Heat Pump in Building Mechatronic - Timotei István Erdei - Timotei-Robotics

Hőszivattyúk az
Épületmechatronikában I.
Erdei Timotei István

A nyomás mérése
• Folyadéktöltetű nyomásmérők
• Csőrugós és csőmembrános manométerek
• Síkmembrános manométerek
• Elektronikus nyomásmérők

Folyadéktöltetű Nyomásmérők
Mindkét szára függőleges
irányban álló U-alakúra
meghajlított üvegcső. Az
üvegcsőbe ismert ρ
sűrűségű zárófolyadékot
töltenek. Az üvegcsövek
skálával vannak ellátva.

Folyadéktöltetű Nyomásmérők
Ezek a manométerek elsősorban
nyomáskülönbségek mérésére alkalmasak.
Az U-csöves folyadékmanométerek
pontosságát a leolvasási pontosság korlátozza,
ez általában ∆H = 0,5 mm, vagyis a nyomást
∆p= ∆H • ρ (Pa) pontossággal lehet
megállapítani.

A hűtőtechnikában
használt üzemi és
szervizmanométerek
legáltalánosabban
használt fajtája a
csőrugós Bourdon-csöves
manométer.
Csőrugós és csőmembrános
manométerek

manométerek
Túlnyomás hatására az ív alakú csőrugó szabad
vége elmozdul.
Az elmozdulást egy emelő vagy fogaskerék
áttétel egy mutatóhoz közvetíti, amely mutató
a nyomással kb. arányos kalibrált skála előtt
mozogva a nyomás aktuális értékét kijelzi.
A túlterhelést ütközővel lehet elhárítani.

A csőmembrános
manométer érzékelője
egy harmonikaszerű
csőmembrán, amely
egy U-alakot képező
rugó szárai közé van
beépítve.
manométerek

A nyomás hatására a csőmembrán megnyúlik,
deformációja a rugó szabad végének elmozdu-
lását eredményezi, amely a nyomással arányos.
Alkalmazási területe, mérési tulajdonságai a
Bourdon-csöves konstrukcióéval kb. azonosak,
azonban kevésbé érzékeny a túlterhelésre.
manométerek

Síkmembrános manométerek
A membrános manométerek az
abszolút nyomás mérésére is
alkalmassá tehető nyomásmérő
műszerek.
A síkmembrán - mint
nyomásérzékelő a két oldalára
ható nyomás különbségével
arányosan deformálódik, a
skála osztása ezáltal lineáris
(egyenletes) lehet.

• A membránra koncentrikus gyűrűket préseltek. Emiatt a
műszer érzékenysége a különböző nyomástartományokban
nem lesz azonos. A legkisebb nyomások tartományában
(0-10 mbar) még a teljes membránfelület működik.
• Növekvő nyomásnál az első „hullám" teteje felfekszik a kissé
kúpos alaplapon (3), és ettől kezdve már csak egy kisebb
membránfelület dolgozik, kisebb érzékenységgel.
• A nyomás további növelésekor újabb hullámok felfekvése és
újabb membránfelület-csökkenések következnek be, egyre
csökkentve az érzékenységet. Így 2-3 gyűrűvel széles
nyomástartományra lehet kiterjeszteni a műszer skáláját úgy,
hogy a kijelzés pontossága minden tartományban megfelelő.
Síkmembrános manométerek

Elektronikus nyomásmérők
A piezoelektromos nyomásjeladók azt a fizikai
jelenséget használják fel a nyomás mérésére, hogy
bizonyos kristályok (pl. a kvarc és a turmalin)
átellenes felületein nyomás hatására elektromos
töltésmegoszlás jön létre.

A piezorezisztív nyomás-
érzékelő egy kisméretű
membrán vákuum méter,
amelynek membránját egy
vékony, rugalmas szilícium
lapka képezi. Az ellenállások
mechanikusan a szilícium-
membrán részét képezik, de
attól elektromosan
függetlenek, szigeteltek.

• Ha gyártás során a mérőcella membrán alatti
terét teljesen levákuumolják, akkor a
„referencianyomás" 0 és az érzékelő az
abszolút nyomást méri.
• Az elektronikus nyomásmérő szervizműszerek
általában digitálisak, számjegy kijelzésűek.

Hőtani alapismeretek
• A belső energia és az I. főtétel
• A hőmennyiség és a fajhő
• A hőmérséklet
• A hőmérséklet mérése
• Termoelemek
• A hőmérsékletmérés gyakorlata

A belső energia és az I. főtétel
• Az anyagban tárolódó „belső" energiakészlet
neve: belső energia. Jele: U; mértékegysége:
J (vagy kJ). Az egységnyi tömegű m = 1 kg
közegre vonatkoztatott (fajlagos) belső energia
jele: u; mértékegysége J/kg (vagy kJ/kg).
Az összefüggés: U = m • u.

• A hőállapotot az
állapotjelzők: a hőmérséklet
(T), a nyomás (p) és a
fajtérfogat (υ) jellemzik.
• A testekben tárolt hőenergia
és a hőmérséklet
összefüggését az ábra
szemlélteti:

• A Hőtan I. Főtétele:
Q = ∆U + W = U2 -U1+∑ (p•∆V).
• Szavakban: a rendszerrel közölt hő a rendszer által
kifejtett munka és a belső energia megváltozásának
az összege.
• Ez az energia megmaradás elvének hőtani
megfogalmazása.

A hőmennyiség és a fajhő
Hőtranszport:
• Mindig a nagyobb hőmérséklet irányából a
kisebb hőmérséklet irányába zajlik.
• Miközben a kezdetben hidegebb test
felmelegszik, nyilvánvalóan megnő a belső
energiája. A kezdetben melegebb test belső
energiája pedig természetesen kisebb lesz a
folyamat végére.

• A közölt/elvont hő mennyiségét a vizsgált test
vagy közeg hőmérsékletének a változása (ΔT)
jellemzi, de ahhoz, hogy meghatározott
hőmérsékletváltozást elérhessük, a közlendő
(vagy elvonandó) hőmennyiség ezenkívül a
test vagy közeg tömegével (m) is arányos kell
hogy legyen.

Az összefüggés:Q = c • m • ∆T
• Ahol a c arányossági tényező egy, az anyagok
fajtájától függő anyagjellemző, amelynek
fajlagos hőkapacitás, fajhő a neve.
• A fajhő az a hőmennyiség, amely 1 kg
anyagtömeget 1 K-nel képes felmelegíteni.

A hőmérséklet
• Hőtani állapotjelző.
• Fizikai jelenség az anyagok
hőmérsékletváltozással kapcsolatos
térfogatváltozása, a hőtágulás.
• Ahhoz, hogy a hőmérsékletet számszerűen is
ki lehessen fejezni, két alappontot kell
rögzíteni és a köztük lévő szakaszt
(intervallumot) egyenletes részekre kell
osztani.

A hőmérséklet
Európában a Celsius-hőfokskála az általános,
amelyen a jég olvadáspontja 0 C-nál, a víz
forráspontja pedig 100 C-nál van a „normál"
légnyomást jelentő p = 1,013 bar nyomáson.
Ha a hőmérséklet mérésekor a hőmérő érzékelője
közvetlenül érintkezik a mérendő anyaggal,
akkor az anyag és a hőmérő között mindaddig
hőáramlás van, amíg hőmérsékleteik ki nem
egyenlítődnek.

A hőmérséklet mérése
Hőmechanikus elven működő hőmérők:
• Szilárd
• Folyadékok
• Gáznemű közegek

Bimetal Hőmérő:
• Működése: két egymással
összehegesztett különböző
hőtágulású lemez, amely
a hőmérsékletváltozás
hatására görbületét
megváltoztatja. A bimetal
lemez egyik vége befogott,
a másikhoz mutatószerkezet
csatlakozik.

Folyadékhőmérők:
• Az üveg folyadékhőmérők a
mérőfolyadékot tartalmazó
tartályból és az ehhez csatlakozó
kis keresztmetszetű kapillárisból
állnak. Hőmérséklet változáskor a
tartályban lévő mérőfolyadék
hőtágulása nagyobb mint a tartály
hőtágulása, így a mérőfolyadék a
kapillárisba szalad fel, vagy onnan
le a tartályba

Termoelemek:
• Két különböző fémvezető
végeinek összeforrasztásakor
vagy érintkezésekor is az így
létrehozott áramkörben
villamos áram folyik, ha az
érintkezési helyek különböző
hőmérsékleten vannak Ez az
un. Seebeck-jelenség ami
lehetőséget ad a hőmérséklet
különbség mérésére.

A hőmérsékletmérés gyakorlata
A hőmérő érzékelőjének fel
kell vennie a mért közeg
hőmérsékletét.
• az egyre csökkenő
hőmérséklet-különbség miatt
egyre kevesebb hő adódik át,
a mérni kívánt közeg
hőmérsékletét az érzékelő
elvileg csak végtelen hosszú
idő után veszi fel.
A hőmérő beállási görbéje

A gáztörvények
Gay-Lussac-törvény:
Egy adott térfogatú gáz nyomása (p) egyenesen arányos
a hőmérsékletével (T), vagyis izochor feltételek között
a gáz nyomásának és hőmérsékletének hányadosa
állandó.
• Képletben kifejezve: ahol k állandó.
• Ha egy közeg két állapotát akarjuk összehasonlítani, a
fenti törvényt ilyen alakba is írhatjuk:

A gázok fajhői
• Az állandó nyomáson vett fajhő nagyobb mint az
állandó térfogatra vonatkozó fajhő: c p> cυ
• E két fajhő hányadosa a hőtan egyik igen fontos
anyagjellemzője:
• A gázfajhők nem konstansok, még az ideális gázok fajhői is
a hőmérséklet növekedésével általában nőnek, annál jobban,
minél több atomból áll a gáz molekulája. Az egyatomos
gázoknál nincs emelkedés, a kétatomosoknál 100 C
hőmérsékletváltozásra csak 1-2 %.

Izochor állapotváltozás
(V= állandó)
Az „izochor" állapotváltozás az m tömegű gáz
V=állandó térfogaton hőbevezetés (vagy elvezetés)
hatására végbemenő állapotváltozását jelenti.
Összefüggés:

Izobár állapotváltozás
(p = állandó)
Az „izobár" állapotváltozás a gáz hőbevezetés (vagy
elvezetés) hatására p = állandó nyomáson végbemenő
állapotváltozását jelenti.
Összefüggés:

Izotermikus állapotváltozás
(T = állandó)
Az izotermikus állapotváltozás T = állandó hőmérséklet
mellett végbemenő állapotváltozást jelent. Fizikai tartalmát
tekintve állandó hőmérsékleten végrehajtott kompresszió
vagy expanzió.
Összefüggés:

Izentropikus állapotváltozás
(s = állandó)
Az izentropikus állapotváltozás
során a gáz entrópiája nem
változik, állandó marad: ∆s = 0.
Ez a követelmény akkor
teljesül, ha az m tömegű gáz
entrópia változása:

Politropikus állapotváltozás
(n = állandó)
A legtöbb valós
folyamatban, is a nyomás, a
hőmérséklet, a térfogat és a
bevitt (vagy elvont)
hőenergia is változik. Az
ilyen állapotváltozásokat
politropikus
állapotváltozásoknak
nevezzük.

Gőztáblázatok, állapotdiagramok
A gáztörvények az ideális gáz (fizikai kémiában
célszerűen a tökéletes gáz kifejezést használják)
abszolút hőmérséklete (T), nyomása (p)
és térfogata (V) – ún. állapotjelzők – közötti
matematikai összefüggések.
A három gáztörvényt: Boyle-Mariotte törvény,
a Gay-Lussac törvényt és a Charles-
törvényt összevonva
az egyesített gáztörvényt kapjuk:

Hűtőközegek gőztáblázatai
• A hűtőközegek gőztáblázatai az
egykomponensű tiszta közegek telített
folyadék és a telített gőz állapotokra vonatkozó
állapotjelzőit tartalmazzák.
• A telített folyadékállapot állapotjelzőit ' (egy
vessző), a telített gőz állapotjelzőit " (két
vessző) felső indexszel különböztetik meg
egymástól (PL: h' és h").

A táblázatban az egyensúlyi
rendszer mindkét fázisára
érvényes p nyomás és t telítési
hőmérséklet mellett az
egységnyi tömegre vonatkozó
fajlagos állapotjelzők, a telített
folyadék és a száraz telített
gőz entalpiája (h' és h" ),
fajtérfogata (v' és v") és
entrópiája (s' és s"), valamint
az elpárolgási entalpia r = h"-
h' szerepelnek. Erdei Timotei István

A gőztáblázattal a telített gőz - telített folyadék elegy
állapotjelzőit is ki lehet számítani, ha az x fajlagos
gőztartalom ismert.
A fajlagos gőztartalom értelmezése:

Hűtőközegek log p-h diagramja
A hűtőtechnika területén
elsősorban azokat az
állapotdiagramokat használják,
amelyek egyik tengelyén a
fajlagos entalpia szerepel. A
legelterjedtebb a Bánki Donát
által javasolt p-h diagram, amely
később Mollier (Molié) javaslata
alapján log p-h diagram
formájában terjedt el.

Log p-h diagram felépítése
• Szemlélteti a hűtőközeg energiaátalakulási,
energiaátviteli állapotváltozásait.
• Függőleges tengelyen a „p” nyomás (bar)
logaritmikus osztással.
• Vízszintes tengelyen a „h” fajlagos entalpia
(kJ/kg) lineáris osztásban, t=0 C telített
folyadék állapothoz 200 kJ/kg fajlagos entalpia
értéket rendelték.
• A diagram m=1 kg tömegű adott hűtőközeg
fajlagos értékeit tartalmazza.
• Felépítése a hűtőközeg gőztáblázata alapján.

Nyomás-telített folyadék entalpia
adatpárok ábrázolása
Erdei Timotei
István

A nedves levegő h-x diagramja
Nedves levegő jellemzői:

Diagram felépítése
• A jellemzők függvénybe vannak ábrázolva 1 kg
tömegű nedves levegőre vonatkoztatva.
• A diagram függőleges tengelyén a hőtartalom
szerepel (i=állandó vonalak srégen [kJ/kg])
• Vízszintes tengelyen abszolút nedvesség
tartalom (x=állandó vonalak vízszintesen
[kg/kg] )
• A diagramot két részre osztja a relatív
nedvességtartalom vonala

h-x diagram

Hőtranszport-alapismeretek
• II. Főtétel: A hő magától, vagyis energiaráfordítás nélkül
mindig csak egy magasabb hőmérsékletű testből egy
hidegebbe áramlik.
• Hősugárzás: A hő terjedésének egyik fajtája.
Elektromágneses sugárzás, mely szemben a hővezetéssel
és hőáramlással anyagtól mentes térben, (vákuumban) is
terjed, éppúgy, mint a fény. Hullámhossza a
rádióhullámok és a látható fény hullámhossza közötti
tartományt tölti ki (100 u - 0.8 u). A H.-t elnyelő test
felmelegszik. H. útján melegíti a Nap Földünket.

Hőtranszport-alapismeretek
Hőveszteség: Az a jelenség, amikor két,
eltérő hőmérsékletű közeg hőt cserél. Egy anyag
minél jobb hőszigetelő képességekkel rendelkezik,
annál kevesebb lesz a magasabb hőmérsékletű közeg
felől az alacsonyabb felé eltávozó energia, vagyis
annál kisebb lesz a hőátbocsátási tényező, a
hőveszteség.

A hőcserélők
Olyan készülékek, amelyeknek az a
rendeltetésük, hogy hőt közvetítsenek különböző
hőmérsékletű áramló közegek között.

A hőcserélők
• A működési elv szerint rekuperációs, regenerációs és keverő
hőcserélőket különböztetünk meg.
• A rekuperációs hőcserélőkben a hőcsere a két közeget elválasztó
falon keresztül hőátvitellel történik. A hűtőberendezések
hőcserélőinek döntő többsége ezen az elven működik.
• A regenerációs hőcserélőkben a hőátvitel szakaszos: a készülék
falai egyszer felmelegszenek, egyszer lehűlnek, mert mellette
periodikusan hol meleg, hol hideg közeg áramlik. Ilyen
hőcserélők a klímatechnika egyes hővisszanyerő hőcserélői.

Az állandó sűrűségű közeg
áramlása
A kontinuitás (folytonosság) egyenlete:
A Bernoulli-törvény pontosabban azt mondja ki, hogy
áramló közegben egy áramvonal mentén a
különböző energia összetevők összege állandó.

Bernoulli egyenletei
• Összenyomhatatlan közeg:
Állandó nehézségi gyorsulás
esetén:
• Összenyomható közeg:
Az egyenlet általánosabb alakja összenyomható
közegekre írható fel, amely esetben egy
áramvonal mentén

Kompresszoros hűtőkörfolyamatok
gőznemű hűtőközeggel
A körfolyamat valamely közeg (munkaközeg)
állapotváltozásainak zárt láncolata.
Létesítésének célja a hő munkára való
átalakítása, vagy munkabefektetés révén
hőszállítás kisebb hőmérsékletről nagyobb
hőmérsékletre.

HŰTÉSI KÖRFOLYAMAT
A hűtő körfolyamatokat a hűtőközeg minősége szerint
két csoportot lehet megkülönböztetni:
1. Gőznemű hűtőközegű
2. Gáznemű hűtőközegű
A folyamat fenntartásához energia szükséges.
Ezek csoportosítása minőség szerint:
– mechanikai munka
– meghatározott hőmérsékletszintű hőenergia,
– villamos energia

Kompresszoros hűtőkörfolyamatok
gőznemű hűtőközeggel
Egy gáznemű közeget megfelelően
az 1 kiinduló állapotból az 1-a-2
úton a 2 állapotba, majd a 2-b-1 úton
a kiinduló állapotba hozva
körfolyamatot valósítunk meg.
A zárt körfolyamatra megállapít-
hatjuk, hogy a közeg belső
energiájának eredő megváltozása
zérus, mert:

Összehasonlító kompresszoros
hűtőkörfolyamat
A Carnot hűtőkörfolyamatban a p0 nyomású,
nedvesgőz állapotú hűtőközeg az izentropikus
kompresszió végén a pc nyomáson száraz telített
gőzállapotba kerül. Ehhez igen lassú a
komprimálás során a gőz és folyadékfázisok
termikus egyensúlyát biztosító folyamat
szükséges.

A Carnot-, és az összehasonlító
hűtőkörfolyamatok összevetése
A megoldandó hűtési feladat minden esetben
meghatározza a körfolyamat hőfelvételi
(elpárolgási) és hőleadási (kondenzációs)
hőmérsékletét. A gőznemű hűtőközegű
hűtőkörfolyamatoknál a t0 elpárolgási és tc
kondenzációs hőmérséklet - telítési nyomásként
határozza meg a p0 elpárolgási - és pc kondenzációs
nyomást. A nyomások meghatározásához a
választott hűtőközeg állapotegyenleteit,
állapotdiagramját használjuk.

A Carnot-, és az összehasonlító
hűtőkörfolyamatok összevetése

Valós hűtőkörfolyamat
Az eddig megismert hűtőkörfolyamatok ún. „elméleti"
körfolyamatok voltak. Nem vették figyelembe a
megvalósításukra szolgáló berendezés részegységeiben
fellépő veszteségeket, azok hatását. Fellépő veszteségek:

Hőfelvétel az elpárologtatóban
Hőfelvételre - a hűtőközeg oldali kialakítás
szempontjából - alapvetően két hőcserélő típust
alkalmazunk elpárologtatóként. Az egyikben ún.
nagytérben való forrás valósul meg. A másikban a
hőt felvevő hűtőközeg csőben való áramlás közben
párolog el.

Csőköteges hőcserélő
• A csőköteges hőcserélőkben, amelyekben
a hűtött közeg a köpeny és a csövek közötti
térben foglal helyet un. nagyterű forrás valósul meg.
A csövek külső felületén képződő gőzbuborék a
folyadékfázison áthaladva kerül a köpenyben
kialakított gőztérbe.
• A folyadékoszlop magasságától (a köpeny
átmérőjétől) függően a folyadékfázisú hűtőközeg
nyomása változó, tehát változik a telítési (elpárolgási)
hőmérséklet is.

Kényszerített áramlású hőcserélő
Azokban az elpárologtatókban, amelyekben a
hűtőközeg csőben áramlik, változó (növekvő)
fajlagos gőztartalmú kétfázisú áramlás jön létre.
A gőzképződés következtében az áramlás
gyorsuló: a be- és kilépés közötti nyomásesést
tehát a súrlódási veszteség, a gyorsítás és az
esetenkénti szintkülönbség együttesen
határozzák meg.

Kompresszor
Kompresszor (régebben gázsűrítő)
egy olyan gép, mely erőgéppel
meghajtva növeli egy gáz nyomását és
csökkenti térfogatát. A kompresszorok
működése hasonló a szivattyúéhoz,
mindkettő növeli a közeg nyomását,
mindkettő
képes csővezetéken keresztül a közeg
szállítására, csak míg a szivattyúk a
gyakorlatilag összenyomhatatlan
folyadékokkal dolgoznak, a
kompresszorok összenyomható
gázokat szállítanak.

Kompresszor
• A kompresszorok főbb típusai:
• Térfogatkiszorításos elven működő kompresszorok.
– Forgattyús mechanizmust használó kompresszorok
• Dugattyús kompresszor.
• Membrán kompresszor.
– Rotációs kompresszorok
• Csúszólapátos kompresszor.
• Csavarkompresszor.
• Roots-kompresszor.
• Enke-kompresszor.
• Forgókarmos kopmpresszor
• Vízgyűrűs kompresszor.
• Spirálkompresszor.

Kompresszió az alternáló dugattyús
kompresszorokban
Az ideális kompresszor jellemzői:
• a hengernek nincsen károstere; azaz az LL lökethosszal
és a D hengerátmérővel meghatározott VL lökettérfogat
azonos a VH hengertérfogattal;
• a szívó, illetve a nyomóütemben a hengerben uralkodó
pH nyomás azonos a pK1 szívó-, illetve a pK2
nyomócsonkbani nyomással;
• a szállított hűtőközeg és a kompresszor szerkezeti
részei között sem hőcsere, sem súrlódás, sem a nyomó
oldalról a szívóoldalra való visszaáramlás nincsen;
tehát a kompresszió izentropikus.

Kompresszió az alternáló dugattyús
kompresszorokban
• A valóságos kompresszor hengerében megvalósuló
folyamat veszteséges:
• a hengernek V0 káros tere is van; a hengernek van olyan
térrésze, amelyet a két holtpont között alternáló mozgást
végző dugattyú nem tud kiüríteni.
• a henger működő részében az áramlási veszteségek miatt
a szívás során a pH nyomás kisebb a szívócsonkban
uralkodó pK1 nyomásnál, a kitolás során pedig nagyobb a
nyomócsonkban uralkodó pK2 nyomásnál;
• a szállított hűtőközeg és a szerkezeti részek között változó
irányú hőcsere jön létre;
• a tökéletes tömörzárás nem biztosított.

A valóságos kompresszor
• A veszteségek miatt a kompresszió
politropikus. A valóságos
kompressziófolyamat miatt a
kompresszor belső fajlagos
munkaszükséglete az ún. indikált
fajlagos munkaszükséglet nagyobb
a W elméleti értéknél. Az elméleti
és az indikált munkaszükséglet
viszonya az indikált hatásfok.

A szállítási fok
• A szállítási fok (λ) a kompresszor szívócsonkjában
beszívott hűtőközeg térfogatáram, (azaz a tényleges
szállítóteljesítmény) és a kompresszor
geometriai szállítóteljesítményének
hányadosa
• A szállítási hatásfok tehát:

Fellépő veszteségek
Volumetrikus veszteség:
A károstér a szívás, illetve a kitolás során
fellépő nyomásesések következtében a pK1
nyomásra vonatkoztatott a ténylegesen
beszívható „friss" gőz V térfogata kisebb a VL
lökettérfogatnál. E veszteségeket az ηv
volumetrikus hatásfok veszi figyelembe.

Hőcseréből adódó veszteség:
A hengerbe beszívott a „friss" gőz a szerkezeti
részekkel való hőcsere és a súrlódás
következtében felmelegedik, sűrűsége csökken
(fajtérfogata nő). Ennek következményeként a V
térfogatban csak kisebb tömegű hűtőközeg
foglalhat helyet, azaz a kompresszor szívóoldali
csatlakozásán csak V-nél kisebb V' térfogat léphet
be. A kompresszorban a beszívás alatt fellépő
felmelegedés hatását az hF un. falhatásfok veszi
figyelembe.

Tömörtelenségi és résveszteség:
A kompresszor hengereibe a nyomáskülönbséggel
vezérelt szívószelep engedi be, illetve a hengerből az
ugyancsak nyomáskülönbséggel vezérelt nyomószelep
engedi ki a már komprimált hűtőközeg gőzt. E szelepek
nem tökéletes zárása esetén a sűrítés során a hengerből
a szívótérbe, a szívás során a nyomótérből a hengerbe
visszaáramló, valamint a hengerfal és a dugattyú
közötti résen át a forgattyúházba áramló hűtőközeg V'-
ről Vk-ra csökkenti a ténylegesen szállított térfogatot. E
veszteség hatását a tömörzárási fok veszi figyelembe.

A hűtőközeg áramlása a kompresszor és a
kondenzátor között a nyomóvezetékben
Az elméleti hűtőkörfolyamat feltételezte, hogy a
kompresszor nyomócsonkjában kialakult nyomás
(pk2) azonos a kondenzációs nyomással (pc), továbbá,
hogy a kompresszió véghőmérséklete (t2) azonos a
kondenzátorba belépő közeg hőmérsékletével (t2’). A
valós folyamatban a nyomóvezetékben fellépő
áramlási veszteség miatt pK2 > pc A kompresszió
véghőmérsékleténél kisebb hőmérsékletű
környezettel való hőcsere következtében t2’ <t2 A
nyomóvezetékben fellépő pny = pK2 - pc nyomásesés
körültekintő kialakításnál nem haladja meg az 1K
hőmérsékletváltozással meghatározott telítési
nyomásváltozást.

Hőleadás a kondenzátorban
Hőleadásra - hűtőközegoldali kialakítás
szempontjából - alapvetően két hőcserélő
típust használunk kondenzátorként. A
részleten vázolt típusnál a természetes
hűtőközeggel hűtött csövek külső felületén
jön létre a kondenzáció. A keletkezett
kondenzátum lecsepegve a csövekről a
köpeny aljáról távozik. Megfelelően
méretezett be- és elvezető csatlakozások
esetén a nyomásesés elhanyagolható;
P2’ = Pc

Hőleadás a kondenzátorban
Ennél a típusnál a kondenzáció a
hőátadó felületet képező csövek
belsejében valósul meg. Az ilyen
kondenzátorokban a hűtőközeg
számára biztosított áramlási
keresztmetszettől, a csőkígyók
hosszától, vezetésének módjától a
terhelési állapottól függő nyomásesés
alakul ki, p2> >Pc. A nyomásesés
következtében a kondenzáció a
nyomásváltozással meghatározott
változó hőmérsékleten megy végbe.

A folyadék áramlása a kondenzátor és az expanziós
szelep között a folyadékvezetékben
Az elméleti körfolyamatban a folyadékfázisú
hűtőközeg pc kondenzációs nyomású telített
folyadékként érkezik az expanziós szelephez. A
valós berendezésben a folyadékvezeték áramlási
ellenállásától, valamint a folyadékvezetékkel
áthidalt szintkülönbségtől függően a
kondenzációs nyomásnál nagyobb vagy kisebb
nyomáson telítetlen folyadék, vagy nedvesgőz
állapotban érkezik a hűtőközeg az expanziós
szelephez.

Inert (nem kondenzálódó) gáz jelenléte
a kondenzátorban
• A berendezésbe különböző okokból bekerült,
nem kondenzálódó gáz döntően levegő. A
levegő a kondenzátum képezte folyadékzár
miatt a kondenzátorban gyűlik össze. A levegő
pL résznyomása megnöveli a kondenzátorban
kialakuló nyomást. A pkond nyomás a levegő
résznyomásával nagyobb a pc kondenzációs
nyomásnál:

Inert (nem kondenzálódó) gáz jelenléte
a kondenzátorban
• A kompresszor a levegő jelenléte miatt nagyobb
nyomáson kell szállítson, amint azt az ábra mutatja.
• A nyomásviszony megnövekszik:

A hűtőberendezés részegységeinek
együttműködése
• Az egyfokozatú kompresszoros hűtőberendezés
alapvetően négy meghatározó részegységből áll.
Ezek: elpárologtató, kompresszor, kondenzátor,
expanziós szelep.
• Ezen részegységek és a „külső tartomány" jellemzői
együttesen határozzák meg a berendezés
hűtőteljesítményét és teljesítményfelvételét.
• Állandósult üzemállapotban mindegyik részegységen
azonos hűtőközeg tömegáram halad át.

Az elpárologtató jelleggörbéi
A gyakorlatban - elhanyagolva a hőátbocsátási tényező
terhelési állapottól való függését - az összefüggés
egyszerűsített változata használatos
ahol

Az elpárologtató jelleggörbéi
Adott méretű, konstrukciójú
elpárologtató, adott hűtött és
hűtőközeg esetén csak a hűtött
közeg ṁh tömegáramától függ.
E közelítő összefüggésnek
megfelelően az ábra mutatja a
0e, t0, th1 és ṁh kapcsolatát,
az elpárologtató üzemi
viselkedését jellemző un.
„jelleggörbéjét".

A kompresszor jelleggörbéje
A kompresszor az elpárologtatóban hőfelvétel során
gőzfázisba került p0 nyomású hűtőközeget szállítja a
pc kondenzációs nyomásra.
A kompresszorral az elpárologtatóból a
kondenzátorba szállított hűtőközeg tömegáramát
(ṁR) a kompresszor elméleti szállítóteljesítménye
(Vgeo), szállítási foka (λ) és a beszívott hűtőközeg
fajlagos térfogata (fa) együttesen határozzák meg.

• A szállított tömegáram tehát a t0; tc
hőmérsékletekkel meghatározott belső
üzemállapot függvénye.
• Az adott kompresszor hűtőteljesítménye:

Az adott kompresszor hajtásához szükséges, a
tengelyen bevezetendő teljesítmény (Pt) a szállított
hűtőközeg veszteséges komprimálására fordított ún.
belső (indikált) teljesítményszükségletből (Pi) és a
mechanikai veszteségek fedezésére fordított
teljesítményből (Pm) áll. A belső (a hűtőközeg
energiatartalmát növelő) teljesítményfelvételt a
szállított tömegáram (ṁR), a kompresszor elméleti
fajlagos munka szükségelete (W) és a kompresszor
(belső) indikált hatásfoka (η i ) határozzák meg:

• A gyakorlat inkább a kompresszor
ún. üresjárati teljesítményfelvételét
veszi figyelembe, amelyet
közelítően csak a fordulatszámtól
függőnek tekinthetünk:
• Pm = Pü = áll.
Értékét adott kompresszornál
méréssel határozzuk meg.
A tengelyen felvett teljesítmény
tehát
• Pt = Pi + Pm = Pi + Pü

A kondenzátor jelleggörbéi
• A kondenzátor a hűtőberendezésnek az a részegysége, amelyben a
kompresszortól érkező hűtőközeg a természetes hűtőközegnek
leadja a hűtött közegből, valamint a kompresszió során felvett
energiaáramok összegét.
• A hűtőközeg túlhevített gőzként lép be a kondenzátorba, s onnan tc
telítési hőmérsékletű folyadékként távozik. A természetes
hűtőközeg hőmérséklete emelkedik a hőfelvétel során (ta1 < ta2). A
hűtőközeg túlhevítési hőjét hőmérsékletcsökkenés mellett,
fázisváltozási (párolgás) hőjét állandó tc kondenzációs
hőmérsékleten adja le.

A kondenzátor jelleggörbéi
• Ezen összefüggéseket felhasználva a kondenzátor
hőteljesítménye (a levezetés mellőzésével):
• Az ábra mutatja a kondenzátor
c hőteljesítményének a
természetes hűtőközeg ṁa
tömegáramával és ta1
hőmérsékletével való
kapcsolatának jellegét.

Az expanziós szelep jelleggörbéi
• Az expanziós szelep feladata az elpárologtató
hőátadó felületének teljes kihasználtságához
szükséges hűtőközegáram biztosítása az
üzemelés teljes tartományában.
• A kondenzációs hőmérséklet csökkenése az
elpárolgási hőmérséklet növekedése egyaránt
csökkenti az átbocsátott tömegáramot.

• A kompresszorhoz hasonlóan a gyakorlatban általánosan
használt az „expanziós szelep hűtőteljesítménye„ nevű
meghatározás. Ez alatt a szelepen
meghatározott t0; tc hőmérsékletek mellett - átbocsátott
tömegáram és az elpárologtatóban azonos viszonyok mellett
felvett fajlagos hőmennyiség (q0) szorzatát értjük.
Az expanziós szelep jelleggörbéi

A részegységek együttműködése
(az állandósult üzemállapot meghatározása)
A meghatározott konstrukciójú, méretű
elpárologtatóból, kompresszorból, kondenzátorból,
expanziós szelepből (Ae; Ac; Vgeo; Aex) kialakított
hűtőberendezés hűtőteljesítményét a külső
feltételek (th1; ṁh; ch; ta1; ṁ; ca) határozzák meg.

A gyakorlatban elterjedten alkalmazzuk a
kompresszorból, hajtómotorból, kondenzátorból
kialakított ún. „kondenzáló egységet" (hűtő-
aggregátot). A kondenzáló egység
hűtőteljesítménye adott kondenzátor oldali külső
feltételek mellett már csak az elpárolgási
hőmérséklettől függ.

Ez a kompresszor a kondenzátorhoz hőáramot szállít.

• A kompresszor és a kondenzátor együttműködése során
minden üzemállapotban a kondenzátor képes kell, hogy legyen
a kompresszorból érkező hőáram természetes hűtőközegbe
való leadására: azaz a
• A kompresszor jelleggörbéiből az elpárolgási hőmérséklet
minden értéke mellett ismert a kompresszorral a
kondenzátorhoz szállított hőáram kondenzációs hőmérséklettől
való függése. Így minden elpárolgási
hőmérséklethez meghatározható az a tc kondenzációs
hőmérséklet, amely mellett teljesül a

• Ily módon ismertté válik a
kompresszor és kondenzátor
együttműködésére
meghatározott
kapcsolat.
• Minden t0 - tc értékpár
meghatároz egy-egy
kompresszor hűtőteljesítményt.
Ez a teljesítmény a kondenzáló
egység hűtőteljesítménye,
amely már csak az elpárolgási
hőmérséklet függvénye egy
adott természetes hűtőközeg
hőmérséklet esetén:

Hűtőberendezés védelme
• A hűtőberendezésben kialakuló hűtőközegoldal
üzemállapotot a külső feltételek határozzák meg.
• Minden esetben, amikor a berendezésben kialakuló
üzemállapot túllépi az alkalmazhatóság határait, a
részegység és ezzel a berendezés - meghibásodása
következik be.
• A berendezés védelmi rendszere a szükséges biztonsági
tartozékok és a telepítés tekintetében a hűtőközeg fajtája,
töltetének mennyisége a meghatározó.
• A hűtőberendezések létesítésével, telepítésével,
üzemeltetésével kapcsolatos biztonsági követelményeket
nemzeti és nemzetközi előírások tartalmazzák.

Védelem a megengedett maximális üzemi
nyomás túllépése ellen
Van egy kis és egy nagynyomású része. A nagynyomású
részhez tartozik a kompresszor nagynyomású oldala, a
kondenzátor, utóhűtő, folyadéktartály, a nyomó- és a
folyadékvezeték, valamint esetleges egyéb kiegészítő
készülékek (olajleválasztó, stb.). A kisnyomású rész az
expanziós szelep és a kompresszor szívócsonkja közötti
részegységeket, valamint a kompresszor szívóoldali
részét foglalja magában. Ezek közül a „leggyengébb"
határozza meg a megengedett maximális üzemnyomást.
Megfelelően megválasztott részegységek esetében a
kompresszor a meghatározó részegység.

Kellő körültekintéssel tervezett és telepített berendezés esetében a
nagynyomású oldalon kialakuló nyomás két okból haladhatja meg a
megengedett pK2 max maximális üzemi nyomást:
a) A kondenzátor csak a tervezettnél nagyobb kondenzációs hőmérséklet
mellett képes leadni a kompresszorral szállított hőáramot.
b) A berendezés a környezetből a tervezettnél nagyobb hőáramot kap.
az a) esetben a nyomás tervezettnél nagyobb értéke:
- a természetes hűtőközeg tervezettnél kisebb tömegáramának,
- a természetes hűtőközeg tervezettnél nagyobb hőmérsékletének,
- a kondenzátorban nem kondenzálódó idegen gáz jelenlétének,
- az elpiszkolódott felületek
Védelem a megengedett maximális üzemi
nyomás túllépése ellen

Védelem a megengedettnél kisebb szívóoldali
nyomás kialakulása ellen
• A kompresszor üzembiztos működése, típusonként más-más
műszaki ok miatt meghatározza a szívóoldali nyomás pK1min
megengedett minimális értékét. Egyes esetekben a
berendezés meghibásodás elleni védelme érdekében (pl.
fagyveszély) kell határolni a szívóoldali nyomást. A
szívóoldali nyomás tervezettnél kisebb, a berendezés
biztonságát veszélyeztető nyomás kialakulásának oka a
hűtött közeg tömegáramának lecsökkenése, a hűtési igény
csökkenése következtében a hűtött közeg hőmérsékletének
rendellenes mértékű csökkenése, zavar az elpárologtató
hűtőközeg ellátásában, stb. lehet.
• A védelmet a szívóoldali nyomást érzékelő nyomáskapcsoló
szolgálja.

Védelem a megengedettnél kisebb szívóoldali
nyomás kialakulása ellen
A szívóoldali presszosztát leállítja a berendezést,
ha a nyomás eléri a megengedett minimális
értéket. A nyomás emelkedésekor a kapcsoló
újraindítja a berendezést. A kis szívóoldali
nyomás melletti indulás nem veszélyezteti sem a
kompresszor, sem az azt hajtó motor
üzembiztonságát.

Védelem a kompresszor olajrendszerének elégtelen
működése miatti meghibásodás ellen
• A kompresszorok üzembiztos működésének feltétele a
kenési helyek megfelelő olajellátása, a megfelelő
olajforgalom biztosítása. A kompresszorok meghatározó
hányada kényszerolajozású. Ezek olajforgalmát
általában a kompresszor tengelyéről hajtott
olajszivattyú biztosítja.
• A túlnyomás - az olaj- és a forgattyúházi
nyomáskülönbség - csökkenése elégtelen olajozást
jelent. A meghibásodás elkerülésére le kell állítani a
kompresszort, s csak kézi beavatkozással szabad
újraindítani.

Védelem a kompresszió véghőmérséklet káros
megemelkedése ellen
A kompresszor és ezzel a berendezés
üzembiztosságát a megengedettnél nagyobb
kompresszió véghőmérséklet is veszélyezteti. A
kompresszió véghőmérsékletének kedvezőtlen
megemelkedését okozhatja a tervezettnél kisebb
szívóoldali nyomás és nagyobb túlhevítési
hőmérséklet, a nagyobb nyomóoldali nyomás (pl.
idegen gáz a kondenzátorban), tökéletlenül záró
nyomószelep, stb. A kompresszió véghőmérséklet
rendellenes megemelkedésekor a meghibásodás
megelőzése érdekében le kell állítani a
kompresszort.

Hermetikus kompresszorok
motorvédelme
• A hermetikus motorkompresszort hajtó villamosmotor a
kompresszorral zárt egységet alkot.
A motorkompresszor konstrukciójától függően az állórész
hűtési módja különböző. Egyes típusoknál a beszívott
hűtőközeg is részt vesz az állórész hűtésében. A motor
szempontjából veszélyt jelent a megengedettnél nagyobb
áramfelvétel (túláram) és az elégtelen hűtés következtében
előálló tekercs túlmelegedés.
• A motor meghibásodása ellen a túláram, hővédő kapcsoló,
illetve a tekercshőmérsékletet érzékelő hőfokkapcsoló nyújt
védelmet.

Hűtött folyadék megfagyása elleni
védelem
• Folyadékot hűtő berendezésekben, ha az elpárologtató hűtött-közeg oldali
felületi hőmérsékletre a folyadék dermedési hőmérsékletre alá csökken, a
hűtött folyadék (ill. annak nagyobb dermedési hőmérsékletű komponense)
kifagy a felületen. A felületen képződött szilárd fázis (jég) egyfelől rontja a
hőátadási viszonyokat, másfelől szűkíti a szabad áramlási keresztmetszetet.
A lefagyás okai lehetnek:
• az előírtnál nagyobb dermedési hőmérsékletű folyadék;
• a berendezés igényeltnél nagyobb hűtőteljesítménye;
• a hűtött közeg tervezettnél kisebb tömegárama;
• a folyadékot hűtő elpárologtató hűtött közeg oldalán ún. „pangó" terek
kialakulása. Ezekben a terekben a folyadék áramlási sebessége kisebb az
átlagosnál (esetleg gyakorlatilag nulla);

Heat Pump in Building Mechatronic - Timotei István Erdei - Timotei-Robotics

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Heat Pump in Building Mechatronic - Timotei István Erdei - Timotei-Robotics