ZAVRŠNI RAD sveučilišnog preddiplomskog studija

Transcription

1 SVEUČILIŠTE JOSIPA JURJA STROSSMAYERA U OSIJEKU STROJARSKI FAKULTET U SLAVONSKOM BRODU ZAVRŠNI RAD sveučilišnog preddiplomskog studija Tomislav Aušić Mentor završnog rada: prof. dr. sc. Marija Živić Slavonski Brod, 2016.

2 I. AUTOR Ime i prezime: Tomislav Aušić Mjesto i datum rođenja: Slavonski Brod, 12. rujna Adresa: Vinogradska cesta 74, Slavonski Brod STROJARSKI FAKULTET U SLAVONSKOM BRODU II. ZAVRŠNI RAD Naslov: Termodinamička analiza kaskadnog rashladnog uređaja korištenjem računalnih programa Naslov na engleskom jeziku: Thermodynamic analysis of two stage cascade refrigeration unit using softwares Ključne riječi: termodinamika, analiza, rashladni uređaj, računalo, program Ključne riječi na engleskom jeziku: thermodynamics, analysis, refrigeration unit, softwares Broj stranica: 26 slika: 17 tablica: 2 priloga: 1 bibliografskih priloga: 8 Ustanova i mjesto gdje je rad izrađen: STROJARSKI FAKULTET U SLAVONSKOM BRODU Stečen akademski naziv: Sveučilišni prvostupnik inženjer strojarstva Mentor rada: prof.dr.sc. Marija Živić Obranjeno na Strojarskom fakultetu u Slavonskom Brodu dana Oznaka i redni broj rada: 48/2016.

3

4 IZJAVA Izjavljujem da sam završni rad izradio samostalno, koristeći se vlastitim znanjem, literaturom i provedenim eksperimentima. U radu mi je pomogala savjetima i uputama mentorica završnog rada, prof. dr. sc. Marija Živić, te joj iskreno zahvaljujem. Isto tako zahvaljujem i asistentu Zvonimiru Jankoviću, mag. ing. mech.

5 SAŽETAK Tema ovog završnog rada je Termodinamička analiza kaskadnog rashladnog uređaja korištenjem računalnih programa. U radu je pojašnjen princip rada ljevokretnog ciklusa te su predstavljena svojstva zadane radne tvari, kao i svojstva korištenih programa. Na osnovu zadanih parametara izrađen je matematički model zadanog kaskadnog rashladnog uređaja u programima EES i SISREF te su prikazana rješenja u pojedinim programima, kao i moguće varijacije pojedinih ulaznih podataka. Također su prikazana rješenja dobivena zamjenom rashladnog sredstva te dane usporedbe rješenja dobivena korištenjem novih i postojećih rashladnim sredstava.

6 ABSTRACT The subject of this final paper is Thermodynamic analysis of two stage cascade refrigeration unit using softwares. This paper describes refrigeration cycle as well as properties of given refrigerant and properties of used softwares. Based on given parameters, mathematical model of the two stage cascade refrigeration unit is made, and calculations are performed in softwares EES and SISREF (Sistemas de Refrigeración). Variations of input data and solutions are presented in the work. Solutions obtained by the replacement of the refrigerant are presented and comparison of solutions obtained by using new and existing regrigerant is given.

7 SADRŽAJ PREGLED VELIČINA, OZNAKA I JEDINICA 1 UVOD PRINCIP RADA RASHALDNIH UREĐAJA RADNA TVAR R-134a KORIŠTENI SOFTVERI MATEMATIČKI MODEL KASKADNOG CIKLUSA KORIŠTENJEM SOFTVERA EES MATEMATIČKI MODEL KASKADNOG CIKLUSA KORIŠTENJEM SOFTVERA SISREF VARIRANJE ULAZNIH PODATAKA VARIRANJE IZENTROPSKOG STUPNJA DJLEOVANJA VARIRANJE TEMPERATURE ISPARAVANJA VARIRANJE TEMPERATURE KONDENZACIJE VARIRANJE STUPNJA POTHLAĐIVANJA VARIRANJE STUPNJA PREGRIJANJA MOGUĆNOST IZMJENE RADNE TVARI OPĆENITO O R-1234YF I R-1234ZE(E) PRIMJENA R-1234YF KAO RADNE TVARI PRIMJENA R-1234ZE(E) ZAKLJUČAK LITERATURA PRILOZI

8 PREGLED VELIČINA, OZNAKA I JEDINICA - faktor hlađenja - izentropski stupanj djelovanja kompresora - stupanj pothlađenja / C - stupanj pregrijanja / C GWP h - potencijal globalnog zatopljavanja - specifična entalpija /J/kg - izentropska specifična entalpija /J/kg ODP p - potencijal razgradnje ozona - tlak /Pa - tlak isparivanja /Pa - snaga kompresora /W - tlak kondenzacije /Pa - odvedeni toplinski tok /W - dovedeni toplinski tok /W q - specifična toplina /J/kg - maseni protok / kg/s s - specifična entropija /J/kg - temperatura ogrijevnog spremnika / C - temperatura rashladnog spremnika / C - temperatura isparavanja / C - temperatura kondenzacije / C

9 1 UVOD Termodinamički procesi za ostvarivanje niskih temperatura se koriste kada niske temperature ne možemo postići hlađenjem vodom ili zrakom. Danas se za postizanje niskih temperatura, odnosno za ohlađivanje, koriste rashladni uređaji. U rashladnim se uređajima ohlađivanje postiže: o isparavanjem niskohlapivih tekućina; što je tlak isparavanja niži, to su postignute temperature ohlađivanja niže, o ekspanzijom komprimiranih plinova u ekspanzijskom stroju (vrši se vanjski rad), o prigušivanjem komprimiranih plinova i para (ne vrši se vanjski rad). Zadatak rashladnih uređaja postizanje je i održavanje temperatura koje su niže od temperature okoline. [1] 1.1 PRINCIP RADA RASHALDNIH UREĐAJA Postizanje i održavanje dovoljno niske temperature (hlađenje) moguće je primjenom ljevokretnih ciklusa, a u ovom je zadatku korišten ljevokretni ciklus s redukcijskim ventilom i usisavanjem suhozasićene pare. Shemu ovog procesa prikazuje Slika 1, dok Slike 2, 3 i 4 prikazuju dotični proces u p, v; T, s i h, s dijagramu. Slika 1.1 Shema ljevokretnog ciklusa s redukcijskim ventilom [2] 1

10 Slika 1.2 Prikaz ciklusa u p, v dijagramu [2] Slika 1.3 Prikaz ciklusa u T, s dijagramu [2] 2

11 Slika 1.4 Prikaz ciklusa u h, s dijagramu [2] Kompresor K usisava suhozasićenu paru stanja 1 pri isparivačkom tlaku i izentropski je komprimira na kondenzatorski tlak, stanje 2. Sa stanjem 2 para ulazi u kondenzator u kojem, predajući toplinu rashladnom spremniku temperature, potpuno kondenzira do stanja 3, s kojim ta vrela kapljevina ulazi u prigušni (redukcijski) ventil RV u kojemu se adijabatski prigušuje do točke 4 koja leži na isparivačkom tlaku. Linija 3 4 prikazana je u dijagramima crtkano jer je ta promjena neravnotežna, entalpija prije i nakon prigušenja ostaje ista, no promjena se ne može smatrati izentalpskom. Dovođenjem topline q iz hladionice zasićena para stanja 4 u isparivaču I pri isparivačkom tlaku dolazi u stanje suhozasičene pare 1, čime je ciklus zatvoren. [2] 1.2 RADNA TVAR R-134a Radna tvar u ovom je zadatku R-134a (1,1,1,2-tetrafluoroetan) koja je derivat etana ( ), dakle, tvar organskog porijekla. Razvijen je kao zamjena za R12. Nije zapaljiv u atmosferskim uvjetima, no postaje zapaljiv u posebnim uvjetima temperature, tlaka i udjela kisika. U normalnim uvjetima rada nije otrovan, ali izlaganjem temperaturama višima od dozvoljenih dolazi do raspadanja i stvaranja različitih otrovnih plinova. Područje primjene mu je u kućanstvu, za klimatizaciju (industrijsku i komercijalnu), primjenjuje se u klimatizaciji automobilskih klima uređaja, kod rashladnih uređaja za kopneni transport robe, bilo ohlađene ili smrznute, također i kod brodskih kontejnerskih rashladnih jedinica. Zbog relativno visokog GWP-a (potencijal globalnog zatopljavanja), je godine izbačen iz upotrebe za klimatizaciju svih novoproizvedenih automobila u Europskoj uniji. 3

12 Neke od karakteristika R-134a: o kemijska formula: o kritična točka: temperatura ϑ = 101,06 C i tlak p = 40,593 bar o trojna točka: temperatura ϑ = -103,3 C i tlak p = 0,0039 bar o potencijal razgradnje ozona ODP: ODP = 0 o potencijal globalnog zatopljavanja GWP: 1.3 KORIŠTENI SOFTVERI Korišteni softveri u ovom zadatku su: Engineering equation solver (EES) i SISREF. EES softver služi za rješavanje i do tisuću numeričkih algebarskih i diferencijalnih jednadžbi. Program se može koristiti za rješavanje kako diferencijalnih tako i integralnih jednadžbi, može provoditi optimizacije, pružati analize nesigurnosti, izvoditi linearne i nelinearne regresije, pretvarati mjerne jedinice te provjeravati dosljednost mjernih jedinica i crtanje kvalitativnih dijagrama. Glavna karakteristika EES softvera visoka je točnost termodinamičkih baza podataka u kojima se nalaze stotine tvari s unesenim podacima koji se mogu koristiti u jednadžbama. [3] Drugi korišteni softver, SISREF, softver je za simulaciju kompresije pare u rashladnim procesima. Softver dopušta korisniku da oblikuje svoj proces pomoću komponenti koje su ugrađene u program i pomoću veza između njih. Nakon što je shema procesa nacrtana unose se podaci za ulaz i izlaz pojedine komponente te se može doći do rješenja koja budu navedena u tablicama ili čak mogu biti unesena u logp, h ili T, s dijagram. Program nije u potpunosti prilagođen potrebama zadatka poput EES softvera te se pomoću njega ne može doći do rješenja. [4] 4

13 2 MATEMATIČKI MODEL KASKADNOG CIKLUSA KORIŠTENJEM SOFTVERA EES Ulazni podaci: = 5 bar (2.1) = 12 bar (2.2) = 2 bar (2.3) = 4 bar (2.4) = 0,8 (2.5) = 0,8 (2.6) = 0,15kg/s (2.7) = Temperature(R134a; P= ; x=1) (2.8) = Temperature(R134a; P= ; x=1) (2.9) = Temperature(R134a; P= ; x=1) (2.10) = Temperature(R134a; P= ; x=1) (2.11) = 0,0001 C (2.12) = 0,0001 C (2.13) = 0,0001 C (2.14) = 0,0001 C (2.15) R$ = 'R134a' (2.16) Slika 2.1 Shema zadanog ciklusa [5] 5

14 Slika 2.2 Prikaz zadanog ciklusa u T, s dijagramu Za pojedine tlakove kondenzacije i isparavanja zadane jednadžbama od 2.1 do 2.4 potrebno je u matematičkom modelu navesti i izračun pripadajućih temperatura isparavanja, odnosno kondenzacije, što je prikazano jednadžbama od 2.8 do Stupnjevi pregrijanja ( ), odnosno stupnjevi pothlađenja ( ) postavljeni su kao jako male vrijednosti bliske nuli jer tako ne utječu na razultate programa, a ako se postavi da su njihove vrijednosti jednake nuli, program je u nemogućnosti postizanja rezultata. R$ oznaka korištena je radi lakšeg variranja rashladnog sredstva, a koristi se u kasnijim poglavljima zadatka. Matematički model donjeg ciklusa: Stanje 1: Stanje 2: Stanje 3: (2.17) (2.18) (2.19) (2.20) (2.21) (2.22) (2.23) (2.24) (2.25) (2.26) (2.27) 6

15 Stanje 4: (2.28) (2.29) (2.30) Jednadžbama od 2.17 do 2.30 prikazana su pojedina stanja u donjem ciklusu. Stanje 1 je stanje suhozasićene pare tlaka isparivanja na ulazu u kompresor 1. Stanje 2 je stanje u kojemu se ta ista suhozasićena para komprimira izentropski na tlak kondenzacije prvog ciklusa. Budući da se radi o izentropskoj promjeni stanja između stanja 2 i stanja 1, stanje 2 se nalazi u pregrijanom području. Stanje 3 je pak stanje vrele kapljevine s tlakom koji odgovara tlaku kondenzacije donjeg ciklusa, a za to se stanje lako izračunaju specifična entropija (jednadžba 2.26) i specifična entalpija (jednadžba 2.27). Daljnim prigušivanjem u prigušnom ventilu dolazi se do stanja 4 koje je obilježeno tlakom isparivanja donjeg ciklusa, stanje 4 je stanje zasićene pare. Zbog navedenog prigušenja specifične entalpije stanja 4 i stanja 3 su jednake. Kompresor 1: = (2.31) - izentropski stupanj djelovanja kompresora u donjem ciklusu - izentropska specifična entlapija stanja 2, kj/kg - specifična entalpija stanja 1, kj/kg - specifična entalpija stanja 2, kj/kg Iz jednadžbe 2.31 proiizlazi: = + (2.32) Stvarna snaga kompresora u donjem ciklusu računa se prema izrazu: (2.33) - stvarna snaga kompresora donjeg ciklusa, kw - maseni protok rashladne tvari u donjem ciklusu, kg/s Dovedeni toplinski tok računa se prema izrazu: (2.34), - dovedeni toplinski tok donjeg ciklusa, kw - specifična entalpija stanja 4, kj/kg 7

16 Odvedeni toplinski tok računa se prema izrazu: (2.35) - odvedeni toplinski tok donjeg ciklusa, kw specifična entalpija stanja 3, kw Kao što se iz gornjih jednadžbi može vidjeti, toplinski se tok dovodi između stanja 4 i 1, a odvodi između stanja 2 i 3. Toplinski tok odveden u donjem ciklusu odgovarat će dovedenom toplinskom toku u gornjom ciklusu. (2.36) - dovedeni toplinski tok u gornjem ciklusu, kw U izrazu 2.36 ide predznak minus jer je toplinski tok odveden u donjem ciklusu negativan, dok je toplinski tok doveden gornjem ciklusu pozitivan. Ta su dva toplinska toka po iznosu jednaka, ali su suprotnog predznaka. Matematički model gornjeg ciklusa: Stanje 5: Stanje 6: Stanje 7: Stanje 8: (2.37) (2.38) (2.39) (2.40) (2.41) (2.42) (2.43) (2.44) (2.45) (2.46) (2.47) (2.48) (2.49) (2.50) Matematički se model gornjeg ciklusa poklapa s matematičkim modelom donjeg ciklusa. Jednadžbama od 2.37 do 2.50 prikazana su pojedina stanja u gornjem ciklusu. Stanje 5 je stanje suhozasićene pare tlaka isparivanja na ulazu u kompresor 2. Stanje 6 je stanje u kojem se ta ista suhozasićena para komprimira izentropski na tlak kondenzacije drugog ciklusa. Budući da se radi o izentropskoj promijeni stanja između stanja 6 i 5, stanje 6 se nalazi u pregrijanom području. Stanje 7 je pak stanje vrele kapljevine sa tlakom koji odgovara tlaku kondenzacije 8

17 gornjeg ciklusa, a za to stanje se lako izračunaju specifična entropija (jednadžba 2.46) i specifična entalpija (jednadžba 2.47). Daljnim prigušivanjem u prigušnom ventilu dolazi se do stanja 8, stanje zasićene pare, koje je obilježeno tlakom isparivanja donjeg ciklusa. Zbog navedenog prigušenja, specifične entalpije stanja 8 i stanja 7 jednake su. Kako bi se odvođenje topline iz donjeg ciklusa u gornji odvijalo u protusmjernom izmjenjivaču topline, potrebno je da tlak kondenzacije prvog ciklusa, a samim time i temperatura kondenzacije prvog ciklusa, budu veći od tlaka isparivanja i temperature isparivanja drugog ciklusa jer toplina prelazi iz područja više u područje niže temperature. Kompresor 2: = (2.51) - izentropski stupanj djelovanja kompresora u gornjem ciklusu - izentropska specifična entlapija stanja 6, kj/kg - specifična entalpija stanja 5, kj/kg - specifična entalpija stanja 6, kj/kg Iz jednadžbe 2.51 proizlazi: = + (2.52) Dovedeni toplinski tok računa se prema izrazu: (2.53) - dovedeni toplinski tok gornjeg ciklusa, kw Iz izraza 2.36 slijedi: (2.54) Sređivanjem izraza 2.54 slijedi izraz za : = (2.55) - maseni protok rashladne tvari u gorenjm ciklusu, kg/s - specifična entalpija stanja 8, kj/kg Odvedeni toplinski tok računa se prema izrazu: - odvedeni toplinski tok gornjeg ciklusa, kw specifična entalpija stanja 7, kw (2.56) 9

18 Stvarna snaga kompresora u gorenjm ciklusu računa se prema izrazu: - stvarna snaga kompresora gornjeg ciklusa, kw (2.57) COP rashladnog uređaja: = (2.58) - faktor hlađenja Faktor hlađenja, kao što je vidljivo iz izraza 2.58, predstavlja omjer dovedenog toplinskog toka donjeg ciklusa i zbroja ukupnih snaga kompresora u oba ciklusa. Korištenjem programa EES postignuti su sljedeći rezultati: o o 284 o o o o o o Snage kompresora u oba ciklusa negativne su iz jednostavnog razloga: dovedena ili uložena je snaga negativnog predznaka. Što se toplinskog toka tiče, vrijedi isto pravilo: dovedeni je toplinski tok pozitivnog predznaka, dok je odvedeni negativnog. Maseni se protok povećava jer je prilikom izmjene toplinskog toka između donjeg i gornjeg ciklusa razlika specifičnih entalpija u gornjem ciklusu manja nego u donjem. Faktor hlađenja govori da pri utrošenom 1 kw energije ostvarujemo 2,683 kw rashladne toplinske energije. 10

19 3 MATEMATIČKI MODEL KASKADNOG CIKLUSA KORIŠTENJEM SOFTVERA SISREF U softveru je nacrtana shema ciklusa i uneseni su ulazni podaci zadani zadatkom, kao i iznos masenog protoka koji bi se trebao izračunati. Međutim, kao što je već rečeno u uvodu, softver SISREF nije prilagođen potrebama zadatka te se njime ne može doći do rješenja. Sljedeće slike prikazuju izgled sheme ciklusa u programu SISREF i prikaz rezultata. Slika 3.1 Ciklus u SISREF-u 11

20 Slika 3.2 Rezultati u SISREF-u 12

21 4 VARIRANJE ULAZNIH PODATAKA Za potrebe variranja pojedinih ulaznih podataka u matematičkom modelu maseni protok gornjeg ciklusa ulazi u ulazne podatke, odnosno u poznate parametre, i iznosi 0,22 kg/s, osim kod variranja stupnja pothlađenja i stupnja pregrijanja. Razlika temperatura između temperature kondenzacije prvog ciklusa i temperature isparivanja drugog ciklusa u matematičkom je modelu označena kao. Ta je razlika u temperaturi konstanta prilikom svih varijacija i iznosi 5 C. Također, temperatura kondenzacije prvog ciklusa iznosi 15 C.Temperatura isparivanja prvog ciklusa prilikom variranja iznosi -10 C, dok temperatura kondenzacije drugog ciklusa iznosi 45 C. (4.1) (4.2) (4.3) (4.4) Takvim se postavljanjem matematičkog modela dobije nešto veća vrijednost faktora hlađenja i iznosi: (4.5) 4.1 VARIRANJE IZENTROPSKOG STUPNJA DJLEOVANJA Prilikom variranja izentropskog stupnja djelovanja kompresora obaju ciklusa sve druge varijable ostaju konstantne. Variranje izentropskog stupnja djelovanja prvog i drugog ciklusa je u rasponu vrijednosti od 0,65 pa do 0,9. Rezultate variranja zornije nam prikazuje slika 4.1. Slika 4.1. Utjecaj i na faktor hlađenja 13

22 Iz slike 4.1. može se zaključiti da se prilikom variranja izentropskog stupnja djelovanja za jednake vrijednosti u oba ciklusa postiže drastičniji rast faktora hlađenja kod variranja izentropskog stupnja djelovanja gornjeg ciklusa ( ). Vidljivo je da sve do vrijednosti izentropskog stupnja djelovanja od 0,8 veći utjecaj na faktor hlađenja ima izentropski stupanj djelovanja donjeg ciklusa. Na vrijednosti od 0,8 vrijednosti faktora hlađenja približno su jednake, dok na vrijednostima izentropskog stupnja djelovanja iznad 0,8 faktor hlađenja za gornji ciklus drastičnije raste u odnosu na faktor hlađenja donjeg ciklusa. 4.2 VARIRANJE TEMPERATURE ISPARAVANJA Kao što je u uvodu već rečeno, temperatura isparivanja drugog ciklusa ostaje konstantna i ne varira. Temperatura isparivanja donjeg ciklusa varira ili se mijenja u rasponima od -15 pa sve do -5. Variranje je provedeno na tri načina, u prvom načinu varirana je temperatura isparivanja prvog ciklusa, dok je temperatura kondenzacije drugog ciklusa iznosila 40. Drugi je način proveden tako da je također varirana temperatura isparivanja donjeg ciklusa, dok je temperatura kondenzacije gornjeg ciklusa iznosila 45. Konačni treći način variranja sadrži variranje temperature isparivanja, a temperatura kondenzacije ovoga je puta iznosila 50. Rezultate svih variranja prikazuje slika 4.2. Slika 4.2 Utjecaj temperature isparivanja donjeg ciklusa na faktor hlađenja 14

23 Iz slike 4.2. vidljivo je da porastom temperature isparivanja u sva tri načina dolazi i do porasta faktora hlađenja. Postignute vrijednosti faktora hlađenja najveće su kod prvog načina, dok su najmanje kod trećeg zbog toga što povećanjem razlika u temperaturi kondenzacije i isparivanja opada faktor hlađenja. Rashladni se učin bitno smanjuje ako je veća razlika temperatura kondenzatora i isparivača tako da kod dovoljno velike razlike rashladni učin može i izostati. [2] 15

24 4.3 VARIRANJE TEMPERATURE KONDENZACIJE Prilikom variranja temperature kondenzacije varira samo temperatura kondenzacije drugog ciklusa, dok temperatura kondenzacije prvog ciklusa ostaje konstantna. Variranje temperature kondenzacije drugog ciklusa također je provedeno u tri načina. Prvi način predstavlja variranje temperature kondenzacije drugog ciklusa pri iznosu temperature isparivanja donjeg ciklusa od -15. Drugi je način variranje temperature kondenzacije pri temperaturi isparivanja donjeg ciklusa od -10. Posljednji, odnosno treći način variranja, predstavlja variranje temperature kondenzacije pri vrijednosti temperature isparivanja donjeg ciklusa od -5. Rezultate svih variranja prikazuje slika 4.3. Slika 4.3 Utjecaj temperature kondenzacije gornjeg ciklusa na faktor hlađenja Na slici 4.3 vidljivo je da porastom temperature kondenzacije dolazi do pada vrijednosti faktora hlađenja u sva tri načina variranja. Za treći način variranja postignute su za jednake vrijednosti temperatura kondenzacije najveće vrijednosti faktora hlađenja, dok su za prvi način variranja postignute najmanje vrijednosti faktora hlađenja. Ovakvi su rezultati i očekivani jer su razlike temperature kondenzacije gornjeg ciklusa i temperature isparivanja donjeg ciklusa najmanje kod trećeg načina. 16

25 4.4 VARIRANJE STUPNJA POTHLAĐIVANJA Prilikom variranja stupnja pothlađivanja, variran je samo stupanj pothlađivanja gornjeg ciklusa. Variranjem tog stupnja pothlađivanja gleda se njegov utjecaj na odvedeni toplinski tok u gornjem ciklusu. Temperature kondenzacije i isparivanja postavljene su kao i u matematičkom modelu prethodnih poglavlja. Maseni protok gornjeg ciklusa također ulazi u ulazne podatke i iznosi 0,22 kg/s. Stupanj pothlađivanja variran je između temperatura od 0,0001 pa do 10. Temperatura od 0,0001 odabrana je jer program nije u mogućnosti prikazati rezultate za temperaturu od 0. Slika 4.4 prikazuje utjecaj stupnja pothlađivanja gornjeg ciklusa na odvedeni toplinski tok gornjeg ciklusa. Slika 4.4 Utjecaj stupnja pothlađenja na odvedeni toplinski tok gornjeg ciklusa Iz slike 4.4 vidljivo je da porastom stupnja pothlađivanja gornjeg ciklusa raste i odvedeni toplinski tok gornjeg ciklusa. Vidljivo je da relativno malim povećanjem stupnja pothlađenja dolazi do većeg porasta odvedenog toplinskog toka. Smanjenjem temperature kondenzacije gornjeg ciklusa došlo bi, osim do povećanja odvedenog toplinskog toka, i do povećanja faktora hlađenja. 17

26 4.5 VARIRANJE STUPNJA PREGRIJANJA Variranje stupnja pregrijanja predstavlja variranje stupnja pregrijanja donjeg ciklusa i njegov utjecaj na dovedeni toplinski tok donjeg ciklusa. Matematički model u potpunosti je jednak matematičkom modelu potpoglavlja 4.4. Maseni protok gornjeg ciklusa nema utjecaj na dovedeni toplinski tok donjeg ciklusa te kao takav ulazi u ulazne podatke. Variranje stupnja pregrijanja je provedeno također u intervalu od 0,0001 pa do 10. Prikaz rezultata variranja dan je dijagramu na slici 4.5. Slika 4.5 Utjecaj stupnja pregrijanja na dovedeni toplinski tok donjeg ciklusa Iz slike je vidljivo da porastom stupnja pregrijanja donjeg ciklusa raste dovedeni toplinski tok, ali ne raste drastično. Povećanjem stupnja pregrijanja donjeg ciklusa dolazi do porasta temperature isparivanja u donjem ciklusu, dolazi do povećanja dovedenog toplinskog toka, a samim time i do povećanja faktora hlađenja u malim vrijednostima. 18

27 5 MOGUĆNOST IZMJENE RADNE TVARI Radna je tvar R-134a u narednim potpoglavljima zamijenjena dvjema, po karakteristikama približno jednakim, rashladnim tvarima. Riječ je o rashladnoj tvari R-1234yf i R-1234ze(e). Obje tvari pojašnjene su u potpoglavljima te je provedena usporedba s osnovnom rashladnom tvari. 5.1 OPĆENITO O R-1234YF I R-1234ZE(E) R-1234yf (2,3,3,3 tetrafluorpropen) predložen je kao zamjena za R-134a u automobilskoj klimatizaciji. R-1234yf ima potencijal globalnog zatopljavanja kao jedna tristotridesetpetina R- 134a. Razvijen je po direktivi EU koja zahtijeva da svi automobili proizvedeni od godine imaju GWP (potencijal globalnog zatopljavanja) manji od 150. Iako je R-1234yf blago zapaljiv, koristi se u klimatizaciji automobila jer pri tim uvjetima rada ne pokazuje znakove zapaljivosti. Neke od karakteristika R-1234yf: o kemijska formula: o kritična točka: temperatura ϑ = 94,07 C i tlak p = 33,8 bar o trojna točka: temperatura ϑ = -53,15 C i tlak p = 0,3150 bar o potencijal razgradnje ozona ODP: ODP = 0 o potencijal globalnog zatopljavanja GWP:. [6] R-1234ze(e) (trans tetrafluorprop-1-en) izomer je od R-1234ze. Također je blago zapaljiv, ali ne i na temperaturama ispod 30 C. Na temperaturama iznad 30 C manje je zapaljiv u ondnosu na R-1234yf. Koristi se kao rashladno sredstvo u klimatizaciji supermarketa i u hladnjacima. [7] Neke od karakteristika R-1234ze(z): o kemijska formula: o kritična točka: temperatura ϑ = 109,37 C i tlak p = 36,36 bar o trojna točka: temperatura ϑ = -104,53 C i tlak p = 0,00218 bar o potencijal razgranje ozona ODP: ODP = 0 o potencijal globalnog zatopljavanja GWP:. [8] 19

28 5.2 PRIMJENA R-1234YF KAO RADNE TVARI Prilikom zamjene radne tvari R-134a s R-1234yf, očekivano se postižu i drugačiji rezultati, kako drugačija vrijednost masenog protoka u gornjem ciklusu, tako i vrijednost rashladnog faktora. Za usporedbu rezultata koristio se početni matematički model kao u poglavlju 2, ali je u obzir uzeta nova rashladna tvar. Tablica prikazuje usporedbu dobivenih rješenja mijenjanjem rashladne tvari. Rashladno sredstvo Dovedeni toplinski tok, / kw Tablica 5.1 Usporedba rješenja pojedinih rashladnih sredstava Odvedeni tolinski tok, / kw Veličina Snaga kompresora 1, / kw Snaga kompresora 2, / kw Faktor hlađenja, Maseni protok, /kg/s R-134a 25,67-35,24-3,533-6,033 2,683 0,2119 R-1234yf 20,33-28,84-3,062-5,454 2,387 0,2244 Iz tablice 5.1 vidi se da se primjenom R-1234yf kao rashladnog sredstva postižu nepovoljniji rezultati; dovedeni i odvedeni toplinski tokovi su manji, faktor hlađenja se smanjuje te se uočava da za iste ulazne podatke rashladno sredstvo R-134a daje bolje rezultate. Rashladno sredstvo R-1234yf ima prednost pred R-134a zbog toga što je sigurniji za okolinu, također je vidljivo iz tablice da je primjenom R-1234yf kao novog rashladnog sredstva potrebno uložiti manju snagu kompresora gornjeg i donjeg ciklusa. Radi što bolje usporedbe dvaju rashladnih sredstava, prikazani su utjecaji variranih temperatura isparivanja donjeg ciklusa i temperatura kondenzacije gornjeg ciklusa na faktor hlađenja. Varijacije su provedene po istom matematičkom modelu kao i u potpoglavljima 4.2 i 4.3. Za konstantnu temperaturu isparivanja donjeg ciklusa odabrana je vrijednost od -10 C, dok je za konstantnu temperaturu kondenzacije gornjeg ciklusa odabrana vrijednost od 45 C. Varirane temperature isparivanja donjeg ciklusa kreću se od -15 C pa do -5 C, dok se varirane temperature kondenzacije gornjeg ciklusa kreću u rasponu od 40 C pa do 50 C. 20

29 Slika 5.1 Usporedba utjecaja temperatura isparivanja dvaju rashladnih sredstava na faktor hlađenja Iz slike 5.1 vidi se da povećanjem temperatura isparivanja očekivano raste faktor hlađenja obiju rashladnih tvari. Detaljnjijim proučavanjem uočava se da faktor hlađenja za rashladnu tvar R-1234yf, iako je za određene temperature isparivanja manji, drastičnije raste u odnosu na rashladnu tvar R-134a. Slika 5.2 Usporedba utjecaja temperatura kondenzacije dvaju rashladnih sredstava na faktor hlađenja 21

30 Iz slike 5.2 vidi se da u oba slučaja porastom temperature kondenzacije opada vrijednost faktora hlađenja. Detaljnom se analizom dijagrama uočava da za rashladnu tvar R-1234yf porastom temperature kondenzacije faktor hlađenja opada drastičnije nego za rashladnu tvar R- 134a. 5.3 PRIMJENA R-1234ZE(E) Prilikom zamjene radne tvari R-134a s R-1234ze(e) očekivano se postižu i drugačiji rezultati, kako drugačija vrijednost masenog protoka u gornjem ciklusu tako i vrijednost faktora hlađenja. Za usporedbu rezultata koristio se početni matematički model kao u poglavlju 2, samo što je u obzir uzeta nova rashladna tvar. Tablica prikazuje usporedbu dobivenih rješenja mijenjanjem rashladne tvari. Rashladno sredstvo Tablica 5.2 Usporedba rješenja pojedinih rashladnih sredstava Dovedeni toplinski tok, / kw Odvedeni tolinski tok, / kw Snaga kompresora 1, / kw Veličina Snaga kompresora 2, / kw Faktor hlađenja, Maseni protok, /ks/s R-134a 25,67-35,24-3,533-6,033 2,683 0,2119 R- 1234ze(e) 22,26-31,16-3,207-5,685 2,503 0,2221 Iz tablice 5.2 vidi se da se primjenom R-1234ze(e) kao rashladnog sredstva postižu nepovoljniji rezultati; dovedeni i odvedeni toplinski tokovi su manji, faktor hlađenja se smanjuje te se uočava da za iste ulazne podatke rashladno sredstvo R-134a daje bolje rezultate. Rashladno sredstvo R-1234ze(e) ima prednost pred R-134a zbog toga što je sigurniji za okolinu, također je vidljivo iz tablice da je primjenom R-1234ze(e) kao novog rashladnog sredstva potrebno uložiti manju snagu kompresora gornjeg i donjeg ciklusa. U usporedbi s R-1234yf, R-1234ze(e) daje povoljnija rješenja te predstavlja bolju zamjenu za rashladnu tvar R-134a. Radi što bolje usporedbe dvaju rashladnih sredstava, prikazani su utjecaji variranih temperatura isparivanja donjeg ciklusa i temperatura kondenzacije gornjeg ciklusa na faktor hlađenja. Varijacije su provedene po istom matematičkom modelu kao i u potpoglavljima 4.2 i 4.3. Za konstantnu temperaturu isparivanja donjeg ciklusa odabrana je vrijednost od -10 C, dok je za konstantnu temperaturu kondenzacije gornjeg ciklusa odabrana vrijednost od 45 C. Varirane temperature isparivanja donjeg ciklusa kreću se od -15 C pa do -5 C, dok se varirane temperature kondenzacije gornjeg ciklusa kreću u rasponu od 40 C pa do 50 C. 22

31 Slika 5.3 Usporedba utjecaja temperatura isparivanja dvaju rashladnih sredstava na faktor hlađenja Iz slike 5.3 vidi se da povećanjem temperatura isparivanja očekivano raste faktor hlađenja za obje rashladne tvari. Detaljnjijim proučavanjem uočava se da je faktor hlađenja za rashladnu tvar R-1234ze(e) za nešto veće temperature isparivanja neznatno veći od faktora hlađenja za te iste temperature isparivanja rashladne tvari R-134a. Može se zaključiti da povećanjem temperatura isparivanja gotovo jednako rastu faktori hlađenja obaju rashladnih sredstava. Slika 5.4 Usporedba utjecaja temperatura kondenzacije dvaju rashladnih sredstava na faktor hlađenja 23

32 Iz slike 5.4 vidi se da u oba slučaja porastom temperature kondenzacije opada vrijednost faktora hlađenja. Krivulje opadanja faktora hlađenja za oba se slučaja rashladnog sredstva gotovo poklapaju. 24

33 6 ZAKLJUČAK U ovom je radu obuhvaćeno područje termodinamike, konkretnije, ljevokretni ciklusi pare s redukcijskim ventilom. U početku su rada također pojašnjeni softveri koji su se koristili, kao i neke od karakteristika zadanog rashladnog sredstva. Nakon postavljanja matematičkog modela u programu EES, koji se sastoji od ukupno osam točaka ciklusa, dolazi se do traženih rješenja. Softver SISREF nije u mogućnosti pružiti rješenja za zadani problem te se kao takav nije mogao ni koristiti za usporedbu podataka s EES softverom. Kasnijim variranjem pojedinih parametara, vidljiv je njihov utjecaj na faktor hlađenja. Kod većine variranih parametara, njihovim se porastom povećava faktor hlađenja, dok se kod temperatura kondenzacije faktor hlađenja smanjuje porastom tih temperatura jer raste razlika izmedju temperatura kondenzacije i isparivanja što za rezultat ima opadanje faktora hlađenja. Također je prikazan i utjecaj stupnjeva pregrijanja i pothlađenja na dovedeni odnosno odvedeni toplinski tok. R-134a u kasnijem je dijelu rada variran s dva rashladna sredstva koja se sve češće koriste kao njegova zamjena. R-1234yf kao i R-1234ze(e) rashladna su sredstva koja su sigurnija za ljude i okolinu u odnosu na zadanu rashladnu tvar R-134a, no daju lošije, ali prihvatljivije rezultate u odnosu na rashladnu tvar R-134a. Ponuđenim dijagramima i objašnjenjima dolazi se do zaključka da je bolja zamjena u ovom zadatku za rashladnu tvar R-134a, rashladna tvar R- 1234ze(e) zbog sličnijih karakteristika, a i zbog gotovo podudarajučih rješenja, promatrajući pri tome utjecaj na faktor hlađenja. 25

34 7 LITERATURA [1] Petrić, Nedjeljka; Vojnović, Ivo; Martinac, Vanja: Tehnička termodinamika, Split: Kemijsko- tehnološki fakultet [2] Galović, Antun: Termodinamika I. Zagreb: Fakultet strojarstva i brodogradnje [3] F-Chart Software, EES URL: ( ) [4] Atienza, Jaime. Área de Máquinas y Motores Térmicos. Vigo: University of Vigo. URL: ( ) [5] Çengel, Yunus; Boles, Michael. Thermodynamics: An Engineer Approach. Boston: McGraw-Hill College [6] Bell, Ian H.; Wronski, Jorrit; Quoilin, Sylvain; Lemort, Vincent. Pure and Pseudo-pure Fluid Thermophysical Property Evaluation and the Open-Source Thermophysical Property Library CoolProp. Industrial \& Engineering Chemistry Research. 53 (6). 2014: URL: ( ) [7] Palm, Björn. The Department of Energy Technology. Stockholm: Royal Institute of Technology URL: ( ) [8] Bell, Ian H.; Wronski, Jorrit; Quoilin, Sylvain; Lemort, Vincent. Pure and Pseudo-pure Fluid Thermophysical Property Evaluation and the Open-Source Thermophysical Property Library CoolProp. Industrial \& Engineering Chemistry Research. 53 (6). 2014: URL: (

35 PRILOZI Prilog 1 Matematički model zadatku u softveru EES "ULAZNI PODACI" p_k1=5 p_k2=12 p_i1=2 p_i2=4 {T_k1=15 T_k2=45 T_i1=-10 T_i2=10} {DELTAT_HX=5 [ C] DELTAT_HX=T_k1-T_i2 } eta_cis_1=0,8 eta_cis_2=0,8 q_m1=0,15 {q_m2=0,22} R$='R134a' {R$='R1234yf'} {R$='R1234ze(E)'} T_k1=Temperature(R$;P=p_k1;x=1) T_k2=Temperature(R$;P=p_k2;x=1) T_i1=Temperature(R$;P=p_i1;x=1) T_i2=Temperature(R$;P=p_i2;x=1) {p_k1=pressure(r$;t=t_k1;x=1) p_k2=pressure(r$;t=t_k2;x=1) p_i1=pressure(r$;t=t_i1;x=1) p_i2=pressure(r$;t=t_i2;x=1)} deltatheta_preg1=0,0001 deltatheta_preg2=0,0001 deltatheta_pot1=0,0001 deltatheta_pot2=0,0001 RC_2=p_k2/p_i2 RC_1=p_k1/p_i1 "Stanje 1" "Suhozasićena para" p_1=p_i1 T_1=T_i1+deltatheta_preg1 s_1=entropy(r$;t=t_1;p=p_1) h_1=enthalpy(r$;t=t_1;p=p_1)

36 "Stanje 2" "Pregrijana para" p_2=p_k1 s_2=s_1 h_2is=enthalpy(r$;s=s_2;p=p_2) "Stanje 3" "Vrela kapljevina" p_3=p_k1 T_3=T_k1-deltatheta_pot1 s_3=entropy(r$;t=t_3;p=p_3) h_3=enthalpy(r$;t=t_3;p=p_3) "Stanje 4" "Zasićena para" p_4=p_i1 h_4=h_3 s_4=entropy(r$;h=h_4;p=p_4) "Kompresor: " h_2=(h_2is-0,2*h_1)/eta_cis_1 P_kD=q_m1*(h_1-h_2) phi_l=q_m1*(h_1-h_4) "Snaga kompresora donjeg ciklusa" "Dovedeni toplinski tok donjeg ciklusa" "Stanje 5" "Suhozasićena para" p_5=p_i2 T_5=T_i2+deltatheta_preg2 s_5=entropy(r$;t=t_5;p=p_5) h_5=enthalpy(r$;t=t_5;p=p_5) "Stanje 6" "Pregrijana para" p_6=p_k2 s_6=s_5 h_6is=enthalpy(r$;s=s_6;p=p_6) "Stanje 7" "Vrela kapljevina" p_7=p_k2 T_7=T_k2-deltatheta_pot2 s_7=entropy(r$;t=t_7;p=p_7) h_7=enthalpy(r$;t=t_7;p=p_7) "Stanje 8" "Zasićena para" p_8=p_i2 h_8=h_7 s_8=entropy(r$;h=h_8;p=p_8) "Kompresor: " h_6=(h_6is-0,2*h_5)/eta_cis_2 q_m2=(q_m1*(h_2-h_3))/(h_5-h_8) P_kG=q_m2*(h_5-h_6) phi_h=q_m2*(h_7-h_6) beta_r=-(phi_l/(p_kd+p_kg)) "Maseni protok gornjeg ciklusa" "Snaga kompresora gornjeg ciklusa" "Odvedeni toplinski tok gornjeg ciklusa" "Faktor hlađenja"

37 Prilog 2 CD-R disk (Programi SISREF i EES)