Sprężarkowe układy chłodnicze – układy kaskadowe i autokaskadowe |
Data dodania: 18.09.2012 |
Systemy i układy kaskadowe z reguły są stosowane w zakresie temperatury od -70°C do około -120°C i poniżej (skraplanie gazów). Zastosowanie w powyższym zakresie układów wielostopniowych jest z punktu widzenia ekonomicznego jak i sprawności systemu nieopłacalne.
Rys. 1. Schemat typowego ukladu kaskadowego v1
Na stosowanie w powyższym zakresie układów kaskadowych zamiast wielostopniowych główny wpływ mają bardzo niskie ciśnienia ssania, których wartość znajduje się poniżej wartości ciśnienia atmosferycznego. Poza tym, dla niektórych czynników chłodniczych, można zbliżyć się do ich temperatury zamarzania (tabela 1). Dla przykładu podam, że najniższe projektowane ciśnienie ssania dla sprężarek tłokowych wynosi około 10 kPa. Bardzo niskie ciśnienie ssania (głębokie podciśnienie) w układach chłodniczych prowadzi do wielu komplikacji technicznych, związanych głównie z trudnością zapewnienia instalacji szczelności. Jest to szczególnie ważne w przypadku dużych wielostopniowych systemów chłodniczych. W przypadku nawet niewielkiej nieszczelności, sprężarka zassie powietrze wraz z wilgocią w nim zawartą, co jest bardzo niepożądane.
Innym problemem związanym z bardzo niską temperaturą parowania czynnika w części niskotemperaturowej układu chłodniczego jest fakt, że w tak niskiej temperaturze (poniżej -70°C) objętość właściwa czynnika jest bardzo wysoka. Jak pamiętamy, objętość właściwa czynnika chłodniczego na ssaniu sprężarki decyduje o jej wymiarach (średnica tłoka, ilość cylindrów). W związku z tym, wysoka objętość właściwa czynnika chłodniczego automatycznie powoduje, że sprężarka staje się fizycznie bardzo duża. Warto wspomnieć, że obecnie stosowany w niskim stopniu czynnik chłodniczy (R508B) ma ponad 10-krotnie wyższą objętość właściwą par nasyconych w -45°C niż na przykład R12.
Kolejną niedogodnością stosowania układów jedno- lub wielostopniowych dla super niskich wartości temperatury może być przypadek, w którym dobierzemy czynnik chłodniczy mający w parowniku ciśnienia wyższe od ciśnienia atmosferycznego. Jeżeli dobierzemy taki czynnik, musimy się liczyć z bardzo wysokimi ciśnieniami skraplania, które wymagają dużo grubszych ścianek przewodów rurowych i wzmocnionych pozostałych elementów układu chłodniczego.
Jak z powyższego widać, z termodynamicznego i ekonomicznego punktu widzenia, układy kaskadowe zdecydowanie przewyższają układy jedno- i wielostopniowe. Poza tym, układy kaskadowe przewyższają układy wielostopniowe, gdyż posiadają dwa oddzielne systemy chłodnicze, które mają różne czynniki chłodnicze i różne sprężarki – problem wyrównania poziomu oleju w sprężarkach nie istnieje. Natomiast niedogodnością układów kaskadowych jest ich nieco większa złożoność, która wymaga większego nakładu pracy na ich budowę oraz, co jest może istotniejsze, zużycie energii układów kaskadowych może być w niektórych przypadkach wyższe niż w układach wielostopniowych. Wynika to z faktu, że w układzie kaskadowym niskotemperaturowy układ pracuje przy wyższej temperaturze skraplania od temperatury parowania części wysokotemperaturowej. Proces ten odbywa się w skraplaczo-parowniku, w którym Tsk>To.
Zasadnicze różnice pomiędzy układem wielostopniowym i kaskadowym (...)
Analiza układu kaskadowego (...)
Modyfikacja układów kaskadowych (...)
Dobór czynnika chłodniczego, sprężarek i skraplaczo-parownika
Rys. 2. Przebieg procesu kaskadowego w ukladzie wspolrzednych Cisnienie – Entalpia
Czynniki chłodnicze W chwili obecnej, kiedy czynniki z grupy CFC i HCFC zostały wyeliminowane, pozostają nam do zastosowania czynniki z grupy HFC lub czynniki chłodnicze naturalne z grupy HC. W części wysokotemperaturowej zalecałbym zastosowanie czynnika R404A lub R507, natomiast w części niskotemperaturowej czynnik R508B lub etylen R1150 (C2H4). Ze względu na ograniczone możliwości zastosowania czynnika R1150, w układach kaskadowych dominuje czynnik R508B. Wynika to z ogólnych zasad bezpieczeństwa i norm. Znając czynnik chłodniczy jaki użyjemy w naszym układzie kaskadowym, możemy przystąpić do doboru sprężarek. Przy czym musimy pamiętać o jednej bardzo ważnej i istotnej rzeczy. Mianowicie, żaden z producentów sprężarek nie produkuje sprężarek na czynnik R1150, czy też na czynnik R508B. W tym przypadku musimy pójść na kompromis (nie forsować wydajności energetycznej układu, gdyż jest to niemożliwe przy braku właściwej sprężarki) i dobrać sprężarkę, która jest zaprojektowana na czynnik R507/R404A.
Sprężarki
Poza tym musimy wyznaczyć parametry czynnika w punkcie (13) na rysunku 2. Znajomość parametrów czynnika w punkcie 13 jest niezbędną do wyliczenia jednostkowej wydajności chłodniczej (kcal/kg) niskotemperaturowej części kaskady. Znając wyżej wymienione parametry, łatwo wyliczymy niezbędną objętość skokową sprężarki niskiego stopnia kaskady.
Bazując na wydajności skokowej, dobieramy sprężarkę, która w naszym przypadku była projektowana na czynnik chłodniczy R507/R404A. Ponieważ dobrana sprężarka nie jest przeznaczona do współpracy z czynnikiem R508B lub R1150, sprężarka ta nie otrzyma gwarancji jak i atestu od producenta. O atest będzie musiał postarać się producent urządzenia. Znając parametry ssania czynnika przez sprężarkę i używając wykresu ciśnienie – entalpia, wyznaczamy końcowy punkt sprężania, punkt (10) na rysunku 2. Znając parametry końca sprężania, określamy parametry dochłodzonej cieczy czynnika chłodniczego (12) na rysunku 2. Mając wyznaczone parametry punktów (10) i (12), jak i jednostkowe natężenie przepływu czynnika (wydajność skokową sprężarki), łatwo wyliczamy niezbędną do skroplenia czynnika wydajność skraplacza. Znając, wydajność niezbędną do skroplenia czynnika niskotemperaturowego możemy wyznaczyć wydajność parownika układu wysokotemperaturowego, która powinna być równa wydajności niezbędnej do skroplenia czynnika niskotemperaturowego. Wiedząc, że temperatura parowania powinna być kilka stopni niższa od temperatury skraplania, wyliczamy łatwo punkt (2) na rysunku 2. Znając niezbędną wydajność chłodniczą sprężarki (jest to wydajność parownika) jak i parametry punktu (2), dobieramy standardową sprężarkę na czynnik R507/R404A, bazując na niezbędnej wydajności skokowej.
Skraplaczo-parownik
Rys. 3. Przyklad ukladu chlodniczego dwustoniowego-kaskadowego
Rozruch układu kaskadowego
Bardzo ważną rzeczą, o której koniecznie trzeba pamiętać, jest właściwe zaprojektowanie procesu rozruchu układu kaskadowego, tak początkowego jak i już cyklicznie pracującego (włącz – wyłącz). Jak wiemy, w każdym dwustopniowym czy wielostopniowym systemie, sprężarki po włączeniu zaczynają pracować jednocześnie (startują w tym samym czasie). W układzie kaskadowym, proces startu sprężarek przebiega odmiennie niż w układach wielostopniowych. W układzie tym, w pierwszej kolejności włącza się sprężarka wysokiego stopnia. Po osiągnięciu wymaganej temperatury parowania włącza się dopiero sprężarka niskiego stopnia. Wynika to z faktu, że skraplaczo-parownik musi osiągnąć temperaturę niezbędną do skroplenia par wypływających ze sprężarki niskiego stopnia. Gdybyśmy pozwolili na jednoczesne włączenie obu sprężarek, ciśnienie czynnika w układzie niskotemperaturowym wzrosłoby poza dopuszczalne granice.
Autokaskady
Z reguły, układy autokaskadowe stosowane są do skraplania małych ilości gazów. Budowane są one dla specyficznych odbiorców i projektowane, bazując na bardzo specyficznych wymaganiach stawianych przez odbiorcę. Podstawowe wymagania to rodzaj skraplanego gazu (głownie tlen) jak i wymagana wydajność skraplania (ilość kg/h). Bardzo uproszczony schemat układu autokaskadowgo przedstawia rysunek 4.
Rys. 4. Schemat ukladu autokaskadowego
Czynnik chłodniczy (...)
Sprężarka (...)
Praca autokaskady (...)
Wnioski Jeżeli projektujemy małe urządzenie do skraplania gazów, zalecałbym zastosować układ autokaskadowy, którego charakterystyczną cechą jest to, że wyposażony jest w jedną sprężarkę, a w obiegu chłodniczym znajduje się mieszanina czynników chłodniczych, z reguły naturalnych, o dużej rozpiętości normalnej temperatury parowania. Ze względu na coraz powszechniejsze zapotrzebowanie na tlen dla osób cierpiących na schorzenia dróg oddechowych, autokaskady maja dużą przyszłość. |
POLECAMY WYDANIA SPECJALNE
-
Pompy ciepła 2023-2024
-
Pompy ciepła 2021-2022
-
Pompy ciepła 2022-2023
-
Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2021
-
Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2022
-
Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2023
-
Pompy ciepła 2020-2021
-
Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2020
-
Pompy ciepła 2019-2020
-
Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2019