W artykule przedstawiono opis i zasadę działania oraz wpływ procesu skraplania na pracę agregatu skraplającego. W opisie pracy agregatu skraplającego uwzględniono zjawisko obecności gazów inertnych, które mogą dostać się do instalacji chłodniczej w czasie niestarannego montażu pozostałych elementów obiegu chłodniczego (zawór rozprężny, parownik).

Agregat skraplający jest urządzeniem składającym się ze sprężarki, skraplacza (wodnego lub powietrznego), odolejacza, zbiornika czynnika chłodniczego, systemów zabezpieczeń sprężarki chłodniczej i armatury chłodniczej. Układy te sprzedawane są jako jednorodna konstrukcja, która po podłączeniu zaworu rozprężnego (z systemem sterowania) oraz parownika staje się kompletnym obiegiem chłodniczym. Agregaty sprężające mają z reguły niewielkie moce chłodnicze w zakresie do 30 kW. Dość rzadko spotykane są agregaty o większej mocy chłodniczej. Na rysunku 1 przedstawiono przykładowe agregaty skraplające firmy Bitzer.

Agregat skraplający powietrzny

Wpływ podniesionego ciśnienia skraplania na pracę agregatu skraplającego

Na pracę i wydajność energetyczną agregatu skraplającego ma wpływ wartość ciśnienia skraplania.

Przy założeniu, iż ciśnienie w parowniku jest na stałym poziomie, zmiana ciśnienia skraplania powoduje zmianę jednostkowej teoretycznej pracy sprężania z lt1 na lt2 oraz zmianę jednostkowej masowej wydajności chłodniczej z qo1 na qo2, a także powoduje pogorszenie sprawności układu chłodniczego. Rysunek 2 przedstawia wpływ ciśnienia skraplania na sprawność obiegu chłodniczego.

Agregat skraplający wodny

Wpływ zawartości gazów inertnych na pracę agregatu skraplającego

Jak już wspomniano wcześniej, jednym z najbardziej szkodliwych oddziaływań mogących wpływać na pracę agregatu skraplającego i jednocześnie w pewnym stopniu dającym się wyeliminować, jest udział gazu inertnego (powietrza). Poniżej przedstawiono wyniki badań przeprowadzonych dla agregatu skraplającego, w którym proces skraplania był realizowany z zawartością gazów inertnych. Rysunek 3 przedstawia wyniki badań wartości współczynnika przejmowania ciepła w zależności od strumienia ciepła przekazywanego w agregacie skraplającym oraz zawartości gazów obojętnych podczas skraplania. Wyraźnie widoczne są efekty związane z pogorszeniem współczynnika wymiany ciepła na skutek niewielkich zawartości gazów obojętnych w instalacji chłodniczej.

Przeprowadzone wstępne badania potwierdzają, że już dla niewielkiej ilości gazów inertnych następuje znaczący wzrost ciśnienia w układzie agregatu skraplającego. Nieprawidłowe napełnianie instalacji czynnikiem chłodniczym oraz nieprawidłowa eksploatacja urządzenia sprzyja obecności powietrza w instalacji. Rośnie również niebezpieczeństwo wystąpienia wycieku szkodliwych substancji z urządzenia chłodniczego.

Na rysunku 4 przedstawiono przykładowe rozkłady temperatury czynnika chłodniczego R404A wzdłuż drogi przepływu w wężownicy rurowej, dla trzech poziomów zawartości objętościowej powietrza 0%, 1,5% i 3%. W każdym przypadku można wyraźnie wyodrębnić trzy strefy wymiany ciepła, charakterystyczne dla skraplaczy stosowanych w urządzeniach chłodniczych. Pierwsza strefa charakteryzuje się gwałtownym obniżaniem temperatury czynnika, co związane jest z odbiorem ciepła pary przegrzanej w układzie jednofazowym (niekiedy z częściowym procesem skraplania). Druga strefa dotyczy skraplania właściwego (przemiana fazowa), kiedy temperatura czynnika ulega niewielkim zmianom wynikającym z oporów przepływu i poślizgu temperaturowego (L0% L1,5% L3%). W strefi e trzeciej powstała ciecz ulega dochłodzeniu.

Z uzyskanych pomiarów wynika, że wprowadzenie gazu inertnego do kanału skraplacza wydłuża drogę skraplania właściwego. Zauważa się również, w przypadku odbioru większych strumieni ciepła, wzrost ciśnienia skraplania czynnika chłodniczego, co oznacza spadek intensywności wymiany ciepła i pogorszenie jej warunków. Rysunek 3 przedstawia również wydłużenie strefy przemiany fazowej dla podobnych warunków skraplania. Wydłużanie strefy skraplania właściwego spowodowane jest zjawiskiem wzrostu oporu cieplnego, wywołanym procesem dyfuzji czynnika chłodniczego przez warstwę gazu inertnego.

Wyniki (...)

Podsumowanie

Uzyskane wyniki pomiarów jednoznacznie wskazują na potrzebę dbałości o zachowanie czystości i szczelności instalacji chłodniczej. W przypadku nawet niewielkiego jej zapowietrzenia wystąpią niekorzystne zmiany parametrów pracy mogące przyczynić się do uszkodzenia elementów układu chłodniczego oraz spadku sprawności i wydajności cieplnej całego obiegu chłodniczego. Należy zatem zwracać szczególną uwagę na wykonanie instalacji oraz jakość zastosowanych elementów armatury.

AUTOR:
Robert MATYSKO
– Instytut Maszyn Przepływowych – PAN, Zakład Termodynamiki