Systemy i układy kaskadowe z reguły są stosowane w zakresie temperatury od -70°C do około -120°C i poniżej (skraplanie gazów). Zastosowanie w powyższym zakresie układów wielostopniowych jest z punktu widzenia ekonomicznego jak i sprawności systemu nieopłacalne.

Rys. 1. Schemat typowego ukladu kaskadowego v1

Na stosowanie w powyższym zakresie układów kaskadowych zamiast wielostopniowych główny wpływ mają bardzo niskie ciśnienia ssania, których wartość znajduje się poniżej wartości ciśnienia atmosferycznego. Poza tym, dla niektórych czynników chłodniczych, można zbliżyć się do ich temperatury zamarzania (tabela 1). Dla przykładu podam, że najniższe projektowane ciśnienie ssania dla sprężarek tłokowych wynosi około 10 kPa. Bardzo niskie ciśnienie ssania (głębokie podciśnienie) w układach chłodniczych prowadzi do wielu komplikacji technicznych, związanych głównie z trudnością zapewnienia instalacji szczelności. Jest to szczególnie ważne w przypadku dużych wielostopniowych systemów chłodniczych. W przypadku nawet niewielkiej nieszczelności, sprężarka zassie powietrze wraz z wilgocią w nim zawartą, co jest bardzo niepożądane.

Innym problemem związanym z bardzo niską temperaturą parowania czynnika w części niskotemperaturowej układu chłodniczego jest fakt, że w tak niskiej temperaturze (poniżej -70°C) objętość właściwa czynnika jest bardzo wysoka. Jak pamiętamy, objętość właściwa czynnika chłodniczego na ssaniu sprężarki decyduje o jej wymiarach (średnica tłoka, ilość cylindrów). W związku z tym, wysoka objętość właściwa czynnika chłodniczego automatycznie powoduje, że sprężarka staje się fizycznie bardzo duża. Warto wspomnieć, że obecnie stosowany w niskim stopniu czynnik chłodniczy (R508B) ma ponad 10-krotnie wyższą objętość właściwą par nasyconych w -45°C niż na przykład R12.

Kolejną niedogodnością stosowania układów jedno- lub wielostopniowych dla super niskich wartości temperatury może być przypadek, w którym dobierzemy czynnik chłodniczy mający w parowniku ciśnienia wyższe od ciśnienia atmosferycznego. Jeżeli dobierzemy taki czynnik, musimy się liczyć z bardzo wysokimi ciśnieniami skraplania, które wymagają dużo grubszych ścianek przewodów rurowych i wzmocnionych pozostałych elementów układu chłodniczego.

Jak z powyższego widać, z termodynamicznego i ekonomicznego punktu widzenia, układy kaskadowe zdecydowanie przewyższają układy jedno- i wielostopniowe. Poza tym, układy kaskadowe przewyższają układy wielostopniowe, gdyż posiadają dwa oddzielne systemy chłodnicze, które mają różne czynniki chłodnicze i różne sprężarki – problem wyrównania poziomu oleju w sprężarkach nie istnieje. Natomiast niedogodnością układów kaskadowych jest ich nieco większa złożoność, która wymaga większego nakładu pracy na ich budowę oraz, co jest może istotniejsze, zużycie energii układów kaskadowych może być w niektórych przypadkach wyższe niż w układach wielostopniowych. Wynika to z faktu, że w układzie kaskadowym niskotemperaturowy układ pracuje przy wyższej temperaturze skraplania od temperatury parowania części wysokotemperaturowej. Proces ten odbywa się w skraplaczo-parowniku, w którym T_sk>To.

Zasadnicze różnice pomiędzy układem wielostopniowym i kaskadowym (...)

Analiza układu kaskadowego (...)

Modyfikacja układów kaskadowych (...)

Dobór czynnika chłodniczego, sprężarek i skraplaczo-parownika

Rys. 2. Przebieg procesu kaskadowego w ukladzie wspolrzednych Cisnienie – Entalpia

Czynniki chłodnicze
W pierwszej kolejności musimy zdecydować się na wybór czynnika chłodniczego jakiego chcemy użyć, tak w części wysokiej kaskady, jak i w części niskiej kaskady. Wybór czynnika zależy praktycznie od parametrów pracy urządzenia kaskadowego. Będzie to więc w pierwszej kolejności projektowana temperatura wewnętrzna urządzenia. Musimy również pamiętać o warunkach otoczenia, w jakich urządzenie z układem kaskadowym będzie pracować. Warunki zewnętrzne są z reguły bardzo stabilne, gdyż urządzenie kaskadowe jest w zdecydowanej większości przypadków zainstalowane w pomieszczeniu klimatyzowanym (laboratoria) lub w pomieszczeniu o stabilnej temperaturze.

W chwili obecnej, kiedy czynniki z grupy CFC i HCFC zostały wyeliminowane, pozostają nam do zastosowania czynniki z grupy HFC lub czynniki chłodnicze naturalne z grupy HC. W części wysokotemperaturowej zalecałbym zastosowanie czynnika R404A lub R507, natomiast w części niskotemperaturowej czynnik R508B lub etylen R1150 (C2H4). Ze względu na ograniczone możliwości zastosowania czynnika R1150, w układach kaskadowych dominuje czynnik R508B. Wynika to z ogólnych zasad bezpieczeństwa i norm. Znając czynnik chłodniczy jaki użyjemy w naszym układzie kaskadowym, możemy przystąpić do doboru sprężarek. Przy czym musimy pamiętać o jednej bardzo ważnej i istotnej rzeczy. Mianowicie, żaden z producentów sprężarek nie produkuje sprężarek na czynnik R1150, czy też na czynnik R508B. W tym przypadku musimy pójść na kompromis (nie forsować wydajności energetycznej układu, gdyż jest to niemożliwe przy braku właściwej sprężarki) i dobrać sprężarkę, która jest zaprojektowana na czynnik R507/R404A.

Sprężarki
Dobór sprężarek układu kaskadowego należy zacząć od doboru sprężarki kaskady niskotemperaturowej. Znając niezbędną wydajność urządzenia kaskadowego, jak i wymaganą temperaturę parowania, używamy wykresu Ciśnienie – Entalpia (lub stabelaryzowanych własności termodynamicznych wybranego czynnika chłodniczego), celem określenia parametrów par czynnika chłodniczego na ssaniu sprężarki. Bedzie to punkt (9) na rysunku 2. Pamiętajmy, że przegrzanie par nie powinno być niższe od 2°C. Z reguły przegrzanie powinno zawierać się pomiędzy 2 a 5°C. Punkt (9) na wykresie ciśnienie – entalpia (lub tabela własności czynnika) pozwoli nam na wyznaczenie podstawowych parametrów niezbędnych do doboru sprężarki. Będą to:
• temperatura,
• ciśnienie,
• entalpia,
• najważniejszy parametr – objętość właściwa (m³/kg).

Poza tym musimy wyznaczyć parametry czynnika w punkcie (13) na rysunku 2. Znajomość parametrów czynnika w punkcie 13 jest niezbędną do wyliczenia jednostkowej wydajności chłodniczej (kcal/kg) niskotemperaturowej części kaskady. Znając wyżej wymienione parametry, łatwo wyliczymy niezbędną objętość skokową sprężarki niskiego stopnia kaskady.

Bazując na wydajności skokowej, dobieramy sprężarkę, która w naszym przypadku była projektowana na czynnik chłodniczy R507/R404A. Ponieważ dobrana sprężarka nie jest przeznaczona do współpracy z czynnikiem R508B lub R1150, sprężarka ta nie otrzyma gwarancji jak i atestu od producenta. O atest będzie musiał postarać się producent urządzenia. Znając parametry ssania czynnika przez sprężarkę i używając wykresu ciśnienie – entalpia, wyznaczamy końcowy punkt sprężania, punkt (10) na rysunku 2. Znając parametry końca sprężania, określamy parametry dochłodzonej cieczy czynnika chłodniczego (12) na rysunku 2. Mając wyznaczone parametry punktów (10) i (12), jak i jednostkowe natężenie przepływu czynnika (wydajność skokową sprężarki), łatwo wyliczamy niezbędną do skroplenia czynnika wydajność skraplacza. Znając, wydajność niezbędną do skroplenia czynnika niskotemperaturowego możemy wyznaczyć wydajność parownika układu wysokotemperaturowego, która powinna być równa wydajności niezbędnej do skroplenia czynnika niskotemperaturowego. Wiedząc, że temperatura parowania powinna być kilka stopni niższa od temperatury skraplania, wyliczamy łatwo punkt (2) na rysunku 2. Znając niezbędną wydajność chłodniczą sprężarki (jest to wydajność parownika) jak i parametry punktu (2), dobieramy standardową sprężarkę na czynnik R507/R404A, bazując na niezbędnej wydajności skokowej.

Skraplaczo-parownik
W skraplaczo-parowniku następuje wymiana ciepła pomiędzy skraplającymi się parami czynnika części niskotemperaturowej i parującym czynnikiem części wysokotemperaturowej. Jak wspomniałem wcześniej, aby istniała równowaga termodynamiczna tego wymiennika, ciepło skraplania powinno być równe ciepłu parowania (wzór (2)). Znając wyliczoną niezbędną wydajność skraplania i parowania, dobieramy wymiennik ciepła. Z reguły, ze względu na wysoką sprawność termodynamiczną jak i wysoką jakość, dobiera się płytowe wymienniki ciepła wykonane ze stali nierdzewnej. Warunkiem ich prawidłowej pracy jest zapewnienie bardzo dobrej izolacji cieplnej. Pamiętajmy, że temperatury są rzędu -40°C. W tym miejscu należy również wspomnieć o konieczności zastosowaniu akumulatora zainstalowanego na ssaniu sprężarki niskiego stopnia. Zasady doboru tego akumulatora są zgodne z ogólnymi zaleceniami znajdującymi się w katalogach producentów.

Rys. 3. Przyklad ukladu chlodniczego dwustoniowego-kaskadowego

Rozruch układu kaskadowego
Główna automatyka kontrolna to elementy rozprężne, termostaty i presostaty zainstalowane w obu częściach układu kaskadowego.

Bardzo ważną rzeczą, o której koniecznie trzeba pamiętać, jest właściwe zaprojektowanie procesu rozruchu układu kaskadowego, tak początkowego jak i już cyklicznie pracującego (włącz – wyłącz). Jak wiemy, w każdym dwustopniowym czy wielostopniowym systemie, sprężarki po włączeniu zaczynają pracować jednocześnie (startują w tym samym czasie). W układzie kaskadowym, proces startu sprężarek przebiega odmiennie niż w układach wielostopniowych. W układzie tym, w pierwszej kolejności włącza się sprężarka wysokiego stopnia. Po osiągnięciu wymaganej temperatury parowania włącza się dopiero sprężarka niskiego stopnia. Wynika to z faktu, że skraplaczo-parownik musi osiągnąć temperaturę niezbędną do skroplenia par wypływających ze sprężarki niskiego stopnia. Gdybyśmy pozwolili na jednoczesne włączenie obu sprężarek, ciśnienie czynnika w układzie niskotemperaturowym wzrosłoby poza dopuszczalne granice.

Autokaskady
Układy chłodnicze typu autokaskadowego zdecydowanie różnią się od układów kaskadowych. Zasadnicze różnice to:
• układ chłodniczy kaskadowy wyposażony jest w co najmniej dwie sprężarki. W zależności od wymaganej końcowej temperatury, ilość sprężarek może być większa od dwóch i jest równa ilości kaskad;
• układzie kaskadowym, w każdej kaskadzie pracuje inny czynnik chłodniczy. Tyle ile kaskad, tyle różnych czynników chłodniczych;
• wadą układów kaskadowych jest ich wysoka cena, kompleksowość jak i duże wymiary;
• układ chłodniczy autokaskadowy wyposażony jest tylko w jedną sprężarkę, której stosunek ciśnień tłoczenia i ssania jest wyższy od stosunku ciśnień układów standardowych i jest z reguły wyższy od stosunku sprężania zalecanego przez producenta dla danego typu sprężarki. W związku z powyższym, sprawność energetyczna tych układów jest niższa od układów standardowych i nieznacznie niższa od układów kaskadowych;
• układ chłodniczy autokaskadowy jest naładowany tylko jednym czynnikiem chłodniczym. Jest to zawsze mieszanina kilku czynników chłodniczych, których temperatury wrzenia różnią się miedzy sobą w sposób znaczący;
• główną zaletą układów autokaskaowych jest ich zwartość i możliwość osiągnięcia, przy użyciu jednej sprężarki i jednego czynnika chłodniczego (mieszaniny), temperatury skraplania gazów, np. tlenu czy azotu.

Z reguły, układy autokaskadowe stosowane są do skraplania małych ilości gazów. Budowane są one dla specyficznych odbiorców i projektowane, bazując na bardzo specyficznych wymaganiach stawianych przez odbiorcę. Podstawowe wymagania to rodzaj skraplanego gazu (głownie tlen) jak i wymagana wydajność skraplania (ilość kg/h). Bardzo uproszczony schemat układu autokaskadowgo przedstawia rysunek 4.

Rys. 4. Schemat ukladu autokaskadowego

Czynnik chłodniczy (...)

Sprężarka (...)

Praca autokaskady (...)

Wnioski
Układy kaskadowe powinny być stosowane w urządzeniach, których temperatura w objętości chłodzonej jest niższa od -70°C. Układy kaskadowe stosowane w ultra niskiej temperaturze (do około -110°C) mają dużą przewagę nad układami wielostopniowymi. Związane to jest z ich wyższą wydajnością chłodniczą i sprawnością, zwartą konstrukcją jak i niższą ceną od układów wielostopniowych. Poza tym, układy kaskadowe mogą pracować w szerokim zakresie temperatury, który jest zależny od zastosowanych czynników chłodniczych i ilości kaskad.

Jeżeli projektujemy małe urządzenie do skraplania gazów, zalecałbym zastosować układ autokaskadowy, którego charakterystyczną cechą jest to, że wyposażony jest w jedną sprężarkę, a w obiegu chłodniczym znajduje się mieszanina czynników chłodniczych, z reguły naturalnych, o dużej rozpiętości normalnej temperatury parowania. Ze względu na coraz powszechniejsze zapotrzebowanie na tlen dla osób cierpiących na schorzenia dróg oddechowych, autokaskady maja dużą przyszłość.