6.4. Urządzenia chłodnicze niskotemperaturowe

6.4.1. Rodzaje urządzeń

Wszystkie urządzenia chłodnicze buduje się w celu otrzyma­nia niskich temperatur. Jednakże niska temperatura jest poję­ciem względnym. W klimatyzacji np. jest to temperatura niższa od 0°C, a w fizyce temperatura zera bezwzględnego równa jest -­273°C. Tutaj umownie za niską uważa się temperaturę niższą od -46°C.

Do otrzymywania niskich temperatur służą dwa podstawowe rodzaje urządzeń chłodniczych: sprężarkowe wielostopniowe i ka­skadowe.

6.4.2. Urządzenia chłodnicze sprężarkowe wielostopniowe

Jak podano w p. 6.1.1., temperatura w parowniku zależy od właściwości fizycznych czynnika chłodniczego oraz od ciśnienia za zaworem dławiącym (ciśnienie parowania p_p). Im niższą tem­peraturę parowania trzeba osiągnąć, tym niższe powinno być ciś­nienie parowania. Ciśnienie skraplania p_s (w skraplaczu) zależy od temperatury czynnika chłodzącego. Miarą ekonomiczności pra­cy każdej chłodziarki jest stosunek
. Im jest on większy, tym bardziej nieekonomicznie pracuje chłodziarka. Tłumaczy się to tym, że w razie dużej wartości
zwiększają się straty ciśnienia w sprężarce, co powoduje spadek jej wydajności oraz wzrost oporów przepływu czynnika chłodniczego w zaworach sprężarki. Jeżeli stosunek
jest bardzo duży, to sprężarka w ogóle przestaje zasysać czynnik chłodniczy. Najekonomiczniej pracują chłodziarki, w których
nie przekracza 8. Jeżeli skraplacz chłodzi się tradycyjnie wodą, kiedy temperatura skraplania t_s = 30°C i
= 8, to można osiągnąć temperaturę parowania t_p = -25°C podczas chłodzenia amoniakiem i t_p = -30°C w razie chłodzenia freonem 12.

W celu osiągnięcia niskich temperatur, zamiast omówionych chłodziarek z jedną sprężarką (jednostopniowych), stosuje się urządzenia o dwóch lub więcej liczbie sprężarek, zwane chło­dziarkami wielostopniowymi. Cechą charakterystyczną dla chło­dziarki tego typu jest wielostopniowe sprężanie czynnika chłod­niczego, co sprawia, że każdy z cylindrów sprężarki pracuje w warunkach stosunkowo niewielkiej wartości
< 8.

Schemat chłodziarki dwustopniowej przedstawiono na rys. 6-23.

Sprężarka niskoprężna SN zasysa z parownika P₁, parowy czynnik chłodniczy o ciśnieniu p_p1 i o temperaturze t_P1; spręża­jąc go do wartości ciśnienia międzystopniowego p_p2 przetłacza do chłodnicy międzystopniowej CM. Po drodze do chłodnicy CM parę ochładza się w chłodnicy wodnej CW.

W chłodnicy CM para oddaje ciepło parującemu czynnikowi ciekłemu dopływającemu z zaworu dławiącego R₁, wskutek cze­go zostaje oziębiana do temperatury t_p2 odpowiadającej ciśnie­niu p_p2.

Po zdławieniu w zaworze dławiącym R₁ do ciśnienia p_p2 część czynnika ciekłego przepływającego z dochładzacza D przechodzi do parownika P₂ skąd po odparowaniu wraca do chłodnicy mię­dzystopniowej CM. Reszta czynnika po zdławieniu w zaworze dławiącym R₂ przepływa do parownika P₁, gdzie odparowuje w warunkach ciśnienia p_p1 oraz w temperaturze t_p1. Sprężarka wy­sokoprężna SW przetłacza wytwarzającą parę w chłodnicy mię­dzystopniowej do skraplacza K, skąd po skropleniu w warunkach ciśnienia skraplania p_s czynnik ciekły przepływa do zaworu dła­wiącego R₁.

Rys. 6-23. Schemat chłodziar­ki dwustopniowej

SN - sprężarka niskoprężna, SW - sprężarka wysokoprężna, CW - chłodnica czynnika (wodna), CM - chłodnica międzystop­niowa, D - dochładzacz, R₁ - za­wór dławicy I stopnia rozpręże­nia, R₂ - zawór dławiący II stop­nia rozprężania, P₁ - parownik o niskiej temperaturze, P₂ - pa­rownik o wysokiej temperaturze

Chłodnica międzystopniowa spełnia jednocześnie funkcję skraplacza (w drugim stopniu sprężania - przez sprężarkę SN od ciśnienia p_p1 do p_p2) oraz parownika (w pierwszym stopniu sprężania - od ciśnienia p_p2 do p_s).

Oczywiście wartość
w pierwszym stopniu sprężania oraz
w drugim stopniu sprężania są tak dobrane, aby były mniej­sze od 8.

Ciśnienie parowania p_p1 w parowniku P₁ jest niższe od ciś­nienia parowania p_p2 w parowniku P₂. A więc parowanie czynnika chłodniczego w parowniku P₁ odbywa się w niższej tempera­turze niż w parowniku P₂.

W urządzeniach chłodniczych dwustopniowych można osiąg­nąć temperaturę parowania około -55°C dla amoniaku oraz oko­ło -65°C dla freonu.

Zasada urządzeń chłodniczych trzystopniowych jest taka sama jak dwustopniowych. Różnią się one liczbą sprężarek (trzy za­miast dwóch) oraz chłodnic międzystopniowych. Urządzenie chłodnicze o liczbie stopni sprężania większej niż trzy stosuje się bardzo rzadko.

Stosowanie urządzeń chłodniczych wielostopniowych umożli­wia otrzymanie temperatur około -101°C.

6.4.3. Urządzenia chłodnicze kaskadowe

Praca urządzenia chłodniczego z jednym czynnikiem chłodni­czym, podobnie jak w urządzeniach jedno- i wielostopniowych, wymaga stosowania wysokiej różnicy ciśnień między ciśnieniem skraplania p_s stopnia pierwszego a ciśnieniem parowania p_pos stopnia ostatniego. Dla wielu czynników chłodniczych powoduje to konieczność utrzymywania w niskich temperaturach parowa­nia bardzo małego ciśnienia parowania, ca jest związane z prze­dostawaniem się powietrza do urządzenia. Aby tego unik­nąć oraz zmniejszyć różnicę ciśnień p_s - p_pos stosuje się urządzenia chłodnicze kaskadowe pracujące z różnymi czynni­kami chłodniczymi, o właściwościach fizycznych najbardziej od­powiednich dla z góry określonych temperatur parowania kolej­nych stopni. Schemat typowego kaskadowego urządzenia chłod­niczego przedstawiono na rys. 6-24.

Rys. 6-24. Schemat kaskadowego urządzenia chłodniczego (dwuczynniko­wego) [13]

1 - sprężarka obiegu stopnia wyższego, 2 - skraplacz, 3 - zawór dławiący, 4 - ­wymiennik ciepła (skraplacz-parownik). 5 - zawór dławiący, 6 - parownik, 7 - sprężarka obiegu stopnia niższego

Stanowi ono połączenie dwóch chłodziarek jednostopniowych, z których każda pracuje z innym czynnikiem chłodniczym, lecz z jednym wspólnym wy­miennikiem ciepła - parownikiem-skraplaczem. Obieg czynnika obsługiwany sprężarką 1 jest obiegiem stopnia wyższego, obsługiwany zaś sprężarką 7 obiegiem stopnia niższego. Wymien­nik ciepła 4 dla obiegu stopnia niższego jest skrapla­czem, dla obiegu stopnia wyższego zaś - parownikiem. Chło­dziarka obiegu stopnia wyższego w wymienniku ciepła wytwa­rza zimno, które jest wykorzystywane do skraplania w nim pa­rowego czynnika chłodniczego w obiegu stopnia niższego. A więc w tym wypadku chłodziarka stopnia niższego pracuje w niskiej temperaturze skraplania czynnika chłodniczego. Jednakże do osiągnięcia w parowniku chłodziarki stopnia niższego niskich temperatur parowania jest konieczne stosowanie czynników chłod­niczych o ciśnieniu wystarczająco wysokim i bardzo niskich tem­peraturach wrzenia. Tylko w tym wypadku urządzenie będzie pracować bez próżni; a więc do urządzeń kaskadowych czynniki chłodnicze dobiera się zależnie od żądanego przedziału tempera­tur parowania i skraplania. Zazwyczaj dla chłodziarek stopnia niższego stosuje się freon 13, freon 23 lub etan; odznaczają się one wysokimi ciśnieniami skraplania i niską temperaturą wrzenia w ciśnieniu atmosferycznym. W kaskadowych urządzeniach chłod­niczych można osiągnąć praktycznie temperaturę około -101°C.

1

28

---