Znane z przeszłości układy chłodnicze pracowały na takich czynnikach chłodniczych, jak: R12, R22, R502, R134a, R404A. Charakteryzowały się one tym, że pojedynczy czynnik chłodniczy (np. R12, R22, R134a) oraz mieszaniny (R502) zachowywały się w parowniku i skraplaczu bardzo podobnie, właściwie jak pojedynczy czynnik chłodniczy.

Rys. 1. Wykres mieszaniny zeotropowej w układzie Temperatura – Skład

Mieszaniny czynników chłodniczych, zgodnie z normą ASHRAE, zostały podzielone na dwie zasadnicze grupy. Mieszaniny każdej z grupy zachowują się w wymienniku ciepła całkowicie odmiennie. Mianowicie:
• Mieszaniny azeotropowe zachowujące się w wymienniku ciepła w sposób różny od pojedynczego czynnika chłodniczego (rys. 1.) – proces parowania i skraplania przebiega w zmiennej temperaturze. Najlepszymi przykładami są czynniki: R404A, R410A, R407C itp. Ta grupa czynników zaczyna się cyfrą 4.
•  Mieszaniny azeotropowe, zachowujące się w wymienniku ciepła w sposób podobny do pojedynczego czynnika (rys. 2. – mieszanina o składzie a1), których proces parowania oraz skraplania przebiega w stałej temperaturze (tak jak pojedynczego czynnika). Są to: R502, R500, R508B itp. Ta grupa czynników zaczyna się cyfrą 5.

Przeanalizujmy, jak przebiega proces zmiany stanu skupienia mieszaniny zeotropowej (rys. 1.). Mieszanina ta jest pokazana w typowym układzie współrzędnych (temperatura – skład procentowy) i jest pod stałym ciśnieniem. Załóżmy, że zbiornik z zeotropową mieszaniną jest w stanie ciekłym , a jej skład jest określony jako a1 i znajduje się w temperaturze T0. Jest to punkt 0 na rysunku 1. Od chwili rozpoczęcia procesu podgrzewania mieszaniny jej temperatura rośnie. Momentem, w którym zaczynają się tworzyć pierwsze pęcherzyki pary czynnika, jest punkt wrzenia, oznaczony jako punkt 1. Linia, wzdłuż której odbywa się wrzenie mieszaniny (różna wielkość temperatury dla różnych składów), nazywa się linią wrzenia (dolna krzywa na rysunku 1.). Z chwilą utworzenia się pierwszego pęcherzyka, skład pęcherzyka pary nie będzie mieć tego samego składu co ciecz, z której powstał. Pary tego pęcherzyka będą bogatsze w czynnik bardziej lotny (o niższej temperaturze wrzenia). Tak więc w punkcie 1. skład mieszaniny będzie następujący:
• ilość składnika A mieszaniny określa punkt a1,
• ilość składnika B mieszaniny określa punkt b1.

Jeżeli w dalszym ciągu ciepło jest doprowadzane do mieszaniny, jej temperatura wzrośnie do T2 (punkt 2. na rysunku 1.). Skład par mieszaniny w punkcie 2. jest następujący:
• ilość składnika A mieszaniny określa punkt a2,
• ilość składnika B mieszaniny określa punkt b2.

Do mieszaniny w dalszym ciągu jest doprowadzane ciepło. Po pewnym czasie osiąga ona temperaturę T3. W punkcie tym odparowuje ostatnia kropla ciekłej mieszaniny. Skład tej ostatniej kropli mieszaniny jest następujący:
• ilość składnika A mieszaniny określa punkt a3,
• ilość składnika B mieszaniny określa punkt b3.

Rys. 2. Wykres mieszaniny azeotropowej w układzie Temperatura – Skład

Górną krzywą z rysunku 1., która jest zbiorem punktów wrzenia mieszaniny składników A i B, nazywamy krzywą skraplania.
Doprowadzając w dalszym ciągu ciepło do mieszaniny, osiągamy punkt 4., w którym skład mieszaniny w stanie gazowym jest identyczny ze składem mieszaniny w stanie ciekłym.
Powyższa analiza procesu wrzenia mieszanin zeotropowych jest bardzo ważna z punktu widzenia praktycznego. Mianowicie, jeżeli w układzie z mieszaniną zeotropową wykryjemy nieszczelność, wiadomo, że pozostała w układzie mieszanina jest uboższa o składnik o niższej temperaturze wrzenia (bardziej lotny). W takim przypadku nie wolno takiego układu doładowywać. Jeżeli wykryjemy nieszczelność, należy cały czynnik usunąć z układu i naładować go ponownie czynnikiem w stanie ciekłym. Tylko wtedy będziemy mieli pewność, że układ będzie pracował poprawnie i zgodnie z projektowanymi założeniami i wymaganiami. Wadą mieszanin zeotropowych jest ich skłonność do zmiany składu w czasie procesu parowania i skraplania. Jeżeli projektujemy system chłodniczy z mieszaniną zeotropową, wymiennik ciepła wymaga specjalnej uwagi, gdyż na przykład proces parowania przy tym samym ciśnieniu zaczyna się w niższej temperaturze, a kończy w wyższej (rys. 8.). Wymaga to zwiększenia powierzchni wymiany ciepła i zmiany wzoru przepływu czynnika przez wymiennik ciepła. Z drugiej strony, można tę cechę mieszanin zeotropowych wykorzystać, projektując wymiennikprzeciwprądowy, którego powierzchnia wymiany ciepła będzie nieco mniejsza od wymiennika standardowego (na pojedynczy czynnik chłodniczy).
W przypadku mieszaniny azeotropowej, ma ona jeden specyficzny dla każdej mieszaniny skład, w którym zachowuje się jak czynnik pojedynczy. Na rysunku 2. jest to skład a1/b1. Najlepszym przykładem tego typu mieszaniny jest czynnik chłodniczy R502, który składa się z R22 i R115. Azeotropowy skład czynnika R502 to 28,8 proc. R22 i 51,2 proc. R115. W tym składzie zachowuje się on jak czynnik pojedynczy. Nawet w tym przypadku, jeżeli zostanie wykryta nieszczelność, należy usunąć z systemu cały czynnik chłodniczy i naładować go nowym, w stanie ciekłym.
Obecnie, kiedy wyeliminowane zostały czynniki z grup CFC i HCFC i mówimy o wyeliminowaniu czynników z grupy HFC, możemy oczekiwać wprowadzenia alternatywnych układów chłodniczych, które powinny być w sensie termodynamicznym i sprawnościowym lepsze od układów dotychczas stosowanych. Układ chłodniczy sprężarkowy został wynaleziony w 1843 roku przez Anglika Jacoba Perkinsa. Składał się on z parownika zanurzonego w chłodzonym płynie, ręcznej pompy tłoczącej eter (czynnik chłodniczy), skraplacza i elementu rozprężnego.
Układ ten był zastosowany do produkcji lodu. Jego poważną wadą była możliwość eksplozji eteru w przypadku nieszczelności.
Dzisiejsze układy chłodnicze sprężarkowe muszą spełniać bardzo rygorystyczne i wysokie wymagania:
• niskie zużycie energii,
• małe wymiary,
• wysoka pewność działania,
• długa żywotność,
• wysoki poziom bezpieczeństwa,
• niski poziom głośności,
• łatwe w masowej produkcji,
• niski koszt,
• prosta konstrukcja,
• czynnik chłodniczy z ODP = 0 i GWP <150. (..)

Główne aspekty projektowania systemów chłodniczych sprężarkowych
Celem każdego systemu chłodniczego jest zapewnienie chłodzenia dzięki wymianie ciepła (parownik) pod stałym ciśnieniem. Oznacza to, że zgodnie z zasadami termodynamiki (pierwsza i druga), nastąpi obniżenie entropii chłodzonej objętości:

ds = dq/T = (d_i – v·dp)/T

Rys. 6. Cykl chłodniczy (a) i cykl pompy ciepła (b) we współrzędnych Temperatura – Entropia

Ta obniżka entropii musi być w jakiś sposób zbilansowana przez system chłodniczy. Jest to osiągnięte przez wzrost entropii czynnika chłodniczego. Tak dzieje się pod warunkiem, że entropia czynnika obniży się w wyższej temperaturze (skraplaczu). Ta cykliczna zmiana entropii i temperatury (pokazana na rysunku 6.) prowadzi w prosty sposób do projektowania systemów chłodniczych. Na rysunku 6. są przedstawione: idealny cykl chłodniczy i idealny cykl pompy ciepła. Najbardziej zbliżonym do idealnego cyklu Carnota będzie system chłodniczy z przeciwprądowymi wymiennikami ciepła. Trzeba sobie zdać sprawę, że w przypadku średniej wydajności systemów chłodniczych, w których z reguły mamy do czynienia z ożebrowanym wymiennikiem ciepła, ten wymóg jest niemożliwy do osiągnięcia.
Co w zamian? Jedynym rozwiązaniem w tej sytuacji jest specjalne zaprojektowanie przepływów czynnika w wymienniku ciepła. Nie da nam to pełnej równowartości z przepływem przeciwprądowym, ale w dużym stopniu zbliży nas do niego. Każdy inny wymiennik ciepła, różny od wymiennika ciepła przeciwprądowego, będzie charakteryzował się większą różnicą temperatury i większymi stratami egzegetycznymi.
Najbardziej energetycznie efektywne, z termodynamicznego punktu widzenia, są systemy Carnot, Lorenz, Ericsson, Stirling. Z praktycznego punktu widzenia każdy z nich wymaga jednak zmian konstrukcyjnych i zastosowania innego czynnika chłodniczego. Przebieg procesu wyżej wymienionych układów przedstawia rysunek 7.
Jak widać z rysunku, aby zapewnić pracę tym systemom, wymagana jest zmiana energii oraz objętości, różna dla każdego systemu. Pola na wykresach charakteryzują pracę niezbędną do napędu tych systemów. Bazując na wykresach z rysunku 7., można również wyliczyć ciepło absorbowane i wydalane przez układ (które jest również polem), używając wzoru:

q = ∫T·ds

Trzy systemy chłodnicze z rysunku 7., które charakteryzują się oddawaniem i pochłanianiem ciepła w stałej temperaturze (izotermy systemów Carnot, Ericson i Stirling), mają najwyższe COP. Trzeba jednak pamiętać, że projektując system chłodniczy, staramy się zrobić to tak, aby być możliwe jak najbliżej systemu teoretycznego. Zapewni to urządzeniu najwyższą możliwą sprawność i najlepsze parametry pracy.
Innym ważnym elementem projektowania systemu chłodniczego jest zwrócenie bacznej uwagi na niezbędną do prawidłowego przebiegu procesu objętość czynnika chłodniczego w systemie, który w końcowym efekcie odbierze (w parowniku) i wydali (w skraplaczu) projektowaną ilość ciepła. Nazywane jest to często „objętościową wydajnością chłodniczą czynnika” – qv. W tabeli 1. podano jej wartości dla różnych czynników chłodniczych. „Objętościową wydajność chłodniczą czynnika” można wyliczyć ze wzoru:

qv = q_o/v^”_o

w którym q₀ jest jednostkową wydajnością chłodniczą, a v^”₀ jest objętością cieczy nasyconej czynnika chłodniczego.

Jeżeli przyjrzymy się uważnie Tabeli 1., zauważymy, że dla tej samej wydajności chłodniczej ilość czynnika w systemie będzie różna dla rożnych czynników chłodniczych i najmniej go potrzeba w układzie z R744.

Dla systemów z izotermicznym pobieraniem i oddawaniem ciepła jednostkową wydajność chłodniczą można wyliczyć ze wzoru:

q_o = T_o ΔS

Równanie to pozwoli nam na wyliczenie masy czynnika (M) niezbędnej do prawidłowej pracy układu:

Q_o = M T_o ΔS

Z powyższego wzoru wynika, że różnica entropii (ΔS) powinna być jak największa. Jednak zbyt duża masa czynnika w systemie powoduje straty spadku ciśnienia, straty adiabatyczne itp. Jeżeli wybrany czynnik chłodniczy nie ma wystarczająco dużej ΔS, niezbędnej do osiągnięcia projektowanej wydajności, musimy zwiększyć masowe natężenie przepływu czynnika chłodniczego lub zwiększyć różnicę ciśnień (ssania i tłoczenia). W obu przypadkach zdani jesteśmy na straty energii systemu chłodniczego.
Przy projektowaniu nowych systemów chłodniczych, należy zawsze pamiętać o tym, że wysoka ΔS, związana ze zmianą stanu skupienia czynnika, jest jak najbardziej pożądana i zalecana. Prowadzi to do wymaganej mniejszej różnicy ciśnień, mniejszego masowego natężenia przepływu czynnika chłodniczego, a tym samym do osiągnięcia wyższej sprawności energetycznej.

System chłodniczy z mieszaniną zeotropową (...)

Wpływ temperatury parowania i skraplania na końcową wydajność chłodniczą (...)

Dochłodzenie czynnika chłodniczego (...)

Przegrzanie par czynnika chłodniczego w parowniku (...)

Podsumowanie
Powyżej zostały omówione teoretyczne aspekty projektowania systemów chłodniczych sprężarkowych. Celem każdego nowego projektu jest opracowanie i wykonanie systemu chłodniczego o jak najwyższej sprawności energetycznej. Obecne uwarunkowania techniczno-ekonomiczne pozwalają nam na dobór właściwych elementów systemu chłodniczego. Oczywiście, z termodynamicznego punktu widzenia, naszym zadaniem jest zaprojektowanie i wykonanie systemu jak najbardziej zbliżonego do systemu Carnota.
W kolejnych częściach tego cyklu postaram się omówić praktyczne aspekty projektowania sprężarkowych systemów chłodniczych.

LITERATURA
[1] 2001 ASHRAE Handbook, Fundamentals, SI Edition.
[2] CEREPNALKOVSKI I.: Modern Refrigerating Machines, Elsevier, Amsterdam, London, New York 1991.
[3] PLANK R.: Handbuch der Kältetechnik, Springer Verlag, Berlin 1954.
[4] HÜTTE: Des Ingenieures Taschenbuch, Teil B. Verlag von Wilhelm Ernst&Sons, 28. Auflage, Berlin 1960.
[5] KEHN T.H., GRONSETH R.E. 1986. The eff ect of nonazeotropic binary refrigerant mixture on the performance of a singular stage refrigeration cycle. Proceedings International Institute of Refrigeration Conference, Perdue University.

AUTOR:
Andrzej WESOŁOWSKI
– były pracownik Carrier, York i Embraco, USA