W niniejszej publikacji omówiono jeden ze sposobów poprawy efektywności energetycznej urządzenia chłodniczego poprzez zastosowanie metody LPA. Opisano budowę układu chłodniczego z pompą ciekłego czynnika oraz jej wpływ na parametry pracy systemu. 

    Unia Europejska jak również inne kraje świata podejmują wzmożone wysiłki w kierunku zdecydowanego obniżenia emisji gazów cieplarnianych [3, 6, 9]. Obciążenie środowiska poprzez emisję gazów cieplarnianych w przypadku urządzeń chłodniczych, klimatyzacyjnych i pomp ciepła – odbywa się głównie wskutek tzw. emisji pośredniej, czyli emisji dwutlenku węgla i pozostałych gazów cieplarnianych oraz innych zanieczyszczeń powstających przy produkcji energii elektrycznej niezbędnej do napędu tych urządzeń. Aktualnie ocenia się, iż ponad 90% emisji gazów cieplarnianych spowodowanych pracą urządzeń chłodniczych jest związane właśnie z produkcją energii napędowej tych urządzeń [6]. Urządzenia, systemy chłodnicze i klimatyzacyjne są również potencjalnym bezpośrednim źródłem emisji gazów cieplarnianych, bowiem czynniki robocze aktualnie w nich stosowane charakteryzuje bardzo wysoki potencjał tworzenia efektu cieplarnianego GWP. Jest on zazwyczaj od około jednego tysiąca do nawet kilkudziesięciu tysięcy razy większy od efektu wywołanego tą samą ilością dwutlenku węgla. Podejmuje się zatem liczne próby zastąpienia tych czynników innymi czynnikami roboczymi o niskim potencjale tworzenia efektu cieplarnianego. Efekty tych działań w stosunku do ilości pracujących urządzeń są jednak wciąż praktycznie marginalne. Obecnie jako czynniki zastępcze, pod uwagę brane są zazwyczaj substancje naturalne, takie jak: dwutlenek węgla, amoniak oraz węglowodory, które stwarzają problemy związane z poziomem ciśnienia w instalacji, bezpieczeństwem, doborem środka smarnego sprężarki oraz niską efektywnością energetyczną urządzenia [6]. (...)

    Jedną z podstawowych możliwości pozwalających na znaczne podwyższenie efektywności energetycznej COP urządzeń chłodniczych, klimatyzacyjnych i pomp ciepła jest obniżanie ciśnienia skraplania p_k [2, 3]. Można to osiągnąć wieloma sposobami, bazującymi głównie na poprawie wymiany ciepła w skraplaczu. O tym, jak znaczący wzrost wartości COP można uzyskać drogą obniżenia ciśnienia, a zarazem temperatury skraplania t_k, informuje rys. 1, na którym zaprezentowano zależność teoretycznej wartości COP od temperatury skraplania tk dla różnych płynów roboczych.
    Stosując powyższą metodę jest w pełni możliwe uzyskanie wzrostu efektywności COP nawet na poziomie kilkudziesięciu procent, co z praktycznego punktu widzenia jest bardzo trudne, o ile w ogóle możliwe do uzyskania innymi sposobami.

LPA – Liquid Pressure Amplification
    W systemach chłodniczych, zwłaszcza w zakresie średnich oraz dużych wydajności, podstawowym zabiegiem zapewniającym odpowiednie, stabilne zasilanie parowników za pomocą termostatycznych zaworów rozprężnych, jest zastosowanie stabilizacji ciśnienia skraplania. Zabieg taki należy w zasadzie uznać za konieczny z punktu widzenia automatyzacji pracy urządzeń chłodniczych i klimatyzacyjnych. Prowadzi on jednak do wybitnie niekorzystnych termodynamicznie konsekwencji. W warunkach spadku temperatury otoczenia, szczególnie w rozwiązaniach ze skraplaczem chłodzonym przepływającym strumieniem powietrza, ciśnienie i temperatura skraplania mogą ulec znacznemu obniżeniu, co w efekcie mogłoby prowadzić do spadku zapotrzebowania na energię napędową. Spadek ten jest jednak w znaczącym stopniu ograniczany wymogiem stabilizacji zasilania parowników. Utrzymywanie ciśnienia skraplania na stałym poziomie jest więc przyczyną pogorszenia efektywności energetycznej systemów chłodniczych. Stanowi to asumpt do poszukiwań efektywnych metod poprawy tego stanu. Właściwym rozwiązaniem jest zatem zastosowanie takiego rozwiązania, przy którym uzyskuje się właściwą regulację zasilania parowników i możliwe jest dostosowanie ciśnienia skraplania tak, aby było ono jak najniższe dla danych warunków chłodzenia skraplacza.
    Skutecznym sposobem wyeliminowania konieczności stabilizowania poziomu ciśnienia skraplania na zbyt wysokim poziomie jest zastosowanie opracowanej przed około dziesięcioma laty metody podwyższania ciśnienia ciekłego czynnika przed zaworem rozprężnym za pomocą pompy ciekłego czynnika [4]. Metodę tę nazwano „Liquid Pressure Amplification” i określa się ją zazwyczaj skrótem LPA [1, 7, 8]. Ideowy schemat urządzenia pracującego w podstawowym systemie LPA wraz z obiegiem realizowanym w takim urządzeniu przedstawiono na rys. 2. (...)

Zalety rozwiązania
    Zastosowanie częściowej recyrkulacji (na zgrubnie oszacowanym poziomie wynoszącym około 10% całkowitego strumienia masy czynnika) może prowadzić dodatkowo do korzystnych efektów, związanych z poprawą pracy skraplacza oraz precyzyjną regulacją zasilania parowników chłodniczych w układach wieloparownikowych. Można pokusić się o stwierdzenie, iż system przedstawiony na rys. 3. stanowi próbę wykorzystania możliwości związanych z zastosowaniem pompy w układzie ciekłego czynnika chłodniczego. Stanowi on zatem racjonalizację rozwiązania przedstawionego na rys. 2. Korzyści wynikające z zastosowania takiej konfiguracji wynikają bezpośrednio z analizy obiegu przedstawionego na rys. 4. Spodziewanymi zasadniczymi korzyściami są zatem:
● obniżenie jednostkowej technicznej pracy sprężania wynikającej z obniżenia ciśnienia skraplania;
● zwiększenie jednostkowej wydajności chłodniczej;
● poprawa pracy skraplacza z uwagi na spadek ciepła przegrzania, czyli zwiększenie strefy skraplania właściwego, o korzystnych warunkach wymiany ciepła;
● obniżenie temperatury końca sprężania, która jest jednym z najbardziej kluczowych parametrów mających wpływ na trwałość sprężarki;
● uzyskanie precyzyjnego oraz stabilnego zasilania parowników chłodniczych szczególnie w zmiennych temperaturowo warunkach otoczenia. (...)