URZĄDZENIA DO

SZTUCZNEGO
CHŁODZENIA

Przygotowali:

Dla otrzymania niskich temperatur nie
osiąganych podczas chłodzenia naturalnymi
czynnikami chłodzącymi (woda, powietrze)
stosuje się sztuczny chłód, używany szeroko w:

• Przemyśle chemicznym (do skraplania par i gazów, do
rozdzielania mieszanin gazowych, do krystalizacji, do
odprowadzania ciepła reakcji itd.)

• W innych gałęziach gospodarki (przechowywanie i
przewóz produktów spożywczych, zamrażanie gruntu
przy budowie urządzeń podziemnych, klimatyzacji
powietrza i in.).

Obecnie do otrzymania bardzo niskich temperatur stosuje się w
technice następujące sposoby:
1.

Odparowywanie cieczy niskowrzących

. Tak, np. jeżeli odparowywać

ciekły amoniak pod ciśnieniem bezwzględnym 2 at, to ochłodzi się on
do temperatury wrzenia pod tym ciśnieniem (ok. — 20°C) i może
służyć jako czynnik chłodniczy do otrzymywania temperatur rzędu —
15°C. Z obniżeniem ciśnienia parowania osiąga się temperatury
jeszcze niższe.
2.

Rozprężanie w rozprężarce gazów sprężonych

. Gaz w procesie tym

wykonuje pracę zewnętrzną kosztem zmniejszenia swojej energii
wewnętrznej, wskutek czego jego temperatura obniża się.
3.

Dławienie sprężonych gazów i par

. Dławieniem nazywa się takie

rozprężanie gazu, gdy ciśnienie jego obniża się wskutek przepływu
przez przewężenie lub inną przeszkodą (np. przegrodę porowatą);
przy tym w odróżnieniu od procesu przebiegającego w rozprężarce
rozprężanie następuje bez wykonania pracy zewnętrznej. Dławienie
jest związane zwykle z obniżeniem temperatury.

Najstarszym sposobem sztucznego chłodzenia jest stosowanie
mieszanek chłodniczych (mieszaniny soli i niektórych innych
substancji z lodem), dających podczas topnienia niskie
temperatury. Mieszanina soli kuchennej z lodem (22% NaCl) daje
np. temperaturę -21°C, mieszanina chlorku wapniowego z lodem
(30% CaCl

2

) umożliwia uzyskanie temp. — 55

o

C

Umownie rozróżnia się:

1. chłodzenie umiarkowane

(do temperatur rzędu

— 100°C)

2. i głębokie

(do temperatur poniżej — 100°C).

Do chłodzenia umiarkowanego stosuje się
chłodziarki sprężarkowe, absorpcyjne i
strumieniowe. Do chłodzenia głębokiego
wykorzystuje się obiegi (cykle) chłodnicze,
polegające na dławieniu i rozprężaniu gazów w
rozprężarce.

PODZIAŁ CHŁODZIAREK:

• SPRĘŻARKOWE
• CHŁODZIARKI Z DOPROWADZENIEM
ENERGII CIEPLNEJ NA OTRZYMYWANIE
ZIMNA

Czynniki chłodnicze:

Do otrzymywania zimna w chłodziarkach sprężarkowych teoretycznie
mogą służyć pary dowolnej substancji. Czynniki chłodnicze powinny
jednak odpowiadać wielu warunkom znacznie zmniejszającym ich
liczbę.
Czynnikom chłodniczym stosowanym w chłodziarkach tłokowych
stawia się następujące wymagania:

1)

ciśnienie parowania powinno być wyższe niż atmosferyczne lub

zbliżone do niego, ponieważ łatwiej zapobiec przeciekom czynnika
chłodniczego niż zassaniu powietrza; przy pracy w próżni ciśnienie
bezwzględne parowania powinno być wyższe niż 0,1 at,

2)

ciepło parowania czynnika chłodniczego powinno być możliwie

duże, a objętość właściwa jego pary możliwie mała, co odpowiada
najmniejszym rozmiarom chłodziarki tłokowej,

3)

temperatura zamarzania czynnika chłodniczego powinna być

niższa niż temperatura parowania,

4)

czynniki chłodnicze nie powinny mieć własności korozyjnych i nie

powinny tworzyć z olejem smarnym związków utrudniających nor
malne smarowanie maszyny,

5)

czynniki chłodnicze nie powinny wywierać szkodliwego działania

na organizm ludzki i powinny być bezpieczne pod względem
przeciwpożarowym.

CHŁODZIARKI
SPRĘŻARKOWE

W maszynach tłokowych jako czynniki
chłodnicze stosuje się

• amoniak,
• dwutlenek siarki,
• dwutlenek węgla,
• chlorek metylu,
• freony,
• propan, etan i etylen (w niskich
temperaturach parowania poniżej — 70°C),

KONSTRUKCJA PAROWYCH CHŁODZIAREK
SPRĘŻARKOWYCH:

SPRĘŻĄRKI:

• Poziome o dwustronnym działaniu

• Pionowe współprądowe o jednostronnym działaniu

• O cylindrach ustawionych pod kątem (sprężarki widlaste)

SKRAPLACZE:

• Bateryjne
• skraplacze ociekowe z dolnym doprowadzaniem pary i pośrednim
odprowadzaniem kondensatu w kilku miejscach wzdłuż wysokości skraplacza

• pionowe skraplacze płaszczowo-rurkowe typu ociekowego z przepływem wody
przez rury

PAROWNIKI:

Najbardziej rozpowszechnione są parowniki z rurkami pionowymi i poziome
parowniki płaszczowo-rurkowe z przepływem solanki przez rury

l — zbiornik, 2 — mieszadło, 3
— kolektor, 4 — rury wygięte, 5
— rury cyrkulacyj-ne, 6 —
przegroda, 7 — otwory w
przegrodzie, 8 — odoliwiacz, 9
— izolacja

Parowniki z rurkami pionowymi składają się z sekcji rur
umieszczonych w

zbiorniku l

, w którym

mieszadło 2

wywołuje

krążenie solanki w zbiorniku. Każda sekcja jest wykonana z
dwóch poziomych

kolektorów 3

, złączonych ze sobą wygiętymi na

końcach

rurami 4

i pionowymi

rurami 5

o dużej średnicy. Ciekły

czynnik chłodniczy wypełnia dolny kolektor i większą część rur.
Krążenie czynnika chłodniczego następuje wskutek występującej
różnicy w jego ogrzaniu w rurach wygiętych i pionowych.

Obieg idealnej chłodziarki sprężarkowej

Największy współczynnik wydajności chłodniczej, tj. najmniejsze
zużycie energii osiąga się, jeżeli proces kołowy przebiega wg
obiegu wstecznego Carnota

I — sprężarka, II — skraplacz, III — rozprężarka, IV — parownik

w

sprężarce I

pary poddaje się sprężaniu adiabatycznemu (proces

przy S = const, linia 1-2). W

skraplaczu II

następuje skraplanie par

w stałej temperaturze T

k

(linia 2-3). Ze skraplacza czynnik

chłodniczy dostaje się do

rozprężarki III

, w której następuje

adiabatyczne rozprężanie (linia 3-4) z częściowym odparowaniem
cieczy. Następnie czynnik chłodniczy odparowuje w

parowniku IV

w

stałej temperaturze To (linia 4-1) i powraca do stanu wyjściowego
(punkt 1)

Obieg rzeczywistej chłodziarki sprężarkowej

l — sprężarka, II — skraplacz, III — zawór regulacyjny, IV —
parownik, V pompa do solanki, VI — aparat zużywający zimno

Punkt l leżący na krzywej granicznej i odpowiadający
ciśnieniu parowania p

o

wyobraża stan czynnika

chłodniczego przed sprężarką. Linia 1-2 (skierowana
wzdłuż S = const) przedstawia sprężanie par czynnika
chłodniczego w sprężarce, przy czym punkt końcowego
sprężania 2 odpowiada ciśnieniu skraplania p

k

. Linia 2-

3 (pozioma, odpowiadająca pk = const) przedstawia
proces zachodzący w skraplaczu, przy czym odcinek 2-
2' wyraża oziębienie pary przegrzanej do temperatury
skraplania, odcinek 2'-3' odpowiada skraplaniu pary w
stałej temperaturze; odcinek 3'-3 wyraża proces
dochłodzenia cieczy; punkt 3 leży na izotermie,
odpowiadającej temperaturze dochłodzenia tj. Linia 3-4
(pionowa) odpowiadająca i = const wyraża proces
dławienia od ciśnienia Pk do p

o

, a linia 4-1 (pozioma)

odpowiadająca p

o

= const — proces parowania

czynnika chłodniczego w parowniku.

ZASADA DZIAŁANIA

Zalety przedstawionego obiegu

:

•

brak uderzeń hydraulicznych

• zmniejszenie strat podczas wymiany ciepła
między czynnikiem chłodniczym a ściankami
cylindra
• zwiększenie objętościowego współczynnika
spręża nia sprężarki

Wielostopniowe chłodziarki sprężarkowe

W niskich temperaturach parowania lub wysokich
temperaturach skraplania, stopień sprężania (stosunek
p

k

/p

o

) par czynnika chłodniczego w sprężarce staje się

znaczny, co prowadzi do nagłego obniżenia
współczynnika objętościowego. Chłodziarki amoniakalne
pracują zadowalająco przy stopniu sprężania nie
wyższym niż 8—9. Przy większych stopniach sprężania
przechodzi się do chłodziarek dwu-i trójstopniowych.

jednostopniowe chłodziarki

amoniakalne stosuje się w temperaturze

t

o

powyżej — 25°C;

w temperaturze to od — 25 do — 50°C stosuje się

chłodziarki

dwustopniowe

,

a w temperaturze t0 °d —50 do — 70°C używa się

chłodziarki

trójstopniowe

.

Pary czynnika chłodniczego spręża się w cylindrze niskiego ciśnienia do ciśnienia
pośredniego p

pośr

i przez

chłodnicę I

wprowadza do

naczynia międzystopniowego II

. W

naczyniu tym para przeciskając się przez warstwę ciekłego czynnika chłodniczego
ochładza się do temperatury, odpowiadającej nasyceniu pod ciśnieniem p

pośr

. Ochłodzenie

par osiąga się kosztem odparowania pewnej ilości czynnika chłodniczego w naczyniu
międzystopniowym. Z

naczynia II

pary są zasysane do cylindra wysokiego ciśnienia, gdzie

spręża się je do ciśnienia skraplania P

k

-

Pary wchodzą następnie do

skraplacza III

, gdzie skraplają się. Ciecz przepływając przez

pierwszy zawór regulacyjny ulega zdławieniu do ciśnienia p

posr

i wchodzi do naczynia

międzystopniowego. Część czynnika chłodniczego w

naczyniu //,

jak podano wyżej,

odparowuje i wpływa do cylindra wysokiego ciśnienia; pozostała część czynnika
chłodniczego ulega zdławieniu przepływając przez drugi zawór regulacyjny do ciśnienia
parowania p

o

i wchodzi do

parownika IV

, z którego pary zostają zassane do cylindra

niskiego ciśnienia.

Obieg dwustopniowej chłodziarki
sprężarkowej

Schemat obiegu kaskadowego
l — sprężarka amoniakalna, 2 — sprężarka freonowa, 3 — parownik freonu, 4, 6 —
zawory regulacyjne, 5 — skraplacz-parownik, 7 — skraplacz amoniaku

Obieg kaskadowy

CHŁODZIARKI Z DOPROWADZENIEM ENERGII CIEPLNEJ
NA OTRZYMYWANIE ZIMNA

Chłodziarki absorpcyjne

Schemat chłodziarki absorpcyjnej:

1-generator, 2 — skraplacz, 3 — zawór
regulacyjny, 4 — parownik, 5- absorber, 6
— zawór przelotowy, 7 — pompa, 8 —
wymiennik ciepła

Stosowanie chłodziarek absorpcyjnych jest celowe w przypadku
istnienia w zakładzie przemysłowym ciepła odpadowego (para
odlotowa, gazy spalinowe) oraz przy konieczności
otrzymywania niskich temperatur parowania (do — 50°C), gdy
stają się niezbędne skomplikowane wielostopniowe chłodziarki
sprężarkowe.
Należy również zaznaczyć, że stosowanie chłodziarek
absorpcyjjnych wymaga mniejszych nakładów i mniej
skomplikowanego wyposażenia (brak sprężarek); oprócz tego
nie mają one części poruszających się, z wyjątkiem pompy do
roztworu wodno-amoniakalnego.

W

generatorze l

wskutek ogrzania następuje parowanie wodnego

roztworu amoniaku, w wyniku czego oddestylowuje składnik
niskowrzący — amoniak z pewną ilością pary wodnej. Pary amoniaku z
generatora dostają się do

skraplacza 2

, skąd ciekły amoniak kieruje się

do

parownika 4

przez

zawór regulacyjny 3

, w którym następuje

obniżenie ciśnienia amoniaku. Z parownika pary amoniaku płyną do

absorbera 5

, gdzie ulegają pochłonięciu przez słaby roztwór wodny

amoniaku doprowadzany z generatora przez

zawór przelotowy 6

.

Ciepło wydzielające się podczas pochłaniania amoniaku odprowadza
się przez ochłodzenie absorbera. Roztwór stężony (mocny)
otrzymywany w absorberze przetłacza się

pompą 7

do generatora. Dla

polepszenia pracy urządzenia roztwór mocny, przetłaczany z absorbera
do generatora, przepływa przez

wymiennik ciepła 8

, w którym

podgrzewa się go gorącym słabym roztworem doprowadzanym z
generatora do absorbera.

ZASADA
DZIAŁANIA

Chłodziarki strumieniowe

W chłodziarkach strumieniowych czynnikiem chłodniczym jest woda. Zaletami
wody jako czynnika chłodniczego są wysoka temperatura parowania (prawie
dwa razy większa niż amoniaku), nieszkodliwość i dostępność. Jednocześnie
mając niskie ciśnienie pary woda charakteryzuje się nadzwyczaj niskimi
ciśnieniami parowania, co wymaga wkładu pracy przy znacznym podciśnieniu.
To oraz duża objętość właściwa pary czyni wodę nieprzydatną jako czynnik
chłodniczy do chłodziarek sprężarkowych. Powyższe wady stają się mało istotne
przy stosowaniu eżektorów (smoczków) parowych do sprężania pary wodnej.

Schemat chłodziarki strumieniowej:
eżektor, 2 — parownik, 3 — skraplacz,
4,6 — pompy, 5 — zawór
regulacyjny, 7 — aparat
zużywający zimno

Parę roboczą o wysokim ciśnieniu (3—6 at) kieruje się do

dyszy eżektora l

, gdzie para rozpręża się, przy czym jej

ciśnienie spada do ciśnienia parowania
(ciśnienie bezwzględne 5—10 mm Hg). Do eżektora zostaje
zassana chłodna para z

parownika 2

. Tworzącą się mieszaninę

spręża się do ciśnienia skraplania (ciśnienie bezwzględne 30—
40 mm Hg). Przez parownik i

aparat 7

wykorzystujący zimno

krąży woda tłoczona przez

pompę 6

. Część tej wody w wyniku

odessania eżektorem pary wodnej z parownika odparowuje.
Ciepło niezbędne do parowania zostaje pobrane od pozostałej
części wody, wskutek czego oziębia się ona. Chłodzenie wody
w parowniku następuje przy tym o tyle stopni, o ile ogrzeje się
ona w

aparacie 7

.

Mieszanina par wypływających z eżektor,a skrapla się w

skraplaczu 3

. Dla odessania powietrza ze skraplacza stosuje

się dwu- lub trójstopniowe urządzenie próżniowo-eżektorowe
(nie pokazane na schemacie).
Kondensat odprowadza się ze skraplacza

pompą 4

, przyczym

część kondensatu przez

zawór regulacyjny 5

wprowadza się

do parownika dla uzupełnienia ubytków wody krążącej,
powstających wskutek jej częściowego odparowania.

ZASADA DZIAŁANIA

ROZDZIELANIE MIESZANIN GAZÓW I SKRAPLANIE

GAZÓW PRZEZ CHŁODZENIE DO NISKICH TEMPERATUR

Obieg ze zwykłym dławieniem

I-sprężarka II –wymiennik ciepła III- zawór regulacyjny,
IV-zbiornik ciekłego powietrza

Sprężone w

sprężarce I

i oziębione do temperatury

pokojowej powietrze wpływa do

wymiennika ciepła II

w

punkcie 2. Po przejściu przez wymiennik ciepła powietrze
dławi się do ciśnienia atmosferycznego i ponownie kieruje
do wymiennika ciepła; powietrze to przepływa w
przeciwprądzie do doprowadzanego powietrza
sprężonego. Powietrze zdławione oziębia powietrze
sprężone, wskutek czego temperatura tego ostatniego
przed dławieniem obniża się dopóty, dopóki nie nastąpi
częściowe skroplenie powietrza w punkcie 4. Powietrze
skroplone odprowadza się następnie z układu i do
wymiennika ciepła zawraca tylko nieskroplona część
powietrza.

Na wykresie T-S linia 1-2 wyraża izotermiczne sprężenie
powietrza w sprężarce, linia 2-3 — oziębienie powietrza
sprężonego w wymienniku ciepła (pod stałym ciśnieniem p

2

),

linia 3-4 — dławienie (przy i = const). Punkt 4 przedstawia stan
powietrza po dławieniu. Leży on w obszarze pary wilgotnej, przy
czym udział powietrza skroplonego x jest równy stosunkowi
odcinka 4-5 do odcinka 0-5, a punkty O i 5 wyobrażają stan
powietrza ciekłego i nieskroplonego. Linia 5-1 odpowiada
ogrzaniu nieskroploneij części powietrza (pod stałym ciśnieniem
p

1

).

ZASADA
DZIAŁANIA

Obieg z dwukrotnym dławieniem

Schemat obiegu z dwukrotnym dławieniem:
I — sprężarka pomocnicza, II — sprężarka, III — wymiennik ciepła,
IV, VI — zawory regulacyjne, V — zbiornik ciśnienia pośredniego, VII
— zbiornik niskiego ciśnienia

Zużycie energii na sprężenie powietrza można zmniejszyć,
jeżeli dławienie powietrza sprężonego prowadzi się do
pewnego ciśnienia pośredniego (20—50 at) kierując
nieskroplona część powietrza do

sprężarki II

, gdzie spręża się

je ponownie do wysokiego ciśnienia (200 at). Otrzymane w
zbiorniku ciśnienia pośredniego V ciekłe powietrze dla
usunięcia go z układu dławi się do ciśnienia atmosferycznego
i kieruje do zbiornika niskiego

ciśnienia VII

; odparowuje przy

tym część powietrza ciekłego. Powietrze odparowane i
nieskroplona część powietrza po pierwszym dławieniu
przepływają przez

wymiennik ciepła III

, gdzie ogrzewają się i

oziębiają powietrze sprężone do wysokiego ciśnienia.
Zamiast ciekłego i odparowanego powietrza usuwanych z
układu, wprowadza się taką samą ilość powietrza świeżego,
które spręża się w sprężarce

pomocniczej I

do ciśnienia

pośredniego

ZASADA
DZIAŁANIA

Obieg ze wstępnym oziębianiem.

Schemat obiegu ze wstępnym oziębianiem:
I — sprężarka, II — wstępny wymiennik ciepła, III — chłodnica amoniakalna,
IV — główny wymiennik ciepła, V — zawór regulacyjny, VI — zbiornik ciekłego
powietrza

Dalszym udoskonaleniem obiegów chłodniczych z
dławieniem jest wstępne oziębianie powietrza
sprężonego zimnem otrzymywanym w chłodziarce
amoniakalnej.
Powietrze sprężone początkowo oziębia się strumieniem
powrotnym nieskroplonej części powietrza we wstępnym

wymienniku ciepła II

, a następnie wprowadza się je do

chłodnicy amoniakalnej III

, gdzie oziębia się ono kosztem

odparowania amoniaku do temperatury ok. — 40°C.
Następnie powietrze oziębia się w

głównym wymienniku

ciepła IV

, po czym dławi się je. Nieskroplona część

powietrza przechodzi przez

główny i wstępny wymiennik

ciepła

. Przeznaczeniem wstępnego wymiennika ciepła

jest całkowite wykorzystanie zimna nieskroplonej części
powietrza, która w głównym wymienniku ciepła może
być ogrzana tylko do temperatury oziębienia powietrza
sprężonego w chłodnicy amoniakalnej.

Na wykresie T-S punkt

2"

odpowiada oziębieniu

powietrza we wstępnym wymienniku ciepła, a punkt

2'

—

jego oziębieniu w chłodnicy amoniakalnej. Punkt

1'

charakteryzujący stan nieskroplonej części powietrza
przy wylocie z głównego wymiennika ciepła odpowiada
tej samej temperaturze, co i punkt 2'.

Obieg wysokiego ciśnienia — obieg Heylandta

Schemat obiegu wysokiego ciśnienia z rozprężarką:
I — sprężarka, II — rozprężarką, III — wymiennik ciepła, IV —
wymiennik ciepła dodatkowy, V — zawór regulacyjny, VI —
zbiornik ciekłego powietrza

Powietrze sprężone do ciśnienia ok. 200 at.
rozdziela się na dwie części, z których jedną kieruje
się do

rozprężarki II

, a drugą do

wymiennika ciepła

III

i następnie do dodatkowego

wymiennika ciepła

IV

.

Powietrze ochłodzone w wymiennikach ciepła dławi
się i część jego skrapla się. Część nieskroplona
powietrza przepływa przez dodatkowy wymiennik
ciepła, po czym miesza się z powietrzem
rozprężającym się i oziębiającym w rozprężarce.
Mieszaninę tę chłodzi powietrze sprężone w

wymienniku ciepła III

.

ZASADA DZIAŁANIA

Obieg średniego ciśnienia

Schemat obiegu średniego ciśnienia z rozprężarką:
I — sprężarka, II — wstępny wymiennik ciepła, III — rozprężarką, IV —
główny wymiennik ciepła, V — zawór regulacyjny, VI — zbiornik ciekłego
powietrza

Powietrze sprężone do ciśnienia 25—40 at. wpływa
do wstępnego

wymiennika ciepła II

, gdzie oziębia się

do temperatury ok. — 80°C (punkt 3). Następnie
część powietrza dostaje się do

rozpreżarkł III

, gdzie

rozprężając się do ciśnienia 1 at oziębia się do
temperatury rzędu — 140°C. Druga część powietrza
ochładza się
w

głównym wymienniku ciepła IV

i skrapla się. W

celu usunięcia ciekłego powietrza z układu dławi się
je do ciśnienia atmosferycznego i kieruje do

zbiornika

VI

. Odparowana przy tym część powietrza łącznie z

powietrzem opuszczającym rozprężarkę przechodzi
przez główny i wstępny wymiennik ciepła.

Wadę powyższego obiegu stanowi praca rozprężarki w
niskich temperaturach, co prowadzi do obniżenia jej
sprawności do 0,6—0,65.

ZASADA DZIAŁANIA

półhermetyczna sprężarka BITZER

wielopsprężarkowe agregaty zespolone do zamrażalni, przechowalni i klimatyzacji

Agregat ze sprężarką śrubową z wodnym
skraplaczem i chłodnicą oleju, przeznaczona
dla tunelu do zamrażania lodów jadalnych.

Agregat skraplający z dwoma agregatami
sprężarkowymi.