Znając zagadnienia teoretyczne i pamiętając o nich, będziemy uzbrojeni w zdolność zaprojektowania optymalnego sprężarkowego układu chłodniczego, spełniającego założone wymagania.

Rys. 1. Przepływ ciepła i temperatury w systemie chłodniczym

W pierwszej części z serii artykułów na temat sprężarkowych układów chłodniczych omówione zostały teoretyczne aspekty tych układów. Czas na praktyczne ujęcie i rozwinięcie wielu zagadnień związanych z wyborem właściwych i jak najefektywniejszych elementów układu chłodniczego. Znajomość praw termodynamiki, szczególnie drugiego, otwiera drogę do analizy rzeczywistego sprężarkowego układu chłodniczego i zidentyfikowania źródeł nieodwracalności przebiegu procesów w nim zachodzących oraz ich zakresu i wielkości. Jednocześnie, daje możliwość właściwej selekcji optymalnych parametrów projektowanego cyklu chłodniczego z termodynamicznego punktu widzenia.

Charakterystyczną cechą układu chłodniczego, który projektujemy, jest zapewnienie przepływu ciepła z temperatury niższej do wyższej (rys. 1.). Układ powinien zapewnić wystarczającą wydajność chłodniczą i projektowaną temperaturę objętości chłodzonej, niezależnie od zmian temperatury otoczenia. Równowaga pomiędzy układem chłodniczym a jego obciążeniem cieplnym jest zapewniona poprzez właściwy dobór elementów układu chłodniczego i jego automatyki. W wielu przypadkach zapominamy o starannym doborze sterowania układem chłodniczym, na które składa się nie tylko kontrola temperatury i ciśnień, ale przede wszystkim kontrola masowego natężenia przepływu czynnika chłodniczego przez parownik. Podstawowe elementy układu chłodniczego to:
• sprężarka,
• skraplacz,
• element rozprężny,
• parownik,
• czynnik chłodniczy,
• połączenia rurowe i osprzęt.

Elementy te pracują w sposób od siebie niezależny. Naszym zadaniem jest ich właściwe powiązanie, tak aby pracowały wspólnie.
W rzeczywistym układzie chłodniczym musimy się liczyć z następującymi stratami:
• egzergii, związaną z różnicą temperatury w wymiennikach ciepła (parownik i skraplacz),
• przepływu czynnika chłodniczego,
• spadku ciśnienia spowodowanego oporami przepływu,
• wynikającymi z nieodwracalności procesu sprężania,
• związanymi z wytwarzaniem ciepła przez silnik elektryczny sprężarki,
• energetycznymi w silniku elektrycznym sprężarki,
• mieszania – w przypadku zastosowania w układzie chłodniczym mieszaniny (np. R407C).

Do określenia sprawności energetycznej systemu chłodniczego z reguły używamy współczynnika COP (Coefficient of Performance), który jest stosunkiem ilości ciepła pobranego w parowniku Q₀ do ilości zużytej energii, niezbędnej do napędu sprężarki W. Ponieważ zwykle wymagamy od systemu jak najwyższej wydajności chłodniczej, przy jak najniższym zużyciu energii, wysoka wartość współczynnika COP jest z reguły wymagana. Ta definicja COP może być użyta do każdego systemu chłodniczego, włączając system absorpcyjny. Wartość COP możemy również wyliczyć, używając jednostek z cyklu termodynamicznego. W tym przypadku COP będzie stosunkiem efektu chłodniczego Q₀ do ciepła sprężania czynnika chłodniczego Q_S. Ta definicja COP może być użyta tylko dla sprężarkowego systemu chłodniczego.
Bardzo ważnym aspektem projektowania systemu chłodniczego jest zwrócenie szczególnej uwagi na zminimalizowanie pobieranego przez system ciepła, jak również obniżenie do minimum różnicy temperatury skraplania i temperatury parowania. Minimalizacje pobieranego ciepła można osiągnąć przez:
• dobre izolowanie pomieszczenia chłodzonego,
• dobre izolowanie części chłodnych systemu chłodniczego (np. przewody chłodnicze),
• ograniczenie strat infiltracji ciepłego powietrza,
• dobranie wentylatorów o jak najniższej, ale niezbędnej do właściwej pracy systemu moc itp.

Natomiast obniżenie różnicy temperatury skraplania i parowania możemy osiągnąć poprzez:
• zastosowanie wymienników ciepła (skraplacz, parownik) o jak najlepszym współczynniku wymiany ciepła,
• właściwy dobór powierzchni wymiany ciepła,
• zminimalizowanie spadku ciśnienia w przewodach rurowych tłocznych i ssących itp.

Rys. 2. Rzeczywisty system chłodniczy z wymiennikiem ciepła ciecz – para ssąca (porównaj punkty z rys. 3.)

Rzeczywisty sprężarkowy system chłodniczy
W pierwszej części artykułu „Sprężarkowe układy chłodnicze. Podstawy” zostały omówione teoretyczne aspekty sprężarkowych systemów chłodniczych, ze szczególnym uwzględnieniem i omówieniem wszystkich czynników mających wpływ na prawidłową i efektywną pracę tych układów. Z termodynamicznego i praktycznego punktu widzenia główne ogniwa układu chłodniczego, takie jak: przegrzanie par, dochłodzenie cieczy, temperatura parowania, temperatura skraplania, rodzaj czynnika chłodniczego (czynnik pojedynczy czy mieszanina) mają znaczący wpływ na wydajność i efektywność układu chłodniczego. Jak wiemy, rzeczywisty układ chłodniczy, z którym mamy do czynienia w praktyce, różni się znacząco od układów teoretycznych, które charakteryzują się wyższą sprawnością energetyczną w porównaniu z układami rzeczywistymi.

Spadek ciśnienia w przewodach rurowych układu chłodniczego
Na rysunku 2. przedstawiony jest w sposób graficzny rzeczywisty układ chłodniczy z wymiennikiem ciepła para przegrzana – ciecz, którego przebieg w układzie współrzędnych ciśnienie – entalpia przedstawia rysunek 3. Dodatkowym ogniwem rzeczywistego układu chłodniczego, który nie był uwzględniony i omówiony wspólnie z układami teoretycznymi, jest spadek ciśnienia w przewodach rurowych. (...)

Dobór sprężarki i przewodów rurowych (...)

Wpływ elementów układu chłodniczego na jego sprawność (...)

Sprężarka (...)

Skraplacz (...)

Element rozprężny (...)

Parownik (...)

Czynnik chłodniczy (...)

Jednostopniowy układ transkrytyczny
Dwutlenek węgla (R744), ze względu na swoje własności termo- fizyczne, staje się coraz bardziej popularny w średnim (handlowym) chłodnictwie, szczególnie w supermarketach. Czynnik ten jest używany w bezpośrednich oraz pośrednich systemach chłodniczych. W tym drugim przypadku jest on stosowany jako czynnik pośredni (secondary refrigerant). Jeżeli R744 jest zastosowany w systemie kaskadowym, to z reguły używa się go w niskotemperaturowej części systemu kaskadowego. Ze względu na prostotę budowy systemów R744, jak również możliwość użycia standardowych elementów układu chłodniczego (tak bywało w niedalekiej przeszłości) układy chłodnicze z bezpośrednim chłodzeniem są najczęściej stosowane. Obecnie nie ma problemu ze znalezieniem elementów układu chłodniczego przeznaczonych wyłącznie do R744.
Jedną z wad CO₂ jest jego niska temperatura krytyczna, która wynosi 31°C. Jeżeli temperatura chłodzenia gazowego R744 w chłodnicy jest bliska temperatury krytycznej, wydajność i sprawność układu spadają. Jeżeli zastosujemy R744 w pompie ciepła, niska temperatura krytyczna R744 staje się jego zaletą.
Głównym problemem z szybszym wprowadzeniem do użycia R744 jest jego wysokie ciśnienie i praktycznie brak norm dostosowanych do możliwości użycia R744. Obecnie każdy system musi spełniać zalecenia i normy opracowane przed wprowadzeniem do użycia naturalnych czynników chłodniczych. CO₂ jako czynnik chłodniczy jest bezpieczny, jeżeli porównamy go do innych naturalnych i chemicznych czynników chłodniczych. W naturze, dwutlenek węgla znajduje się w atmosferze w stężeniu około 350 ppm (part per million – części w milionie). Wadą dwutlenku węgla jest jego bezwonność, dlatego pomieszczenia, w których pracują układy na CO₂, powinny być wyposażone w specjalne systemy alarmowe (obecnie łatwo dostępne na rynku). Granicą, której koncentracja dwutlenku węgla nie powinna przekroczyć, jest 5000 ppm. Ponieważ dwutlenek węgla ma większą gęstość od powietrza (jest cięższy od powietrza), sensory alarmowe powinny znajdować się blisko podłogi pomieszczenia.
Ze względu na wysokie ciśnienia pracy R744, instalacje z R744 powinny być wyposażone w upustowe zawory bezpieczeństwa. Pamiętajmy, że w temperaturze 25°C ciśnienie R744 może dojść do około 70 bar.

Zasadnicze zalety R744 to:
• CO₂ charakteryzują wysokie ciśnienia, w wyniku czego ma on wysoką gęstością par, co w konsekwencji prowadzi do znacznie wyższej objętościowej wydajności chłodniczej. Licząc z grubsza, objętościowa wydajność R744 jest około sześciokrotnie większa od objętościowej wydajności chłodniczej R22 w temperaturze -10°C. Przekładając to na język praktyczny, można powiedzieć, że elementy układu na R744 są mniejsze od elementów układu na np. R22 czy R134a. Projektowany na R744 system będzie więc mniejszy od naszego standardowego systemu (oszczędność materiału, mniejsze naładowanie czynnikiem i olejem, mniejsza sprężarka).
• wysokie ciśnienia R744 prowadzą do mniejszego spadku ciśnienia w przewodach, kształtkach i elementach układu chłodniczego. Efektem tego jest wyższe od standardowych układów COP.

Podstawowy układ chłodniczy na R744 przedstawia rysunek 4. Jest to najprostszy układ chłodniczy z dochłodzeniem par. Przebieg procesu chłodniczego z jego stratami w układzie temperatura- entropia pokazany został na rysunku 5.
Bardziej rozbudowany układ chłodniczy przedstawia rysunek 6. Jest to układ często zastosowany w supermarketach, w którym jedna sprężarka zasila czynnikiem kilka parowników. Na rysunku, dla jego uproszczenia, narysowano jeden parownik, który w praktyce jest zespołem parowników zasilanych równolegle, umieszczonych w kilku różnych urządzeniach chłodniczych supermarketu.
Poza wyżej omówionymi systemami bezpośredniego chłodzenia na R744, czynione są próby użycia R744 w systemach z chłodzeniem pośrednim (rys. 7.). W systemach tych, jako czynnika pośredniego użyto CO₂. Systemy pośrednie z CO₂ potwierdziły możliwość użycia tego gazu jako czynnika pośredniego, jednak całkowita sprawność energetyczna systemu pośredniego jest dużo niższa od sprawności energetycznej systemu bezpośredniego. Dodatkową niedogodnością układu pośredniego jest jego znacznie wyższy od systemu bezpośredniego koszt, gdyż wymaga on kilku dodatkowych i drogich elementów. Systemy pośrednie powinny być użyte w tych przypadkach, kiedy nie mamy możliwości zastosowania systemu bezpośredniego, co ma miejsce, kiedy odległość pomiędzy sprężarką a odbiorem chłodu (parownikiem lub parownikami) jest duża.

Rys. 3. Wykres rzeczywistego sprężarkowego systemu chłodniczego w układzie ciśnienie – entalpia

Sterowanie układów chłodniczych
Jednym z ważniejszych elementów procesu projektowania układu chłodniczego jest zapewnienie poprawnej zależności pomiędzy parownikiem i agregatem skraplającym, gdyż połączenie pomiędzy parownikiem i agregatem w układzie chłodniczym kreuje równowagę pomiędzy tymi częściami układu chłodniczego. Ponieważ wszystkie elementy układu chłodniczego są połączone szeregowo, masowe natężenie przepływu czynnika chłodniczego przez te elementy jest takie samo. Oznacza to, że wydajność wszystkich elementów jest z konieczności taka sama. Jeżeli uda nam się dobrać wszystkie elementy o tej samej wydajności, to mamy pewność, ze zachowana jest całkowita równowaga pomiędzy każdym elementem w projektowanym zakresie osiągów układu. Jeżeli natomiast nie dobierzemy właściwie elementów układu (elementy o tym samym masowym natężeniu przepływu), układ chłodniczy ustali sobie własną równowagę, różną jednak od projektowanej. Wówczas tracimy na sprawności systemu i jego osiągach. Dla każdego projektowanego systemu chłodniczego można określić punkt równowagi pomiędzy parownikiem i agregatem skraplającym za pomocą bardzo prostej metody graficznej. Jeżeli użyjemy danych producenta parownika i zastosujemy układ współrzędnych wydajność chłodnicza parownika – ΔT, a dla agregatu współrzędnych wydajność – temperatura ssania, to znajdziemy punkt równowagi układu chłodniczego (rys. 8.). Analizując równowagę systemu, musimy pamiętać o tym, że dla każdej temperatury przestrzeni chłodzonej istnieje ścisła zależność pomiędzy ΔT parownika i temperaturą ssania sprężarki. Znaczy to, że dla ustalonego ΔT istnieje tylko jedna temperatura ssania, która zapewnia projektowane parametry pracy układu. Aby prawidłowo przygotować analizę graficzną układu chłodniczego, należy:
• na osi pionowej wykresu nanieść wydajność agregatu skraplającego,
• na osi poziomej nanieść temperaturę ssania i ΔT (dodatkowa oś),
• używając danych katalogowych producenta agregatu skraplającego, nanieść jego wydajności na wykres (ponieważ wydajność agregatu skraplającego nie jest proporcjonalna do temperatury ssania, linia wydajności nie jest prosta lecz krzywa. Aby wykres był dokładny, nanosimy na niego wszystkie podane przez producenta punkty wydajności chłodniczej i odpowiadające im temperatury ssania, a potem łączymy te punkty),
• z katalogu producenta parownika nanosimy jego wydajność na wykres (ponieważ wydajność parownika jest proporcjonalna do jego ΔT, jest to linia prosta).

Na rysunku 7. widać, że jeżeli temperatura ssania wzrasta, ΔT parownika maleje. Wniosek z tego jest taki, że jeżeli temperatura ssania wzrasta, to wydajność parownika maleje, a wydajność agregatu rośnie i odwrotnie. Z rysunku tego również widać, że optymalna wydajność układu wynosi około 3950 W, przy ΔT około 2,5°C. Mając do dyspozycji powyższe dane, możemy stwierdzić, czy projektowany układ będzie pracował prawidłowo. Jeżeli z naszej analizy okaże się że nie, musimy albo zmienić agregat skraplający, albo do istniejącego agregatu skraplającego dopasować parownik (dane na rysunku 7. są fikcyjne).

Rys. 7. Pośredni układ chłodniczy na R744

Wnioski
Jednostopniowy układ chłodniczy jest najprostszym układem, który jest w stanie zapewnić utrzymanie żądanej temperatury w przestrzeni chłodzonej, z jednoczesną możliwością rożnych kombinacji projektowych. Zakres temperatury pracy waha się pomiędzy +15 a -40°C. Równowaga pomiędzy wydajnością projektowanego układu chłodniczego i obciążeniem cieplnym jest osiągana poprzez prawidłowy dobór poszczególnych elementów tego układu oraz poprawne zaprojektowanie systemu sterowania układem. Wpływ rożnych czynników na wydajność i sprawność jednostopniowego układu chłodniczego zostały również omówione i przedyskutowane. Mam nadzieję, że artykuł ten przedstawił w prosty sposób inżynierom projektantom układów chłodniczych znaczenie szczegółowej analizy pracy układu oraz zwrócił uwagę na ważne aspekty jego projektowania, które w końcowym efekcie podwyższają jego sprawność energetyczną, przy jednoczesnym wydłużeniu żywotności projektowanego systemu chłodniczego. Projektując, często mamy do czynienia z sytuacjami, w których element ekonomiczny jest ważniejszy od zapewnienia wysokiej sprawności energetycznej. Wybierając najtańszą opcję, musimy liczyć się z faktem, że trwałość i żywotność systemu jest krótsza, jego osiągi niższe, a koszty z tym związane w końcowym efekcie pokrywa użytkownik urządzenia. Zadaniem projektanta jest tak zaprojektować układ chłodniczy, aby był on wysoko sprawny, trwały i nie przekroczył planowanych kosztów. Nie jest to łatwe połączenie, ale w wielu przypadkach możliwe.

LITERATURA
[1] WESOŁOWSKI, A.: Urządzenia chłodnicze i kriogeniczne oraz ich pomiary cieplne. Wydawnictwa Naukowo Techniczne. Warszawa, 1980.
[2] BEHR, H. D.: Thermodynamik. Siebente Aufl ag. Springer-Verlag. Berlin/Heidelberg, 1989.
[3] LORENZEN, G.: Throtling. The International Haemorrhage of the Refrigeration Process. Proc. of Instytut of Refrigeration. 1983–1984.
[4] LORENZEN, G.: Use of Natural Refrigerants. IIR Meeting. Hannover, May 1994.
[5] 17th Informatory Note on Refrigerating Technologies. International Institute of Refrigeration. Paris, November 2003.
[6] Report of the UNEP Technology Panel. July 1989. Edited and Distributed by UNEP. Nairobi, Kenya.
[7] PITA, E. G.: Refrigeration Principles and Systems. Energy Approach. Business News Publishing Company. Troy, Michigan 1991.
[8] Preliminary Report of the AFEAS Panel on Domestic Refrigeration. AFEAS, Oak Ridge National Laboratory. May 1991.
[9] SAWALHA, S.: Using CO2 in Supermarket Refrigeration. ASHRAE Journal. August 2005.
[10] PLANK, R.: Handbuch der Kältetechnik. Bd. 6, Teil B. Wärmeaustauscher. Berlin, Springer 1988.
[11] SCHWARZKOPF, O.: Auslegung und Aufbau einer Supermarktkälteanlage für umweltverträgliche Kältemittel. DKV – Forschungsberichte. Nr 35. Mai 1992.
[12] GOSNEY, W. B.: Principles of Refigeration. Cambridge University Press. Cambridge. 1982.
[13] MACZEK, K., MIECZYŃSKI, M.: Chłodnictwo. Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej. Wrocław 1981