Standardowy sprężarkowy układ chłodniczy z reguły posiada jedną sprężarkę oraz jeden lub kilka parowników. Jeżeli taki układ chłodniczy pracuje w bardzo szerokim przedziale temperatury (T_s – T₀) lub innymi słowy w bardzo szerokim przedziale stosunku ciśnień (p_s/p₀), z reguły powyżej 6. To w takim przypadku należy bezwzględnie zaprojektować układ wielostopniowy.

Rys. 1. Schemat dwustopniowego układu chłodniczego i jego przebieg we współrzednych Temperatura – Entropia

Procesy sprężania i rozprężania są odpowiedzialne za główne termodynamiczne straty w jednostopniowym układzie chłodniczym. Straty te mogą być w zdecydowany sposób zredukowane jeżeli zastosujemy układ dwustopniowego sprężania z jednoczesnym dwustopniowym rozprężaniem, którego schemat jak i przebieg procesu w układzie Temperatura – Entropia pokazano na rysunku 1. Optymalne ciśnienie międzystopniowe (Pm), dzięki któremu układ dwustopniowy będzie wymagał jak najmniejszego zapotrzebowania na energię może być wyliczony z zależności:

P_m = √P_s P₀ (1)

W praktyce, ciśnienie międzystopniowe wyliczone ze wzoru (1) jest z reguły nieco niższe od ciśnienia jakie osiągniemy w rzeczywistym systemie chłodniczym. Różnica ta jednak jest bardzo mała i zależy od czynnika chłodniczego jak i od warunków pracy układu. Należy jednak o tym pamiętać i nie być zaskoczonym, testując urządzenie zauważymy te różnice.

W przypadku układów chłodniczych trzystopniowych, ciśnienia międzystopniowe wylicza sie z zależności:

P_m = ³√P_s² P₀ oraz ³√P_s P₀² (2)

Powody stosowania układów wielostopniowych
Jeżeli zwrócimy uwagę na przebieg krzywych nasycenia rożnych substancji, to zdecydowana ich większość charakteryzuje sie dodatnim nachyleniem tych krzywych w układzie T-s (rys. 2.). Jednym z wyjątków jest czynnik R113. W związku z powyższym, używając tych substancji, mamy do czynienia z dużymi stratami dławienia czynnika chłodniczego, w przypadku, kiedy obniżamy ciśnienie parowania przy jednoczesnym utrzymaniu tego samego ciśnienia skraplania. Jednocześnie, dla większości czynników chłodniczych temperatura par przy końcu procesu sprężania rośnie, jeżeli obniżamy temperaturę i ciśnienie parowania czynnika w parowniku (przy założeniu, ze temperatura skraplania jest taka sama – z czym mamy do czynienie we wszystkich praktycznych układach chłodniczych).

Obydwa wyżej omówione negatywne przypadki mogą być zredukowane, jeżeli użyje się dwustopniowe (lub w niektórych zastosowaniach – wielostopniowe) sprężanie z chłodnicą międzystopniową (rys. 3.). Jednocześnie wymagana jednostkowa ilość krążącego w układzie czynnika jest mniejsza. Przy standardowej temperaturze skraplania, używając jednostopniowy system chłodniczy, możemy zejść z temperaturą parowania do około -40°C, zaś w przypadku dwustopniowego sprężania, możemy obniżyć temperaturę parowania do około -60°C. Jeżeli użyjemy układ chłodniczy trzystopniowy, możemy osiągnąć temperaturę parowania do około -80°C. Jeżeli wymagana jest niższa temperatura parowania, musimy użyć wielostopniowy system chłodzenia, który ze względów ekonomicznych jest w większości przypadków nie zalecany.

Typowy układ dwustopniowy
Aby sprężarkowy dwustopniowy układ chłodniczy pracował prawidłowo, niezbędna jest chłodnica międzystopniowa umieszczona pomiędzy sprężarką wysokiego stopnia i sprężarką niskiego stopnia. W tym przypadku, przegrzanie par jest powiązane z dochłodzeniem cieczy. Stosując chłodnice międzystopniową, wydajność chłodnicza układu zdecydowanie wzrasta (wielkość q0 na rys. 1.), a straty rozprężania i przegrzania są zminimalizowane. Analizując ten proces dalej, możemy stwierdzić, że teoretyczna praca sprężania jest mniejsza (rys. 3.). Jest to wynikiem zastosowania chłodnicy międzystopniowej. W układzie chłodniczym rzeczywistym, straty sprężania będą również zredukowane jako wynik wyższej sprawności sprężania. Czynnik chłodniczy opuszczający sprężarkę niskiego stopnia wpływa do chłodnicy międzystopniowej skąd pary są zasysane przez sprężarkę wysokiego stopnia układu dwustopniowego. Stąd wniosek, że chłodnica międzystopniowa utrzymuje ciśnienie pośrednie (pm). Część czynnika chłodniczego opuszczającego skraplacz płynie do chłodnicy międzystopniowej, gdzie rozprężając się obniża swoje ciśnienie. Sprężarka wysokiego stopnia zasysa pary przegrzane. Przegrzane pary są sprężane przez sprężarkę wysokiego stopnia i doprowadzone do skraplacza, w którym oddając ciepło do otoczenia, ulegają skropleniu. Następnie skroplony czynnik przepływa poprzez zawór rozprężny do chłodnicy międzystopniowej, w której następuje dochłodzenie znajdującego się tam ciekłego czynnika chłodniczego. Dochłodzony ciekły czynnik płynie poprzez zawór rozprężny do parownika, z którego pary są zasysane przez sprężarkę niskiego stopnia.

Na poprawę parametrów pracy dwustopniowego układu chłodniczego w porównaniu z układem jednostopniowym pracującym w tym samym zakresie temperatury wpływa kilka czynników:
• pary tworzące sie w chłodnicy międzystopniowej są sprężane tylko w wysokim stopniu, tym samym obniża sie zapotrzebowanie mocy do napędu sprężarki,
• pary w chłodnicy międzystopniowej są dochładzane, podwyższając wydajność sprężarki,
• ponieważ stopień sprężania dla każdej sprężarki jest niższy od stopnia sprężania sprężarki jednostopniowej, to sprawność sprężania jest wyższa,
• całkowita objętość skokowa obu sprężarek jest niższa od objętości skokowej sprężarki pojedynczej, gdyż sprawność objętościowa sprężarki rośnie z obniżeniem stopnia sprężania,
• minimalne zapotrzebowanie mocy do napędu sprężarek osiągniemy poprzez zastosowanie jednostek o tym samym stopniu sprężania:

(m₁ h₂ + m₂ h₆) = (m₁ h₇ + m₂ h₃)

W związku z tym, że masowe natężenie przepływu czynnika wypływającego z parownika jest większe od masowego natężenia przepływu czynnika wypływającego z chłodnicy międzystopniowej, sprężarka rotacyjna jest często używana na niskim stopniu. Sprężarki te charakteryzują się możliwością przetłaczania większej ilości par.

Dla układów chłodniczych o małym obciążeniu cieplnym, można użyć sprężarkę dwustopniową. W sprężarkach tych, jeden zespól cylindrów przetłacza pary poprzez chłodnicę do drugiej grupy cylindrów. W efekcie mamy układ dwustopniowy o bardzo małych gabarytach.

Dobór sprężarek w układach dwustopniowych
W układach chłodniczych dwustopniowych, jak i wielostopniowych, użyty jest ten sam czynnik chłodniczy we wszystkich stopniach układu. Dochłodzony w międzystopniowej chłodnicy ciekły czynnik poprawia efektywność i wymianę ciepła w parowniku. Natomiast wymagania dotyczące różnicy temperatury mogą być wyeliminowane poprzez użycie wymiennika ciepła typu otwartego (chłodnica międzystopniowa), w którym czynnik wpływający (parametry 2 i 6 na rys. 1.) tworzy jednorodną mieszaninę. W systemie tym masowe natężenie przepływu czynnika przez sprężarki może być wyliczone na podstawie równowagi energii:

(m₁ h₂ + m₂ h₆) = (m₁ h₇ + m₂ h₃) (3)

Upraszczając powyższe równanie, otrzymujemy:

m₁/m₂ = (h₃ – h₆)/(h₂ – h₇) (4)

Wyliczając masowe natężenie przepływu, możemy dobrać sprężarkę, uwzględniając rodzaj czynnika chłodniczego i parametry pracy układu. Natomiast wymaganą wydajność chłodnicza układu dwustopniowego określimy z masowego natężenie przepływu:

m_m = wymagana wydajność chłodnicza/(h₁ – h₈) (5)

Przy użyciu chłodnicy międzystopniowej, do której wpływające składniki mieszają się jednorodnie (energia absorpcji jest osiągana poprzez parowanie), czynnik w wysokim stopniu jest taki sam jak czynnik w niskim stopniu i oba są w równowadze pod ciśnieniem Pm. Pozwala to na niewielką zmianę stosunku m1/m2 jak i ciśnienia Pm w zależności od warunków pracy (obciążenie cieplne zewnętrzne i wewnętrzne). W tym przypadku, wysoki stopień sprężania zasysa pary bliskie lub w stanie całkowitego nasycenia.

Rys. 3. Przebieg dwustopniowego procesu sprężania czynnika chłodniczego

Straty i sprawność układów dwustopniowych (...)

Układ chłodniczy trzystopniowy (...)

Rzeczywisty dwustopniowy układ chłodniczy z niezbędnymi elementami kontroli (...)

Uwagi końcowe
• W dwu- lub wielostopniowych układach chłodniczych mogą być użyte zarówno sprężarki tłokowe jak i sprężarki spiralne.
• Minimalne zapotrzebowanie mocy do napędu sprężarek w układzie dwu- i wielostopniowym osiąga się w przypadku, kiedy stopień sprężania w każdym stopniu układu jest taki sam.
• W układzie dwu- i wielostopniowy zainstalowana jest międzystopniowa chłodnica, która odbiera ciepło przegrzania par wytłaczanych przez sprężarkę niskiego stopnia.
• W chłodnicy międzystopniowej następuje dochłodzenie ciekłego czynnika chłodniczego, co wpływa na zwiększenie wydajności układu chłodniczego.
• Minimalna temperatura jaką można osiągnąć w układach dwui wielostopniowych zależy głownie od rodzaju użytego czynnika chłodniczego.

W przypadku potrzeby niższej temperatury, zamiast rozbudowanych systemów wielostopniowych zalecane są układy kaskadowe.

LITERATURA
[1] PITA G. E.: Refrigeration Principles and Systems, Business News Publishing Company, Troy, MI., 1991.
[2] THRELKELD J. L.: Thermal Environmental Engineering, Prentice Hall, Inc. Englewood Cliff s, N.J., 1970.
[3] WOOD B. D.: Application of Thermodynamics, Second Edition,Waveland Press Inc., Prospect Hights, IL., 1991. [4] ASHRAE Handbook: Refrigeration, SI Edition, Atlanta, GA 2002.
[5] DOSSAT R. J.: Principles of Refrigeration, Fourth Edition, Prentice Hall, Columbus, OH., 1997.
[6] WESOLOWSKI A.: Urządzenia Chłodnicze i Kriogeniczne oraz ich Pomiary Cieplne, WNT, Warszawa 1980.