Celem niniejszego artykułu jest omówienie i zapoznanie inżynierów chłodnictwa z nowymi trendami w rozwoju sprę-żarek chłodniczych, z którymi możemy mieć do czynienia już w niedalekiej przyszłości. Chcę również zwrócić uwagę na te aspekty budowy sprężarek, które pozwolą nam, inżynierom chłodnictwa, projektować optymalne i energooszczędne systemy i układy chłodnicze. Ze względu na ograniczoną objętość, zasady projektowania sprężarek będą pominięte.

Aby sprężyć gaz, trzeba do niego doprowadzić energię zewnętrzną. Część tej energii zamienia się na energię cieplną, która podnosi temperaturę sprężanego gazu. Inna część energii zewnętrznej powoduje sprężanie gazu, podnosząc jego ciśnienie. Ciśnienie gazu można zwiększyć dwoma metodami:
- poprzez zmniejszenie jego objętości (np. sprężarki tłokowe),
- poprzez nadanie mu dużej prędkości kinetycznej (np. sprężarki odśrodkowe).

W zależności od sposobu sprężania gazu, sprężarki można podzielić na dwie zasadnicze grupy:
- sprężarki wyporowe,
- sprężarki odśrodkowe (wirnikowe).

Do tego zasadniczego podziału można by dodać grupy sprężarek, nad których rozwojem pracują obecnie rożne ośrodki badawcze na całym świecie, są to:
- sprężarki (układy) typu Stirling – znana technologia lecz posiadająca sporą ilość wad,
- sprężarki dźwiękowe,
- prężarki termoakustyczne,
- chłodzenie magnetyczne,
- sprężarki beztłokowe – nowa technologia,
- sprężarki bez części ruchomych – jak dotąd nie są prowadzone prace badawcze na szerszą skalę. Sprężarki te zostaną omówione i przedyskutowane ze względu na ich dużą przewagę w stosunku do obecnie stosowanych typów sprężarek oraz potencjalną możliwość wyparcia sprężarek standardowych.

Pierwsze znane „sprężarki” pojawiły się około 3500 lat temu i służyły do sprężania powietrza w metalurgii, kiedy to zaczęto wyrabiać przedmioty z brązu. Nie były to sprężarki w naszym rozumieniu, było to coś na podobieństwo miechów. Pierwszą z prawdziwego zdarzenia sprężarkę zbudował w roku 1652 Otto von Guerick. Od tego momentu nastąpił powolny, ale ciągły rozwój sprężarek powietrznych. Z chwilą pojawienia się potrzeby chłodzenia, sprężarki powietrzne zostały zaadaptowane do potrzeb nowej dziedziny techniki. Prawdziwy rozwój sprężarek chłodniczych zapoczątkowało wprowadzenie do użycia freonów jako nowych, bezpiecznych czynników chłodniczych.

Zasadnicze zmiany w konstrukcji sprężarek chłodniczych nastąpiły od roku 1952, kiedy to wprowadzono na rynek pierwsze sprężarki hermetyczne. Ich głównymi zaletami była:
- wysoka jakość,
- niezawodność,
- niska głośność,
- niska cena.

O gwałtownym rozwoju sprężarek hermetycznych zadecydowała głównie ich niska cena. Rozwój nie ograniczał się tylko do doskonalenia sprężarek tłokowych. Coraz wyższe wymagania techniczne stawiane sprężarkom, takie jak małe zużycie energii, wyższa wydajność chłodnicza, miniaturyzacja jak i nowe czynniki chłodnicze doprowadziły do zmiany sposobu myślenia w podejściu do procesu sprężania gazu. Zaczęły pojawiać się nowe typy sprężarek, takie jak rotacyjne, śrubowe, wirnikowe itp. Głównym motorem napędowym w poszukiwaniu nowych metod sprężania gazu była konieczność zwiększenia sprawności energetycznej sprężarek i ich wydajności chłodniczej przy jednoczesnej potrzebie miniaturyzacji. Z perspektywy czasu widać wyraźny trend we wzroście sprawności sprężarek chłodniczych. Wartości COP na rysunku 1 odnoszą się do sprężarek o najlepszych osiągach. Przeciętne sprężarki z poszczególnych grup mają wartości COP o około 25÷30% niższe. Żadna jednak sprężarka nie osiąga sprawności cyklu Carnota. Pamiętajmy jednak, że cykl Carnot (1824 rok) rozszerzony przez Clapeyron’a (1830 rok) jest cyklem hipotetycznym. Jego sprawność wylicza się z równania:

η = 1 – T_c / T_H (1)

gdzie:

T_c – absolutna temperatura dolnego źródła,
T_H – absolutna temperatura górnego źródła.

Powyższe równanie pozwala na wyliczenie maksymalnej możliwej sprawności jakiegokolwiek silnika czy układu. Jeżeli uważnie spojrzymy na równanie (1) zauważymy jeden bardzo oczywisty fakt. Mianowicie obniżenie temperatury źródła dolnego (chłodnego) ma większy wpływ na sprawność cyklu, aniżeli podniesienie temperatury źródła górnego (ciepłego) o tę samą wartość. W codziennej praktyce będzie to trudne do osiągnięcia, ponieważ dolnym źródłem jest z reguły temperatura otoczenia. Przekładając to na język inżynierski, maksymalną sprawność można osiągnąć tylko w przypadku, jeżeli nowa wartość entropii nie jest dodawana do układu (wytwarzana przez układ). Znaczy to, że oddane do otoczenia ciepło w celu usunięcia nadwyżki entropii prowadzi do obniżenia sprawności układu. Pamiętajmy o tym przy doborze sprężarki i projektowaniu układu chłodniczego.

Rys. 1. Efektywność sprężarek w zależności od ich budowy

Sprężarki tłokowe
Generalnie, sprężarka jest najbardziej krytycznym elementem układu chłodniczego. Z tego więc względu zasługuje na szczególną uwagę.
Sprężarki tłokowe są głównie używane w układach, gdzie jest wymagany wysoki stosunek sprężania (stosunek ciśnienia tłoczenia do ciśnienia ssania), ale nie jest jednocześnie wymagane wysokie natężenie przepływu czynnika chłodniczego. Dla lepszego zrozumienia pracy sprężarki tłokowej niezbędne jest krótkie omówienie podstaw termodynamicznych procesu sprężania. Proces sprężania odbywa się w cylindrze jako czteroczęściowy cykl, który jest funkcją położenia tłoka (dwa suwy w ciągu jednego cyklu). Te cztery części procesu to:
- sprężanie,
- wypływ czynnika z cylindra,
- ssanie,
- wlot czynnika do cylindra.

Rys. 2. Proces sprężania

Proces ten jest pokazany na rysunku 2 w układzie ciśnienie – P i objętość – V. Proces sprężania rozpoczyna się w momencie, kiedy tłok w cylindrze sprężarki jest w pozycji 1 (V₁) i cała objętość cylindra jest wypełniona czynnikiem (ciśnienie P₁ i temperatura T₁). Zawory ssący i tłoczny są zamknięte. Jest to dolne skrajne położenie tłoka. Z chwilą, kiedy tłok zaczyna poruszać się w kierunku swego górnego położenia, objętość gazu ulega zmniejszeniu. Powoduje to wzrost ciśnienia i temperatury gazu do momentu, kiedy ciśnienie jest wystarczająco wysokie, aby otworzyć zawór tłoczny, a tłok osiąga punkt 2 (rys. 2). Z chwilą otwarcia zaworu tłocznego, ciśnienie pozostaje stałe do momentu, kiedy tłok osiągnie swoje górne skrajne położenie (punkt 3 na rys. 2). Musimy pamiętać o tym, ze minimalna objętość czynnika pozostaje ponad tłokiem. Jest to tzw. objętość szkodliwa, która nie daje się całkowicie wyeliminować. Ta minimalna wolna przestrzeń pomiędzy tłokiem i płytą zaworową jest niezbędna dla zabezpieczenia tłoka i płyty zaworowej przed bezpośrednim kontaktem i zniszczeniem.

Odpowiednie projektowanie tej objętości (tak, aby była możliwie najmniejsza) jest zasadniczym parametrem sprężarki, który ma ogromny wpływ na jej sprawność. Cykl pracy sprężarki jest w punkcie 3, od którego rozpoczyna się proces ssania (zwiększenie objętości ponad tłokiem). Ssanie rozpoczyna się w momencie, kiedy czynnik zawarty w przestrzeni szkodliwej osiągnie ciśnienie poniżej ciśnienia ssania i zamknięcia zaworu tłocznego sprężarki. Tłok ponownie osiąga swoje dolne skrajne położenie, zamykając cykl sprężania i tłoczenia.

Wynika z tego, że wydajność chłodnicza sprężarki tłokowej jest funkcją średnicy i skoku tłoka, szybkości obrotowej sprężarki i wielkości przestrzeni szkodliwej. Na wydajność sprężarki tłokowej ma również wpływ stosunek sprężania. Sprężarka tłokowa charakteryzuje się dużą niezawodnością pracy i pewnością w działaniu, ma jednak bardzo znaczące ograniczenie. Mianowicie, jest projektowana do współpracy z czynnikiem tylko w fazie gazowej. Jeżeli sprężarka tłokowa zassie ciekły czynnik należy być pewnym, że zawór tłokowy i najprawdopodobniej elementy układu tłokowego ulegną zniszczeniu. Aby uniknąć zassania ciekłego czynnika, należy utrzymywać w układzie chłodniczym przegrzanie par czynnika.

Zaletami sprężarek tłokowych są ich bardzo dobre osiągi i wydajności w szerokim zakresie zastosowania. W ostatnim czasie, przy projektowaniu sprężarek tłokowych duży nacisk kładzie się na ich:
- wysoką sprawność (niskie zużycie energii) i niezawodność,
- niską głośność,
- miniaturyzację.
jednocześnie nie zapominając o niskiej cenie.

Rys. 3. Sprężarka o zmiennej ilości obrotów firmy Embraco

Sprawność
Wiedząc o tym, że średnie chłodnictwo (chłodnictwo handlowe) zużywa około 4% krajowej energii, nie dziwi duży nacisk użytkowników na producenta, aby nowe modele sprężarek były energooszczędne. Wiele parametrów ma wpływ na podniesienie sprawności energetycznej sprężarek, a w szczególności:
- regulacja pracy sprężarki,
- usprawnienie zaworów tak, aby zredukować do minimum rozprężanie gazu z przestrzeni szkodliwej (re-expension),
- redukcja strat ciśnienia czynnika w kanałach, przewodach wewnętrznych sprężarki jak i zaworach,
- usprawnienie silnika elektrycznego sprężarki,
- zmniejszenie do minimum przestrzeni szkodliwej sprężarki,
- dobór właściwego (optymalnego) systemu smarowania,
- dobór właściwego oleju.

W celu zwiększenia sprawności i efektywności sprężarki, zakres jej zastosowania podzielono na trzy zakresy temperatury/ ciśnienia:
- niskotemperaturowe (niskociśnieniowe – LBP), zakres temperatury parowania: -35÷10°C,
- średnio-/wysokotemperaturowe (średnio-/ wysokociśnieniowe – M/HBP), zakres parowania: -10÷15°C,
- wysokotemperaturowe (wysokociśnieniowe – HBP), zakres parowania: -5÷15°C,
- nisko-/średnio-/wysokotemperaturowe (nisko-/średnio-/wysokociśnieniowe – L/M/HBP), zakres parowania: -35÷15°C.

Sprężarki, które określiłbym jako uniwersalne, czyli L/M/HBP są sprężarkami o najszerszym zakresie temperatury pracy, w związku z tym silnik elektryczny sprężarki jak i jej elementy są przewymiarowane, a sprężarka tego typu charakteryzuje się najniższą sprawnością energetyczną. Projektując urządzenie chłodnicze i stosując ten typ sprężarki, należy o tym pamiętać.
Innym parametrem wpływającym na sprawność sprężarki i całego układu chłodniczego jest jej przystosowanie do panujących w urządzeniu warunków pracy takich jak:
- temperatura otoczenia,
- temperatura/ciśnienie parowania,
- temperatura/ciśnienie skraplania,
- wymagana temperatura wewnętrzna i jej tolerancja.

Dużą poprawę sprawności sprężarki można osiągnąć poprzez zastosowanie odpowiedniego dla warunków pracy sterowania lub poprzez zmianę obrotów sprężarki. Bardziej efektywną metodą zapewniającą najwyższą możliwą sprawność jest sterowanie obrotami sprężarki. Każdy inny sposób sterowania zapewnia utrzymanie projektowanych parametrów wewnętrznych urządzenia przez wyłączanie i włączanie sprężarki, która cały czas (poza okresem postoju) pracuje przy pełnych obrotach i wydajności chłodniczej.

Regulacja wydajności sprężarki poprzez zmianę obrotów jest z punktu widzenia sprawności, niezawodności i żywotności najefektywniejsza. Co prawda, sprężarka o ciągłej zmianie obrotów jest droższa od sprężarki konwencjonalnej, ale oszczędności na energii elektrycznej pozwalają na spłatę podwyższonych kosztów w ciągu 1÷2 lat. Korzyści wynikające z zastosowania sprężarki o płynnej zmianie obrotów (rys. 3) to:
-automatyczne dostosowanie obrotów sprężarki do obciążenia cieplnego urządzenia chłodniczego,
- szybkie osiągnięcie zadanej temperatury (skrócenie czasu wychładzania),
- zredukowane obciążenie parownika i skraplacza,
- większa niż w przypadku sprężarki konwencjonalnej maksymalna szybkość obrotowa (z reguły jest to 4500 obr./min), można zastosować mniejszą sprężarkę w sensie masowego natężenia przepływu,
- zredukowane (teoretycznie do zera) straty pracy cyklicznej,
- zredukowane do minimum oszronienie parownika,
- mniejsze wahania temperatury w urządzeniu chłodniczym, 
- mniejsze zużycie energii, przy prawidłowym doborze sprężarki dochodzące do 35%,
- cichsza praca sprężarki – wyeliminowanie głośności sprężarki związanej z włączaniem i wyłączaniem, głośność jest zredukowana o około 5÷7 dB(A).

Głośność (..)

Miniaturyzacja (..)

Czynniki chłodnicze (...)

Sprężarki rotacyjne (...)

Sprężarki spiralne (...)

LITERATURA
[1] Literatura firmy Embraco Company.
[2] Literatura firmy Carrier Corporation.
[3] Literatura firmy Sanyo Corporation.
[4] R. HESELBARTH: Mini mechanics keep soldiers cool by Design. RSES Journal. July 2001.
[5] Toshiba Develops Helical Compressor. JARN Journal. March 25, 1997.
[6] R. BOBYAK: Sound idea, acoustic compressor to power residential refrigerator. Appliance Manufacturer. June 1998.
[7] Project to assess use of magnetic refrigeration. ASHRAE Journal. January, 1999.
[8] K. NIKLAS: The evolutionary biology of plants. Chicago and London. The university of Chicago Press. 1997.
[9] K. WILSON and D. J. B. WHITE: The anatomy of wood: its diversity and variability. Stobart & Son Ltd. London, 1986.
[10] Wikipedia.
[11] Temperatures very low and very high. New York. Dover 1981.
[12] K. G. SCHNEIDER Jr., K. GIBSON: Magnetic refrigerator successuly tested. Ames Laboratory News Release. Ames Labor-atory., Dec. 7, 2001.

AUTOR: Andrzej Wesołowski
- były pracownik Carrierm York i Embraco, USA