W artykule opisano badania śladu węglowego (CF) układu chłodniczego. Przeprowadzono ocenę jego właściwości termodynamicznych. Na podstawie uzyskanych wyników wyznaczono ślad węglowy jednostopniowego sprężarkowego obiegu chłodniczego w zależności od zmiennych warunków pracy. Określono optymalne warunki modelowego urządzenia chłodniczego przy osiągnięciu możliwie najniższego współczynnika śladu węglowego. 

Ślad węglowy (Carbon Footprint) jest wskaźnikiem określającym wpływ na środowisko naturalne. Monitorowanie wytworzonego śladu węglowego pozwala oszacować stopień zanieczyszczenia środowiska wywołany działalnością antropogeniczną. Każdy proces jest źródłem emisji dwutlenku węgla. Branża chłodnicza pozostawia silny ślad środowiskowy, zatem działania w kierunku określenia i wskazania metod ograniczenia jego negatywnego wpływu są bardzo istotne. Natomiast wysoko energochłonne technologie przechowywania chłodniczego produktów rolnospożywczych nie były jak dotąd dostatecznie badane pod kątem określenia ich wpływu na środowisko naturalne.

W pierwszej części cyklu, w numerze 9/2017 Ch&K przedstawiona została charakterystyka wskaźników środowiskowych ze szczególnym uwzględnieniem śladu węglowego i energooszczędności urządzeń chłodniczych i klimatyzacyjnych.

Celem badawczym było określenie optymalnych warunków pracy jednostopniowego sprężarkowego obiegu chłodniczego, na przykładzie własnego układu modelowego, przy osiągnięciu możliwie najniższego współczynnika śladu węglowego.

Metodyka pracy

Badania obejmowały następujące etapy:

1. Określenie właściwości termodynamicznych obiegu chłodniczego i charakterystykę modelowej instalacji chłodniczej. Przystosowanie układów pomiarowych instalacji chłodniczej.

2. Badania termodynamicznych parametrów (m. in. temperatur i ciśnień przemian fazowych, temperatur płynów roboczych, natężeń przepływu płynów roboczych, obciążeń cieplnych, zużycia energii, wydajności chłodniczej).

3. Określenie wydajności chłodniczej i zużycia energii dla jednostopniowego sprężarkowego obiegu chłodniczego oraz zbadanie wpływu poszczególnych parametrów na wydajność chłodniczą i zużycie energii.

4. Wyznaczenie śladu węglowego dla zmiennych warunków pracy obiegu chłodniczego i określenie optymalnych warunków.

Stanowisko doświadczalne

Modelowy jednostopniowy sprężarkowy obieg chłodniczy został opracowany i skonstruowany, uwzględniając wydajność chłodniczą obiegu 1600 W, dla temperatur cieczy przepływającej przez parownik 12/7°C (odparowanie 2°C) i cieczy przepływającej przez skraplacz 15/25°C (skraplanie 30°C). Zastosowano 20% roztwór glikolu etylenowego w parowniku. Jego natężenie przepływu wynosiło 0,27 m³/h. W skraplaczu użyto wodę o natężeniu przepływu 0,158 m³/h. Instalacja modelowa jest przedstawiona na rysunku 1a. Oprócz elementów głównych, obieg został wyposażony w dodatkowe układy: pomocnicze, pomiarowe, regulacyjne i zabezpieczające. Zastosowane oznaczenia konkretnych urządzeń i ich skróty będą konsekwentnie używane w dalszych rozważaniach. W celu umożliwienia badania poszczególnych procesów termodynamicznych w warunkach kontrolowanych, zostały przeprowadzone konieczne modyfi kacje, będące opomiarowaniem istotnych punktów (rys. 1b). Na rysunku 2. przedstawiono schemat z zaznaczonymi punktami pomiarowymi.

Rys. 1. a) Modelowa instalacja chłodnicza; b) opomiarowanie

Rys. 2. Schemat stanowiska badawczego − modelowego układu chłodniczego z punktami pomiarowymi: elementy główne: PR – parownik (płytowy wymiennik ciepła chłodzony wodą i glikolem); SP – sprężarka hermetyczna; TZR – termostatyczny zawór rozprężny; SK – skraplacz (płytowy wymiennik ciepła chłodzony wodą); elementy pomocnicze: SEP – separator cieczy; ZC – zbiornik cieczy; F-O – fi ltr osuszacz; WZ – wziernik; ZE-M – zawór elektromagnetyczny; elementy regulacyjne: ZO – zawór odcinający; ZS – zawór serwisowy; TE – termostat sterujący; elementy obiegu glikolowego i wodnego: NP – naczynie wyrównawcze przeponowe; ZB – zbiornik; GE – grzałka elektryczna; PO – pompa; ZR – zawór regulacyjny; ZO – zawór odcinający

Badania parametrów termodynamicznych modelowego układu chłodniczego

Metodyka została opracowana na potrzeby realizacji zagadnienia badawczego z wykorzystaniem jednostopniowego sprężarkowego obiegu chłodniczego. Mierzono następujące wielkości: temperatury i ciśnienia przemian fazowych, temperatury płynów roboczych, natężenia przepływu płynów roboczych oraz obciążenia cieplne i zużycie energii poszczególnych elementów obiegu.

Dzięki zastosowanym modyfikacjom była możliwość wpływu na obciążenia cieplne skraplacza i parownika. Każdy cykl pomiarowy przeprowadzony został przy stałych parametrach obciążenia parownika (stałym strumieniu cieplnym odbieranym przez obieg chłodniczy w parowniku) i dla stałej wartości strumienia cieplnego oddawanego przez obieg chłodniczy w skraplaczu. Obciążenie cieplne parownika, oznaczone jako moc chłodnicza obiegu, kontrolowane było poprzez regulację napięcia grzałki obiegu glikolu i utrzymywane na stałym poziomie poboru mocy przez grzałkę dla każdego cyklu pomiarowego. Badania przeprowadzano w zakresie od 400 W do 1300 W mocy grzałki, dokonując pomiarów co 100 W. Obciążenie cieplne skraplacza, oznaczone jako moc chłodzenia skraplacza, kontrolowane było poprzez regulację natężenia przepływu wody chłodzącej i utrzymywane na stałym poziomie dla danego cyklu pomiarowego.

Badania przeprowadzano dla przepływów w zakresie od 1 l/min. do 6 l/min. co 1 l/min. Przeprowadzono 60 cykli pomiarowych, przy założeniu zmienności: mocy chłodniczej i przepływu wody chłodzącej skraplacz. Pomiary dla jednego cyklu rejestrowane były co 10 min. dla wszystkich punktów. Jeden cykl pomiarowy trwał 190 min., bo po tym czasie parametry termodynamiczne procesu były termicznie ustabilizowane i niezmienne w czasie. Kontrolowane parametry zostały opisane w tabeli 1.

Rzeczywiste zapotrzebowanie na moc do napędu sprężarki wyznaczono za pomocą przyrzadów pomiarowych mierzących moc elektryczną pobieraną przez sprężarkę. Obciążenie cieplne parownika obiegu chłodniczego, określające strumień cieplny związany z mocą chłodniczą obiegu, zostało określone poprzez pomiar mocy elektrycznej pobieranej przez grzałkę obiegu glikolu.

W tabeli 2. zaprezentowano przykładowe wyniki mierzonych parametrów układu modelowego tylko dla jednego przykładowego cyklu − wartości obciążeń cieplnych skraplacza i parownika (400 W i 1 l/min.).

 (...)

Podsumowanie

Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że optymalne warunki pracy modelowego układu chłodniczego to natężenie przepływu wody chłodzącej skraplacz 2 l/min. Dalsze zwiększanie tej wartości nie powoduje wzrostu wydajności chłodniczej i nie zwiększa efektywności energetycznej obiegu chłodniczego, a powoduje tylko dodatkowe zużycie wody. Wskaźnik energetyczny modelowej instalacji chłodniczej zmienia się, w zależności od wydajności chłodniczej, w zakresie 0,44 ÷ 1,35. Im większy strumień cieplny parownika tym mniejszy wskaźnik energetyczny. Energia pobierana przez sprężarkę wpływa na ślad węglowy obiegu chłodniczego. Wzrost wydajności chłodniczej obiegu powoduje zmniejszenie emisji CO₂ w przeliczeniu na jednostkę „wyprodukowanego chłodu^*.

Oszacowanie śladu węglowego pozwala określić ilość emitowanego dwutlenku węgla przez instalację chłodniczą. Wszechstronna ocena skutków środowiskowych instalacji powinna być kompleksową analizą uwzględniającą wszystkie oddziaływania na środowisko naturalne. Obniżenie emisji pośredniej dwutlenku węgla przez układy chłodnicze czy klimatyzacyjne powoduje jednocześnie ograniczenie kosztów eksploatacyjnych.

dr inż. Magdalena WRÓBEL-JĘDRZEJEWSKA
– Instytut Biotechnologii Przemysłu Rolno-
-Spożywczego im. prof. Wacława
Dąbrowskiego w Warszawie, Zakład
Technologii i Techniki Chłodnictwa w Łodzi,
Pracownia Chłodnictwa i Ochrony Środowiska 

mgr inż. Urszula STĘPLEWSKA
– Instytut Biotechnologii Przemysłu Rolno-
-Spożywczego im. prof. Wacława
Dąbrowskiego w Warszawie, Zakład
Technologii i Techniki Chłodnictwa w Łodzi,
Pracownia Chłodnictwa i Ochrony Środowiska