Współczesne rozwiązania urządzeń chłodniczych są przedmiotem intensywnych badań mających za cel zmniejszenie zużycia energii. Stosowanie Europejskich Etykiet Energetycznych, które są zbiorem najważniejszych danych o urządzeniui pozwalają na łatwe porównanie kilku urządzeń z tej samej grupy (np. chłodziarek), czy wprowadzenie w normie PN–EN 378 zaleceń dotyczących stosowania dla oceny urządzeń wskaźnika TEWI [3], są przykładem działań podjętych przez kraje UE, a skierowanych na ograniczenie zużycia energii i wpisujących się w obecny trend ochrony środowiska. Stąd wynikają aktualne tendencje w budowie oziębiaczy powietrza, które dotyczą: intensyfikacji przepływu ciepła, zmniejszenia masy oziębiacza, zmniejszenia zużycia energii przez wentylator oraz doskonalenia systemów odszraniania [1]. Jednak w wielu urządzeniach chłodniczych i pompach ciepła nadal stosuje się energochłonny system elektrycznego odszraniania oziębiaczy powietrza [8]. Wynika to po części z przestarzałych propozycji firmowych, niewielkiej troski projektantów o koszty eksploatacji urządzeń, czy pomijanie stałej tendencji wzrostu cen energii elektrycznej. Najnowsze rozwiązania pozwalają na znaczne zmniejszenie zużycia energii na proces odszraniania, a tym samym na poprawę wskaźnika efektywności urządzenia (COP). 

Wpływ szronienia na oziębiacze powietrza
     Odszranianie chłodnic powietrza następuje zawsze, gdy na ich powierzchni utworzy się warstwa szronu (lub lodu), a to ma miejsce, gdy temperatura ich powierzchni jest równa lub niższa od 0°C. W komorach chłodniczych para wodna wytrącająca się w postaci szronu na powierzchni wymiennika pochodzi z:
● przechowywanych produktów zawierających wodę,
● przedostaje się do pomieszczenia z powietrzem podczas załadunku czy rozładunku,
● przenikania przez izolowane cieplnie ściany pomieszczeń.

     Dwie pierwsze przyczyny mają najczęściej największy wpływ na strumień masy pary wodnej. W powietrznych pompach ciepła źródłem wilgoci jest powietrze otaczające. W zależności od parametrów otoczenia, rodzaju i ilości przechowywanych produktów oraz warunków eksploatacji komory chłodniczej strumienie pary mogą rosnąć lub maleć. Oczywiście zależy to również od pór roku, okresów napływu ładunków, cyrkulacji towaru w chłodni. Ważne jest w tym przypadku trafne przewidywanie funkcji danej chłodni, czy będzie to chłodnia do przechowywania długotrwałego towaru czy chłodnia o dużej cyrkulacji towaru, czy też chłodnia przystosowana do szybkiego oziębiania dużej ilości produktów. Nasuwa się oczywiście pytanie, jakie będzie obciążenie mocą chłodniczą danej komory chłodniczej. Kolejnym elementem oceny musi być stosunek powierzchni Az oziębiaczy powietrza (chłodnic powietrza) do mocy chłodniczej φo, z którego wynika wielkość różnicy temperatury wrzenia to i w komorze tch. Ważne jest też to, że warstwa szronu istotnie pogarsza współczynnik przenikania ciepła k nowoczesnych wysokowydajnych oziębiaczy powietrza. Dobierając powierzchnie wymiany ciepła Az musimy jeszcze uwzględnić podziałkę żeber „t”. W przypadku małej podziałki żeber „t” cykle odszraniania muszą występować dużo częściej.
     Reasumując, dobranie powierzchni oziębiacza powietrza wpływa w decydujący sposób na częstość cykli odszraniania. W zależności od przeznaczenia komory chłodnicy konieczne jest uwzględnienie:
● wielkości strumienia ciepła konwekcyjnego,
● wielkości strumienia masy pary wodnej.

     Komory chłodnicze służące do oziębiania dużych mas „wilgotnych” produktów powinny pracować przy małych różnicach temperatur ∆t = 4–6 K przy podziałce użebrowania t > 7 mm. Komory przechowalnicze gdzie spodziewany jest stosunkowo mały strumień masowy szronu mogą mieć większe różnice temperatur ∆t > 8 K i podziałki użebrowania t ≈ 5 mm. Problemy znacznej różnicy obciążeń cieplnych oziębiaczy powietrza np.: w okresie letnim i zimowym najlepiej rozwiązać stosując kilka mniejszych oziębiaczy w komorze. Wpływa to również korzystnie na realizację procesu odszraniania obniżając obciążenie cieplne komór w tym okresie.

Sprawność odszraniania
(...)

Wpływ odszraniania na obiekty chłodnicze
     Dokonując wyboru systemu odszraniania w danym obiekcie, projektant powinien uwzględniać przewidywaną częstotliwość i sposób realizacji procesu, ponieważ wpływa on na:
● całkowite zużycie energii przez urządzenie ziębnicze,
● możliwość wykorzystania różnie cennej energii cieplnej (może pochodzić z urządzenia ziębniczego jako ciepło odpadowe lub ze źródeł zewnętrznych np.: energia elektryczna lub cieplna),
● sprawności energetyczną odszraniania,
● wahania temperatury i wilgotności powietrza w komorach chłodni,
● wahania ciśnienia powietrza w komorach chłodni,
● powstanie strat cieplnych wywołanych wypływem i napływem powietrza z otoczenia (zależnie od nieszczelności pomieszczenia),
● intensyfikację procesu szronienia powierzchni innych oziębiaczy (wzajemne oddziaływanie odszraniania i szronienia),
● ograniczenie ilości jednocześnie odszranianych parowaczy w urządzeniach z większą ilością parowaczy,
● wydajność ziębniczą i sprawność energetyczną urządzenia ziębniczego,
● wydajność grzewczą i sezonową efektywność powietrznej pompy ciepła (COP).

     Wpływ cyklu odszraniania na obciążenie cieplne komór chłodniczych ukazuje przedstawiony na rysunku 1 histogram obciążeń cieplnych komory mięsa magazynu prowiantu jednostki morskiej [5]. Z histogramu wynika, że cykl odszraniania powoduje szczytowy przyrost obciążenia cieplnego. Wartość tego obciążenia zależy nie tylko od zastosowanego systemu, ale również od czasu, w jakim realizowany jest proces. Można zauważyć, że przesuniecie cyklu z godziny 2 w nocy np. na 6 rano przyczyni się do znacznego wzrostu szczytowego obciążenia komory.
     Na rysunku 2 ukazano przebieg rzeczywistych temperatur powietrza w komorze chłodniczej podczas normalnej pracy urządzenia [5]. W analizowanym przypadku proces odszraniania realizowany jest systemem elektrycznym. Podczas cyklu obserwujemy skokowy przyrost temperatury powietrza w komorze chłodniczej o ponad 30 K, co wynika z dużych obciążeń cieplnych komory w czasie cyklu.
     Nowoczesne systemy odszraniania, w których chłodnice powietrza na czas trwania odszraniania są izolowane od przestrzeni komory poprzez zamknięcie wlotu i wylotu powietrza, mają przypuszczalnie wyższą sprawność [6]. Jednak w literaturze brak jest dokładnych danych doświadczalnych o rzeczywistej sprawności odszraniania w takich systemach.
(...)

Nowe rozwiązanie powietrznej pompy ciepła
     Analiza działania nowego rozwiązania powietrznej pompy ciepła według polskiego patentu ma na celu ukazanie zalet rozwiązania, szczególnie w przypadku urządzeń intensywnie szroniących się, a tym samym i często odszranianych. Do takich przypadków należy zaliczyć oczywiście ziębiarki (oziębiacze powietrza) odszraniane 1 lub więcej razy na dobę i okresowo parowacze powietrznych pomp ciepła. Zakres zastosowań wynalazku dotyczy urządzeń z parowaczami i skraplaczami chłodzonymi powietrzem: małej lub średniej mocy – wielkość komór np: samochodów chłodni, okrętowych magazynów prowiantu, kontenerów chłodniczych, monobloków, itd. Korzystne efekty zastosowań wynalazku wystąpią oczywiście w dowolnych komorach chłodniczych, w których występuje szronienie powierzchni oziębiaczy powietrza, a skraplacze chłodzone są powietrzem.
     Nowe rozwiązanie pompy ciepła wyróżnia się tym, że ma dwa kanały wentylacyjne. W każdym z kanałów znajduje się jeden wymiennik ciepła, który w zależności od cyklu pracy pełni funkcję skraplacza lub parowacza. Każdy kanał wyposażony jest w 4 przepustnice, które łączą kanały z obsługiwanym pomieszczeniem lub otoczeniem. Wentylatory wewnętrzny i zewnętrzny zasilają naprzemiennie powietrzem wymienniki ciepła w kanałach K1 i K2.
     Na rysunku 3 przedstawiono schemat ilustrujący cyrkulację powietrza w kanałach oraz rozmieszczenie przepustnic powietrza. W ścianach kanałów od strony wewnętrznej zainstalowane są wewnętrzne przepustnice powietrza łączące kanały z pomieszczeniem (odpowiednio przepustnice kanału: K2 4,3 oraz kanału K1 8,7). W ścianach zewnętrznych tych kanałów zainstalowane są zewnętrzne przepustnice powietrza łączące kanały z otoczeniem (odpowiednio przepustnice kanału: K2 6,5 oraz kanału K1 9,10). Urządzenie wyposażone jest w system regulacji i sterowania umożliwiający stałą kontrolę i weryfikację parametrów oraz warunków pracy.

     Dużą zaletą nowego rozwiązania jest zwarta budowa urządzenia. Na rysunku 4 przedstawiono fotografie nowego urządzenia powietrznej pompy ciepła zbudowanego w Katedrze Klimatyzacji i Transportu Chłodniczego WTM Politechnik Szczecińskiej.
(...)

Cykle pracy
     Najogólniej, praca opatentowanego rozwiązania powietrznej pompy ciepła z okresową zamianą ról wymienników ciepła zawiera cykle pracy grzania i odszraniania (przełączenia). Cykl grzania (szronienia) jest określony wzrostem grubości warstwy i masy szronu na powierzchni parowacza powietrznej pompy ciepła. Czas szronienia parowacza zawiera w sobie dwa podokresy: działania i postoju, analogicznie jak w konwencjonalnych rozwiązaniach pomp ciepła.
     Na rysunku 6 przedstawiono porównanie cykli pracy typowego rozwiązania powietrznej pompy ciepła z odszranianiem [2] oraz nowego rozwiązania powietrznej pompy ciepła. W nowym rozwiązaniu obserwujemy wzrost czasu pracy urządzenia, który wynika ze skrócenia cyklu. Ponadto, parowacz nowej powietrznej pompy, nie musi być specjalnie przystosowany do odszraniania, może posiadać mniejszą podziałkę żeber w porównaniu z dotychczas stosowanymi wymiennikami.
(...)

Wnioski
     Przewidywane efekty zastosowania wynalazku:
● skrócony zostanie czas oszraniania,
● wzrośnie maksymalny czas pracy pompy ciepła o ~3–10% zależnie od częstości odszraniania i czasu pracy oziębiacza,
● nastąpi znaczne zmniejszenie zużycie energii na odszraniania powierzchni parowacza,
● wzrośnie wydajność cieplna QG urządzenia w wyniku przyrostu czasu pracy oziębiacza.

     Efekty zastosowania wynalazku rosną z częstością odszraniania, im częściej na dobę będą cykle odszraniania tym większe przyniesie to korzyści energetyczne i ekonomiczne. 

wydanie 10/2007 

CZYTAJ CAŁOŚĆ, ZAMÓW PRENUMERATĘ:

TRADYCYJNĄ                         E-WYDANIE