Niniejszy artykuł przeznaczony jest dla osób zajmujących się diagnostyką termowizyjną i niekoniecznie znającymi termodynamiczne podstawy funkcjonowania obiegów chłodniczych. Z tego powodu przy opisie zagadnień diagnostyki termowizyjnej, przedstawiono w nim w przystępny sposób również podstawową wiedzę dotyczącą działania urządzeń chłodniczych.

Stosując kamery termowizyjne w diagnostyce cieplnej zazwyczaj poszukujemy miejsc, w których występują, nieuzasadnione z technicznego punktu widzenia, stany cieplne na powierzchni badanego obiektu. W przypadku zewnętrznej diagnostyki budynków czy też rurociągów cieplnych są to miejsca o podwyższonej temperaturze, natomiast przy diagnostyce wewnętrznej budynków będą to miejsca o nadmiernie niskiej temperaturze. W każdym z tych przypadków mamy jednoznacznie określony stan cieplny, który klasyfikujemy jako niepoprawny i wymagający interwencji w skrajnych sytuacjach. Najczęściej interwencja ta będzie polegać na poprawie stanu izolacyjności cieplnej badanego obiektu.

W przypadku badania instalacji chłodniczych sytuacja jest inna, ponieważ równocześnie i w bezpośrednim sąsiedztwie mogą się znajdować elementy (instalacje) dla których stanem normalnym będzie temperatura wyższa lub niższa od temperatury otoczenia. Z tego względu, przystępując do termowizyjnego badania stanu instalacji chłodniczej należy zidentyfi kować poszczególne elementy tej instalacji i określić jaką rolę one pełnią podczas jej eksploatacji. W przypadku instalacji chłodniczych, zwłaszcza o niezbyt dużej wydajności, a w związku z tym prostszej konstrukcji, jest to zadanie łatwiejsze niż w przypadku dużych instalacji. Procesy chłodzenia w instalacjach klimatyzacyjnych są identyczne jak w chłodziarkach. Realizuje się je jednak w zakresach nieco wyższych wartościach temperatury, co osiąga się poprzez odpowiedni dobór parametrów termodynamicznych w poszczególnych punktach obiegu i zastosowanie odpowiednich czynników roboczych.

Z wymienionych powodów, przed przystąpieniem do badania wskazane jest dokonanie identyfikacji badanej instalacji celem rozpoznania jaką rolę w pracy badanej instalacji pełnią poszczególne elementy składowe, w tym połączenia rurociągowe, wymienniki ciepła i inne. Jeśli chodzi o połączenia rurowe to mogą one służyć zarówno do transportu czynników gorących jak i zimnych. O ile nie mamy kłopotu z interpretacją nadmiernej straty ciepła (czyli straty energii), która występuje na przykład przy uszkodzonej izolacji cieplnej, to w przypadku uszkodzenia izolacji cieplnej rurociągu do przesyłania zimnego czynnika może wystąpić problem. Wskutek bowiem niedostatecznej izolacji czynnik ten będzie się podgrzewał, czyli zyskiwał energię, zatem żadna strata energii nie występuje, a wręcz zysk (ujmując matematycznie strata energii jest ujemna). Można się spotkać z potocznym określeniem, że nastąpiła „strata zimna”. Nie jest to ścisłe określenie, ponieważ podgrzanie się czynnika chłodniczego o jeden stopień w zakresie od temperatury -30°C do temperatury -29°C będzie bardziej „bolesne” niż podobne podgrzanie w zakresie temperatury -20°C÷-19°C chociaż w obu przypadkach ilość pochłoniętego ciepła będzie taka sama (zakładając stałość ciepła właściwego podgrzewanego czynnika). Wszyscy natomiast zgodzą się z tym, że nastąpiła pewna strata (pogorszenie) właściwości chłodniczych nośnika chłodu. Ilościowo i jednoznacznie stratę tę można ocenić posługując się wielkością zwaną egzergią [1]. Dla podanych powyżej zakresów przyrostu temperatury przy niepożądanym podgrzewaniu się czynnika chłodniczego, strata egzergii będzie większa w przypadku czynnika zimniejszego. Dzieje się tak dlatego, ponieważ czynnik chłodniejszy jest lepszym czynnikiem chłodzącym, zatem jakościowo więcej tracimy.

Na co dzień nie posługujemy się pojęciem egzergii, jednakże audytorzy termowizyjni powinni o tym pamiętać, że strata z tytułu niepożądanego podgrzewania się czynników chłodniczych jest tym dotkliwsza (większa jest strata egzergii) im niższa jest temperatura tego czynnika. Oczywistym jest, że straty egzergii w układach chłodniczych wywołują w następstwie przyrost zużycia energii (tym samym stratę energetyczną) niezbędnej do napędu układu chłodniczego tym większy im większa jest strata egzergii.

Właściwości obiegu chłodniczego

Istnieje wiele różnych realizacji obiegów chłodniczych, nazywanych w termodynamice obiegami lewobieżnymi. Najczęściej stosowanymi są jednak obiegi parowe sprężarkowe charakteryzujące się prostotą budowy i stosunkowo wysoką sprawnością (efektywnością) energetyczną. Z tej przyczyny posłużono się tym obiegiem dla przedstawienia podstawowych cech obiegów chłodniczych. Schemat tego obiegu przedstawiono w uproszczonej wersji na rysunku 1, zaś na rysunku 2. przedstawiony został w uproszczeniu schemat przemian termodynamicznych jakim podlega czynnik roboczy w czasie realizacji tego obiegu chłodniczego. Użyte kolory, jak również numeracja punktów w poszczególnych miejscach, odpowiadają sobie wzajemnie na wymienionych rysunkach.

Rys. 1. Schemat obiegu chłodziarki parowej sprężarkowej: S – sprężarka, S_k – skraplacz, Z – zawór dławiący, P – parowacz, Q_d – ciepło doprowadzane w parowaczu (efekt użyteczny chłodzenia), Q_w – ciepło odprowadzane z obiegu ziębiarki do otoczenia

Rys. 2. Przemiany termodynamiczne czynnika roboczego dla obiegu ziębiarki parowej sprężarkowej na wykresie we współrzędnych: ciśnienie-entalpia (energia czynnika): K – punkt krytyczny dla czynnika roboczego, T_ot – temperatura otoczenia

(...)

Przykładowe termogramy elementów układu chłodniczego

Na rysunkach 3–6 przedstawiono termogramy termowizyjne głównych elementów układu chłodniczego. Termogram na rysunku 3. przedstawia sprężarkę obsługującą instalację chłodniczą komory do przechowywania żywności, [2]. Widoczne jest także połączenie sprężarki ze skraplaczem. Zgodnie z tym co napisano wcześniej, rura łącząca nie jest izolowana cieplne. 

Rys. 3. Sprężarka w instalacji chłodniczej obsługującej komorę chłodniczą o objętości 25 m³

Na rysunku 4 przedstawiono natomiast sprężarkę zainstalowaną w obiegu chłodniczym małej mocy. Widoczne są przewody doprowadzające zimną parę do sprężarki (przewód zaizolowany) i przewód odprowadzający czynnik roboczy po sprężeniu. Przewód odprowadzający sprężony czynnik jest także zaizolowany cieplnie na odcinku od sprężarki do punktu pomiaru temperatury, aby zapewnić poprawność tego pomiaru, ponieważ instalacja ma charakter doświadczalny. 

Rys. 4. Sprężarka w doświadczalnej instalacji chłodniczej małej mocy

Z kolei na rysunku 5, przedstawiono termogram skraplacza chłodzonego za pomocą wymuszonego wentylatorami przepływu powietrza. Jest to skraplacz w stanie bezpośrednio po uruchomieniu, dlatego nagrzane są tylko górne partie rur. Temperatura czynnika roboczego po sprężeniu osiąga poziom 90°C. Przewód doprowadzający czynnik do skraplacza nie jest zaizolowany i ma dobre warunki do ochładzania się. Instalacja pracuje na niepełnej wydajności, ponieważ są uruchomione tylko dwa wentylatory.

Rys. 5. Skraplacz chłodzony powietrzem z układem wentylatorów

Ostatni przykład (rys. 6.) przedstawia termogram parowacza w chwilę po uruchomieniu instalacji. Wyraźnie widać jego niesymetryczną pracę. Jest to spowodowane zastosowanym systemem zasilania, ponieważ czynnik roboczy doprowadzany jest tylko z jednej strony.

Rys. 6. Parowacz zainstalowany w komorze chłodniczej

Podsumowanie

Artykuł dotyczy diagnostyki termowizyjnej elementów instalacji chłodniczych. Wszystkie rozważania oparto na obiegu chłodniczym parowym sprężarkowym, który ze względu na swoje liczne zalety jest układem najczęściej stosowanym. Tak jak wspominano, z założenia artykuł jest zaadresowany do osób zajmujących się diagnostyką termowizyjną i w związku z tym niekoniecznie znających zasady funkcjonowania obiegów chłodniczych. Z tego powodu w artykule zawarto również podstawową wiedzę na temat budowy i specyfiki działania chłodziarek parowych sprężarkowych. Poznanie tych zasad choćby w podstawowym zakresie i uzupełnieniu tej wiedzy własną wyobraźnią, powinno pomóc osobom przeprowadzającym diagnostykę termowizyjną instalacji chłodniczych w prawidłowej ocenie ich stanu technicznego i ewentualnym wskazaniu sposobów poprawy ich funkcjonowania.

dr inż. Tadeusz KRUCZEK
Instytut Techniki Cieplnej,
Politechnika Śląska

LITERATURA
[1] SZARGUT J.: Termodynamika techniczna. Wyd. Politechniki Śląskie, Gliwice, 2008.
[2] KRUCZEK T.: Serwis urządzeń chłodniczych z użyciem kamer termowizyjnych. Chłodnictwo i Klimatyzacja, nr 11, 2011, s.52-55.