Obiegi chłodnicze oraz obiegi pomp ciepła często wykorzystywane są do podtrzymywania parametrów termicznych w procesach, które muszą czasami spełniać nawet dość restrykcyjne ograniczenia, związane ze stabilizacją temperatury (np. w zakresie niskiej temperatury są to procesy przechowalnicze, w zakresie wysokiej temperatury mogą to być procesy pasteryzacji). Jedną z metod stabilizacji temperatury w tych procesach jest stosowanie obiegów pośredniczących.

Na rysunku 1. przedstawiono jednostopniowy obieg chłodniczy, który współpracuje z obiegami pośredniczącymi zarówno po stronie skraplacza jak i parownika.

Rys. 1. Pompa ciepła współpracująca z obiegami pośredniczącymi

Parametry obiegu pośredniczego

Profil temperatury dla obiegu pośredniczącego współpracującego z parownikiem przedstawiono na rysunku 2. Na rysunku widoczne są efekty związane z wymianą ciepła w chłodnicy powietrza, przyrostem temperatury czynnika w pompie obiegowej oraz wychładzania czynnika w parowniku. Profi l temperatury kształtuje się pomiędzy temperaturą źródła ciepła a temperaturą parownika. Taki układ chłodniczy może być realizowany w oparciu o chłodnicze agregaty skraplające z zainstalowanym wymiennikiem płytowym pracującym jako parownik. W agregatach tych których wyrzut ciepła z chłodzonej przestrzeni odbywa się na sposób bezpośredniego skraplania w wymienniku lamelowym chłodzonym powietrzem.

Rys. 2. Profi l temperatury w obiegu pośredniczącym [1]

Choć obieg pośredniczący generuje dodatkowe straty związane z profilem temperatury, to istnieje wiele zalet stosowania obiegów pośredniczących:

• Obieg pośredniczący pozwala na znaczne zmniejszenie ilości stosowanego czynnika chłodniczego. W efekcie istnieje możliwość stosowania urządzeń chłodniczych sprzedawanych komercyjnie w dużej ilości sztuk.
• Rurociągi czynnika pośredniczącego mogą być wykonane z tworzywa sztucznego i mogą być prowadzone dowolnie na dość duże odległości.
• Można stosować czynniki niebezpieczne jak amoniak, propan, izobutan.
• Można stosować całkowicie zalane parowniki, co znacznie poprawia efektywność obiegu chłodniczego.
• Istnieje możliwość wprowadzania ciepłego czynnika do wymienników, w celu ich odmrożenia, co znacznie skraca czas prac konserwacyjnych.
• W przypadku zastosowania zaawansowanego sterowania istnieje możliwość bardzo dobrej regulacji parametrów panujących w procesie. W tym wypadku istnieje również możliwość dołączenia systemu buforowego zarówno po stronie niskiej jak i wysokiej temperatury, co dodatkowo poprawia stabilność parametrów realizowanych procesów.
• stnieje możliwość znacznego obniżenia kosztów eksploatacyjnych w przypadku prawidłowego zaprojektowania instalacji pośredniczących

Obiegi pośredniczące posiadają również wady:

• Koszt inwestycyjny instalacji z obiegiem pośredniczącym może być wyższy z uwagi na zastosowanie dodatkowych układów regulacyjnych.
• Obniżenie współczynnika COP obiegu chłodniczego z uwagi na znacznie bardziej obniżoną temperaturę odparowania.
• Dodatkowe zużycie energii elektrycznej na układy pompowania oraz automatyki.

Własności czynników roboczych obiegów pośredniczących

(...)

Czynniki niskotemperaturowe

(...)

Czynniki wysokotemperaturowe

(...)

Podsumowanie

Obiegi pośredniczące w systemach chłodniczych są często projektowane z uwagi na możliwość zakupu systemów chłodniczych w postaci gotowego agregatu wyposażonego w parownik, skraplacz element rozprężny, sprężarkę i dodatkowe elementy armatury chłodniczej. Uzyskuje się wówczas możliwość wykonania instalacji chłodniczej bez ingerowania w sam obieg chłodniczy oraz znika wówczas konieczność posiadania uprawnień dotyczących pracy z substancjami zubożającymi atmosferę. Obiegi takie posiadają również szereg zalet, choć mogą charakteryzować się wysokim kosztem inwestycyjnym.

Czynniki chłodnicze podlegające przemianom fazowym nie pracują w instalacji pośredniczącej w trybie bezpośredniego odparowania lub skraplania. Typowe i niebezpieczne czynniki chłodnicze są stosowane tylko w ilości zapewniającej pracę obiegu chłodniczego oraz pracują z mniejszym ryzykiem wycieku. 

Czynniki pośredniczące, które rozprowadzają chłód w procesach chłodniczych pozwalają na pracę przy bardzo niskiej temperaturze (np. dodatek chlorku litu LiCl pozwala na pracę nawet do -75°C przy jego udziale masowym w wodzie powyżej 42,4%) do momentu osiągniecia temperatury punktu zamarzania mieszaniny. Czynniki te mogą również rozprowadzać ciepło w procesach grzewczych bez utraty swoich właściwości do momentu osiągnięcia temperatury granicznej związanej z rozkładem substancji chemicznej.

Robert MATYSKO

LITERATURA:

[1] MELINDER A.: Thermophysical properties of aqueous solutions used as secondary working fuids. Doctoral Thesis. KTH Energy and Environmental Technology. 2007.

[2] http://www.tyfo.de/

Artykuł z miesięcznika Chłodnictwo&Klimatyzacja nr 01-02/2015