom ventile (kg/m3)

Kad prekka vloen do prdu kvapaliny tvor tzv. miestny odpor. Pri

prietoku tmto odporom sa poruuje rovnomernos prdenia , men vektor smeru

a vekosti rchlosti a tm sa men aj tvar rchlostnho profilu pred a za prekkou.

Vetky tieto javy maj za nsledok bytok energie prdu, ktor sa nsledne men na

teplo. [1].

28

4 Matematick model prdenia chladiva

4.1 Rovnica kontinuity

Rovnica kontinuity popisuje veobecn zkon zachovania hmotnosti , kde celkov

zmenu hmotnosti je mon rozdeli na loklnu a konvektvnu. Loklna (asov)

zmena prebieha v elementrnom objeme ( stlanie alebo rozpnanie tekutiny )

a konvektvnu zmenu spsobuje vstupujca a vystupujca tekutina do

elementrneho objemu.

Plat , e rozdiel vstupujcej hmotnosti do kontrolnho objemu a vystupujcej

hmotnosti z tohto objemu je rovn hmotnosti , ktor sa v tomto objeme akumuluje.

Pre neustlen priestorov prdenie stlaitenej tekutiny mono v diferencilnom

tvare napsa [2] :

()

t+

(vx)

x+

(vy)

y+

(vz)

z= 0

(28)

Kde prv len predstavuje asov zmenu a nasledujce vrazy predstavuj zmenu

konvektvnu.

4.2 Navier-Stokesove rovnice

Navier -Stokesove rovnice slia na vyjadrenie rovnovhy sl v skutonej tekutine,

kde zotrvan sila je rovn stu hmotnostnej, tlakovej a trecej sile.

Pri stanoven rovnovhy vetkch sl psobiacich na elementrny objem

dostaneme Navier- Stokesovu rovnicu , ktor m pre pravouhl sradnicov systm

tvar [2] :

vxt

+ vxvxx

+ vyvxy

+ vzvzz

= fx 1

p

x+ (

2vxx2

+ 2vxy2

+2vxz2

)

vy

t+ vx

vy

x+ vy

vy

y+ vz

vy

z= fy

1

p

y+ (

2vy

x2+

2vy

y2+

2vy

z2)

vzt

+ vxvzx

+ vyvzy

+ vzvzz

= fz 1

p

z+ (

2vzx2

+ 2vzy2

+2vzz2

) (29)

29

Kde ,, s zloky rchlosti , p - tlak , - kinematick viskozita a ,, -

predstavuj zloky vonkajej objemovej sily ( gravitanej , odstredivej ... )

Navier-Stokesove rovnice patria medzi nelinerne diferencilne rovnice a nie s

veobecne rieiten. Na ich rieenie s dnes vyuvan numerick metdy ( napr.

metda konench objemov ) .

4.3 Rovnica energie

Rovnica energie popisuje zkon zachovania energie. V benej praxi sa zohaduje

teplo , kinetick energia , potencilna energie a mechanick prca. Pre nestacionrne

trojrozmern prdenie mono v integrlnom tvare napsa [3] :

d

dt (u+ ek + epot)dV = (u +

p

+ ek + epot) c d A

.

A

.

V

q d A Wt.

A

(30)

Kde u = vntorn energia, ek = kinetick energia, epot= potencilna energia.

Prv len predstavuje zmenu energie v ase vplyvom akumulcie , druh len

predstavuje prenos energie konvekciou, kde pomer p

predstavuje prcu spojen

s vytlaovanm a vtlaovanm tekutiny do systmu , tret len predstavuje dodan

teplo a posledn len predstavuje technick prcu priveden a odveden zo

systmu.

4.4 Stavov rovnica

Pre zosladenie potu neznmych s potom rovnc je potrebn doplni aliu

rovnicu. Pre vzjomn prepoet teploty , hustoty a tlaku sli stavov rovnica [3] :

= (31)

Kde p - tlak , - hustota , r - pecifick plynov kontanta, T - termodynamick

teplota

30

Nakoko je pracovn ltka pouit v systme kompresora stlaiten a na zklade

vysokch Reynoldsovch sel je toto prdenie vysoko turbulentn , je nutn

pracova pri vpotoch so spriemerovanmi rovnicami prdenia.

Toto spriemerovanie je zaloen na tatistickom modeli turbulencie, kde dochdza

k oddeleniu strednch hodnt velin od ich fluktuanch zloiek a k nslednmu

upraveniu na tvar pre asovo stredn hodnoty.

Stlaiten prdenie vyaduje spriemerova rovnicu kontinuity , Navier -

Stokesove rovnice a rovnicu energie. Kde hustota ako aj ostatn veliiny obsahuj

stredn hodnotu v asovom intervale a fluktuan hodnotu.

Zpis spriemerovanch rovnc je formlne zhodn s pvodnmi rovnicami ale na

viac obsahuje leny obsahujce fluktuan zloky velin , ktor je mono popsa

doplujcimi rovnicami a tm sa zoslad poet rovnc a poet neznmych [7].

4.5 Okrajov a poiaton podmienky

Okrajov a poiaton podmienky slia pri rieen diferencilnych rovnc

prdenia ako pomocn funkcie. Pre stlaiten viskzne prdenie sa asto definuje

[7] :

- nulov rchlos na stene

- zadan teplota steny alebo tok tepla

- na vstupnej hranici je zadan rozloenie hustoty , rchlosti a teploty

- na vstupnej hranici napr. statick tlak

Ako okrajov podmienka na vstupe je v naom prpade pouit hmotnostn tok ,

ktor je zadan bu vo forme hmotnostnho prietoku m (kg.s-1 ) alebo vo forme

pecifickho toku vn a plat [C] :

vn = m

A (kg.s-1.m-2) (32)

Kde : = hustota , vn = normlov rchlos vzhadom k vstupnej hranici , A =

plocha vstupnej hranice

31

Pri zadan hmotnostnho toku ako okrajovej podmienky na vstupe je nsledne

vypotan rchlos pre kad element na vstupnej hranici a tto rchlos je nsledne

pouit vo vpotoch ostatnch hodnt premennch pre vpotov oblas.

Pre okrajov podmienku na vstupnej hranici je zadan statick tlak ps (Pa), ktor

je reprezentovan statickm tlakom prostredia do ktorho je tok vypan. Ostatn

fyziklne podmienky na hranici s extrapolovan z vntra vpotovej oblasti [D] .

32

Obr. 12 3D model ventilovho systmu pre Model 1

Obr. 13 3D model ventilovho systmu pre Model 2

5 CFD simulcia prdenia chladiva cez ventilov systm

5.1 Geometria pouitch modelov

Prv model - Model 1, ktor je

nsledne pouit pre CFD simulciu

sa sklad z jednoduchej ventilovej

dosky ( spolu s valcovou asou

sania ) a z dvojice spojench

jazkovch ventilov. Zkladn

rozmery s znzornen v Prlohe A

.

Pre nzornos je 3D model

zobrazen zo spodnej strany na

Obr.12. Tento model bol zhotoven

v programe CATIA V5R20.

V alom prpade bol zhotoven

Model 2 s jednm jazkovm

ventilom so zdvihom 3mm, pri

ktorom obsah prietonho prierezu

Sp2 je toton so stom prietonch prierezov Modelu 1. Zkladn rozmery tohto

modelu s znzornen v Prlohe B

Pre obsah prietonej plochy jednho otvoru Modelu 1 plat :

pr1 = . 1

2

4= 187, 7 2 (33)

Take : 2 .pr1 = pr2 = 375,4 2 ; 2 =

pr2 .4

= 21,8 (34)

kde : 1 priemer sacieho otvoru Modelu 1, 1 priemer sacieho otvoru Modelu 2,

pr1 prieton plocha jednho sacieho otvoru Modelu 1 , pr2 prieton

plocha sacieho otvoru Modelu 2 ,

33

Obr 14. Znzornenie vekosti zdvihu sacch ventilov

Obr 16. Kontroln objem

pre Model 2

Obr 15. Kontroln objem

pre Model 1

5.2 CFD simulcia pomocou programu ANSYS CFX

V tejto asti je zhotoven simulcia obtekania ventilovho systmu. S pouitm

geometrie Modelu 1je simulovan prdenie pri troch rznych zdvihoch ventilov.

Hodnota zdvihu x je zobrazen na Obr.13 Pre vekos zdvihu x s zadan hodnoty :

2 mm, 3 mm a 5 mm. V naom prpade ide o sacie ventily , take pracovn ltka je

nasvan z valcovej asti cez otvory vo ventilovej doske a nsledne s obtekan

jazkov ventily. Simulcia obtekania je vyhotoven pomocou programu ANSYS 14

, konkrtne pouitm modulu CFX.

5.2.1 Vytvorenie kontrolnho objemu a tvorba vpotovej siete

Ako prv sme v prostred programu

ANSYS 14 vytvorili kontroln objem (

zobrazen na Obr.15 ), ktor nm

tvor vpotov oblas. Tento

kontroln objem je vlastne oblas ,

v ktorej prdi pracovn ltka a budeme

na om sledova zmeny parametrov

prdenia. Nsledne bola pre tento

objem vytvoren vpotov sie (Obr.

16) skladajca sa z prevane

tvorcovch elementov s rozmerom 2

mm.

34

Obr 17. Vpotov sie

pre Model 1

Obr 18. Vpotov sie

pre Model 2

Tm istm spsobom sme postupovali

pri tvorbe kontrolnho objemu a siete pre

Model 2. Na Obr.17 a Obr.18 s zobrazen

kontroln objem a vpotov sie pre

Model 2.

5.2.2 Okrajov podmienky a parametre

prdiacej ltky

Na zklade parametrov chladiaceho

obehu zobrazenho v lnp - h diagrame

ktor sa nachdza v Prlohe D , je

teplota chladiva pri san do

kompresora 0 C . Ako prdiacu pracovn ltku v naom prpade pouijeme

preddefinovan model programu ANSYS pre idelny plyn C02.

Z diagramu je alej mon odta hodnotu absoltneho tlaku pri san. Pre ely

naej simulcie bud volen hmotnostn prietoky chladiva: 0,2 kg.s -1 ; 0,4 kg.s-1; 0,6

kg.s-1 .

Pre n kontroln objem bud zadan tri okrajov podmienky a to okrajov

podmienka na vstupe pracovnej ltky, na vstupe a taktie musia by zadefinovan

steny ohraniujce priestor prdenia. V nasledujcej tabuke s zosumarizovan

nzvy a hodnoty jednotlivch okrajovch podmienok.

Tabuka 1 : Parametre okrajovch podmienopk simulcie

UMIESTNENIE

OKRAJOVEJ

PODMIENKY

TYP OKRAJOVEJ

PODMIENKY

V PROGRAME ANSYS

ZADAN PARAMETER HODNOTA

vstup INLET Hmotnostn prietok 0.2; 0,4; 0,6 kg.s-1

vstup INLET Priemern statick tlak 2,65 MPa

steny WALL Hladk stena -

35

Obr 19. Rchlostn pole: zdvih

2mm


3mm


5mm

5.2.3 Vsledky simulcie

Cieom simulcie bolo uri hodnoty tlakovch strt pri prden ventilovm

systmom . Hodnotu tchto strt ovplyvuje najm zmena smeru a vekosti vektorov

rchlosti prdenia. Na obrzkoch 19 a 12 je znzornen rchlostn pole a prdnice

prdenia pre kad prpad vekosti zdvihu. Zobrazen je porovnan pre podmienku

na vstupe rovnajcu sa hmotnostnmu prietoku = 0,6 kg.s-1 .

Z porovnnia rchlostnch pol pre jednotliv hodnoty zdvihov sa d kontatova ,

e najnepriaznivejie podmienky s pri najmenom zdvihu t.j. x=2mm. Prve pri

tomto zdvihu dochdza k najvm zmenm smeru prdenia a vekosti rchlosti

tohto prdenia. Tieto faktory najviac ovplyvuj vznik tlakovch strt. Taktie je

mon si vimn formovanie turbulentnho prdu v spodnej asti kontrolnho

objemu. Na druhej strane, najpriaznivejie podmienky pre prdenie vznikli pri

36

Obr 22. Rchlostn pole: 2 otvory

zdvih 3mm

Obr 23. Rchlostn pole:1 otvor

zdvih 3mm

najvom zdvihu t.j. x=5mm , kde zakrivenie prdnic je menej vrazn a celkov

prdenie je ovea plynulejie.

Na obrzku 22 a 23 je znzornen pomocou rchlostnho pola a prdnic prdenie

pri zmene potu sacch otvorov pri zachovan rovnakej prietonej plochy. Ako

hodnota objemovho toku bola zvolen = 0,4 kg.s-1 . Zdvih oboch ventilov x= 3mm.

Z uvedench zobrazen rchlostnch profilov je zrejm , e geometria ventilovho

systmu s pouitm jednho sacieho otvoru spsobuje vraznejie naruenie prdu,

alej vrazn loklne zrchlenia tohto prdu a tm spsobuje vznik vyej tlakovej

straty, ako je to v prpade kontruknho rieenia s dvomi otvormi.

37

Tabuka 2 : Vekos tlakovch strt v zvislosti od vekosti zdvihu ventilu a vekosti

hmotnostnho prietoku.

HMOTNOSTN PRIETOK = 0,2 kg.s-1

Zdvih ventilu [mm] 2 3 5

Tlakov strata p [KPa] 7,4 5,2 3,9







Graf 1 : Zvislos vekosti tlakovch strt od zmeny hmotnostnho prietoku pre

kad prpad vekosti zdvihu x.

0

10

20

30

40

50

60

70

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

Vekos tlakovch strt v zvislosti od hmotnostnho prietoku

2 otvory ( zdvih 2mm)

2 otvory ( zdvih 3mm )


( kg.s-1 )

p ( KPa )

38

Tabuka 3 : Vekos tlakovej straty v zvislosti od potu sacch otvorov.

HMOTNOSTN PRIETOK = 0,2 kg.s-1 , Zdvih x = 3mm

Poet otvorov 1 2

Tlakov strata p [KPa] 12,2 5,2


Poet otvorov 1 2

Tlakov strata p [KPa] 50 20,7


Poet otvorov 1 2

Tlakov strata p [KPa] 110 46,9

Graf 2 : Zvislos vekosti tlakovch strt od zmeny hmotnostnho prietoku pre 1 a 2

sacie otvory.

0

20

40

60

80

100

120

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

Vekos tlakovch strt v zvislosti od hmotnostnho prietoku


1 otvor ( zdvih 3mm )

( kg.s-1 )

p ( KPa )

39

6 Zhodnotenie vplyvu tlakovch strt na environmentlnu

a ekonomick efektvnos systmu

6.1 Vplyv tlakovch strt na poadovan vkon kompresora

Tlakov straty negatvne vplvaj na vkon kompresora tm , e na dosiahnutie

rovnakch parametrov v chladiacom obehu mus by vykonan vie mnostvo

prce, tm je potrebn v dodan vkon a nsledne je zven aj spotreba energie

na pohon zariadenia.

Pre vkon kompresora plat vzah[1]: = . (2 1 ) (kW) (35)

Kde : hmotnostn prietok , 2 hodnota entalpie na vstupe z kompresora , 1

hodnota entalpie na vstupe do kompresora

Z chladiaceho obehu zobrazenho v Prlohe D sme odtali hodnotu 2 = 505 kj/kg.

Tto hodnota bude v naom prpade alej nemenn. Pre hodnotu hmotnostnho

prietoku pre alie vpoty sme zvolili prpad = 0.6 kg/s. V naom prpade

uvaujeme s prevdzkou kompresora 5000 hodn rone a ivotnos zariadenia sa

udva na 10 rokov.

Tabuka 4 Hodnoty entalpie 1 , vkon P a spotreby energie pri zohadnen

vzniknutej tlakovej straty

Prpad

Tlakov

strata p

( KPa )

Entalpia

h1

( kj/kg )

Vkon P

( kW )

Spotreba energie

poas ivotnosti

zariadenia

( kWh )

1 sac otvor 110 447,2 34,68 1734000

2 otvory zdvih 2mm 66,9 447,97 34,218 1710900

2 otvory zdvih 3mm 46,9 448,27 34,038 1701900

2 otvory zdvih 5mm 35,3 448,48 33,912 1695600

40

6.2 Porovnanie ekonomickej a ekologickej efektvnosti systmu

ovplyvnenho tlakovmi stratami

Pre zohadnenie ekonomickej efektvnosti sme na zklade znmych parametrov

spotrebovanho mnostva energie (kWh) a jednotkovej ceny energie na 1kWh

vypotali finann nklady na prevdzku poas celej ivotnosti zariadenia .

Tabuka 5 Cena spotrebovanej energie vyjadren v eurch. Cena za 1kWh bola

stanoven na 0,12 euro (Cennk ZSE pre domcnosti platn od 15.4.2013)

Prpad Mnostvo spotrebovanej

energie (kWh)

Cena spotrebovanej energie

poas celej doby ivotnosti

(euro)

1 sac otvor 1734000 208080

2 otvory - zdvih 2mm 1710900 205308

2 otvory - zdvih 3mm 1701900 204228

2 otvory - zdvih 5mm 1695600 203472

Na porovnanie ekologickej efektvnosti sme zvolili hodnotu faktora TEWI (

Total Equivalent Warming Impact) , ktor zohaduje skuton prnos

k sklenkovmu efektu konkrtneho zariadenia ako set priameho prnosu chladiva

na zklade niku do atmosfry a nepriameho prnosu danho spotrebou pohonnej

energie zariadenia. Pre pohon zariadenia elektrickou energiu plat vzah [5]:

TEWI = GWP [L . n + m . (1- f ) ] + n . E . e (kgCO2/ ivotnos) (36)

Kde : GWP- sklenkov potencil chladiva vztiahnut na 1kg CO2 ( v naom prpade

je pouit chladivo CO2 , take hodnota GWP = 1 )

L- nik chladiva do atmosfry netesnosami (kg), uvaujeme 1% z nplne

chladiva rone

n- prevdzkov as zariadenia do konca ivotnosti (rok) (uvaujeme 10 rokov)

41

m- mnostvo nplne chladiva v zariaden (kg) (pri neznmom okruhu

uvaujeme 1kg nplne chladiva na 1kW prkonu kompresora )

f- faktor sptnho zskania chladiva (-) (pre dan prpad f=0,7) [5]

E- ron spotreba pohonnej elektrickej energie (/rok)

e- emisia CO2 na kWh spotreby pohonnej energie (kgCO2/kWh) (pre chladiace

zariadenie uvaujeme e= 0,293 z vyhlky . 364/2012 Z.z.)[11]

Tabuka 6 Vypotan hodnoty TEWI

Prpad Hodnota TEWI (kgCO2/ ivotnos)

1 sac otvor 5080620

2 otvory - zdvih 2mm 5012950,687



6.2.1 Vyhodnotenie ekonomicko-ekologickej vhodnosti

Pre potreby vyhodnotenia ekonomickej efektvnosti sme porovnvali hodnoty

k variante s najnegatvnejm vplyvom ( t.j. prpad s 1 sacm otvorom , pri ktorom

vznikala najvia tlakov strata) .

Ako porovnvaciu cenov vhodnos PCV sme zaviedli rozdiel nkladov na

prevdzku pre prpad s najnegatvnejm vplyvom a nkladov na prevdzku

porovnvanho prpadu. Take hodnota PCV predstavuje uetren hodnotu v eurch

v porovnan s najnegatvnejm prpadom.

Pre pomern porovnvaciu cenov vhodnos plat vzah :

PCVpomern =

(-) (37)

42

Tabuka 7 Vpoet pomernej porovnvacej cenovej vhodnosti

Prpad

Cena

spotrebovanej

energie poas celej

doby ivotnosti

(euro)

Porovnvacia

cenov

vhodnos

( euro)

Pomern porovnvacia

cenov vhodnos

(-)

1 sac otvor 208080 0 0

2 otvory- zdvih 2mm 205308 2772 0,740384615

2 otvory -zdvih 3mm 204228 3852 1,028846154

2 otvory -zdvih 5mm 203472 4608 1,230769231

Pre zhodnotenie ekologickho vplyvu sme zaviedli porovnvaciu hodnotu TEWI (

t.j. TEWIporov. ) Ktor sme vypotali ako rozdiel TEWI najnepriaznivejieho prpadu (

1 sac otvor ) s porovnvanm prpadom. Hodnota TEWIporov teda predstavuje

uetren mnostvo kgCO2 za dobu ivotnosti zariadenia.

Pre vpoet pomernej porovnvacej hodnoty TEWI plat :

TEWI porov. pomern = TEWIporov.

. (-) (38)

Tabuka 8 Vpoet pomernej porovnvacej hodnoty TEWI

Prpad Hodnota TEWI

(kgCO2/ ivotnos)

Porovnvacia

hodnota TEWI

kgCO2/ ivotnos)

Pomern

porovnvacia

hodnota TEWI

(-)

1 sac otvor 5080620 0 0

2 otvory- zdvih 2mm 5012950,687 67669,3128 0,740345214

2 otvory -zdvih 3mm 4986580,615 94039,3848 1,028850532

2 otvory -zdvih 5mm 4968121,565 112498,4352 1,230804254

43

6.2.2 Vsledn grafick zhodnotenie ekonomickej a environmentlnej

vhodnosti

Nasledujci graf predstavuje vizulne zobrazenie zvislosti pomernej cenovej

porovnvacej vhodnosti (PCVpomern), ktorej hodnoty s nanan na os y

a pomernej porovnvacej hodnoy TEWI, ktorej hodnoty s nanan na os x .

Graf 3 Zobrazenie cenovej a environmentlnej vhodnosti

Z uvedenho Grafu 3 je zrejm vplyv vznikajcich tlakovch strt pre konkrtne

prpady ventilovho systmu na cenov a environmentlnu vhodnos. Pri

porovnan simulovanch rieen ventilovho systmu vychdza ako najvhodnejie

rieenie s dvoma sacmi otvormi s vekosou zdvihu ventilov 5mm. Je mon

kontatova, e pravou geometrie a zdvihu sacch ventilov je mon docieli

znenie tlakovch strt , zni potrebn prkon kompresora a tm docieli lepiu

cenov a environmentlnu vhodnos.

0

0.5

1

1.5

2

0 0.5 1 1.5 2

Ce

no

v v

ho

dn

os

Environmentlna vhodnos

2 sacie otvory( zdvih 2mm) 2 sacie otvory( zdvih 3mm)

2 sacie otvory( zdvih 5mm) 1 sac otvor ( najnepriaznivej)

44

Zver

V bakalrskej prci je skman vznik a zmena tlakovch strt vznikajcich pri

prden chladiva CO2 pri rznych zmench geometrie ventilovho systmu. Prdenie

a vznikajce tlakov straty boli simulovan pomocou softvru ANSYS CFX. Bolo

zisten, e najpriaznivejie podmienky na prdenie chladiva boli pri pouitom

najvom zdvihu (v naom prpade 5mm) . Na druhej strane bolo zisten , e

kontrukn rieenie s jednm sacm otvorom v porovnan s dvoma otvormi s tou

istou prietonou plochou je nevyhovujce, nakoko pri takomto rieen vznikala

najvia tlakov strata z pomedzi vetkych rieen. V alej asti prce bola

zisovan zmena potrebnch vkonov kompresora pri zahrnut tlakovej straty, kde

nsledne bolo vytvoren hodnotenie z hadiska ekonomicko environmentlnej

vhodnosti. Vetky zistenia potvrdili negatvny vplyv tlakovch strt na poadovan

vkon, tm aj spotrebu energie a nsledn cenu prevdzky, priom vekos tlakovej

straty bola mern ekonomicko - environmentlnej vhodnosti. D sa teda

kontatova, e vobou sprvnej geometrie je mon zni hodnotu vznikajcich

tlakovch strt a tm zni spotrebovan mnostvo energie poas doby prevdzky

zariadnia, a tm zni nklady na tto prevdzku a nsledne aj dopad na ivotn

prostredie.

45

Zoznam pouitej literatry

[1] BLAHA, M. a kol.: Kniha druh, as piata. Rovinka: Slovensk zvz pre

chladiacu a klimatizan techniku, 2009. s. 196-251

[2] DRBKOV, S. a kol.: Mechanika tekutin, VB-TU Ostrava, 2007. 248 s. ISBN

978-80-248-1508-4

[3] DVOK, V.: vod do proudn stlaitelnch tekutin. 1. vyd. Liberec:

Technick univerzita v Liberci, 2009. 60 s. ISBN 978-80-7372-458-0

[4] GANO, M.: Mechanika tekutn, 2.vyd. Vydavatestvo technickej a ekonomickej

literatry Bratislava, 1983. 240 s. ISBN 80-05-00549-0

[5] HAVELSK V.-FURI B.: Chladiaca technika, Vydavatestvo STU Bratislava,

2006. 268 s. ISBN 80-227-2349-5

[6] KAMINSK, J. - KOLARK, K. - PUMPRLA, O.: Kompresory. 1. vyd. Ostrava:

Vysok kola bask - Technick univerzita Ostrava, 2004. 124 s. ISBN 80-248-

0704-1

[7] KAMINSK, J.: Vyuit pracovnho prostoru pstovch kompresoru. 1. vyd.

Praha: Nakladatelstv technick literatury, 1982. 232 s.

[8] MASARYK, M. FERSTL, K.: Prenos tepla, 1. vydanie, Nakladatestvo STU v

Bratislave, 2011, 424 s. ISBN 978-80-227-3534-6.

[9] MOLNR, V.: Potaov dynamika tekutn: interdisciplinrny prstup s

aplikciami CFD. 1.vyd. Bratislava: Slovensk technick univerzita, 2011. 436 s.

ISBN: 978-80-8106-048-9

Internetov strnky

[A] http://www.cool-info.co.uk/refrigeration_equipment/compressors/images/

Compressor%20valve%20plate.gif

[B] http://www.cool-info.co.uk/refrigeration_equipment/ compressors/ images/

Compressor%20valves.gif

[C] https://www.sharcnet.ca/Software/Fluent12/html/ug/node241.htm

[D] https://www.sharcnet.ca/Software/Fluent12/html/ug/node244.htm

https://www.sharcnet.ca/Software/Fluent12/html/ug/node244.htm

46

Zoznam prloh

PRLOHA A Znzornenie zkladnch rozmerov Modelu 1

PRLOHA B Znzornenie zkladnch rozmerov Modelu 2

PRLOHA C Znzornenie zkladnch rozmerov pouitch ventilov

PRLOHA D lnp - h diagram chladiva CO2 ( R744 ) so znzornenm

chladiacim obehom

PRLOHA A Znzornenie zkladnch rozmerov Modelu 1

PRLOHA B Znzornenie zkladnch rozmerov Modelu 2

PRLOHA C Znzornenie zkladnch rozmerov pouitch ventilov

PRLOHA D lnp - h diagram chladiva CO2 ( R744 ) so znzornenm chladiacim

obehom

POUIT ZNAKY, VELIINY A JEDNOTKYVOD1 Piestov kompresory a princp ich innosti1.1 Indiktorov p -V diagram1.2 Indiktorov p-V diagram pre skuton kompresor1.3 Vpoet vkonnosti , prkonu a innosti piestovho kompresoru1.3.1 Vkonnos kompresoru1.3.2 Prkon a innos kompresoru

2 Pracovn ventily kompresora2.1 Samoinn ventily2.1.1 Jednosmern kompresory a ich ventilov systm2.1.2 Protismern kompresory a ich ventilov systm

2.2 Neiaduce stavy vznikajce pri innosti pracovnch ventilov

3 Tlakov straty vznikajce pri prden tekutiny3.1 Tlakov straty dkov3.2 Tlakov straty miestne3.2.1 Miestny odpor vznikajci rozrenm prietonho prierezu3.2.2 Miestny odpor vznikajci zenm prietonho prierezu3.2.3 Odpor v kolench a oblkoch

4 Matematick model prdenia chladiva4.1 Rovnica kontinuity4.2 Navier-Stokesove rovnice4.3 Rovnica energie4.4 Stavov rovnica4.5 Okrajov a poiaton podmienky

5 CFD simulcia prdenia chladiva cez ventilov systm5.1 Geometria pouitch modelov5.2 CFD simulcia pomocou programu ANSYS CFX5.2.1 Vytvorenie kontrolnho objemu a tvorba vpotovej siete5.2.2 Okrajov podmienky a parametre prdiacej ltky5.2.3 Vsledky simulcie

6 Zhodnotenie vplyvu tlakovch strt na environmentlnu a ekonomick efektvnos systmu6.1 Vplyv tlakovch strt na poadovan vkon kompresora6.2 Porovnanie ekonomickej a ekologickej efektvnosti systmu ovplyvnenho tlakovmi stratami6.2.1 Vyhodnotenie ekonomicko-ekologickej vhodnosti6.2.2 Vsledn grafick zhodnotenie ekonomickej a environmentlnej vhodnosti

Zver7Zoznam pouitej literatryZoznam prloh

TLAKOVÉ STRATY PRI PRÚDENÍ CHLADIVA CO2 CEZ VENTILOVÝ SYSTÉM KOMPRESORA

Documents

Transcript of TLAKOVÉ STRATY PRI PRÚDENÍ CHLADIVA CO2 CEZ VENTILOVÝ SYSTÉM KOMPRESORA