Wybrane aspekty analizy obliczeniowej dwustopniowych parowych sprężarkowych urządzeń chłodniczych

W niniejszej publikacji przedstawiono kryteria graniczne określające konieczność projektowania dwustopniowych układów sprężarkowych, wyposażonych w chłodnicze sprężarki tłokowe. Podano podstawy klasyfikacji oraz przegląd klasycznych rozwiązań tego typu układów. 

Zwrócono uwagę na wybrane analizy obliczeniowe obiegów dwustopniowych. Na przykładzie układu dwustopniowego z zastosowaniem bezprzeponowej chłodnicy międzystopniowej oraz otwartym i zamkniętym systemem dochładzania czynnika chłodniczego przeprowadzono alternatywne obliczenia sprawdzające metodami bilansu energetycznego i przepływów względnych.

   Współczesne wymagania technologii chłodniczej zmierzają wyraźnie w dwóch kierunkach. Jednym z nich jest uzyskiwanie niskich i bardzo niskich temperatur parowania, drugim zaś wysokiej temperatury skraplania. Wynika to, na przykład, z konieczności zagwarantowania odpowiednich warunków konserwacji produktów spożywczych w stanie zamrożonym. W przypadku wysokiej temperatury skraplania chodzi zwykle o wykorzystanie urządzenia chłodniczego dla celów grzewczych, w warunkach jego pracy jako pompy ciepła. Mając wzgląd na szeroki zasięg stosowania sprężarkowych urządzeń chłodniczych (zwłaszcza parowych) ze sprężarkami tłokowymi ograniczymy pole analizy do tego typu urządzeń.
   Poczynione przez autorów obserwacje, dotyczące praktyki projektowej parowych sprężarkowych urządzeń chłodniczych dowodzą, że zwłaszcza w przypadku mniej doświadczonych projektantów (lub osób z innych branż dokonujących doboru urządzeń chłodniczych) pomija się zwykle wykonanie projektu takiego układu. Oprócz tego zauważa się fakt bezgranicznego zaufania w obszarze komputerowych programów obliczeniowych wspomagających projektowanie. Ich użycie sprowadza się w wielu przypadkach do wprowadzenia danych i otrzymania wydruku wyników obliczeń. Nie ma w tym nic groźnego, jeżeli osoba wykorzystująca program potrafi właściwie zinterpretować otrzymane wyniki obliczeń. Problem staje się bardzo poważny w przypadku, gdy elementy układu chłodniczego dobiera się „na wyczucie”. W wielu sytuacjach kończy się to nawet procesami sądowymi między inwestorem, a wykonawcą instalacji chłodniczej. Jest to zagadnienie istotne z jeszcze innego względu, bowiem w ostatnich latach opracowano i wydano wiele norm, dotyczących urządzeń chłodniczych (tym ważną polską normę [1]) , które nie precyzują jednak w sposób jawny konieczności wykonania projektu technicznego instalacji przed jej zamontowaniem, o czym mówiła nieaktualna już norma [2]. Chcąc ograniczyć amatorskie traktowanie projektowania urządzeń chłodniczych należy brać pod uwagę nie tylko skutki takich poczynań, ale także przyczyny powstawania opisanych sytuacji.
  Problemy, o których wspomniano nabierają również znaczenia wtedy, gdy sprężarkowe urządzenie chłodnicze będzie eksploatowane w skrajnych zakresach parametrów obiegu. Dotyczy to, między innymi, poziomu temperatury parowania to i skraplania tk. W parowym sprężarkowym urządzeniu chłodniczym, w którym stosuje się w realizacji lewobieżnego obiegu przemiany fazowe istnieje ściśle określona zależność temperatury przemiany fazowej czynnika od ciśnienia. A zatem mówiąc o temperaturze parowania to należy brać pod uwagę poziom ciśnienia parowania po = f(to) oraz dla temperatury skraplania tk – ciśnienie skraplania pk = f(tk). Dla jednorodnych, jednoskładnikowych czynników chłodniczych zależności powyższe są relatywnie proste, zaś dla czynników wieloskładnikowych (mieszanin) są opisane w sposób bardziej skomplikowany [3]. Jeżeli w parowym sprężarkowym urządzeniu chłodniczym występują sprężarki tłokowe, wówczas obniżaniu temperatury parowania i wzrostowi temperatury skraplania towarzyszą wyraźne zmiany wszystkich charakterystycznych parametrów obiegu. Wzrost różnicy ciśnień ?p = pk – po wywołuje wzrost  siły tłokowej i dlatego wartość ?p ogranicza się dla sprężarek jednostopniowych do poziomu ?p = 1,7÷1,8 (2,5) MPa [4,5]. Na rys. 1 pokazano charakter zmian podstawowych wielkości jednostopniowego obiegu sprężarkowego od stosunku sprężania pk/po.
   

Kryteria podziału i charakterystyczne typy klasycznych układów dwustopniowych ze sprężarkami tłokowymi
   Jeżeli założone parametry sprężarkowego układu chłodniczego jednostopniowego wskazują na możliwość przekroczenia dopuszczalnych charakterystycznych wielkości, wówczas należy przeanalizować konieczność zastosowania układu wielostopniowego. Wśród ograniczeń chłodniczych parowych układów sprężarkowych należy wymienić:
* obniżenie końcowej temperatury sprężania,
* zmniejszenie nakładów energetycznych procesu sprężania, z jednoczesnym dążeniem do wzrostu wydajności chłodniczej. (...)

CZYTAJ CAŁOŚĆ, ZAMÓW PRENUMERATĘ:

TRADYCYJNĄ                         E-WYDANIE