W niniejszej publikacji dokonano teoretycznej oceny strat dławienia w urządzeniach chłodniczych sprężarkowych. Zaproponowano oszacowanie tej wielkości oraz wzrostu COP wynikającego ze spadku stopnia suchości. Zamieszczono wyniki obliczeń teoretycznych strat dławienia dla naturalnych czynników chłodniczych, stanowiących alternatywę dla wycofanych czynników syntetycznych HCFC oraz aktualnie ograniczanych w stosowaniu czynników HFC. 

     Zagadnienie wpływu podstawowych parametrów roboczych na efektywność energetyczną obiegu chłodniczego jest podejmowane coraz częściej jako wciąż aktualny problem badawczy, zwłaszcza dla naturalnych czynników chłodniczych. Zagadnienie to staje się szczególnie aktualne obecnie z uwagi na tworzoną aktualnie dyrektywę dotyczącą stosowania gazów cieplarnianych (tzw. Dyrektywa F-Gases) [1], a także wprowadzone już regulacje zakazujące stosowania w nowych instalacjach czynników z grupy CFC oraz HCFC. Zasadnicze znaczenie posiada zatem ocena efektywności energetycznej czynników naturalnych, które wobec powyższej sytuacji stają się podstawową alternatywą jako płyny robocze w sprężarkowych urządzeniach chłodniczych. Jedną z najistotniejszych strat w tych urządzeniach jest strata dławienia. Przedmiotem referatu są zagadnienia oceny tej straty w sprężarkowych urządzeniach chłodniczych pracujących z naturalnymi czynnikami chłodniczymi.

Efektywność energetyczna urządzenia jednostopniowego
     Efektywność energetyczna jednostopniowego obiegu chłodniczego jest zdeterminowana własnościami czynnika roboczego. Oznacza to, że w aspekcie substytucji czynników syntetycznych jednym z zasadniczych problemów jest zagadnienie oceny poziomu efektywności energetycznej układu pracującego z perspektywicznym czynnikiem roboczym.
     Na rys. 1 zamieszczono porównanie wartości względnej efektywności energetycznej urządzenia chłodniczego jednostopniowego ε zdefiniowanej jako stosunek COP dla urządzenia pracującego z analizowanym czynnikiem do wartości COP dla urządzenia pracującego z czynnikiem R134a. Z zamieszczonego wykresu można wywnioskować, iż czynniki węglowodorowe posiadają zbliżoną efektywność energetyczną w odniesieniu do przyjętego za wzorcowy czynnika R134a. Efektywność ta w przypadku dwutlenku węgla (R744) jest na tyle niska, że jego zastosowanie wymaga podjęcia szeregu działań zmierzających do wyeliminowania najistotniejszych strat w układzie [2,3].

     Jednym z bardzo istotnych parametrów roboczych układu chłodniczego sprężarkowego jest dochłodzenie ciekłego czynnika przed zaworem regulacyjnym. Obniżenie temperatury skroplonego czynnika o ΔT_d jest związane z przekazaniem do otoczenia większej ilości ciepła, bowiem jednostkowa wydajność chłodnicza zwiększa się o wartość Δq_o równą jednostkowemu ciepłu dochłodzenia Δq_d. Oznacza to, że dochłodzenie ciekłego czynnika zawsze gwarantuje uzyskanie wyższych wartości COP.

Dochłodzenie ciekłego czynnika a strata dławienia
     Bezpośrednio z omawianą problematyką wiąże się zagadnienie strat dławienia [2]. Proces dławienia w zaworze rozprężnym jest przemianą nieodwracalną, podczas której czynnik traci możliwość wykonania pracy, pomimo, że jego poziom energetyczny reprezentowany wartością entalpii właściwej - nie ulega zmianie. Praca ta nie byłaby stracona, gdyby w układzie została zastosowana rozprężarka, w której ciecz nasycona ulegałaby izentropowej ekspansji od ciśnienia skraplania do ciśnienia parowania. Dodatkową stratą jest odparowanie większej ilości czynnika w zaworze regulacyjnym w porównaniu z rozprężarką. Zastosowanie dochłodzenia umożliwia częściowe odzyskanie tych strat. W wyniku dochłodzenia ulega bowiem obniżeniu stopień suchości czynnika na wlocie do parownika o wartość Δx = x₄ - x_4', gdzie 4 oznacza stan czynnika na wylocie z zaworu rozprężnego w warunkach bez dochłodzenia, zaś 4’ odpowiada temu stanowi dla warunków z dochłodzeniem. (...)

Ocena jednostkowej straty dławienia
     Proces dławienia jest stosowany powszechnie w urządzeniach chłodniczych parowych. W urządzeniach tych ciekły czynnik chłodniczy jest dławiony izentalpowo od ciśnienia skraplania do ciśnienia parowania. Proces dławienia jest typowym procesem nieodwracalnym, toteż znacznie korzystniejsze byłoby w tym przypadku zastosowanie rozprężarki ciekłego czynnika, mającej możliwość pracy w obszarze dwufazowym. Układ taki pokazano w sposób ideowy na rys. 5. W obiegu z rozprężarką COP_r jest zawsze większy w odniesieniu do obiegu z zaworem rozprężnym, gdyż:

     Aktualnie prowadzi się wiele prac badawczych w zakresie zastosowań rozprężarki w układach sprężarkowych w celu wyeliminowania procesu dławienia [6,7,8,9]. Szczególnie wiele prac koncentruje się nad aplikacją tego typu rozwiązania dla dwutlenku węgla, gdyż dla tego czynnika różnica ciśnień w układzie (p_k - p_o) przekracza nawet 100 bar, w związku z czym straty wynikające z dławienia ciekłego czynnika są tu szczególnie dotkliwe. Należy jednak podkreślić, że zastosowanie rozprężarki w układach chłodniczych jest jeszcze dalekie od praktycznej realizacji, przede wszystkim z uwagi na poważne trudności związane z opracowaniem konstrukcji rozprężarek o wystarczającej, z aplikacyjnego punktu widzenia, sprawności procesu rozprężania. 

wydanie 9/2007 

CZYTAJ CAŁOŚĆ, ZAMÓW PRENUMERATĘ:

TRADYCYJNĄ                         E-WYDANIE