priprava hladne vode z rekuperacijo kondenzacijske …

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO

Boštjan CELCER

PRIPRAVA HLADNE VODE Z REKUPERACIJO KONDENZACIJSKE TOPLOTE

Diplomsko delo

visokošolskega strokovnega študijskega programa

Strojništvo

Maribor, maj 2016

PRIPRAVA HLADNE VODE Z REKUPERACIJO

KONDENZACIJSKE TOPLOTE

Diplomsko delo

Študent: Boštjan CELCER

Študijski program: Visokošolski strokovni študijski program Strojništvo

Smer: Energetika in procesno strojništvo

Mentor: red. prof. dr. Milan Marčič

Maribor, maj 2016

II

I Z J A V A

Podpisani, Boštjan CELCER, izjavljam, da:

je diplomsko delo rezultat lastnega raziskovalnega dela,

da predloženo delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev kakršnekoli

izobrazbe po študijskem programu druge fakultete ali univerze,

da so rezultati korektno navedeni,

da nisem kršil avtorskih pravic in intelektualne lastnine drugih,

da soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet ter

Digitalni knjižnici Univerze v Mariboru, v skladu z Izjavo o istovetnosti tiskane in

elektronske verzije zaključnega dela.

Maribor, 23. 05. 2016 Podpis:

III

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju red. prof. dr. Milanu Marčiču

za pomoč in vodenje pri pripravi diplomskega dela.

Prav tako se zahvaljujem prijateljem za tehniško in

moralno vzpodbudo pri pripravi diplomskega dela.

Posebna zahvala gre vsem mojim domačim in

najbližjim; Valeriji, Tiani in Aneju za obilo vzpodbude,

razumevanja in potrpežljivosti.

IV

PRIPRAVA HLADNE VODE Z REKUPERACIJO KONDENZACIJSKE TOPLOTE

Ključne besede: priprava hladne vode, rekuperacija, izraba kondenzacijske toplote,

hladilni sistem

UDK: 620.97:621.57(043.2)

POVZETEK

V diplomski nalogi so opisane osnove hladilnega sistema in komponente, iz katerih je hladilni

sistem sestavljen. Prikazan je postopek dimenzioniranja hladilnega sistema in osnovnih

komponent. Osnovna ideja diplomske naloge je predstavitev načinov izrabe kondenzacijske

toplote (toplotna energija), ki je stranski produkt pri proizvodnji hladne vode in je največkrat

odvedena v »okolico«. Kot sklep diplomske naloge lahko podamo dejstvo, da je kondenzacijska

toplota nadvse uporabna oblika energije, kar pa je v današnjih časih še kako pomembno, saj

smo čedalje bolj osveščeni o varčevanju z energijo na vseh področjih.

V

COLD WATER PREPARATION WITH CONDENSING HEAT RECOVERY

Key words: cold water preparation, condensing heat recovery, utilization of condensing

heat, mechanical cooling system

UDK: 620.97:621.57(043.2)

ABSTRACT

The thesis describes the basics of the cooling system and the components of which it is

composed. The process of scaling the cooling system and its basic components is explained.

The basic idea of the thesis is to present different methods of condensation heat recovery.

Condensation heat is a by-product in the production of cold water and is usually discarded into

the environment. As a conclusion of the thesis, we can conclude that the condensation heat is

a most useful form of energy, especially in a point of time when people are becoming

increasingly conscious about saving energy in all areas.

VI

KAZALO

1 UVOD ........................................................................................................................ 1

1.1 OPIS SPLOŠNEGA PODROČJA DIPLOMSKEGA DELA ..................................................................... 1

1.2 OPREDELITEV DIPLOMSKEGA DELA ........................................................................................ 1

1.3 STRUKTURA DIPLOMSKEGA DELA .......................................................................................... 2

2 MEHANSKI HLADILNI SISTEM...................................................................................... 3

2.1 OSNOVE DELOVANJA HLADILNEGA SISTEMA ............................................................................ 3

2.2 OSNOVNE ZNAČILNOSTI TOPLOTNIH ČRPALK ............................................................................ 6

2.3 HLADILNI SISTEMI – TOPLOTNE ČRPALKE SKOZI ZGODOVINO ..................................................... 10

3 DELOVANJE HLADILNEGA SISTEMA – TOPLOTNE ČRPALKE ........................................ 14

3.1 NAČIN DELOVANJA HLADILNEGA STROJA – TOPLOTNE ČRPALKE ................................................. 14

3.2 PRINCIP DELOVANJA TOPLOTNE ČRPALKE V LOG P-H DIAGRAMU ................................................ 15

4 KOMPRESIJSKI HLADILNI SISTEMI ............................................................................. 17

4.1 OSNOVNE LASTNOSTI KOMPRESIJSKIH HLADILNIH SISTEMOV ..................................................... 17

4.2 OBRAZLOŽITEV POIMENOVANJA TOPLOTNE ČRPALKE – MEHANSKEGA HLADILNEGA SISTEMA ........... 18

4.3 KOMPONENTE HLADILNEGA SISTEMA ................................................................................... 18

4.3.1 Uparjalnik ............................................................................................................ 18

4.3.2 Kompresor .......................................................................................................... 19

4.3.3 Možne poškodbe kompresorjev ......................................................................... 21

4.3.4 Kondenzator ....................................................................................................... 23

4.3.5 Ekspanzijski ventil ............................................................................................... 26

4.3.6 Ostala oprema hladilnega sistema ..................................................................... 27

4.3.7 Grelno število ε – COP ........................................................................................ 30

4.3.8 Standardni izračun COP ...................................................................................... 30

4.3.9 Letno grelno število β – SPF ............................................................................... 32

5 POSTOPEK DIMENZIONIRANJA HLADILNEGA SISTEMA .............................................. 33

5.1 DIMENZIONIRANJE HLADILNEGA STROJA ZA PRIPRAVO HLADNE VODE Z REKUPERACIJO KONDENZACIJSKE

TOPLOTE .................................................................................................................................. 33

VII

5.2 DIMENZIONIRANJE KOMPRESORJA ...................................................................................... 35

5.2.1 Izbor kompresorja s programom Copeland Select 7.12 ..................................... 35

5.2.2 Pogoji obratovanja kompresorja pri nižji kondenzacijski temperaturi .............. 38

5.3 DIMENZIONIRANJE TOPLOTNIH IZMENJEVALNIKOV .................................................................. 40

5.3.1 Podatki za izbiro izračuna toplotnih izmenjevalnikov ....................................... 40

5.4 DIMENZIONIRANJE CEVNIH POVEZAV HLADILNEGA SISTEMA ...................................................... 43

5.4.1 Izbira cevi za sesalno linijo hladilnega sistema ................................................... 45

5.4.2 Izbira cevi za tlačno linijo hladilnega sistema ..................................................... 45

5.4.3 Izbira cevi za tekočinsko linijo ............................................................................ 46

5.5 DIMENZIONIRANJE PODHLAJEVALNIKA TEKOČINSKE FAZE HLADILNEGA SREDSTVA .......................... 46

5.6 IZBIRA EKSPANZIJSKEGA VENTILA ......................................................................................... 48

5.7 DIMENZIONIRANJE – IZBIRA TEKOČINSKE POSODE ................................................................... 49

5.8 DOLOČITEV KOLIČINE HLADILNEGA SREDSTVA ........................................................................ 50

5.9 POPIS MATERIALA ZA IZVEDBO HLADILNEGA SISTEMA .............................................................. 52

5.10 IZRAČUN COP ................................................................................................................ 55

5.10.1 Izračun COP pri rekuperaciji kondenzacijske toplote v namene ogrevanja STV 55

5.10.2 Izračun COP pri rekuperaciji kondenzacijske toplote in odvod topote v okolico

preko suhega hladilnika .................................................................................................... 56

6 DIMENZIONIRANJE CEVNIH POVEZAV ZA ODVOD KONDENZACIJSKE TOPLOTE .......... 57

6.1 DIMENZIONIRANJE CEVNE POVEZAVE MED KONDENZATORJEM IN REKUPERATORJEMA ................... 57

6.2 DIMENZIONIRANJE OBTOČNE ČRPALKE Č1 ............................................................................ 58

6.3 IZBIRA TROPOTNIH PREKLOPNIH VENTILOV ............................................................................ 59

6.4 DIMENZIONIRANJE SUHEGA HLADILNIKA ............................................................................... 59

6.5 DIMENZIONIRANJE CEVNE POVEZAVE MED KONDENZATORJEM IN SUHIM HLADILNIKOM ................. 60

6.6 DIMENZIONIRANJE OBTOČNE ČRPALKE Č2 ............................................................................ 61

7 REZULTATI ............................................................................................................... 62

VIII

KAZALO SLIK

Slika 2.1 Prikaz teoretičnega levega Carnotovega krožnega procesa v p-V diagramu [2] ......... 4

Slika 2.2 Prikaz teoretičnega levega Carnotovega krožnega procesa v T-s diagramu [2] .......... 4

Slika 2.3 Primerjava procesa v hladilni napravi – hladilnem stroju in toplotni črpalki [2] ......... 5

Slika 2.4 Diagram deležev izvedenih toplotnih črpalk glede na toplotni vir [2] ......................... 7

Slika 2.5 Diagram emisije CO₂ (samo med delovanjem naprave) [2] ....................................... 12

Slika 2.6 Diagram emisije SO₂ (celotne, od proizvodnje do uporabe naprave) [2] .................. 12

Slika 2.7 Diagram emisije NOₓ (celotne, od proizvodnje do uporabe naprave) [2] ................. 13

Slika 3.1 Shema toplotne črpalke [2] ........................................................................................ 14

Slika 3.2 Proces toplotne črpalke v log p-h diagramu [2] ......................................................... 16

Slika 4.1 Shema osnovnega kompresijskega hladilnega sistema [3] ........................................ 17

Slika 4.2 Prikaz krivulj uparjalnika in kompresorja ter bivalentne točke v [2] ......................... 20

Slika 4.3 Shema batnega kompresorja [2] ................................................................................ 21

Slika 4.4 Shematsko prikazana glava spiralnega kompresorja [2] ............................................ 22

Slika 4.5 Prikaz dejanskega procesa v hladilnem sistemu v log p-h diagramu [2] ................... 23

Slika 4.6 Prikaz dejanskega procesa v hladilnem sistemu v log T-s diagramu [2] .................... 24

Slika 4.7 Shema koaksialnega menjalnika – kondenzatorja z dvojno cevjo [2] ........................ 25

Slika 4.8 Termo ekspanzijski ventil z zunanjim izenačenjem tlaka [2] ..................................... 26

Slika 4.9 Cevni izmenjevalec Danfoss [4] .................................................................................. 28

Slika 4.10 TraxOil element za kontrolo in dopolnjevanje olja [5] ............................................. 29

Slika 4.11 Povezava med pogonsko in grelno močjo v odvisnosti od temperature toplotnega

vira [2] ............................................................................................................................... 31

Slika 5.1 Osnovna shema hladilnega sistema ........................................................................... 34

Slika 5.2 Izbor kompresorja s programom Copeland select (temp. kondenzacije 60 °C) [6] ... 35

IX

Slika 5.3 Mejne linije obratovanja kompresorja ZR380KCE-TWD (temp. kondenzacije 60 °C) [6]

.......................................................................................................................................... 37

Slika 5.4 Tehniška risba izbranega kompresorja [6] ................................................................. 37

Slika 5.5 tehnični podatki kompresorja [6] ............................................................................... 38

Slika 5.6 Izbor kompresorja s programom Copeland Select (temp. kondenzacije 45 °C) [6] ... 39

Slika 5.7 Mejne linije obratovanja kompresorja ZR380KCE-TWD (temp. kondenzacije 45°C) [6]

.......................................................................................................................................... 39

Slika 5.8 Izračun uparjalnika v programu SWEP SSP G7 [7] ...................................................... 41

Slika 5.9 Izračun kondenzatorja v programu SWEP SSP G7 [7] ................................................ 41

Slika 5.10 Izračun rekuperatorja STV v programu SWEP SSP G7 [7] ........................................ 42

Slika 5.11 Izračun rekuperatorja suhega hladilnika v programu SWEP SSP G7 [7] .................. 42

Slika 5.12 Polja za vnos podatkov v programu Solkane (cycle 1) [8] ........................................ 44

Slika 5.13 Podatki za vsako točko v procesu obratovanja hladilnega sistema (cycle 1) [8] ..... 44

Slika 5.14 Osnovni podatki o hladilnem sistemu [8] ................................................................ 44

Slika 5.15 Izbira sesalne cevi [8] ............................................................................................... 45

Slika 5.16 Izbira tlačne cevi [8] ................................................................................................. 45

Slika 5.17 Izbira tekočinske cevi [8] .......................................................................................... 46

Slika 5.18 Polja za vnos podatkov v programu Solkane (cycle 2) [8] ........................................ 47

Slika 5.19 Podatki za vsako točko v procesu obratovanja hladilnega sistema (cycle 2) [8] ..... 47

Slika 5.20 Izbor ekspanzijskega ventila [6] ............................................................................... 48

Slika 5.21 Podatki o termoelementu ekspanzijskega ventila [6] .............................................. 49

Slika 5.22 Skica izbrane tekočinske posode Onda .................................................................... 49

Slika 5.23 Osnovni podatki izbrane tekočinske posode Onda .................................................. 50

Slika 5.24 Določitev volumna tekočinske cevi s programom ConSoft MultiCalc [9] ................ 50

Slika 5.25 3D risba hladilnega stroja/1 ..................................................................................... 53

X

Slika 5.26 3D risba hladilnega stroja/2 ..................................................................................... 54

Slika 6.1 Izračun tlačnega padca za cevne povezave [9] .......................................................... 57

Slika 6.2 Graf obratovalne točke črpalke Wilo Stratos 65/1-6 [10] .......................................... 58

Slika 6.3 Izračun tlačnega padca za cevne povezave [9] .......................................................... 60

Slika 6.4 Graf obratovalne točke črpalke Wilo Stratos 65/1-9 PN 6/10 [10]............................ 61

XI

KAZALO PREGLEDNIC

Tabela 2.1 Osnovne značilnosti posameznih izvedb toplotnih črpalk [2] .................................. 8

Tabela 5.1 Količine hladilnega sredstva po posameznih elementih ........................................ 51

Tabela 5.2 Popis materiala – hladilni sistem ............................................................................ 52

XII

KAZALO ENAČB

Enačba 4.1 za izračun grelnega števila ……………………… ........................................................... 30

Enačba 4.2 za izračun standardnega grelnega števila .............................................................. 30

Enačba 4.3 za izračun letnega grelnega števila ........................................................................ 32

XIII

UPORABLJENE KRATICE

COP – koeficient učinkovitosti – grelno število (Coefficient of Performance)

STV – sanitarna topla voda

SPF – letno grelno število (Seasol Performance Factor)

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

1

1 UVOD

1.1 Opis splošnega področja diplomskega dela

Tako kot vsa tehnika tudi hladilni sistemi iz dneva v dan v razvoju napredujejo. V diplomskem

delu so ti napredki in izboljšave podrobneje opisani. Napredek se pri hladilnem sistemu odraža

v izkoristku (pridobljena energija/električna moč), da pa bi dosegali čim boljši izkoristek je

hladilni sistem potrebno integrirati v neko zaključeno celoto, kjer bodo koristni tudi stranski

produkti ob delovanju hladilnega sistema oziroma »odpadna« energija. Pri delovanju

hladilnega sistema je »odpadna« energija sekundarnega pomena, namreč pri hladilnem stroju

je primarnega pomena hladilna energija, ki jo pripravljamo za hlajenje raznovrstnih prostorov,

strojev, aparatov itd., ob tem pa je praksa, da se nam velikokrat zdi zanemarljiva energija, ki

je stranski produkt delovanja hladilnega stroja in to je toplotna energija, katero v večini

primerov odvedemo kar v okolico.

1.2 Opredelitev diplomskega dela

Hladilni sistem je dokaj zahtevna tehnika, zato je ob snovanju oziroma dimenzioniranju le-teh

potrebno upoštevati vse detajle. V nasprotnem primeru se pri obratovanju sčasoma lahko

srečamo z marsikaterimi težavami.

Namen diplomske naloge je prikazati kako konstruirati hladilni sistem s pomočjo programskih

orodij, ki jih proizvajalci posameznih komponent hladilnih sistemov nudijo in te so:

- kompresor,

- izločevalnik olja,

- kondenzator,

- zbiralna posoda tekočin,

- varnostni ventil,

- podhlajevalnik hladilnega sredstva,

- filter oziroma dehidrator hladilnega sredstva,

- kontrolno okence,


2

- ekspanzijski ventil,

- uparjalnik,

- cevne povezave,

- varnostni elementi,

- zaporni elementi.

1.3 Struktura diplomskega dela

Diplomsko delo je razdeljeno v tri sklope. V prvem sklopu je povzetek teorije o hladilnih

sistemih, toplotnih črpalkah, predstavitev in opis komponent hladilnega sistema ter opis

delovanja posameznih komponent.

Drugi sklop tvori peto poglavje, kjer je prikazano konstruiranje hladilnega sistema s pomočjo

programov, ki so v veliki večini s strani proizvajalcev posameznih komponent prosto dostopni

preko spleta. Z njimi in vstopnimi podatki operiramo pri izbiri posameznih komponent za

dimenzioniranje.

Tretji sklop je sestavljen iz idejne zasnove in umeščanja, v diplomski nalogi konstruiranega

hladilnega stroja, v neko praktično uporabno okolje, kjer imamo možnost izkoristiti tako

imenovano primarno in sekundarno energijo, ki je stranski produkt pri pripravi energije za

hlajenje in to je toplotna energija.


3

2 MEHANSKI HLADILNI SISTEM

2.1 Osnove delovanja hladilnega sistema

Vsak hladilni sistem deluje na principu termodinamičnega krožnega procesa. S pomočjo

krožnega procesa pride do pretvorbe energije. [1]

Krožni proces je vrstni red sprememb v nekem sistemu, ki se po koncu zaključi v

termodinamičnem enakem začetnem stanju, proces pa se lahko nenehno ponavlja. Posledice

krožnega procesa so spremembe v okolici opazovanega sistema, kot so npr. opravljeno delo

ali prenos toplote. Idealen krožni proces je sestavljen iz več povratnih podprocesov in dejansko

ne obstaja, dokler je realni krožni proces sestavljen iz več nepovratnih podprocesov (ker v

dejanskih pogojih vedno pride do določenih izgub, npr. zaradi trenja). Odvisno od prikaza

poteka sprememb na grafikonih in diagramih so krožni procesi lahko desno ali levo smerni. [2]

V prikazih desnosmernih krožnih procesov spremembe potekajo v smeri gibanja urnih kazalcev

in njihov cilj je pridobivanje dela. Z drugimi besedami lahko rečemo, da v takšnih procesih

pride do pretvorbe enega dela dovedene toplotne energije v mehansko energijo oziroma v

delo. Primeri za desnosmerne krožne procese so parni stroji, plinske turbine, motorji z

notranjim izgorevanjem ipd. Pri levo smernih krožnih procesih spremembe potekajo v

nasprotni smeri gibanja urnih kazalcev in njihov cilj je prenos toplote med dvema toplotnima

hranilnikoma. Za prenos toplote od toplotnega hranilnika na nižjem nivoju do toplotnega

hranilnika na višjem temperaturnem nivoju je treba krožnemu procesu dovesti

kompenzacijsko energijo (v večini primerov je to mehansko delo kompresorja). Primeri za levo

smerne krožne procese so hladilni stroji, toplotne črpalke ipd. [2]

Kot referenca za oceno vseh krožnih procesov se uporablja Carnotov krožni proces. To je

idealen (teoretičen) krožni proces, ki v praksi ni možen. Levi Carnotov krožni proces je

sestavljen iz štirih podprocesov (slika 2.1) in (slika 2.2):

- izentropne kompresije,

- izotermne kompresije (pri temperaturi hladilnega hranilnika),

- izentropne ekspanzije,

- izotermne ekspanzije (pri temperaturi hladilnega hranilnika). [2]


4

Slika 2.1 Prikaz teoretičnega levega Carnotovega krožnega procesa v p-V diagramu [2]

Pri takšnih procesih se hladilnemu sredstvu dovaja delo od zunaj, s tem se mu omogoča, da se

mu pri nižji temperaturi iz neposredne okolice (toplotnega hranilnika na nižjem

temperaturnem nivoju) dovaja toplota in tako pri višji temperaturi oddaja toploto neposredno

okolici (toplotnemu hranilniku na višjem temperaturnem nivoju). [2]

Slika 2.2 Prikaz teoretičnega levega Carnotovega krožnega procesa v T-s diagramu [2]


5

Odvisno od potrebe, kaj se v določenem primeru šteje za koristno, bodisi ogrevanje ali

hlajenje, opazovanega okoliškega prostora ali medija, se razlikujejo procesi v hladilnih sistemih

in toplotnih črpalkah (slika 2.3). To pomeni, da je pri hladilnem stroju toplotni izmenjevalnik -

kondenzator na višjem temperaturnem nivoju. Torej je to izmenjevalnik, kateri ima

sposobnost prenesti kondenzacijsko energijo - toplotno energijo na nek drug medij, če ne

drugam še največkrat kar v okolico, medtem ko je uparjalnik na nižjem temperaturnem nivoju

– tisti, ki temperaturo odvaja iz prostora ali medija, ki ga je potrebno ohladiti (npr. zrak v

prostoru, notranjost hladilnika, zrak, ki se giblje skozi klimatsko napravo, najrazličnejše

tekočine). Pri toplotnih črpalkah je toplotni izmenjevalnik na višjem temperaturnem nivoju

(tisti, preko katerega odvajamo kondenzacijsko toploto - energijo), prostor ali medij, ki ga je

potrebno ogreti (npr. ogrevalni medij sistema ogrevanja), medtem ko je toplotni izmenjevalnik

na nižjem temperaturnem nivoju (tisti, preko katerega toploto dovajamo v sistem)

neposredna okolica (okoliški zrak, voda ali tla). Poenostavljeno rečeno, osnovna naloga

toplotne črpalke je ogrevanje nekega prostora, osnovna naloga hladilnega stroja pa hlajenje

prostora ali kakšnega drugega medija, npr. hladilne vode. Levi krožni proces se uporablja tako

za ogrevanje kot za hlajenje. [2]

Slika 2.3 Primerjava procesa v hladilni napravi – hladilnem stroju in toplotni črpalki [2]


6

2.2 Osnovne značilnosti toplotnih črpalk

Toplotna črpalka je naprava, ki omogoča prenos (toplotne) energije iz sistema nižjega

temperaturnega nivoja v sistem višjega temperaturnega nivoja z uporabo dodatne energije

(dela kompresorja) s pomočjo levega krožnega procesa in ustreznega hladilnega sredstva.

Zahvaljujoč tej lastnosti so toplotne črpalke zelo primerne kot vir grelne (in hladilne) energije

v sistemih ogrevanja, priprave STV, prezračevanja in klimatizacije. S tehničnega vidika je vsaka

hladilna naprava pravzaprav toplotna črpalka. [2]

Toplotni hranilniki različnih temperaturnih nivojev so pri tem:

- toplotni vir:

prostor ali medij nižjega temperaturnega nivoja, od katerega se toplota odvaja.

Najpogosteje so to neposredna okolica, tla, površinske ali podzemne vode, okoliški

zrak, odpadni, izrabljeni ali onesnaženi zrak iz prostorov ali raznih procesov oziroma

primerni posredni mediji.

- toplotni ponor:

prostor ali medij višjega temperaturnega nivoja, kateremu se toplota dovaja.

Najpogosteje so to zrak v prostoru, voda v sistemu ogrevanja, STV oz. ustrezni

ogrevalni medij. [2]

Toplotne vire za toplotne črpalke glede na poreklo in obstojnost temperaturnega nivoja lahko

razdelimo na tri osnovne skupine:

1. naravni toplotni vir, v glavnem s spremenljivimi temperaturami je okoliški zrak.

2. naravni toplotni viri z razmeroma konstantnimi temperaturami so:

- površinske vode (vodotoki in jezera), morja in oceani,

- podzemne vode, slojevita tla,

- sončna energija (solarni toplotni sistemi).

3. umetni toplotni viri:

- odpadni ali onesnaženi zrak iz prostorov ali industrijskih procesov (odpadna toplota),

- odpadne vode. [2]


7

Ker so toplotni viri bolj ali manj obnovljivi, se toplotne črpalke uvrščajo med naprave oziroma

sisteme za izkoriščanje obnovljivih virov energije. [2]

Glede na toplotni vir se toplotne črpalke prav tako delijo na tri osnovne skupine (slika 2.4):

- toplotne črpalke zemlja/voda (solna raztopina - voda/glikol): kot toplotni vir se

uporabljajo plasti zemlje,

- toplotne črpalke voda/voda: kot toplotni vir se uporabljajo podzemne, površinske ali

odpadne vode,

- toplotne črpalke zrak/voda in zrak/zrak: kot toplotni vir se uporabljajo okoliški,

izrabljeni, odpadni ali onesnažen zrak. [2]

Slika 2.4 Diagram deležev izvedenih toplotnih črpalk glede na toplotni vir [2]

Glede na vir toplote za doseganje krožnega procesa so Iahko toplotne črpalke:

- kompresijske, pri katerih se proces kroženja hladilnega sredstva omogoča z

dovajanjem mehanskega dela s pomočjo kompresorja (najpogosteje v uporabi),

- sorbcijske (absorpcijske in adsorbcijske), pri njih se proces hlajenja omogoča z

dovajanjem toplotne energije,

- Vuilleumierove, pri katerih proces hlajena prav tako omogoča dovajanje toplotne

energije. [2]


8

Tabela 2.1 Osnovne značilnosti posameznih izvedb toplotnih črpalk [2]

izve

db

a

top

lotn

e

črp

alke

tem

pe

ratu

rni

niv

o

top

lotn

ega

vira

od

visn

ost

od

me

sta

po

stav

itve

od

visn

ost

od

letn

ega

čas

a

gle

de

na

po

tre

be

po

top

loti

in

top

lotn

ega

vir

a

mo

žno

sti

up

ora

be

ko

t

ed

ine

ga v

ira

top

lote

teža

ve p

ri

up

ora

bi

rab

a e

ne

rgij

e

za p

ren

os

po

sre

dn

ega

me

dij

a

stro

ški

izve

db

e

sist

em

a

vpli

v n

a

oko

lje

vod

ora

vno

kole

kto

rsko

po

lje

zem

lja/

vod

a

po

ne

kod

(od

visn

o o

d

plo

ščin

e

zem

ljiš

ča)

zam

rzo

van

je

tal o

koli

pre

no

snik

a

top

lote

,

koro

zija

viso

ki

(izk

op

)m

ajh

en

kan

alsk

i ko

lekt

or

zem

lja/

vod

am

ajh

en

top

lotn

a so

nd

aze

mlj

a/vo

da

veli

k (m

ože

n)

pre

bo

j

vod

on

osn

ih

slo

jev)

po

dze

mn

e v

od

evo

da/

vod

a8

- 12

°Cp

on

eko

d

stal

na

stal

na

veli

kako

rozi

jave

lika

(čr

pal

ka)

viso

ki

(vrt

ine

)p

om

em

be

n

po

vrši

nsk

e v

od

evo

da/

vod

a0

- 10

°Co

dvi

sno

od

vod

oto

kad

eln

ad

eln

ad

eln

ao

ne

snaž

en

ja,

koro

zija

veli

ka (

črp

alka

)zm

ern

id

eln

i

od

pad

ne

vo

de

vod

a/vo

da

> 1

0°C

stal

na

stal

na

stal

na

veli

ka

on

esn

aže

nja

,

koro

zija

,

ne

ugo

dn

i

von

ji

zme

rna

do

veli

ka (

črp

alka

)zm

ere

nm

ajh

en

od

pad

en

, izr

ablj

en

ali o

ne

snaž

en

zra

kzr

ak/v

od

a >

22°

Cp

on

eko

d

od

visn

o o

d

de

la s

iste

ma

pre

zrač

eva

nja

in

klim

atiz

acij

e

stal

na

de

lna

oko

lišk

i zra

kzr

ak/v

od

a

zrak

/zra

k

od

-20

do

+

25°C

po

vso

dst

aln

am

ajh

na

de

lna

zmrz

ova

nje

up

arja

lnik

a

veli

ka

(ve

nti

lato

r

niz

kiza

ne

mar

ljiv

i

stal

na

de

lna

veli

ka

koro

zija

veli

ka (

črp

alka

)

viso

ki

(vrt

ina)

top

lotn

i vir

i

tla

vod

a

od

-5

do

+

15°C

po

vso

d

zrak


9

Osnovna zamisel uporabe toplotnih črpalk kot vira toplotne energije v sistemih ogrevanja,

priprave STV, prezračevanja in klimatizacije temelji na možnosti izkoriščanja »brezplačne« in

»neomejene« toplote iz neposredne okolice, t. i. toplotnega vira kot so zemlja, voda in zrak.

[2]

Kar nekaj je osnovnih možnosti njihove uporabe v stanovanjskih, poslovnih in podobnih

zgradbah (hotelih, gostinskih objektih ipd.):

- kot vir toplotne energije v sistemih ogrevanja in pri pripravi STV,

- kot vir toplotne energije v sistemih prezračevanja in klimatizacije,

- kot vir hladilne energije v sistemu prezračevanja in klimatizacije. [2]

Zraven tega se lahko toplotne črpalke uporabljajo v različnih proizvodnih pogonih in procesih:

- kot vir toplotne energije v sistemih ogrevanja obratov, toplih gred, za različne procese,

- kot vir toplotne in hladilne energije v sistemih ogrevanja oziroma hlajenja procesne

vode,

- kot vir toplotne energije v sistemih za proizvodnjo vodne pare,

- kot vir toplotne energije v sistemih za sušenje in vlaženje (npr. v prehrambeni in lesni

industriji ter industriji papirja in celuloze, v skladiščih). [2]

Vendar se toplotne črpalke najpogosteje uporabljajo kot vir toplotne energije v sistemih

ogrevanja in priprave STV v družinskih, stanovanjskih, javnih in raznih drugih zgradbah, kot so:

hoteli, gostinski objekti, domovi za ostarele, kampi, vojašnice ipd. [2]

Za njihovo učinkovito uporabo mora biti izpolnjeno nekoliko osnovnih pogojev, kot so:

- razpoložljivost toplotnega vira; dalj časa dovolj visoke in razmeroma konstantne

temperature (npr. skozi celotno sezono ogrevanja),

- majhna oddaljenost toplotnega vira in porabnika,

- zmeren temperaturni nivo toplotnega porabnika (npr. nizko-temperaturni sistem

ogrevanja),

- veliko število ur obratovanja med letom (zaradi boljšega izkoristka),

- v primeru sorazmerno visokih cen drugih virov energije dosežemo večje prihranke. [2]


10

2.3 Hladilni sistemi – toplotne črpalke skozi zgodovino

Čeprav se je pospešena uporaba toplotnih črpalk začela že v sedemdesetih letih prejšnjega

stoletja, je princip njihovega delovanja poznan že od začetka devetnajstega stoletja. Že leta

1832 je francoski fizik Nicolas Leonard Sadi Carnot opisal krožni proces, ki se še danes imenuje

po njem in predstavlja teoretično osnovo za delo današnjih hladilnih naprav in toplotnih

črpalk. Leta 1835 je ameriški fizik in izumitelj Jacob Perkins prijavil patent za hladilni parni stroj,

ki je kot hladilno sredstvo uporabljal dietil eter, leta 1851 pa je irski fizik William Thomson (bolj

poznan kot lord Kelvin) odkril možnost povišanja temperaturnega nivoja neke snovi z

dovajanjem energije in opisal mehanski sistem za ogrevanje in hlajenje zgradb. Leta 1856 je

avstrijski inženir Peter Ritter Von Rittinger izdelal hladilni stroj za oskrbo s toploto procesov v

obratih za proizvodnjo soli oziroma za izparevanje solne raztopine, medtem ko je leta 1877

nemški izumitelj Carl Paul Gottfried Von Linde skonstruiral prvo kompresijsko hladilno

napravo, ki je kot hladilno sredstvo uporabljala amoniak. [2]

Beseda »toplotna črpalka« (ang. heat pump) je nastala šele v dvajsetih letih prejšnjega

stoletja, ko so bili v ZDA in Veliki Britaniji izvedeni prvi sistemi ogrevanja, ki so jih uporabljali

kot vir toplote. Leta 1938 je bila vgrajena toplotna črpalka voda-voda v sistem ogrevanja

skupščine kantona Zürich, pri čemer je bila kot vir toplote uporabljena voda reke Limmat, dve

leti kasneje pa je toplotno črpalko za ogrevanje začelo uporabljati tudi javno kopališče v

Zürichu.

V letih po drugi svetovni vojni je začela uporaba toplotnih črpalk ponovno naraščati, najprej v

ZDA, kjer so jih uporabljali za ogrevanje in hlajenje prostorov, v šestdesetih letih pa se je

njihova uporaba začela vračati v Evropo. Kot je bilo že omenjeno, se je njihova uporaba močno

povečala v času prve velike naftne krize v sedemdesetih letih, ko so številni proizvajalci

opreme za ogrevanje po vsem svetu iskali rešitve za zamenjavo fosilnih goriv z drugimi viri,

med katerimi je bila ena od njih uporaba odpadne toplote oziroma toplote iz okolice s pomočjo

toplotnih črpalk. Vendar tedanje tehnične rešitve in izvedbe toplotnih črpalk niso dale

pričakovanih rezultatov glede na učinkovitost in tako so bile po koncu krize pozabljene. [2]

Na začetku devetdesetih let je s porastom standarda prebivalcev razvitih držav začela

naraščati tudi ekološka zavest in istočasno je prišlo tudi do povišanja cen energentov, zato se


11

je zanimanje za uporabo toplotnih črpalk ponovno pojavilo. Zaradi tega jih je bilo leta 1995 na

celotni zemeljski obli vgrajenih okoli 55 milijonov.

Zahvaljujoč razvoju novih tehnologij in novih tehniških rešitev, ki so omogočile povečanje

učinkovitosti, zmanjšanje dimenzije in mase, je uporaba toplotnih črpalk v prvem desetletju

21. stoletja vedno večja, tako da lahko v bližnji prihodnosti pričakujemo, da se bodo kot

osnovni vir toplote uporabljale v večini nizkotemperaturnih sistemov ogrevanja. [2]

Za njihovo uporabo je nekaj osnovnih razlogov. Na prvem mestu je zmanjšanje porabe fosilnih

goriv, katerih cena nenehno raste, njihovo izgorevanje pa je eden od pomembnejših vzrokov

škodljivih emisij. Pri tem je treba omeniti, da je z izračuni, preizkusi in meritvami na toplotnih

črpalkah v obratovanju dokazano, da je njihova poraba primarne energije manjša kot pri

plinskih ali oljnih kondenzacijskih kotlih, ki se danes štejejo za najsodobnejše rešitve vira

toplotne energije sistemov ogrevanja na fosilna goriva. Istočasno se celotna emisija CO2 (tj.

opazujoč celotno dobo trajanja neke naprave, od njene proizvodnje do uporabe) v primerjavi

s kotli na fosilna goriva prav tako lahko občutno zmanjša. Seveda pa je napačno misliti, da

toplotne črpalke ne povzročajo nikakršnih emisij. Po eni strani se ne smejo upoštevati samo

emisije, ki nastajajo pri njihovem delu, temveč tudi emisije, ki nastajajo skozi celotno dobo

njihovega trajanja; od njihove proizvodnje do uporabe. Po drugi strani je treba upoštevati, da

je za njihovo delovanje potrebna električna energija, katere proizvodnja se šteje za največjega

povzročitelja škodljivih emisij v okolju. [2]


12

Emisije CO₂, ki nastanejo samo med delovanjem naprav čez celotno življenjsko dobo:

Slika 2.5 Diagram emisije CO₂ (samo med delovanjem naprave) [2]

Emisije SO₂, ki nastanejo ob proizvodnji posameznih naprav (začetek proizvodnje do zagona):

Slika 2.6 Diagram emisije SO₂ (celotne, od proizvodnje do uporabe naprave) [2]


13

Emisije NOₓ, ki nastanejo ob proizvodnji posameznih naprav (začetek proizvodnje do zagona):

Slika 2.7 Diagram emisije NOₓ (celotne, od proizvodnje do uporabe naprave) [2]


14

3 DELOVANJE HLADILNEGA SISTEMA – TOPLOTNE ČRPALKE

3.1 Način delovanja hladilnega stroja – toplotne črpalke

Kot smo že zapisali v poglavju 2.2, je vsak hladilni sistem toplotna črpalka. Ločena izraza

(hladilni stroj in toplotna črpalka) uporabimo le v primerih, ko želimo bolj nazorno izraziti ali

nam sistem služi za pripravo toplotne energije ( za gretje) ali pa hladilne energije (za hlajenje).

V tem poglavju bomo zaradi pogoste uporabe izraza in lažje razumljivosti opisali delovanje

toplotnih črpalk.

Toplotne črpalke so naprave, pri katerih črpamo toploto z nižjega na višji temperaturni nivo.

Pridobljena toplota je torej rezultat termodinamičnega procesa (slika 3.1). Poznamo različne

vrste toplotnih črpalk, ki se razlikujejo glede na osnovni vir, iz katerega je možno pridobiti

osnovno toplotno energijo. Toplotne črpalke lahko osnovno toplotno energijo pridobijo iz

zraka, tal, vode in odpadnih vod. To toploto prenesejo v ogrevalne sisteme zgradb ali na višji

temperaturni nivo za ogrevanje STV, procesnih tokov in industrijskih naprav. Toplotne črpalke

so lahko reverzibilne, kar pomeni, da se v sistemu obrne krožni proces tako da, npr. predhodno

kondenzator postane uparjalnik in predhodno uparjalnik postane kondenzator in tako že

govorimo o hladilnem stroju. Večina toplotnih črpalk za pogon uporablja električno gnan

kompresor. Delovno sredstvo so hladilna sredstva, ki imajo glede na vrsto in tlak različne

temperature uparjanja. [2]

Slika 3.1 Shema toplotne črpalke [2]


15

Toplotna črpalka je sestavljena iz uparjalnika, v katerem pride do procesa uparjanja

hladilnega sredstva in na ta način do odvzema toplote iz vira (voda, zrak …).

Uparjeno hladilno sredstvo nato potuje v kompresor. Ta hladne pare stisne in jih dvigne na

višji tlačni in temperaturni nivo. Vroče pare potujejo v kondenzator, kjer pride do procesa

kondenzacije in oddaje toplotne energije, ki jo je potrebno odvesti iz sistema (ogrevanje

sistemske ali STV). V kondenzatorju hladilno sredstvo preide iz plinastega v tekoče agregatno

stanje in nato potuje do ekspanzijskega ventila, ki ima nalogo, da hladilnemu sredstvu zniža

tlak in nato ob vstopu v uparjalnik ponovno pride do procesa uparjanja in tako se proces

ponavlja. [2]

Za obratovanje toplotne črpalke je potreben vložek, npr. električne energije, ki se največkrat

uporablja za pogon kompresorja. Električna energija se tako pretvori v mehansko delo

kompresorja. Pri toplotnih črpalkah pa se vložek električne energije, ki se uporabi za pogon

kompresorja, povrne v obliki toplotne energije. Razmerje med pridobljeno toplotno energijo

in vloženim delom imenujemo grelno število (COP). Vrednost grelnega števila pa je odvisna

od vrste toplotne črpalke, hladilnega sredstva in vira okoliške toplote ter v povprečju znaša

3-5 ali pa tudi več. [2]

3.2 Princip delovanja toplotne črpalke v log p-h diagramu

S poenostavljenim principom delovanja toplotne črpalke v log p-h diagramu lahko določimo

pregretje sesalnih par, podhladitev tekočega hladilnega sredstva za kondenzatorjem in

izstopno temperaturo za kompresorjem. Posamezne faze v toplotni črpalki se tako lahko

vrišejo v diagram. Diagrami se med seboj razlikujejo glede na vrsto hladilnega sredstva. [2]


16

Slika 3.2 Proces toplotne črpalke v log p-h diagramu [2]

Vstopne in izstopne točke v log p-h diagramu:

1 – vstop v kompresor

1' – izstop iz uparjalnika

1" – zaključen proces uparjanja – začetek pregrevanja sesalnih par

2 – izstop iz kompresorja

2' – hladilno sredstvo doseže vrelno temperaturo – začetek kondenzacije

3' – zaključek kondenzacije – začetek podhlajevanja

4 – vstop v uparjalnik

Potek procesov v log p-h diagramu:

1 – 2: neizentropna kompresija

2 - 2': hlajenje hladilnega sredstva pri konstantnem tlaku do rosilne krivulje

2' - 3': kondenzacija pri konstantnem tlaku

3'- 3: podhladitev pri konstantnem tlaku

3 – 4: ekspanzija pri konstantni entalpiji

4 - 1": uparjanje pri konstantnem tlaku

1"- 1': pregrevanje v uparjalniku pri konstantnem tlaku [2]


17

4 KOMPRESIJSKI HLADILNI SISTEMI

4.1 Osnovne lastnosti kompresijskih hladilnih sistemov

Kompresijski hladilni sistemi za povišanje energetskega nivoja (temperature in tlaka)

hladilnega sredstva, oz. za omogočanje krožnega procesa, uporabljajo mehansko delo

kompresorja, tako so od vseh izvedb glede na vir dodatne energije za doseganje krožnega

procesa najpogosteje v uporabi. [2]

Sestavljeni so iz sledečih osnovnih elementov:

- uparjalnika,

- kompresorja,

- kondenzatorja,

- ekspanzijskega ventila.

Hladilni sistem sestavljajo še spojni cevni vodi, ki povezujejo te štiri osnovne elemente,

regulacijski, pomožni elementi in hladilno sredstvo. [2]

Vsi ti deli se v večini primerov nahajajo v skupnem ohišju in predstavljajo celoto oz. toplotno

črpalko – hladilni stroj kot napravo. [2]

Za optimalno delovanje hladilnega stroja – toplotne črpalke pa je zelo pomembna izbira moči

glede na sistem in porabnike. Hladilni stroj mora biti optimalno dimenzioniran, to pa pomeni,

da stremimo k temu, da bo hladilni stroj – toplotna črpalka tekla s čim manj prekinitvami, saj

je vsak vklop kompresorja neugoden za mazanje vitalnih delov.

Slika 4.1 Shema osnovnega kompresijskega hladilnega sistema [3]


18

4.2 Obrazložitev poimenovanja toplotne črpalke – mehanskega hladilnega

sistema

Kadar govorimo o toplotnih črpalkah in hladilnih sistemih, govorimo dejansko o eni stvari, saj

toplotna črpalka ni nič drugega kot mehanski hladilni sistem. Mehanski hladilni sistem je

najpogostejši pri hladilnih napravah. Poimenovanje »mehanski« pa uporabljamo zato, ker se

za »transport« hladilnega sredstva po sistemu uporablja mehansko delo kompresorja. Za

pogon kompresorjev se pri stacionarnih hladilnih sistemih največkrat uporablja električna

energija, katero pretvorimo v mehansko delo. Pri premičnih hladilnih sistemih, npr. premične

tovorne hladilnice za transport različnih živil, pri katerih je potrebno zagotavljati konstantno

nizko temperaturo, pa se za pogon kompresorjev največkrat uporabljajo motorji z notranjim

izgorevanjem.

4.3 Komponente hladilnega sistema

4.3.1 Uparjalnik

Uparjalnik je del hladilnega sistema (toplotne črpalke ali hladilnega stroja), v katerem pride do

popolnega uparjanja hladilnega sredstva, kot posledica dovajanja toplote iz neposredne

okolice (prostora ali medija). Uparjalnik toplotne črpalke je pravzaprav izmenjevalnik oziroma

prenosnik toplote, v katerem hladilno sredstvo izmenjava toploto s posrednim medijem (vodo,

solno raztopino, glikolno zmesjo, zrakom), pri čemer se hladilno sredstvo uparja in ohlaja. [2]

Hladilna moč uparjalnika je odvisna od površine za prenos toplote, koeficienta prehoda

toplote prenosnika in razlike temperature posrednega medija in hladilnega sredstva, ki

izpareva. Ta razlika bi morala biti čim manjša (4-8 °C), tlak izparevanja pa bi moral biti čim višji.

Izvedba uparjalnika mora ustrezati nekaterim zahtevam, imeti mora čim manjši padec tlaka na

strani posrednega medija in hladilnega sredstva (tj. čim manjše izgube pri toku skozi

prenosnik) ter omogočati čim večjo gostoto toplotnega toka pri prenosu toplote. [2]

Odvisno od izvedbe toplotne črpalke oziroma od vira toplote, ki se uporablja, obstaja več

izvedb uparjalnikov:


19

1. uparjalniki za toplotne črpalke, ki uporabljajo tla za toplotni vir (posredni mediji so

solne raztopine ali glikolne zmesi):

- ploščati (kompaktnih dimenzij in najpogosteje v uporabi),

- s cevnim snopom,

- dvojno koaksialno cevjo,

2. uparjalniki za toplotne črpalke s podzemnim vodom kot toplotnim virom (posredni

medij je voda):

- ploščati iz nerjavečega jekla,

- z dvojno koaksialno cevjo iz bakra ali zlitine bakra in niklja,

3. uparjalniki za toplotne črpalke, ki uporabljajo zemljo za toplotni vir in z neposrednim

izparevanjem (ne uporablja se posredni medij, temveč se toplota prenaša neposredno

iz zemlje),

4. uparjalniki za toplotne črpalke s površinsko vodo kot toplotnim virom (posredni medij

je voda):

- ploščati,

5. uparjalniki za toplotne črpalke z zrakom kot toplotnim virom (posredni medij je zrak):

- lamelni, z bakrenim cevmi in lamelami (rebri) iz bakra ali aluminija,

- s cevno spiralo. [2]

4.3.2 Kompresor

Kompresor je del hladilnega sistema (kompresijske toplotne črpalke ali hladilne naprave), v

katerem se hladilnemu sredstvu v parnem stanju z dovajanjem energije (dela) povišuje

energetski nivo (tj. tlak in temperatura), s čimer se istočasno omogoča njegovo kroženje skozi

hladilni sistem. Z drugimi besedami je naloga kompresorja zvišati tlak hladiva na vrednost, na

kateri bo omogočena njegova kondenzacija pri temperaturi, ki je višja od temperature

ogrevalnega medija. Hladilna moč kompresorja mora biti enaka hladilni moči uparjalnika. [2]

Kompresor mora omogočiti komprimiranje celotnega hladilnega sredstva iz uparjalnika.

Razmerja hladilne moči uparjalnika in kompresorja se lahko prikažejo v Q-diagramu (slika

3.1).Točka v tem diagramu, v katerem se sekajo krivulje uparjalnika in kompresorja, oziroma

v kateri velja Oup = *komp', se imenuje bivalentna točka (BT). Pri tem je temperatura


20

izparevanja določena z uravnoteženo močjo uparjalnika in kompresorja, če se ne uporablja

posebna regulacijska armatura [2]

Slika 4.2 Prikaz krivulj uparjalnika in kompresorja ter bivalentne točke [2]

Osnovne izvedbe kompresorjev:

- batni kompresorji,

- vijačni kompresorji,

- spiralni (ang. scroll) kompresorji.

V odvisnosti od načina vgradnje pogonskega motorja so kompresorji lahko:

- odprti,

- pol hermetični,

- hermetični. [2]

V toplotnih črpalkah in hladilnih strojih se v glavnem uporabljajo batni in spiralni kompresorji,

vse več pa je, večinoma pri hladilnih strojih z večjo hladilno močjo, kompresorjev vijačnega

tipa.

Batni kompresorji komprimirajo hladilno sredstvo v valju z gibanjem bata iz spodnje v zgornjo

mrtvo točko (slika 3.2). Bat kompresorja pri gibanju iz zgornje v spodnjo mrtvo točko sesa pare

hladilnega sredstva direktno iz uparjalnika v valj kompresorja, v zgornji mrtvi točki pa hladilno


21

sredstvo pod visokim tlakom izstopa iz valja in potuje direktno v kondenzator. V toplotnih

črpalkah se najpogosteje uporabljajo hermetični batni kompresorji. Njihove osnovne

prednosti so zanesljivost in preverjena izvedba ter nizka cena, pomanjkljivosti pa so pulzirajoč

pogon in razmeroma hrupno delovanje [2]

Slika 4.3 Shema batnega kompresorja [2]

4.3.3 Možne poškodbe kompresorjev

Pri vseh kompresorjih, posebej pa pri batnih, je izredno pomembno, da je hladilno sredstvo

popolnoma uparjeno. V primeru, da pa ni popolnoma uparjeno in so v pari pomešane še

kapljice hladilnega sredstva (posledica več dejavnikov: nepravilno dimenzioniran uparjalnik ali

pa ekspanzijski ventil glede na količino toplotne energije, ki jo je potrebno odvesti, nepravilno

nastavljeno pregretje sesalnih par …), lahko pri vstopu v valj kompresorja kapljica ekspandira

in v najslabšem primeru lahko pride do poškodb kompresorja. Druge poškodbe so lahko

mehanske ali pa poškodbe električnega navitja. Poškodbe električnega navitja kompresorja so

tipične pri nepravilnem delovanju hladilnega sistema. Kot najpogostejši primer lahko

izpostavimo nepravilno nastavljeno pregretje sesalnih par, v tem primeru se zgodi, da v

uparjalniku ne pride do popolnega uparjanja hladilnega sredstva, kar pa pomeni, da so v parah

pomešane tudi kapljice hladilnega sredstva.


22

Pare hladilnega sredstva imajo funkcijo, da ob vstopu v kompresor električno navitje

kompresorja tudi hladijo, če pa te pare vsebujejo tudi kapljice, ki so posledica nepopolno

uparjenega hladilnega sredstva pa le-te v stiku z vročim električnim navitjem ekspandirajo in

takrat lahko pride do poškodb laka električnega navitja. Ob tem se delci laka kopičijo v olju

kompresorja, kar pa povzroči kemijsko reakcijo in posledica tega je ustvarjanje kisline v olju.

Le-ta pa olju zmanjša mazalne sposobnosti in pospeši nadaljnji razpad laka električnega navitja

ter posledično preboj električnega navitja – pregorelost (»burnout«).

Zaradi naštetih razlogov so pomembni redni servisi hladilnih sistemov in redna testiranja olja

hladilnega sistema, zaradi morebitne vsebnosti kisline v olju. Ob morebitni ugotovitvi

prisotnosti kisline v olju je potrebna takojšnja zamenjava olja in dehidratorja (filtra) hladilnega

sistema ter nadaljnji pogostejši testi in po potrebi ponovna zamenjava olja. V nasprotnem

primeru bo kompresor električno pregorel in potrebna bo zamenjava kompresorja. Pred tem

pa še čiščenje celotnega sistema, kar pa pomeni neprimerno višje stroške .

Spiralni kompresorji komprimirajo hladilno sredstvo s pomikanjem pomične spirale v

notranjosti nepomične spirale (polža) tako, da se oži prostor, v katerem se spirala nahaja (slika

4.4). S tem se stalno in enakomerno komprimira enaka količina hladiva. Po svoji izvedbi se

spiralni kompresorji, ki se uporabljajo za toplotne črpalke, prav tako uvrščajo med hermetične

kompresorje. Njihove osnovne prednosti so enostavna konstrukcija z malo mehanskih delov,

izpostavljenih mehanski obrabi in okvaram (ventili), zelo tiho delovanje, kompaktna izvedba

in majhna masa ter enakomerno delovanje. [2]

Slika 4.4 Shematsko prikazana glava spiralnega kompresorja [2]


23

4.3.4 Kondenzator

Kondenzator je del hladilnega sistema (toplotne črpalke ali hladilnega stroja), v katerem pride

do kondenzacije hladilnega sredstva. Da lahko pride do kondenzacije, je toplotno energijo pri

nastanku kondenzacije potrebno oddati nekemu mediju, prostoru ali pa neposredni okolici.

Kondenzator toplotne črpalke – hladilnega stroja je pravzaprav prenosnik toplote, v katerem

hladilno sredstvo izmenjava toploto z ogrevalnim medijem sistema ogrevanja (vodo, zrakom

ipd.), ki se pri tem ogreva. Naloga kondenzatorja je oddajanje toplote ogrevalnemu mediju

sistema ogrevanja ali pa okolici. [2]

Proces v kondenzatorju se začne z vstopom pregretih par pod visokim tlakom, ki je v povsem

plinastem stanju (točka 2 v log T-s diagramu), oziroma se kot plin obnaša (slika 4.6). Pri tem se

hladilno sredstvo najprej ohladi na temperaturo kondenzacije (točka 2' v log T-s diagramu) in

zatem kondenzira pri konstantni temperaturi in tlaku (med točko 2' in 3' v log T-s diagramu),

pri čemer odda toploto neposredni okolici. Poleg tega se pred vstopom v ekspanzijski ventil

hladilno sredstvo dodatno podhladi na temperaturo podhlajevanja (med točko 3' in 3 v log T-

s diagramu). Kondenzator zato lahko razdelimo na tri dele glede na proces, ki se v njem odvija:

del pregrevanja, kondenzacije in podhlajevanja.

Slika 4.5 Prikaz dejanskega procesa v hladilnem sistemu v log p-h diagramu [2]


24

Slika 4.6 Prikaz dejanskega procesa v hladilnem sistemu v log T-s diagramu [2]

Hladilna moč uparjalnika je odvisna od površine za prenos toplote, koeficienta prehoda

toplote prenosnika, razlike temperature hladilnega sredstva, ki kondenzira in posrednega

medija. Ta razlika je odvisna od posrednega medija in običajno znaša: [2]

- za vodo: 5-10 °C ,

- za zrak: 10-15 °C.

Za izvedbo kondenzatorja se zahteva nekoliko osnovnih zahtev, ki so pravzaprav enake kot za

uparjalnik: čim manjše in kompaktnejše dimenzije, čim manjše izgube tlaka na strani

posrednega medija in hladilnega sredstva ter omogočanje čim večje gostote toplotnega toka

pri prenosu toplote. [2]


25

Glede na posredni medij, ki se uporablja, obstajata dve osnovni izvedbi kondenzatorja za

toplotne črpalke:

- vodno hlajeni, kadar se za posredni medij uporablja voda (za sisteme toplovodnega

ogrevanja in priprave STV),

- zračno hlajeni, kadar se za posredni medij uporablja zrak (za sisteme toplozračnega

ogrevanja, prezračevanja in klimatizacije). [2]

Glede na konstrukcijo se v toplotnih črpalkah najpogosteje uporabljata dve izvedbi

kondenzatorja:

- ploščati iz nerjavečega jekla,

- z dvojno koaksialno cevjo iz bakra ali bakrene zlitine in niklja (slika 4.7). [2]

Slika 4.7 Shema koaksialnega menjalnika – kondenzatorja z dvojno cevjo [2]


26

4.3.5 Ekspanzijski ventil

Ekspanzijski ventil je del hladilnega sistema, v katerem se hladilnemu sredstvu v tekočem

agregatnem stanju znižuje energetski nivo (tj. temperatura in tlak). Zato je njegova naloga

znižati temperaturo in tlak hladilnega sredstva na vrednost, pri kateri je omogočeno njegovo

uparjanje pri temperaturi, ki je nižja od temperature posrednega medija. [2]

Proces v ekspanzijskem ventilu se začne z vstopom hladiva, ki je povsem v tekočem

agregatnem stanju (točka 3 v log T-s diagramu) in pogosto tudi podhlajeno (slika 4.5 in slika

4.6). Hladilno sredstvo potem ekspandira ob zniževanju temperature in tlaka do vrednosti

temperature in tlaka izparevanja (točka 4 v log T-s diagramu), s katerima vstopa v uparjalnik,

pri čemer delno izpareva. Istočasno je omogočena prilagoditev prostorninskega toka

hladilnega sredstva potrebni hladilni moči uparjalnika. [2]

Danes se najpogosteje uporabljajo tri osnovne izvedbe ekspanzijskih ventilov:

- enostavna kapilarna cev,

- termostatski ekspanzijski (termo ekspanzijski) ventili (slika 4.8),

- ekspanzijski ventili z elektronskim upravljanjem (elektronski ekspanzijski ventil). [2]

Slika 4.8 Termo ekspanzijski ventil z zunanjim izenačenjem tlaka [2]


27

4.3.6 Ostala oprema hladilnega sistema

Med vso ostalo opremo hladilnega sistema sodijo cevne povezave, s katerimi so povezane

osnovne komponente (kompresor, kondenzator, ekspanzijski ventil in uparjalnik), razni

regulacijski in pomožni elementi, katerih naloga je zagotavljanje varnega in zanesljivega

obratovanja v vseh pogojih.

Cevne povezave se delijo na:

- sesalni vod je med uparjalnikom in kompresorjem,

- tlačni vod je med kompresorjem in kondenzatorjem,

- tekočinski vod je med kondenzatorjem in ekspanzijskim ventilom,

- vod za vbrizgavanje med ekspanzijskim ventilom in uparjalnikom.

Cevne povezave hladilnih sistemov so v večini izdelane iz bakrenih cevi standarda EN 12735-1

zaradi vsebnosti ogljikovodikov in njihovih zmesi v hladilnih sredstvih.

Tlačno stikalo visokega tlaka se vgrajuje na tlačni strani za kompresorjem. Število tlačnih stikal

na enem hladilnem sistemu je pogojeno s količino pretoka hladilnega sredstva. Za vsakih 90

m³ pretoka mora v sistemu biti vgrajeno tlačno stikalo (npr. za 185 m³ pretoka sta v sistemu

vgrajeni dve tlačni stikali). Funkcija tlačnega stikala je varovanje hladilnega sistema, (direktni

izklop kompresorja), pred poškodbami visokega tlaka, ki se lahko pojavi zaradi najrazličnejših

razlogov. Najpogostejši so, da ni pretoka oziroma na razpolago ni zadostne količine medija za

odvod kondenzacijske toplote. Poznamo ročna in avtomatska tlačna stikala. Razlika je v tem,

da je ob prekoračenem tlaku ročne potrebno ročno resetirati, avtomatske pa se ob pojemanju

tlaka v sistemu postavijo sami v normalno stanje.

Izločevalnik olja se vgrajuje na tlačni strani za kompresorjem in tlačnim stikalom. Izločevalniki

olja se vgrajujejo predvsem v večje hladilne sisteme, kjer se hitrosti hladilnega sredstva

spreminjajo zaradi nestanovitnih pogojev (vgrajenih več kompresorjev). Funkcija

izločevalnikov olja je izločanje olja iz vročih par hladilnega sredstva, ki se potem vrača nazaj v

karter kompresorja s pomočjo priprav za distribucijo olja (TraxOil).

Varnostni ventil je v večini primerov nameščen na zbiralni posodi hladilnega sredstva. Funkcija

varnostnega ventila je v slučaju nepravilnega delovanja tlačnega stikala zadnja stopnja

varovanja hladilnega sistema pred visokim tlakom. Ob prekoračeni meji tlaka se varnostni

ventil odpre in hladilno sredstvo spusti direktno v okolico.


28

Sušilnik – filter hladilnega sredstva je vgrajen za zbiralno posodo. Funkcija filtra je izločanje

morebitne vlage in kisline v hladilnem sistemu. Filter je sestavljen iz silikagela in molekularnih

sit. V primeru, da je filter zamašen, to najlažje ugotovimo tako, da merimo temperaturo pred

in za filtrom. Če je temperatura za filtrom nižja kot pred njim, to pomeni, da je filter zamašen.

Posledica tega je padec tlaka v filtru, kar pa pomeni začetek uparjanja tekočega hladilnega

sredstva in sprememba temperature na izstopu iz filtra.

Elektromagnetni ventil je vgrajen za filtrom. Elektromagnetni ventil se zapre, ko hladilni

sistem ne deluje. S tem preprečimo pretakanje hladilnega sredstva po sistemu ob nedelovanju

kompresorja. Hladilno sredstvo bi se brez elektromagnetnega ventila (ali ob nedelujočem

ventilu) ob izklopu kompresorja pretakalo po sistemu zaradi naravne cirkulacije in se kopičilo

kot tekočina (npr. v uparjalniku), kar pa bi ob zagonu kompresorja lahko povzročilo trajne

poškodbe, saj bi le-ta posesal hladilno sredstvo v tekočem agregatnem stanju.

Kazalno steklo z indikatorjem vlage je vgrajeno za elektromagnetnim ventilom. Uporablja se

za kontrolo količine polnjenja hladilnega sredstva, na indikatorju vlage pa lahko spremljamo

morebitno vsebnost vlage v hladilnem sistemu.

Izločevalnik kapljevine je vgrajen za uparjalnikom. Njegova funkcija je izločanje oziroma

dokončno uparjanje kapljic hladilnega sredstva, ki se iz kakršnihkoli razlogov ni uspelo upariti

v uparjalniku. Kot primer lahko navedemo cevni izmenjevalec, ki ima nalogo povečati moč

hlajenja na osnovi podhlajevanja hladilnega sredstva, prav tako pa ima funkcijo izločanja

kapljic iz sesalnih par.

Slika 4.9 Cevni izmenjevalec Danfoss [4]

Vstop mešanice par in kapljic

Izstop popolnoma uparjenega hlad. sredstva

Vstop utekočinjenega hladilnega sredstva

Izstop podhlajenega hladilnega sredstva


29

Tlačno stikalo nizkega tlaka je vgrajeno na sesalni strani pred vstopom v kompresor. Njegova

funkcija je varovanje kompresorja pred nizkim tlakom. Nizek tlak v hladilnem sistemu se lahko

pojavi npr. zaradi lekaže na sistemu - puščanja hladilnega sredstva.

Sistem za dopolnjevanje olja – TraxOil je sistem za dopolnjevanje olja direktno v karter

kompresorja. TraxOil sistem je možno vgraditi v kombinaciji z izločevalnikom olja. Izločevalniki

olja se vgrajujejo v večje hladilne sisteme kjer se spreminjajo hitrosti pretoka hladilnega

sredstva (sistemi z dvema ali več kompresorjev), hitrosti pretokov pa se spreminjajo predvsem

zaradi vklapljanja in izklapljanja kompresorjev. Izločevalnik olja je lahko kombiniran z

rezervoarjem ali pa sta ta dva elementa ločena. Olje, ki ga izločevalnik olja uspe izločiti iz vročih

par hladilnega sredstva, se kopiči v rezervoarju olja, ki je pod tlakom, ki mora biti večji, kot je

sesalni tlak v kompresorju.

Rezervoar olja je s cevnimi povezavami povezan z vsakim elementom za kontrolo nivoja olja

TraxOil, ki pa je direktno privijačen na priključek za kontrolo nivoja olja kompresorja. Element

TraxOil je sestavljen iz kontrolnega okenca, v katerem je plovec za kontrolo nivoja olja in

elektromagnetni ventil. Le-ta pa v primeru nižjega nivoja od predpisanega odpira dovod olja.

TraxOil ima tudi en prosti izhod za signalizacijo maksimalnega nivoja olja v kompresorju, ki je

pogoj za zagon kompresorja.

Slika 4.10 TraxOil element za kontrolo in dopolnjevanje olja [5]

Grelnik karterja kompresorja je izjemno pomemben element. Ima funkcijo, da greje olje, ki se

nahaja v karterju kompresorja. Je pa v funkciji samo takrat kadar kompresor ne obratuje. Olje

grejemo iz razloga, da se ob mirovanju kompresorja iz olja izloča hladilno sredstvo. V primeru

nedelovanja grelnika karterja pa to pomeni bistveno slabše mazalne sposobnosti ob zagonu

kompresorja in do dosega delovne temperature.


30

4.3.7 Grelno število ε – COP

Toplota, ki jo dovedemo ogrevanemu mediju s toplotno črpalko, je teoretično vsota toplote,

odvzete viru toplote in energije, ki je potrebna za pogon krožnega procesa. Učinkovitost

električno gnane kompresorske toplotne črpalke pri danih stacionarnih pogojih označimo z

grelnim številom (COP - Coefficient of Perfomance). Grelno število je določeno kot kvocient

med toploto, ki jo pridobimo s toplotno črpalko in električno močjo, ki jo potrebujemo za

pogon kompresorja. [2]

COP = 𝑑𝑜𝑣𝑒𝑑𝑒𝑛𝑎 𝑡𝑜𝑝𝑙𝑜𝑡𝑎

𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑖č𝑛𝑎 𝑚𝑜č=

𝑃𝑐

𝑃, Enačba 4.1 za izračun grelnega števila

kjer pomenita:

Pc – teoretična grelna moč, kW

P – teoretična električna moč za pogon kompresorja, kW

4.3.8 Standardni izračun COP

Standardne testne metode za toplotne črpalke so določene v EU standardu EN 14511.

Učinkovitost toplotne črpalke v določeni obratovalni točki (kombinacija temperatur) ocenimo

z grelnim številom. Pri izračunu ε (COP) moramo zraven električne moči za pogon kompresorja

upoštevati tudi priključne električne moči ostalih komponent znotraj toplotne črpalke

(regulacijski sistemi, sistem odtaljevanja, obtočnih črpalk itd.). V skladu z EN 14511 je tako COP

določen kot delež grelne moči glede na celotno dovedeno električno moč enote. Pri tem je

treba vedeti, da je novi standard EN 14511 ob zamenjavi standarda EN 255 prinesel tudi

spremembe pri določenih testnih pogojih. [2]

ε =�̇�𝑔

𝑃𝑒𝑙 Enačba 4.2 za izračun standardnega grelnega števila

kjer pomenita:

�̇�g - grelna moč toplotne črpalke, kW

Pel - dovedena električna moč, kW.

Grelno število je višje, če ima vir toplote sorazmerno visoko temperaturo in če je temperatura

ogrevalnega medija nizka. Omenjeno ugotovitev Iahko preverimo v diagramu slike 4.11.


31

Iz primera št. 1 je razvidno, da imamo pri temperaturi vira 0 °C in temperaturi predtoka 55 °C

grelno število 2,34. Iz primera št. 2 pa je razvidno, da imamo pri temperaturi vira 0 °C in

temperaturi predtoka 40 °C grelno število 3,6. Vsekakor očitna razlika, ki dokazuje, da je

vgradnja nizkotemperaturnega sistema smotrna. [2]

Temperatura ogrevanja se med letom spreminja, prav tako temperatura vira toplote. Realno

energetsko sliko nam zato daje le letno grelno število, ki upošteva razmerje med toplotnimi

potrebami in vloženo energijo preko celotnega leta, vključno s potrebno energijo za dodatno

ogrevanje (v primeru, če toplotna črpalka ne pokrije vseh toplotnih potreb v celoti). [2]

Slika 4.11 Povezava med pogonsko in grelno močjo v odvisnosti od temperature toplotnega vira [2]

Primer 1: Primer 2:

temperatura predtoka: 𝑡𝑝=55 °𝐶 temperatura predtoka: 𝑡𝑝=40 °𝐶

temperatura vira 𝑡𝑣=0 °𝐶 temperatura vira 𝑡𝑣= − 5 °𝐶

ε = Q̇g/𝑃𝑒𝑙 = 6,2/2,64 = 2,34 ε = Q̇g/𝑃𝑒𝑙 = 9/2,5 = 3,6 [2]


32

4.3.9 Letno grelno število β – SPF

Učinkovitost delovanja toplotne črpalke preko sezone opredelimo z letnim grelnim številom

(SPF - Seasol Perfomance Factor). Določen je kot kvocient med toploto, ki jo dovedemo

ogrevanemu mediju s toplotno črpalko in električno energijo, porabljeno preko celotne

sezone. Za izračun moramo poleg rabe energije za pogon električnega kompresorja upoštevati

še rabo električne energije pomožnih komponent sistema (obtočne črpalke, odtaljevanje

uparjalnika, regulacija). Letno grelno število je odvisno od:

- letnih potreb po ogrevanju in hlajenju,

- dodatne rabe energije (črpalke, regulacija, ventilatorji),

- kakovosti izdelave toplotne črpalke,

- dimenzioniranja toplotne črpalke v odvisnosti od potrebe po toploti in obratovalne

karakteristike toplotne črpalke,

- sistema regulacije toplotne črpalke in gradbene fizike.

Letno grelno število β – SPF:

β = �̇�𝐿𝑇Č

𝑊𝑒𝑙 , Enačba 4.3 za izračun letnega grelnega števila

kjer pomenita:

Q̇𝐿𝑇Č − toplota, dovedena ogrevnemu mediju s toplotno črpalko, kW h

𝑊𝑒𝑙 - raba električne energije v sezoni ogrevanja, kW h

Vrednost letnega grelnega števila znaša 2,5 do 4 in tudi več. [2]


33

5 POSTOPEK DIMENZIONIRANJA HLADILNEGA SISTEMA

5.1 Dimenzioniranje hladilnega stroja za pripravo hladne vode z rekuperacijo

kondenzacijske toplote

Pri zasnovi diplomske naloge se je porodila ideja o dimenzioniranju hladilnega stroja za

pripravo hladne vode, ki se uporablja za hlajenje medicinske opreme, natančneje aparata za

magnetno resonanco, znamke Toschiba, tip Vantage Titan 1,5 T na objektu MTC Fontana

Maribor.

Vhodno-izhodiščni podatki za izračun hladilnega stroja so:

- potrebna hladilna moč: 45 kW,

- zahtevana temperatura predtoka hladne vode: 6 °C,

- zahtevana temperatura povratka hladne vode: 12 °C.

Pri dimenzioniranju je poudarek na pripravi hladne vode, pri čemer moramo upoštevati, da je

iz hladilnega stroja znotraj optimalnih mej obratovanja kompresorja prav tako potrebno dobiti

karseda največ toplotne energije.

Osnova hladilnega stroja je priprava hladne vode za hlajenje aparata za magnetno resonanco.

Kondenzacijska toplota se bo prioritetno uporabljala za segrevanje STV preko t.i.

rekuperatorja (toplotnega izmenjevalnika). V zimskem času se bo dodatno ogrevala sistemska

voda za namen ogrevanja objekta (v primeru dosežene temperature STV). V poletnem času in

občasno tudi zimskem ter prehodnem obdobju bo prihajalo do viškov kondenzacijske toplotne

energije, zato bo odvečno energijo potrebno preko rekuperatorja transportirati do suhega

hladilnika (»dry cooler«) in jo odvesti v okolico.

V osnovi gre v obravnavanem primeru za hladilni stroj, ki ni ravno klasični hladilni stroj, saj ob

pripravi hladne vode istočasno koristno uporabimo toplotno energijo, ki je pri procesu

največkrat stranski produkt

Zaradi načina uporabe hladilnega stroja lahko govorimo o toplotni črpalki ali t. i. hibridni

napravi.

Za vsak pričetek dimenzioniranja hladilnega sistema je najprej potrebna zasnova osnovne

sheme hladilnega sistema (sliki 5.1).


34

Slika 5.1 Osnovna shema hladilnega sistema


35

5.2 Dimenzioniranje kompresorja

Glede na znane vhodne podatke aparata za magnetno resonanco (moč hlajenja in zahtevani

temperaturni režimi) izberemo ustrezen tip in velikost spiralnega (»scroll«) kompresorja

proizvajalca Copeland.

Pri izbiri hladilnega sredstva upoštevamo želeno temperaturo kondenzacije. In ker bo v

obravnavanem primeru pri odvodu kondenzacijske energije prioritetno ogrevanje STV, se

odločimo za hladilno sredstvo R 134a. Gre za hladilno sredstvo, ki je enokomponentno in z

njim lahko dosegamo visoke kondenzacijske temperature, hladilni sistem lahko deluje na

sorazmerno nizkih tlakih v primerjavi z drugimi hladilnimi sredstvi, je pa potreben večji

volumski pretok hladilnega sredstva, kar pa poveča velikost kompresorja.

Izbor primernega kompresorja glede na vstopne parametre izvedemo z izbornim programom

Copeland Select verzije 7.12 proizvajalca hladilnih kompresorjev Copeland. Rezultat izbora

kompresorja nam poda pomembne parametre za nadaljnje dimenzioniranje sistema, kot so

npr. toplotni izmenjalniki.

5.2.1 Izbor kompresorja s programom Copeland Select 7.12

Podatki za izbor kompresorja Copeland (režim ogrevanja sanitarne vode):

- potrebna hladilna moč je 40 kW,

- temperatura kondenzacije 60 °C (ogrevanje STV).

Slika 5.2 Izbor kompresorja s programom Copeland select (temp. kondenzacije 60 °C) [6]


36

Razen vhodnih podatkov je v program potrebno vnesti še nekaj podatkov, na podlagi katerih

lahko program izbere pravo velikost kompresorja. Ti podatki so:

- pregrevanje uparjenega hladilnega sredstva (K) - pregrevanje pri delovanju hladilnih

sistemov nastavljamo z odprtostjo ekspanzijskega ventila. V program je bila vnešena

vrednost pregrevanja 7 K, kar pomeni, da bodo pare, ki izstopajo iz uparjalnika imele

za 7 K višjo temperaturo, kot je temperatura uparjanja, kar pa pomeni varno in

dolgoročno obratovanje kompresorja,

- temperatura uparjanja, ki je v obravnavanem primeru 3 K, zaradi vode kot medija

hlajenja. V primeru, da bi zahladilni medij uporabili glikol ali pa pri klimatskih napravah

zrak, potem lahko temperaturo uparjanja spustimo nižje in to celo pod ledišče vode.

Na sliki 5.2 je prikaz izbora kompresorja v programu Copeland Select 7.12 z izbranim

kompresorjem in njegovimi osnovnimi podatki.

Gre za Copeland spiralni kompresor tip ZR380KCE-TWD, ki ima glede na vnešene vstopne

podatke 42,9 kW hladilne moči, njegova električna moč je 20,3 kW, 35,42 A, masni pretok

hladilnega sredstva je 363 g/s in toplotna moč 62,20 kW ter grelno število COP 2,12, ki pa ne

bo povsem držalo, ker gre v obravnavanem primeru za kombiniran hladilni stroj.

Program Copeland Select 7.12 pa nam ponuja tudi druge podatke o izboru kompresorja, kot

so:

- Mejne linije obratovanja izbranega kompresorja Copeland. Na sliki 5.3 rdeči znak X

prikazuje točko vhodnih parametrov, temperaturo uparjanja 3 °C in temperaturo

kondenzacije 60 °C. Modra linija prikazuje maks. temperaturo uparjanja, rožnata linija

je kritična linija sesalnih par, ki znašajo 25 °C ter vijolična linija, ki prikazuje pregrevanje

10 K. Iz tega je razvidno, da bo kompresor obratoval znotraj mejnih oziroma varnih linij

obratovanja.


37

Slika 5.3 Mejne linije obratovanja kompresorja ZR380KCE-TWD (temp. kondenzacije 60 °C) [6]

- Tehniška risba kompresorja: program Copeland Select 7.12 ob izbiri kompresorja poda

tehniško risbo kompresorja z vsemi dimenzijami. Tako dobimo točen podatek, koliko

prostora bo kompresor zasedel v prostoru, ki je namenjen postavitvi tega hladilnega

sistema.

Slika 5.4 Tehniška risba izbranega kompresorja [6]


38

- Tehnični podatki kompresorja: program nudi tudi tehnične podatke, kot so teža,

glasnost obratovanja, dimenzije priključkov, osnovne mere (višina, obseg) …

Slika 5.5 tehnični podatki kompresorja [6]

5.2.2 Pogoji obratovanja kompresorja pri nižji kondenzacijski temperaturi

Občasno, predvsem v prehodnem ali poletnem času bo prišlo do situacije, ko bo dosežena

temperatura STV, kljub temu pa bo potreba po hlajenju aparata magnetne resonance

Toschiba. V takšnih primerih je potrebno predvideti dodatni odvod kondenzacijske toplote, in

sicer preko suhega hladilnika (»dry cooler«) v okolico. V tem primeru se lahko odločimo za

nižjo temperaturo kondenzacije, s čimer pridobimo na grelnem številu (COP). V program

Copeland Select je potrebno vnesti nižjo temperaturo kondenzacije, pri čemer bo program

izbral kompresor z nižjo močjo. Ker pa bo v obravnavanem primeru zaradi gretja STV večino

časa potreba po višji kondenzaciji, obstaja možnost ročne izbire kompresorja, ki nam ga

program ponudi v prvem izboru kompresorjev. Na ta način dobimo novo hladilno moč, ki bo

osnova za preračun in izbiro ustreznega uparjalnika (slika 5.6).

Pri pogojih z nižjo temperaturo kondenzacije se COP izboljša, prav tako pa se izboljšajo pogoji

za obratovanje kompresorja, kar je pri primerjavi slik 5.3 in 5.7 razvidno iz mejnih linij

obratovanja kompresorja.


39

Vnos nižje kondenzacijske temperature 45 °C in ročna izbira kompresorja Copeland:

Slika 5.6 Izbor kompresorja s programom Copeland Select (temp. kondenzacije 45 °C) [6]

Mejne linije obratovanja izbranega kompresorja z temperaturo kondenzacije 45 °C:

Slika 5.7 Mejne linije obratovanja kompresorja ZR380KCE-TWD (temp. kondenzacije 45°C) [6]


40

5.3 Dimenzioniranje toplotnih izmenjevalnikov

Toplotni izmenjevalniki se določijo s pomočjo programa SWEP SSP G7 Calculation Software

7.0.0.52, ki je dostopen preko spleta. V program se vnesejo podatki: medij na primarni in

sekundarni strani, toplotna moč, vstopna in izstopna temperatura medija na primarni ter

vstopna in izstopna temperatura medija na sekundarni strani. Določimo štiri izmenjevalnike:

- uparjalnik za hladilni medij,

- kondenzator za grelni medij,

- rekuperator za ogrevanje sanitarne vode,

- rekuperator za odvod kondenzacijske toplote preko suhega hladilnika »dry cooler«.

5.3.1 Podatki za izbiro izračuna toplotnih izmenjevalnikov

Uparjalnik (53,60 kW):

- vstopna temp. hladilnega sredstva (mešanica tekočine in hladne pare): 4,39 °C,

- izstopna temp. hladilnega sredstva (hladne pare): 10,87 °C,

- vstopna temp. hladilnega medija: 12 °C,

- izstopna temp. hladilnega medija: 6 °C.

Kondenzator (68,20 kW):

- vstopna temp. hladilnega sredstva (vroče pare): 71,21 °C,

- izstopna temp. hladilnega sredstva (tekočina): 43,01 °C,

- vstopna temp. ogrevane vode: 39 °C,

- izstopna temp. ogrevane vode: 44 °C.

Rekuperator – STV (58,50 kW):


- izstopna temp. ogrevane vode: 54 °C,

- vstopna temp. STV: 53 °C,

- izstopna temp. STV: 58 °C.

Rekuperator – suhi hladilnik »dry cooler« (68,20 kW):


- izstopna temp. ogrevane vode: 39 °C,

- vstopna temp. glikol: 38 °C,

- izstopna temp. glikol 43 °C.


41

5.3.1.1 Izračun toplotnega izmenjevalnika – uparjalnik:

Določitev uparjalnika na osnovi podatkov iz poglavja 5.3.1 prikazuje slika 5.8 (zbir vseh

podatkov izbranega izmenjevalnika podan kot priloga diplomske naloge).

Slika 5.8 Izračun uparjalnika v programu SWEP SSP G7 [7]

5.3.1.2 Izračun toplotnega izmenjevalnika – kondenzator:

Določitev kondenzatorja na osnovi podatkov iz poglavja 5.3.1 prikazuje slika 5.9 (zbir vseh


Slika 5.9 Izračun kondenzatorja v programu SWEP SSP G7 [7]


42

5.3.1.3 Izračun toplotnega izmenjevalnika – rekuperator STV:

Določitev rekuperatorja STV na osnovi podatkov iz poglavja 5.3.1 prikazuje slika 5.10 (zbir vseh


Slika 5.10 Izračun rekuperatorja STV v programu SWEP SSP G7 [7]

5.3.1.4 Izračun toplotnega izmenjevalnika – rekuperator suhi hladilnik »dry cooler«:

Določitev rekuperatorja suhega hladilnika »dry cooler« na osnovi podatkov iz poglavja 5.3.1

prikazuje slika 5.11 (zbir vseh podatkov izbranega izmenjevalnika podan kot priloga diplomske

naloge).

Slika 5.11 Izračun rekuperatorja suhega hladilnika v programu SWEP SSP G7 [7]


43

5.4 Dimenzioniranje cevnih povezav hladilnega sistema

Cevi za hladilno tehniko so v skladu s standardom EN 12735-1 iz bakrenega materiala (Cu).

Cevne povezave se dimenzionirajo s programsko opremo Solkane Refrigerant Software 8.0

(dostopen preko spleta). Dimenzija se za posamezno linijo izbere glede na dolžino cevi in na

osnovi tlačnega padca. Program za vsako linijo (sesalna, tlačna, tekočinska) ponudi

najprimernejšo dimenzijo cevi glede na hitrost in tlačni padec medija v sami cevi, kar pa je

pomembno za zagotovitev zadostnega vračanja olja za mazanje kompresorja ob hkratnih

relativno nizkih hidravličnih uporih v sistemu. Zraven tega pa program ponudi še standardno

dimenzijo cevi, ki je manjša od izračunane ter standardno dimenzijo cevi, ki je večja od

izračunane (slike 5.15–5.17).

Na začetku je v program Solkane potrebno vnesti izbrano hladilno sredstvo R 134a in izbrati

ali gre za osnovni hladilni sistem ali kaj posebnega (cycle). V nadaljevanju vnesemo podatke:

temp. uparjanja, vrednost pregrevanja sesalnih par, tlačni padec uparjalnika, izračunano moč

uparjalnika pri znižani temp. kondenzacije, znižano temp. kondenzacije, vrednost

podhlajevanja hladilnega sredstva v tekoči fazi, tlačni padec kondenzatorja, izentropni

koeficient kompresorja in tlačni padec sesalne ter tlačne linije (slika 5.12).

Program Solkane Refrigerant je zelo koristen, saj na osnovi vnešenih podatkov nudi izbor

dimenzij cevi za posamezne linije in izriše proces delovanja hladilnega sistema v Log p-h

diagramu (Log p-h diagram/1 je podan kot priloga diplomske naloge).

Program izdela tudi tabelo z naslednjimi vrednostmi: tlaka, temperature, volumskega pretoka,

specifične entalpije ter specifične entropije in to za vsako točko posebej, ki se odvija v procesu

obratovanja hladilnega sistema (slika 5.13).

Prav tako na osnovi vnešenih podatkov program izračuna COP hladilnega sistema, ter toplotno

moč uparjalnika in kondenzatorja, ki sta osnovna podatka za izračun in izbiro toplotnih

izmenjevalnikov (slika 5.14).


44

Slika 5.12 Polja za vnos podatkov v programu Solkane (cycle 1) [8]

Slika 5.13 Podatki za vsako točko v procesu obratovanja hladilnega sistema (cycle 1) [8]

Slika 5.14 Osnovni podatki o hladilnem sistemu [8]


45

5.4.1 Izbira cevi za sesalno linijo hladilnega sistema

Za sesalno linijo izberemo bakreno cev dimenzije 42x1,5 mm. Računska dimenzija, ki jo

program ponudi je 45,38 mm. Izbrali smo dimenzijo, ki je manjša od računske tako pridobimo

na hitrosti pretoka hladilnega sredstva in s tem boljše vračanje olja v karter kompresorja.

Slika 5.15 Izbira sesalne cevi [8]

5.4.2 Izbira cevi za tlačno linijo hladilnega sistema

Za tlačno linijo izberemo bakreno cev dimenzije 28x1,5 mm. Računska dimenzija, ki jo

program ponudi je 29,68 mm. Izbrali smo dimenzijo, ki je manjša od računske, tako

pridobimo na hitrosti pretoka hladilnega sredstva.

Slika 5.16 Izbira tlačne cevi [8]


46

5.4.3 Izbira cevi za tekočinsko linijo

Za tekočinsko linijo izberemo bakreno cev dimenzije 18x1 mm. Računska dimenzija, ki nam jo

program ponudi je 19,37 mm.

Slika 5.17 Izbira tekočinske cevi [8]

5.5 Dimenzioniranje podhlajevalnika tekočinske faze hladilnega sredstva

Podhladitev hladilnega sredstva je lahko zelo koristna, saj običajno veliko pridobimo na

hladilni moči. Vendar pa vedno temu ni tako, zato moramo izbiro izmenjevalca za podhladitev

hladilnega sredstva predhodno dobro preučiti.

Pri odločitvi o izbiri izmenjevalnika za podhladitev hladilnega sredstva nam bo v pomoč

program Solkane. Naše obratovanje bo v dveh režimih, in sicer zato, ker bomo obratovali z

različnimi temperaturami kondenzacije (45 °C in 60 °C). Za nižjo temperaturo kondenzacije

imamo izdelan izračun v programu Solkane, zato v program vnesemo tudi podatkez višjo

temperaturo kondenzacije.

V programu moramo vnesti podatke po istem postopku kot v prvem primeru, razlikujejo se

samo podatki o temperaturi kondenzacije (60 °C), hladilna moč (44,10 kW). V meniju »cycle«

pa je potrebno izbrati opcijsko shemo s podhlajevalnikom.


47

Slika 5.18 Polja za vnos podatkov v programu Solkane (cycle 2) [8]

Po izračunu je za podatek o temperaturi v točki procesa št. 2 mogoče ugotoviti, da

temperatura vročih par po izstopu iz kompresorja presega 130 °C, kar pa iz tehničnega vidika

ni sprejemljivo saj si zaradi brezhibnega in dolgotrajnega obratovanja kompresorja želimo, da

so temperature na izstopu iz kompresorja čim nižje, nekje do 100 °C.

Slika 5.19 Podatki za vsako točko v procesu obratovanja hladilnega sistema (cycle 2) [8]

Iz navedenega lahko ugotovimo, da za hladilni sistem v obravnavanem primeru vgradnja

izmenjevalnika za podhladitev tekoče faze hladilnega sredstva, ni smiselna. Ugotovljeno je

tudi, da ne pridobimo niti na vrednosti COP (Log p-h diagram/2 je podan kot priloga diplomske

naloge).


48

5.6 Izbira ekspanzijskega ventila

Za obravnavani primer hladilnega sistema je bil izbran termoekspanzijski ventil, saj za

ogrevanje in hlajenje uporabljamo medij s konstantnimi lastnostmi in to je voda.

Termoekspanzijski ventil je sestavljen iz termoelementa, ki je od telesa ekspanzijskega ventila

ločen z membrano. Termoelement je s kapilaro povezan s tipalom, ki je polnjeno z balastom,

ki se s spremembo temperature krči ali širi in tako neposredno ustvarja manjši ali večji tlak na

membrano, pripira ali pa odpira ventil (šobo ventila) in na tak način krmili pretok – količino

hladilnega sredstva skozi ventil ter uravnava pregrevanje sesalnih par. Osnovna naloga

ekspanzijskega ventila pa je znižanje tlaka tekočemu hladilnemu sredstvu, kar povzroči

uparjanje in odvzemanje toplote mediju, s katerim pride v stik. V našem primeru se odločimo

za termoekspanzijski ventil znamke Alco Controls. Znamka Alco sodi v korporacijo Emerson,

zato imamo možnost izbire ventila s programom Copeland Select.

Podatki za izbor ekspanzijskega ventila so podobni kot za izbor kompresorja za višjo

kondenzacijo 60 °C: hladilna moč (53,60 kW), temperatura uparjanja (3 °C), temperatura

kondenzacije (60 °C), podhladitev (2 K). Kot tip ekspanzijskega ventila izberemo - odkljukamo

T (ročna izbira).

Slika 5.20 Izbor ekspanzijskega ventila [6]


49

Izbran ekspanzijski ventil je: Alco TJRE-13MW s cevnimi priključki (vstop–izstop 22 mm).

Šoba ekspanzijskega ventila: X11873-B5B.

Slika 5.21 Podatki o termoelementu ekspanzijskega ventila [6]

5.7 Dimenzioniranje – izbira tekočinske posode

Iz prospektov različnih proizvajalcev je možno pridobiti priporočila za določitev velikosti

tekočinske posode. Sicer pa določamo velikosti posod glede na količino hladilnega sredstva v

sistemu. Pomembno je, da ima tekočinska posoda takšen volumen, da lahko prevzame celotno

količino hladilnega sredstva, kar pa v praksi odgovarja približno 1,5-kratniku volumna

uparjalnika. Za naš primer hladilnega sistema imamo podatek o volumnu uparjalnika, ki znaša

11,8 l. Da zadevo poenostavimo, bomo za izračun volumna uporabili zaokroženo vrednost (12

x 1,5 = 18 l).

Izberemo posodo z volumnom 25 l proizvajalca Onda RL-V-25.

Slika 5.22 Skica izbrane tekočinske posode Onda


50

Slika 5.23 Osnovni podatki izbrane tekočinske posode Onda

5.8 Določitev količine hladilnega sredstva

Pri pregledu dokumentacije o hladilnih sistemih, ki nam je na razpolago, nikjer ni bilo zaznati

točnih navodil, kako določiti količino hladilnega sredstva za hladilni sistem. Glede na

dosedanje izkušnje in izračun določimo naslendje-:

- 30 % prostornine tekočinske posode,

25 l x 0,3 = (7,5 l)

- prostornina tekočinske cevi (od kondenzatorja do ekspanzijskega ventila) dimenzije

18x1x2 m = (0,4 l),

Slika 5.24 Določitev volumna tekočinske cevi s programom ConSoft MultiCalc [9]

- prostornina cevi od ekspanzijskega ventila do uparjalnika dimenzije 22x1x0,8 = m (0,25

l),

- 15 % prostornine uparjalnika, celoten volumen 11,8 l

11,8 x 0,15 = (1,77 l),

- 2 % od preostalih 85 % volumna uparjalnika (ker gre za pare), celoten volumen 11,8 l

(11,8 x 0,85 x 0,02 = (0,2006 l),

- 2 % volumna (ker gre za pare) od sesalne cevi dimenzije 42x1,5x1,9 m


51

2,27 x 0,02 = (0,0454 l),

- 2 % volumna (ker gre za pare) od tlačne cevi dimenzije 28x1,5x2 m

0,98 x 0,02 = (0,0196 l),

- 15 % volumna kondenzatorja, celoten volumen 7,3 l

7,3 x 0,15 = (1,095 l),

- 2 % od preostalih 85 % volumna kondenzatorja (ker gre za pare), celoten volumen 7,3

l

7,3 x 0,85 x 0,02= (0,1241 L),

Končni izračun količine hladilnega sredstva:

Tabela 5.1 Količine hladilnega sredstva po posameznih elementih

Element Skupni

volumen [L] Delež

[%] Računska

količina [L]

tekočinska posoda 25 30 7,5

cev-tekočinska 0,4 100 0,4

cev ekspanzijski-uparjalnik 0,25 100 0,25

uparjalnik 11,8 15 1,77

uparjalnik (para) 10,03 2 0,2006

cev-sesalna (para) 2,27 2 0,0454

cev-tlačna (para) 0,98 2 0,0196

kondenzator 7,3 15 1,095

Kondenzator (para) 6,2 2 0,1241

∑ / / 11,5

Skupna računska količina hladilnega sredstva R 134a je 11,5 l. Glede na to, da imamo na

volumnu tekočinske posode še kar nekaj rezerve, bomo to količino zaokrožili na 14 l.

Gostota hladilnega sredstva R 134a je 1,21 kg/l, če našo računsko količino izraženo v [l]

pretvorimo v [kg], saj je tako lažje kontrolirati količino polnjenja, dobimo skupno maso

polnjenja 14 x 1,21= 16,94 kg in če vrednost zaokrožimo pomeni, da bo naša količina polnjenja

hladilnega sredstva R 134a 17 kg.


52

5.9 Popis materiala za izvedbo hladilnega sistema

Tabela 5.2 Popis materiala – hladilni sistem

Elementi označeni z * se izberejo na podlagi načina in tipa regulacije

Zap. Št. naziv materiala Oznaka materiala Proizvajalec-

dobaviteljŠt. kos/m

1 kompresor ZR 380KCE-TWD Copeland 12 rotalock adapter 35mm/1-3/4" Emerson 13 rotalock ventil 1-3/4" - 28mm Emerson 14 antivibracijska cev 28mm Emerson 15 omejevalnik visokega tlaka * * 16 prikazovalnik visokega tlaka * * 17 magnetni ventil EVR 8 mm Danfoss 18 polnilni ventil 3/8 SAE A-40720 Refco 79 kondenzator 3 B25THx130/1P Swep 1

10 uparjalnik V200THx100/1P Swep 111 rotalock ventil 1-1/4" - 18mm Emerson 112 tekočinska posoda RL - V - 25 Onda 113 varnostni ventil 3030/44C Castel 114 rotalock ventil 1-1/4" - 18mm Emerson 115 magnetni ventil EVR 18 mm Danfoss 116 ohišje dehidratorja 487T Alco - Emerson 117 vložek dehidratorja H48 Alco - Emerson 118 kontrolno okence AMI - 1 TT5 Alco - Emerson 119 prirobnica ekspan. Ventila DL 22x22 Alco - Emerson 120 ekspanzijski ventil TJRE 13 MW Alco - Emerson 121 šoba ekspan. Ventila X11873 - B4B/B5B Alco - Emerson 122 omejevalnik nizkega tlaka * * 123 prikazovalnik nizkega tlaka * * 124 antivibracijska cev 42mm Emerson 125 rotalock ventil 2-1/4" - 42mm Emerson 126 rotalock adapter 42mm/2-1/4" Emerson 127 CU cev 8x1 Wieland 0,7528 CU cev 18x1 Wieland 229 CU cev 22x1 Wieland 130 CU cev 28x1,5 Wieland 231 CU cev 42x1,5 Wieland 232 CU lok enojni 90° F 18 IBP 433 CU lok enojni 90° F 22 IBP 134 CU lok enojni 90° F 28 IBP 535 CU lok enojni 90° F 42 IBP 336 CU lok dvojni 90° F 18 IBP 537 CU lok dvojni 90° F 22 IBP 138 CU lok dvojni 90° F 28 IBP 439 CU lok dvojni 90° F 42 IBP 340 CU R kos 18-22 IBP 141 CU R kos 18-28 IBP 142 Izolacija 18-13 Mobius 2,543 Izolacija 22-13 Mobius 144 Izolacija 28-13 Mobius 2,545 Izolacija 42-13 Mobius 2,5


53

Slika 5.25 3D risba hladilnega stroja/1


54

Slika 5.26 3D risba hladilnega stroja/2

3D izris hladilnega stroja je narejen s pomočjo programskega orodja SolidWorks Composer.

Na 3D izrisu hladilnega stroja so natančno pozicionirani elementi v smislu funkcionalnosti, npr.

kondenzator je montiran višje, da se kondenzirano oziroma tekoče hladilno sredstvo izteka v

tekočinsko posodo, tako se v sistemu izognemo dodatnemu uporu. Navpično postavljeno

ohišje dehidratorja je zato, da v njem ne prihaja do zaostajanja olja. Pomembno je tudi

pozicioniranje in montaža antivibracijskih cevi, ki jih je v našem primeru zaradi vgradnje scrool

kompresorja potrebno montirati vertikalno, saj se vibracije s strani kompresorja pojavljajo v

horizontalni smeri.

Kot poseben blok je narejen blok z obema rekuperatorjema z namenom, da se ju lahko

pozicionira ločeno v primeru pomanjkanja prostora v energetskem prostoru.


55

5.10 Izračun COP

Izračun COP nam pri hladilnih sistemih pove kako učinkovit je sistem glede na vloženo

električno energijo za pogon kompresorja.

Naš hladilni sistem bo obratoval v dveh režimih priprave hladne vode. Režima se razlikujeta v

temperaturi kondenzacije.

- Izračunan COP s programom Copeland Select za temperaturo kondenzacije 60 °C je

2,18.

- Izračunan COP s programom Copeland Select za temperaturo kondenzacije 45 °C je

3,58.

Ker pa hladilni sistem v našem primeru ni klasični hladilni stroj, ampak deluje kot priprava

hladne vode z rekuperacijo kondenzacijske toplote zato lahko hladilni stroj v tem primeru

poimenujemo toplotna črpalka oziroma hibridni hladilni stroj. COP izračunamo na podlagi

pridobljene hladilne in toplotne energije pri višji in nižji temperaturi kondenzacije.

5.10.1 Izračun COP pri rekuperaciji kondenzacijske toplote v namene ogrevanja STV

Podatki za izračun COP:

- potrebna električna moč kompresorja: 20,30 kW,

- pridobljena moč hlajenja: 44,10 kW,

- pridobljena moč gretja: 63,40 kW.

Izračun:

𝑃𝑠 = 𝑃ℎ𝑙+𝑃𝑔𝑟=44,10+63,40=107,50 kW

COP= 𝑠𝑘𝑢𝑝𝑛𝑎 𝑚𝑜č (ℎ𝑙𝑎𝑗𝑒𝑛𝑗𝑒+𝑔𝑟𝑒𝑡𝑗𝑒)


𝑃𝑠

𝑃=

107,50

20,30=5,29

COP pri temp. kondenzacije 60 °C je 5,29.

Izračunana vrednost COP je razmeroma visoka, in sicer zato ker je v tem primeru koristno

uporabljena tako toplotna energija kot energija za hlajenje. Vrednost COP je teoretična

vrednost, dejanska se določa v laboratorijih.


56

5.10.2 Izračun COP pri rekuperaciji kondenzacijske toplote in odvod topote v

okolico preko suhega hladilnika

V primeru, ko kondenzacijsko toploto preko suhega hladilnika odvajamo v okolico, imamo

slabši COP, ravno na osnovi tega pa smo v tem primeru dimenzionirali hladilni sistem in

rekuperator na ta način, da znižamo temperaturo kondenzacije, saj nam razmere pri odvodu

toplote v kombinaciji s suhim hladilnikom to dopuščajo.

Podatki za izračun COP:

- potrebna električna moč kompresorja: 14,95 kW,

- pridobljena moč hlajenja: 53,60 kW,

Izračun:

𝑃ℎ𝑙 =53,60 kW

COP= 𝑚𝑜č ℎ𝑙𝑎𝑗𝑒𝑛𝑗𝑎


𝑃ℎ𝑙

𝑃=

53,60

14,95=3,58

COP pri temperaturi kondenzacije 45°C je 3,58

Za primerjavo pa lahko zapišemo kolikšen bi bil COP v primeru, da ne bi znižali temperature

kondenzacije (60 °C), na osnovi tega bi hladilni stroj deloval na nižji hladilni moči (44,10 kW)

in nižjem COP:

- COP pri temperaturi kondenzacije 60 °C je 2,18.


57

6 DIMENZIONIRANJE CEVNIH POVEZAV ZA ODVOD

KONDENZACIJSKE TOPLOTE

6.1 Dimenzioniranje cevne povezave med kondenzatorjem in

rekuperatorjema

Podatki za dimenzioniranje:

- medij za prenos toplotne energije: voda,

- temperatura dovoda: 44 °C,

- temperatura povratka: 39 °C,

- toplotna moč: 68,20 kW ,

- skupna dolžina cevi dovod-povratek: 6 m,

- skupno število kolen: 4 kosi,

- padec tlaka na strani kondenzatorja: 5,82 kPa,

- padec tlaka na strani rekuperatorja–suhi hladilnik: 14,6 kPa ( rekuperator STV 4,54

kPa).

Podatke vnesemo v program Consoft MultiCalc in program ponudi izbiro cevi z ustreznim

tlačnim padcem ter izračuna skupni padec tlaka, ki ga potrebujemo kot osnovni podatek za

izbiro črpalke.

Slika 6.1 Izračun tlačnega padca za cevne povezave [9]


58

Izračunan tlačni padec cevne povezave je 2,538 kPa, h kateremu pa prištejemo še tlačne padce

toplotnih izmenjevalnikov in dobimo:

∑ padec tlaka=2,538+14,6+5,82=22,958 kPa → 2,3 m tlačnega padca.

6.2 Dimenzioniranje obtočne črpalke Č1

Podatki za izbiro črpalke:

- medij za prenos toplotne energije: voda,

- pretok: 11,841 m3/h,

- skupni tlačni padec: 2,3 m,

- temperatura medija: 60 °C.

Podatke vnesemo v program Wilo Select (dostopen preko spleta).Program izbere črpalko Wilo

Stratos 65/1-6.

Slika 6.2 Graf obratovalne točke črpalke Wilo Stratos 65/1-6 [10]


59

6.3 Izbira tropotnih preklopnih ventilov

Zahteva za izbiro tropotnih preklopnih ventilov:

- dimenzija cevi DN 65,

- T izvedba.

Izbran je ventil Belimo R3050-BL4, DN 50 Kvs 75, L izvedba. Glede na zahtevo smo izbrali

povsem drugi preklopni ventil,predvsem zaradi boljše tesnosti L izvedbe in eno dimenzijo

manjšega, DN 50 namesto DN 65, ker ima L izvedba veliko manjši upor kot T izvedba (T izvedba

63 Kvs, L izvedba 75 Kvs). Za dovod in povratek potrebujemo 2 kosa preklopnih ventilov.

6.4 Dimenzioniranje suhega hladilnika

Podatki za dimenzioniranje suhega hladilnika:

- medij za prenos toplotne energije: mešanica vode in 34 % etilen – glikol,



- temperatura okolice: 32 °C,

- toplotna moč: 68,20 kW.

Izberemo suhi hladilnik podjetja Güntner, ki je na področju energetskih elementov zelo

priznano . Zbir podatkov za dimenzioniranje suhega hladilnika pošljemo na inženiring podjetja

Güntner, ki znajo svetovati in izbrati ustrezni suhi hladilnik.

V našem primeru je bil določen suhi hladilnik Güntner GFHV FD 080.1QF/13E-32, (zbir vseh

podatkov izbranega suhega hladilnika podan kot priloga diplomske naloge).


60

6.5 Dimenzioniranje cevne povezave med kondenzatorjem in suhim

hladilnikom

Podatki za dimenzioniranje:




- toplotna moč: 68,20 kW,

- skupna dolžina cevi dovod-povratek: 60m,

- skupno število kolen: 8 kosov,

- padec tlaka na strani rekuperatorja: 18,4 kPa,

- padec tlaka na strani suhega hladilnika; 44,0 kPa.

Na podlagi vnešenih podatkov v program Consoft MultiCalc nam le-ta ponudi izbiro cevi z

ustreznim tlačnim padcem ter izračuna skupni padec tlaka, ki je potreben kot osnovni podatek

za izbiro črpalke.

Slika 6.3 Izračun tlačnega padca za cevne povezave [9]

Izračunan tlačni padec cevne povezave je 9,351 kPa, h kateremu pa prištejemo še tlačne padce

toplotnih izmenjevalnikov in dobimo:

∑ padec tlaka=9,351+18,4+44,0=71,751 kPa → 7,2 m tlačnega padca.


61

6.6 Dimenzioniranje obtočne črpalke Č2

Podatki za izbiro črpalke:


- pretok: 11,841 m3/h,

- skupni tlačni padec: 7,2 m,

- temperatura medija: 45°C.

Podatke vnesemo v program Wilo select (dostopen preko spleta), ki izbere črpalko Wilo

Stratos 65/1-9 PN 6/10.

Slika 6.4 Graf obratovalne točke črpalke Wilo Stratos 65/1-9 PN 6/10 [10]


62

7 REZULTATI

V diplomski nalogi je poudarek na dimenzioniranju hladilnega sistema za hladilni stroj, ki nam

prioritetno služi za pripravo hladne vode, katera se uporablja za hlajenje aparata za magnetno

resonanco, znamke Toschiba. Vir hladilne energije mora biti na razpolago tako v letnem kot

zimskem času.

Ob snovanju hladilnega stroja se je pojavilo vprašanje, kam in na kak način odvesti

kondenzacijsko toploto. Porodila se je ideja, da bi se kondenzacijska toplota lahko koristno

uporabila za ogrevanje STV (možnost tudi za drugo ogrevanje, npr. same stavbe). Osnovna

zahteva je neprekinjena priprava hladne vode, ne glede na potrebo po kondenzacijski toploti

(npr. če upade potreba po ogrevanju STV), se kot drugi način odvoda kondenzacijske toplote

uporablja suhi hladilnik.

Suhi hladilnik zato pride v poštev samo v primeru, ko ni druge potrebe po toplotni energiji. Pri

dimenzioniranju suhega hladilnika imamo možnost delovanja z nižjo temperaturo

kondenzacije, kot npr. ko grejemo STV. Razlog za takšno odločitev je pridobitev na grelnem

številu hladilnega sistema, ki pa je teoretično za 61 % večji v primerjavi s stalnim delovanjem

hladilnega sistema s temperaturo kondenzacije kot pri ogrevanju STV.

V diplomski nalogi se nismo dotaknili našega hladilnega stroja v smislu regulacije. Za regulacijo

hladilnih strojev – toplotnih črpalk imamo danes na tržišču predpripravljene regulatorje. Lahko

pa se odločimo tudi za za prosto programabilne regulatorje.

Zasnovan hladilni sistem ni klasični hladilni stroj, saj je v koristne namene uporabljena tudi

kondenzacijska toplota, zato v našem primeru lahko govorimo o toplotni črpalki oz. hibridnem

hladilnem stroju.


63

SEZNAM UPORABLJENIH VIROV

[1] I. Tiator in M. Schenker, Waermepumpen waermepumpenanlagen, Wuerzburg: Vogel

Buchverlag, 2007.

[2] B. Grobovšek, Praktična uporaba toplotnih črpalk, Ljubljana: Energetika marketing,

2009.

[3] M. Marčič in J. Avsec, Hladilna tehnika, Maribor: FakultetA za strojništvo, 2001.

[4] „Katalog artikolov Empor,“ [Elektronski]. Dostopanje:

http://www.empor.si/katalog.html. [Poskus dostopa 23 04 2016].

[5] „TraxOil,“ [Elektronski]. Dostopanje:

http://www.emersonclimate.com/europe/Documents/Products/Controls/DMC149_Trax

Oil_OM4_EN_1209.pdf. [Poskus dostopa 09 04 2016].

[6] „Progrmsko orodje Copeland select 7,“ [Elektronski]. Dostopanje:

http://www.emersonclimate.com/europe/en-

eu/resources/software_tools/pages/product_selection_software.aspx. [Poskus dostopa

15 04 2016].

[7] „Programsko orodje SWEP SSP G7,“ [Elektronski]. Dostopanje:

http://www.swep.net/support/ssp-calculation-software/ssp-g7/. [Poskus dostopa 20 04

2016].

[8] „Programsko orodje Solkane Refrigerants,“ [Elektronski]. Dostopanje:

http://solkane-refrigerants.software.informer.com/8.0/. [Poskus dostopa 15 04 2016].

[9] „Programsko orodje Con soft multi calculate,“ [Elektronski]. Dostopanje:

http://www.consoft.de/Downloads.aspx. [Poskus dostopa 21 04 2016].

[10] „Programsko orodje Wilo select,“ [Elektronski]. Dostopanje:

https://www.wilo-select.com/StartMain.aspx. [Poskus dostopa 23 04 2016].


64

Priloge:

- podatki izbranega izmenjevalnika - uparjalnika SWEP (priloga: 1/1)

- podatki izbranega izmenjevalnika - kondenzatorja SWEP (priloga: 1/2)

- podatki izbranega izmenjevalnika - rekuperatorja - STV SWEP (priloga: 1/3)

- podatki izbranega izmenjevalnika - rekuperatorja - suhi hladilnik SWEP (priloga: 1/4)

- Log p-h diagram za hladilni sistem (priloga: 1/5)

- Log p-h diagram za hladilni sistem z podhlajevalnikom (priloga: 1/6)

- Izračun-izbira suhega hladilnika Güntner (priloga: 1/7)


65

Priloga 1/1: podatki uparjalnika

SSP G7

(v 7.0.3.52)

Evaporator - Design

Heat Exchanger : V200THx100/1P

Fluid Side 1 : R134a Fluid Side 2 : Water Flow Type : Counter-Current SSP Alias : V200T DUTY REQUIREMENTS Side 1 Side 2 Heat load kW 53,60 Inlet vapor quality 0,289 Outlet vapor quality 1,000 Inlet temperature °C 4,39 12,00

Evaporation temperature (dew) °C 3,87 Superheating K 7,00 Outlet temperature °C 10,87 6,00

Flow rate kg/s 0,3581 2,066

- inlet vapor kg/s 0,1033 Fluid vaporized kg/s 0,2547 Max. pressure drop kPa 20,0 20,0

PLATE HEAT EXCHANGER Side 1 Side 2 Total heat transfer area m² 12,6 Heat flux kW/m² 4,11 Mean temperature difference K 4,65 H.T.C. (available/required) W/m²,°C 885/885 Pressure drop -total* kPa 7,07 3,56

- in ports kPa -0,148 0,418

Pressure drop in fluid distribution kPa 17,9 - 23,8 Operating pressure - outlet kPa 336 Number of channels 49 50

Number of plates 100 Oversurfacing % 0 Fouling factor m²,°C/kW 0,000 Port diameter mm 60,0/34,0

(up/down) 53,0/53,0

(up/down) Recommended inlet connection diameter mm From 17,3 to 27,4 Recommended outlet connection diameter mm From 33,6 to 75,2 Reynolds number 257,1

Outlet port velocity m/s 7,92 0,937


66

SSP G7

(v 7.0.3.52)

PHYSICAL PROPERTIES Side 1 Side 2 Reference temperature °C 4,14 8,87

Liquid - Dynamic viscosity cP 0,252 1,35

- Density kg/m³ 1281 999,8

- Heat capacity kJ/kg,°C 1,353 4,195

- Thermal conductivity W/m,°C 0,09017 0,5779

Vapor - Dynamic viscosity cP 0,0110 - Density kg/m³ 16,14 - Heat capacity kJ/kg,°C 0,8590 - Thermal conductivity W/m,°C 0,01169 - Latent heat kJ/kg 195,4 Film coefficient W/m²,°C 3450 4230

Minimum wall temperature °C 5,36 5,40

Channel velocity m/s 0,960 0,0868

Totals Side 1 Side 2 Total weight (no connections) kg 51,5 - 62,6 Hold-up volume, inner circuit dm³ 11,8 Hold-up volume, outer circuit dm³ 12,1 PortSize F1/P1 mm 60,0 PortSize F2/P2 mm 53,0 PortSize F3/P3 mm 34,0 PortSize F4/P4 mm 53,0 NND F1/P1 mm 65,0 NND F2/P2 mm 58,0 NND F3/P3 mm 42,0 NND F4/P4 mm 58,0 Carbon Footprint kg 383

DIMENSIONS

A mm 525 +/-2 B mm 243 +/-1 C mm 448,50 +/-1 D mm 163,50 +/-1 E mm 54 to 54 (opt. 27) +/-1 F mm 239,00 to 251,00 +2%/-

1,5% G mm 0,0 to 4 +/-1 H mm 450 +/-1 I mm 171 +/-1 J mm 4,50 K mm 42 N mm 37,50 R mm 35


67

Priloga 1/2: podatki kondenzatorja

SSP G7

(v 7.0.3.52)

Condenser Heat Pump - Design

Heat Exchanger : 3 B25THx130/1P Fluid Side 1 : R134a Fluid Side 2 : Water

Flow Type : Counter-Current SSP Alias : B25T-NHP DUTY REQUIREMENTS Side 1 Side 2 Heat load kW 68,20 Inlet temperature °C 71,21 39,00

Condensation temperature (dew) °C 45,00 Subcooling K 2,00 Outlet temperature °C 43,01 44,00


Fluid condensed kg/s 0,3613 Max. pressure drop kPa 20,0 20,0

PLATE HEAT EXCHANGER Side 1 Side 2 Total heat transfer area m² 24,2 Heat flux kW/m² 2,82 Mean temperature difference K 3,47 O.H.T.C. (available/required) W/m²,°C 1080/813 Pressure drop -total* kPa -0,400 5,82

- in ports kPa -0,296 2,94

Operating pressure - outlet kPa 1160 Number of channels 64 65

Number of plates 130 Oversurfacing % 33 Fouling factor m²,°C/kW 0,304 Port diameter mm 24,0/24,0

(up/down) 24,0/24,0

(up/down) Recommended inlet connection diameter mm From 3,54 to 7,91 Recommended outlet connection diameter mm From 1,23 to 3,89 Reynolds number 466,2

Inlet port velocity m/s 4,89 2,43


68

SSP G7

(v 7.0.3.52)


Liquid - Dynamic viscosity cP 0,161 0,636

- Density kg/m³ 1126 991,7

- Heat capacity kJ/kg,°C 1,522 4,179

- Thermal conductivity W/m,°C 0,07257 0,6327

Vapor - Dynamic viscosity cP 0,0126 - Density kg/m³ 54,47 - Heat capacity kJ/kg,°C 1,070 - Thermal conductivity W/m,°C 0,01496 - Latent heat kJ/kg 157,5 Film coefficient W/m²,°C 1610 6220

Minimum wall temperature °C 45,26 45,15


Totals Side 1 Side 2 Total weight (no connections) kg 75,6 - 75,6 Hold-up volume, inner circuit dm³ 7,10 - 7,30 Hold-up volume, outer circuit dm³ 7,22 - 7,41 PortSize F1/P1 mm 24,0 PortSize F2/P2 mm 24,0 PortSize F3/P3 mm 24,0 PortSize F4/P4 mm 24,0 NND F1/P1 mm 27,0 and/or 18,0 NND F2/P2 mm 18,0 and/or 27,0 NND F3/P3 mm 27,0 and/or 18,0 NND F4/P4 mm 18,0 and/or 27,0 Carbon Footprint kg 531

DIMENSIONS

A mm 524 to 566 +/-2 B mm 117 to 159 +/-1 C mm 479 +/-1 D mm 72 +/-1 E mm 20 to 54 (opt. 45) +/-1 F mm 293,20 to 363,60 +/-3% G mm 0,0 to 7 +/-1 R mm 22 to 23


69

Priloga 1/3: podatki rekuperator STV

SSP G7

(v 7.0.3.52)

Single Phase - Design

Heat Exchanger : 2 B35TH0x157/2P

Fluid Side 1 : Water Fluid Side 2 : Water Flow Type : Counter-Current SSP Alias : B35TH0 DUTY REQUIREMENTS Side 1 Side 2 Heat load kW 58,50 Inlet temperature °C 59,00 53,00

Outlet temperature °C 54,00 58,00


Max. pressure drop kPa 20,0 20,0

Thermal length 5,000 5,000

PLATE HEAT EXCHANGER Side 1 Side 2 Total heat transfer area m² 29,1 Heat flux kW/m² 2,01 Mean temperature difference K 1,00 O.H.T.C. (available/required) W/m²,°C 2670/2010 Pressure drop -total* kPa 4,54 4,54

- in ports kPa 0,493 0,493

Port diameter mm 42,0/42,0 (up/down)

42,0/42,0 (up/down)

Number of channels 39 39

Number of plates 157 Oversurfacing % 33 Fouling factor m²,°C/kW 0,122 Reynolds number 611,7 602,2

Port velocity m/s 1,02 1,02


Dynamic viscosity cP 0,493 0,500

Dynamic viscosity - wall cP 0,496 0,497

Density kg/m³ 985,0 985,5

Heat capacity kJ/kg,°C 4,184 4,183

Thermal conductivity W/m,°C 0,6508 0,6498

Largest Wall Temperature Difference K 0,05 Min. fluid temperature at wall °C 53,53 53,47

Max. fluid temperature at wall °C 58,53 58,47

Film coefficient W/m²,°C 5640 5620

Average wall temperature °C 56,02 55,98


Shear stress Pa 6,25 6,25


70

SSP G7

(v 7.0.3.52)

Totals Side 1 Side 2 Total weight empty kg 94,9 - 112 Total weight filled kg 123 - 140 Hold-up volume, inner circuit dm³ 14,0 Hold-up volume, outer circuit dm³ 14,0 PortSize F1/P1 mm 42,0 PortSize F2/P2 mm 42,0 PortSize F3/P3 mm 42,0 PortSize F4/P4 mm 42,0 NND F1/P1 mm 42,0 NND F2/P2 mm 42,0 NND F3/P3 mm 42,0 NND F4/P4 mm 42,0 Carbon Footprint kg 667

DIMENSIONS

A mm 393 +/-2 B mm 243 +/-1 C mm 324 +/-1 D mm 174 +/-1 E mm 27 (opt. 54) +/-1 F mm 364,80 to 376,80 +/-2% G mm 0,0 to 4 +/-1 R mm 35


71

Priloga 1/4: podatki rekuperator suhi hladilnik

SSP G7

(v 7.0.3.52)

Single Phase - Design

Heat Exchanger : 4 B25THx129/2P

Fluid Side 1 : Water Fluid Side 2 : Ethylene Glycol - Water (30,0 %) Flow Type : Counter-Current SSP Alias : B25T DUTY REQUIREMENTS Side 1 Side 2 Heat load kW 68,20 Inlet temperature °C 44,00 38,00

Outlet temperature °C 39,00 43,00


Max. pressure drop kPa 20,0 20,0

Thermal length 5,000 5,000

PLATE HEAT EXCHANGER Side 1 Side 2 Total heat transfer area m² 32,0 Heat flux kW/m² 2,13 Mean temperature difference K 1,00 O.H.T.C. (available/required) W/m²,°C 3170/2130 Pressure drop -total* kPa 14,6 18,4

- in ports kPa 1,56 1,90

Port diameter mm 24,0/24,0 (up/down)

24,0/24,0 (up/down)

Number of channels 32 32

Number of plates 129 Oversurfacing % 49 Fouling factor m²,°C/kW 0,152 Reynolds number 710,2 387,8

Port velocity m/s 1,82 1,96


Dynamic viscosity cP 0,636 1,31

Dynamic viscosity - wall cP 0,640 1,30

Density kg/m³ 991,7 1038

Heat capacity kJ/kg,°C 4,179 3,707

Thermal conductivity W/m,°C 0,6327 0,4735

Largest Wall Temperature Difference K 0,06 Min. fluid temperature at wall °C 38,62 38,56

Max. fluid temperature at wall °C 43,62 43,56

Film coefficient W/m²,°C 8320 5720

Average wall temperature °C 41,11 41,06


Shear stress Pa 13,6 17,2


72

SSP G7

(v 7.0.3.52)

Totals Side 1 Side 2 Total weight empty kg 100 Total weight filled kg 114 Hold-up volume, inner circuit dm³ 7,10 Hold-up volume, outer circuit dm³ 7,10 PortSize F1/P1 mm 24,0 PortSize F2/P2 mm 24,0 PortSize F3/P3 mm 24,0 PortSize F4/P4 mm 24,0 NND F1/P1 mm 27,0 and/or 18,0 NND F2/P2 mm 18,0 and/or 27,0 NND F3/P3 mm 27,0 and/or 18,0 NND F4/P4 mm 18,0 and/or 27,0 Carbon Footprint kg 703

DIMENSIONS

A mm 526 +/-2 B mm 119 +/-1 C mm 479 +/-1 D mm 72 +/-1 E mm 20 (opt. 45) +/-1 F mm 293,00 to 303,30 +/-3% G mm 6 +/-1 R mm 23


73

Priloga 1/5: Log p-h diagram izračunanega sistema


74

Priloga 1/6: Log p-h diagram primer z podhlajevalnikom


75

Priloga 1/7: podatki suhi hladilnik

Date: 2016-04-25

Enquiry dated:

Project:

Quotation-no.:

Item:

Reference:

Drycooler GFHV FD 080.1QF/13E-32

Capacity: 68.0 kW Medium: Ethylene glycol 34 Vol. %(1)

Surface reserve: 10.6 % Inlet: 43.0 °C

Air flow: 27647 m³/h Outlet: 38.0 °C

Air velocity: 0.8 m/s

Air inlet: 32.0 °C Pressure drop: 0.44 bar

Altitude: 220 m Volume flow: 12.65 m³/h

Air outlet: 39.6 °C

Heat transf. coeff.: 18.66 W/(m²·K) Mass flow: 13269 kg/h

Fans (EC): (VT03062U.1) 3 Piece(s) 1~230V 50-60Hz Noise pressure level: 32 dB(A)(2)

Data per motor (nominal data): at a distance of: 10.0 m

Speed: 440 min-1 Noise power level: 64 dB(A)

Capacity (el.): 0.17 kW ErP: Compliant(3)

Current: 0.80 A(4)

Total el. power consumption: 0.38 kW Energy efficiency class: A+ (2014)

Casing: Galv. Steel, RAL 7035 Tubes: Copper(5)

Surface: 902.1 m² Fins: Aluminum(5)

Tube volume: 61.9 l Connections per unit:

Fin spacing: 2.10 mm Inlet: 54.0 * 2.00 mm

Dry weight: 771 kg(6) Outlet: 54.0 * 2.00 mm

Max. operating pressure: 10.0 bar PED classification: Art. 3, par. 3(7)

Passes: 4

Dimensions:(6)

Length: 4440 mm Outlet header: 54.0 * 2.00 mm

Width: 2241 mm Inlet header: 54.0 * 2.00 mm

Height: 1396 mm(6) Circuits: 1N

No. of legs: 4 Distributions: 44

UI: 538.0MP2.2AN.06G.000F.M

List price excl. VAT: Piece(s) Price per unit Total price

Unit price 1

Total (List price without VAT, incl. packaging)

Terms of delivery:

Payment cond.:

Delivery time: 5 weeks(8) (Status: 2016-04-21)

Validity:

Our general terms of sales and delivery apply!


76

GFHV FD 080.1QF/13E-32 Project:

Quotation-no.:

Item:

Reference:

File: EMF\FlatVario_1x3_04f_UNI.emf

L = 4440 mm W = 2241 mm H = 1396 mm

H1 = 600 mm L1 = 4100 mm L2 = 197 mm

L3 = 52 mm P = 150 mm W1 = 2137 mm W2 = 52 mm D = 17 mm

Attention: Drawing and dimensions not valid for all accessory options!

Important remarks / explanatory notes:

(1) Fluid group 2 according to pressure equipment directive 2014/68/EU and directive 67/548/EWG

(2) According to the enveloping surface method defined in EN 13487; Eurovent tolerance = +2 dB(A). Applies only for AC fans,AC fans with sine control and EC fans. Noise caused by other control methods, water spraying systems or sound reflexionsoccurring at the installation site are not taken into account and may result in an increased sound pressure level.

(3) This unit is equipped with fans that meet the efficiency requirements of Directive 2009/125/EC (ErP Directive).

(4) The current consumption can differ in dependance of the air temperature and of the variations of system voltage accordingto the VDE guidance.

(5) The unit may not be suitable for very corrosive atmospheres (close to shores, in smoke rooms, etc.). For further informationsee program menu "?", "Material recommendations brochure", or ask your sales partner.

(6) Dimensions and weights are not valid for all possible options! They may differ for units with accessories or special units (S-...).

(7) Piping (DN = 50.0 mm, TSmax = 100 °C, liquid). Final classification according to pressure equipment directive 97/23/ECduring order processing.

(8) Delivery time for standard units ex works, i.e. without transport time. Times for units with customised drawing, special units,special accessories or larger quantities on request.

H1

H

L

W1

W

D

L1 W2

P

L3 L2

P