Model obliczeniowy dynamiki zamrażarki komorowej do badań wyrobów z betonu, ze sprężarkowym urządzeniem chłodniczym i nagrzewnicą elektryczną, służy do poszukiwania optymalnego sterowania.

Rys. 1. Schemat zamrażarki do badań mrozoodporności – podział na podukłady

W pracy [1] przedstawiono problem optymalizacji przebiegu temperatury powietrza owiewającego próbkę badanego na mrozoodporność betonu. Cechą charakterystyczną tego rodzaju badania jest wielokrotne poddawanie próbki naprzemiennym zmianom temperatury powietrza od +20 do -20°C, zgodnie z odpowiednimi wymaganiami normatywnymi [5]. Praktyczna realizacja badań odbywa się w odpowiednio do tego celu zaprojektowanych komorach, wyposażonych zarówno w urządzenia chłodnicze, jak i grzewcze. Umożliwiają one swobodne programowanie wymaganych zmian temperatury w czasie [7, 8].
Artykuł ten jest rozwinięciem pracy [1] i podejmuje temat poszukiwania minimum energii do napędu urządzeń z funkcjami chłodzenia i grzania oraz zmienną w czasie wydajnością. Konieczność projektowania wyrobów, których produkcja i eksploatacja ma możliwie mały wpływ na środowisko (w tym także oznaczania ich odpowiednią klasą efektywności energetycznej), wydaje się dzisiaj oczywista. W Unii Europejskiej wydano w tej sprawie odpowiednie akty prawne (np. [9, 10]). Wszelkiego rodzaju komory testowe trudno zaliczyć wprawdzie do produktów mających znaczny wpływ na globalne zapotrzebowanie na energię, ale również w odniesieniu do nich powinny być stosowane metody optymalnego projektowania i eksploatacji.

Symulacja numeryczna działania komory do badań mrozoodporności w warunkach nieustalonych
W celu zbadania możliwości zmniejszenia zapotrzebowania na energię napędową przez odpowiednie sterowanie wydajnością urządzeń, przy cyklicznych zmianach temperatury w komorze testowej określonej konstrukcji, zastosowano eksperyment numeryczny.
Schemat modelowanej zamrażarki, wraz z badanymi próbkami betonu, przedstawia rysunek 1. Obiekt podzielono na piętnaście podukładów o skończonej pojemności cieplnej, przy czym stan każdego z nich określa jednoznacznie temperatura. Podział na poszczególne podukłady jest następujący:
- obudowa komory (blacha zewnętrzna i wewnętrzna, izolacja termiczna podzielona na trzy warstwy),
- powietrze wewnątrz komory,
- parowacz (ścianka wymiennika i czynnik chłodniczy),
- nagrzewnica elektryczna,
- elementy konstrukcyjne wewnątrz komory (półki i ścianka oddzielająca parowacz z nagrzewnicą),
- badana próbka wg [1, 5] (mieszanina zamrażająca, warstwa powietrza, kostka betonowa, arkusz gumowy i izolacja termiczna).

Do obliczenia zmiennych w czasie wartości temperatury poszczególnych podukładów wykorzystano metodę bilansów elementarnych [2]. Model obliczeniowy, w postaci nieliniowego układu równań różniczkowych zwyczajnych, został sformułowany z zastosowaniem równań bilansu dla próbki betonu, przedstawionych w [1] oraz algorytmu obliczeń wydajności urządzenia chłodniczego ze sprężarką wyporową na czynnik R507, opisanego w [2]. (...)

Wyniki obliczeń (...)

Podsumowanie
- Zaproponowany model obliczeniowy można wykorzystać do wyznaczania niezbędnych wydajności urządzeń chłodniczych i grzewczych, stosowanych w termicznych komorach testowych, gdzie programuje się zmienne w czasie temperatury.
- Model może służyć do szybkiej analizy i optymalizacji różnych sposobów sterowania na etapie projektowania urządzenia, gdyż czas obliczeń w stosunku do rzeczywistego procesu jest kilkaset razy krótszy.
- Przeprowadzony eksperyment numeryczny wskazuje, że dla obiektów pracujących z założenia w warunkach nieustalonych istnieje możliwość zmniejszenia łącznej energii do napędu urządzeń, jeśli odpowiednio wykorzysta się rezerwy pochodzące z akumulacji energii w podukładach systemu.
- W analizowanym przykładzie obliczeniowym uzyskano zmniejszenie łącznej energii napędowej o ponad 13 proc. poprzez zastosowanie w pierwszych 16 godzinach cyklu dobowego tylko chłodzenia (ogrzewanie następowało wówczas samoczynnie), a w kolejnych 7 godzinach wyłącznie ogrzewania. Spadek ten spowodowany był przede wszystkim zmniejszeniem energii do ogrzewania powietrza wewnątrz komory.
- Spadkowi zapotrzebowania na energię napędową towarzyszy kilkuprocentowe pogorszenie średniego dobowego współczynnika efektywności energetycznej, wynikające z mniej sprawnej pracy urządzenia chłodniczego. Taki wynik sugeruje możliwość polepszenia efektów, ale wymagałoby to zastosowania bardziej zaawansowanych metod optymalizacji dynamicznej.

LITERATURA
[1] ŻAK M.: Optymalna temperatura powietrza w zamrażarkach do badań mrozoodporności materiałów budowlanych. Chłodnictwo i Klimatyzacja. 12/2010.
[2] ŻAK M., ŻÓŁTANIECKI A.: Symulacja numeryczna działania komory niskich temperatur w warunkach nieustalonych. Chłodnictwo. 7/2010.
[3] Praca zbiorowa pod red. S. J. GDULI: Przewodzenie ciepła. PWN. Warszawa, 1984.
[4] BONCA Z. i in.: Czynniki chłodnicze i nośniki ciepła. Własności cieplne, chemiczne i eksploatacyjne. IPPU MASTA. 1997.
[5] PN-EN 1338:2005 Betonowe kostki brukowe. Wymagania i metody badań.
[6] PN-EN 12524:2003 Materiały i wyroby budowlane. Właściwości cieplno-wilgotnościowe. Tabelaryczne wartości obliczeniowe.
[7] www.memmert.com
[8] www.weiss-gallenkamp.com
[9] Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE z dnia 21 października 2009 r., ustanawiająca ogólne zasady ustalania wymogów dotyczących ekoprojektu dla produktów związanych z energią.
[10] Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/30/UE z dnia 19 maja 2010 r. w sprawie wskazania poprzez etykietowanie oraz standardowe informacje o produkcie, zużycia energii oraz innych zasobów przez produkty związane z energią.

AUTOR:
Marek ŻAK