12.2. Automatyczne zasilanie parowników
Zasilanie jest to sposób dopływu czynnika chłodniczego do parownika.
W urządzeniach domowych i handlowych stosuje się zasilanie ciśnieniowe
polegające na dopływie czynnika pod wpływem różnicy ciśnień skraplania
i parowania. Właściwe zasilanie parownika wpływa jednoznacznie na
efektywność całego urządzenia chłodniczego. I tak, zbyt wczesne od-
parowanie powoduje spadek efektywności urządzenia, zbyt póz
ne może
zniszczyć urządzenie. Rozróżnia się siedem typów urządzeń kontrolujących
i sterujących zasilaniem parowników:
1) ręczne zawory rozprężne,
2) zawory pływakowe niskiego ciśnienia,
3) zawory pływakowe wysokiego ciśnienia,
4) rurki kapilarne,
5) automatyczne zawory rozprężne,
6) termostatyczne zawory rozprężne,
7) termoelektroniczne zawory rozprężne.
Ręczne zawory rozprężne i zawory pływakowe zostały wyparte przez
pozostałe bardziej efektywne urządzenia. Stąd w dalszej części zostaną
omówione tylko automatyczne, termostatyczne i termoelektroniczne zawory
rozprężne i rurka kapilarna.
12.2.1. Rurka kapilarna (kapilara)
Najprostszym sposobem utrzymywania różnicy ciśnień między stroną ssawną
a tłoczną, przy jednoczesnym przepływie czynnika, jest rurka kapilarna.
W fizyce rurkami kapilarnymi nazywa się rurki o włoskowatym otworze,
w których ciecz samorzutnie podnosi się pod wpływem napięcia powierzch-
niowego i oddziaływania ścianek rurki. Zjawisko włoskowatości nie zachodzi
w rurkach stosowanych w chłodnictwie do zasilania parowników. Mimo to
nazwa ta przyjęła się dla podkreślenia małej średnicy wewnętrznej rurki.
Rurki kapilarne jako urządzenia proste i pewne w działaniu znalazły
zastosowanie we wszelkich nowoczesnych urzÄ…dzeniach domowych, jak
lodówki, zamrażarki, klimatyzatory okienne itp.
Podczas przepływu przez rurkę kapilarną zwykle 3/4 długości rurki jest
wypełnione cieczą. Dopiero w ostatniej ćwiartce długości zaczyna się
parowanie, a więc obniżenie temperatury i ciśnienia. Ograniczenie wydajno-
ści kapilary (natężenia przepływu) jest spowodowane oporem tarcia, jaki
powstaje podczas przepływu przez przewód o małym przekroju. Nawet gdy
w rurce nie ma ciekłego czynnika, opór przepływu pary jest dostatecznie
duży, aby utrzymać różnicę ciśnień. Wydajność rurki kapilarnej w pewnych
granicach samoczynnie dostosowuje się do obciążenia. Jeżeli np. przepływ
czynnika chłodniczego jest niedostateczny, to ciekły czynnik zbiera się
w skraplaczu, zmniejszając coraz bardziej przestrzeń przeznaczoną na parę ze
sprężarki. Wywołany w ten sposób wzrost ciśnienia skraplania zwiększa
wydajność kapilary.
Dobieranie kapilary. Natężenie przepływu czynnika w rurce kapilarnej
zależy od: długości rurki, średnicy wewnętrznej, gładkości powierzchni
wewnętrznej, usytuowania rurki, napływu ciepła z zewnątrz, ciśnienia na
wejściu i ciśnienia na wyjściu z rurki, temperatury i gęstości użytego oleju
oraz cech charakterystycznych czynnika chłodniczego. Do danego typu
agregatu chłodniczego rurki są dobierane w wyniku prób, gdyż obliczanie
potrzebnej długości nie daje dobrych rezultatów ze względu na dużą liczbę
czynników wpływających na wydajność kapilary. Stworzone ostatnio modele
wykorzystujÄ…ce zaawansowane metody numeryczne nie sÄ… jeszcze na tyle
dobre, aby pominąć wyniki doświadczalne.
W zakładach produkujących rurki kapilarne wydajność rurki określa się
na specjalnym stoisku pomiarowym, przepuszczajÄ…c przez niÄ… powietrze lub
inny gaz, np. azot, zawsze pod tym samym ciśnieniem, np. 10 bar. Natężenie
przepływu gazu jest inne niż czynnika. Chodzi tu jednak o uzyskanie liczb
porównawczych. Wszystkie rurki o tym samym natężeniu przepływu gazu
będą miały jednakową wydajność czynnika chłodniczego, chociaż inną niż
gazu użytego do badania.
Instalowanie kapilary. W czasie postoju chłodziarki ciecz ze skraplacza
przepływa kapilarą do parownika. Dlatego w chłodziarkach wyposażonych
w rurkÄ™ kapilarnÄ… nie daje siÄ™ zbiornika cieczy, lecz parownik ma odpowied-
nio zwiększone wymiary. Dla dochłodzenia cieczy w kapilarze często owija
sięją dokoła przewodu ssawnego lub też prowadzi się wzdłuż tego przewodu.
Na wlocie do kapilary umieszcza się zawsze gęsty filtr oraz odwadniacz, gdyż
jedynym powodem nieprawidłowości przepływu przez rurkę może być
zatkanie jej przez zamarzniętą wilgoć lub zanieczyszczenia. Aby nie dopuścić
wilgoci do obiegu, należy przestrzegać zasad podanych w rozdz. 29 i 30.
Dość czynnika chłodniczego w urządzeniu z kapilarą. Zawartość
czynnika chłodniczego w urządzeniu z kapilarą musi być tak dobrana, aby
ilość czynnika dostarczona przez kapilarę do parownika mogła wyparować.
Nadwyżka ciekłego czynnika mogłaby po przejściu przez parownik zostać
zassana do sprężarki i spowodować uszkodzenie. Właściwe napełnienie
można uzyskać, obserwując oszronienie parownika i rury ssawnej lub
wykorzystując chłodnicze manometry różnicowe przeznaczone do ładowania
układów czynnikiem chłodniczym. W pierwszym przypadkujeśli oszronienie
nie pokrywa całego parownika, to dodaje się nieco czynnika, a gdy szron
pokrywa całą rurę ssawną, trzeba upuścić nieco czynnika. Przy dobrym
napełnieniu oszronienie kończy się na początku rury ssawnej, tuż za
parownikiem. W celu sprawdzenia właściwie dobranego napełnienia należy
urządzenie zatrzymać i po odszronieniu parownika jeszcze dwukrotnie
przeprowadzić obserwacje przesuwania i ostatecznego zatrzymania się
oszronienia. Opisany sposób jest długotrwały i dlatego nie kwalifikuje się do
przeprowadzania u użytkownika. Natomiast może być stosowany w za-
kładach naprawczych, gdzie bada się jednocześnie kilka agregatów, tak że
koszt tych zabiegów jest znacznie mniejszy.
W zakładach produkujących urządzenia chłodnicze napełnianie odbywa
się metodą dokładnego odważania potrzebnej ilości czynnika przez urządze-
nie dozujące. Przed napełnianiem wytwarza się próżnię w agregacie. Próba
końcowa polega na obserwowaniu granicy oszronienia parownika podczas
pracy, aby w razie potrzeby upuścić lub dodać nieco czynnika chłodniczego.
Napełnianie urządzenia chłodniczego pracującego w klimatyzatorze
okiennym nie daje się przeprowadzić, obserwując oszronienie, które w tem-
peraturach stosowanych w klimatyzatorach nie występuje. W takim przypad-
ku trzeba się posłużyć manometrem umieszczonym na stronie ssawnej, aby
odczytać, czy uzyskuje się właściwe ciśnienie i temperaturę parowania.
Trzeba tu podkreślić, że wszystkie elementy urządzenia chłodniczego są
do siebie odpowiednio dobrane i zamiana któregokolwiek z nich lub
niewłaściwe napełnienie może dać niepożądane wyniki. Na przykład gdy
czynnik R134a ma odparowywać w temperaturze  15 °C, kapilara musi tak
dławić czynnik, aby w parowniku panowało ciśnienie 1,66 bar.
Po osiągnięciu w lodówce nastawionej temperatury termostat wyłącza
dopływ prądu do sprężarki i urządzenie przestaje pracować. Następuje
wówczas wyrównanie ciśnień w parowniku i skraplaczu przez kapilarę. Po
włączeniu prądu sprężarka odsysa czynnik z parownika i różnica ciśnień
między parownikiem a skraplaczem ustala się na poprzednim poziomie.
Gdyby napełnienie czynnikiem było zbyt duże, parownik byłby przepełniony
i zassana ciecz mogłaby spowodować uszkodzenie sprężarki. Natomiast przy
zbyt małym napełnieniu praca urządzenia chłodniczego byłaby niesprawna,
bo tylko część parownika uczestniczyłaby w odbieraniu ciepła.
12.2.2. Automatyczny zawór rozprężny
Budowa i opis działania. Na rysunku 12.1 pokazano schemat automatycz-
nego zaworu rozprężnego wyposażonego w płaską membranę 2. Zawory te
bywają również budowane z membraną mieszkową, co nie zmienia istoty ich
działania. Na membranę 2 stale działa z jednej strony nacisk sprężyny 1 oraz
ciśnienie atmosferyczne. Na drugą stronę membrany, gdy zawórjest otwarty,
działa ciśnienie panujące w parowniku oraz sprężyna 6. Gdy sprężarka zostaje
uruchomiona, wówczas ciśnienie w parowniku spadnie na skutek odsysania,
a tym samym spadnie ono również w komorze automatycznego zaworu
rozprężnego połączonej z parownikiem. Pod wpływem nacisku sprężyny
1 i ciśnienia atmosferycznego membrana wygnie się w stronę iglicy
i przesunie ją popychaczem 3, otwierając drogę przepływu czynnika
chłodniczego. Za pomocą śruby regulującej 7 można tak wyregulować nacisk
na iglicę 5, że ilość czynnika przepływającego przez dyszę będzie się równała
ilości czynnika zasysanego przez sprężarkę. W tych warunkach w parowniku
będzie się utrzymywało stałe ciśnienie. Gdyby w pewnej chwili ciśnienie
w parowniku wzrosło, wówczas membrana zostałaby odgięta w stronę
przeciwną od iglicy (ku górze - na rysunku). Popychacz 3 połączony
z membraną przesunąłby się więc z nią, umożliwiając sprężynie głębsze
wprowadzenie iglicy do otworu dyszy 4. W ten sposób zmniejszyłby się otwór
przepływu. Wydajność dyszy zmaleje, a zatem ciśnienie w parowniku ulegnie
obniżeniu. Gdy natomiast z jakiegokolwiek powodu ciśnienie w parowniku
zmaleje, wówczas membrana wyginając się w kierunku iglicy wysunie nieco,
za pomocą popychacza, iglicę z otworu dyszy i tym samym zwiększy
wydajność dyszy, co spowoduje wzrost ciśnienia w parowniku. Automatycz-
ny zawór rozprężny utrzymuje zatem stałe ciśnienie parowania, a zatem i stałą
temperaturÄ™ parowania.
Zmiany temperatury w parowniku. Przykład przebiegu pracy auto-
matycznego zaworu rozprężnego w miarę upływu czasu przedstawiono na
rys. 12.2. W gómej części wykresu jest pokazana zmiana temperatury
chłodzonej wody. Dolna krzywa przedstawia zmianę temperatury parowania.
W temperaturze  3 °C sprężarka zostaje uruchomiona. Wskutek odsysania
pary z parownika następuje w nim gwałtowny spadek ciśnienia i od-
powiadający mu spadek temperatury parowania. Gdy ciśnienie w parowniku
spadnie na tyle, że sprężyna i ciśnienie atmosferyczne zdolne są przesunąć
iglicę i otworzyć zawór, następuje wtrysk czynnika w punkcie B. Od tej chwili
utrzymuje się stała temperatura, aż do punktu C, w którym sprężarka została
wyłączona. Ciepło napływa nadal do parownika, a powstająca para nie jest już
odsysana, wskutek czego następuje w nim wzrost ciśnienia i temperatury. Pod
wpływem wzrostu ciśnienia automatyczny zawór rozprężny zamyka się
i pozostaje zamknięty, aż do ponownego uruchomienia sprężarki. Wzrost
temperatury w parowniku w czasie postoju sprężarki przebiega według
odcinka CA\. W punkcie A\ następuje ponowne uruchomienie sprężarki. Cykl
siÄ™ powtarza.
Wpływ obciążenia cieplnego na pracę automatycznego zaworu roz-
prężnego. Praca zaworu przy małym obciążeniu cieplnym przebiega na-
stępująco. Po uruchomieniu sprężarki parownik jest ciepły, co powoduje, że
wtryśnięty czynnik odparowuje zaraz na początku, jak pokazano na rys. 12.3.
Część parownika, w której odbywa się parowanie, zostanie ochłodzona.
Następne dawki czynnika trafią już do zimnego przewodu, wobec czego nie
będą tak szybko wyparowywały, jak początkowe. Ostatnia kropla czynnika
zdąży więc przed wyparowaniem odbyć dłuższą drogę niż ostatnia kropla na
początku pracy sprężarki. W miarę trwania pracy przewód parownika
ochładza się coraz bardziej w kierunku sprężarki. Ciecz ma możność
docierania coraz to dalej od automatycznego zaworu rozprężnego. Daje to się
łatwo zaobserwować po oszronieniu przesuwającym się stopniowo w kierun-
ku sprężarki. To przesuwanie się nieodparowanych kropel cieczy trwałoby
nieprzerwanie, aż do ich zassania przez sprężarkę. Mogłoby to spowodować
uszkodzenie sprężarki, a gdyby nawet to nie nastąpiło, wówczas od-
parowywanie cieczy w rurze ssącej byłoby marnowaniem energii na
chłodzenie przestrzeni poza komorą chłodniczą. Dlatego z chwilą, gdy
oszronienie osiągnie koniec parownika, należy zatrzymać sprężarkę. Do tego
celu służy automatyczny parownikowy regulator temperatury (termostat)
(patrz p. 12.3), który zadziała, gdy temperatura końca rury zmaleje do
temperatury, na jaką został ten regulator nastawiony.
Praca zaworu przy dużym obciążeniu cieplnym. Praca ta charak-
teryzuje się odparowywaniem kropel cieczy, zanim osiągnęła koniec paro-
wnika. Wynika stąd, że część parownika, do której nie docierają krople
czynnika, nie bierze udziału w chłodzeniu komory. Jest więc nie wykorzys-
tana, a właśnie przy dużym napływie ciepła parownik powinien pochłaniać
ciepło całą swą powierzchnią. Należy więc stwierdzić, że automatyczny
zawór rozprężny nie przystosowuje dopływu czynnika do obciążenia.
Dobór temperatury parowania. W danym urządzeniu chłodniczym
ustawia się zawór na taką temperaturę parowania, aby żądana temperatura,
np. komory, została osiągnięta, gdy szron dojdzie do końca parownika. W tym
czasie powinno nastąpić wyłączenie sprężarki przez parownikowy regulator
temperatury (termostat).
Zastosowanie. Automatyczny zawór rozprężny może być stosowany
w urządzeniach odznaczających się mało zmiennym obciążeniem cieplnym
i mających tylko jeden parownik. Automatyczne zawory rozprężne są coraz
rzadziej stosowane. Zostały prawie całkowicie wyparte przez termostatyczne
zawory rozprężne. FACH w Cieszynie produkuje automatyczne zawory
rozprężne typu PZ. W przypadku uszkodzenia rurki kapilarnej zamiast
żmudnego dobierania rurki o tych samych właściwościach można zastosować
automatyczny zawór rozprężny. Trzeba jednak pamiętać o tym, że silniki
elektryczne w urządzeniach chłodniczych z rurką kapilarną nie mają dużego
momentu rozruchowego, gdyż dobierano je do lekkiego rozruchu, wynikają-
cego z wyrównania ciśnień po stronie ssawnej i tłocznej przez rurkę kapilarną
w czasie postoju sprężarki. Aby więc nie przeciążać silnika, trzeba w auto-
matycznym zaworze rozprężnym założyć małą podkładkę nie dopuszcza-
jącą do całkowitego zamknięcia zaworu lub zastosować zawór rozprężny
z upustem.
Wpływ napełnienia. Zbyt duże napełnienie urządzenia chłodniczego nie
ma wpływu na pracę automatycznego zaworu rozprężnego. Przy zbyt małym
napełnieniu para o wysokim ciśnieniu może się przedostawać ze zbiornika
cieczy do parownika.
Instalowanie. Automatyczny zawór rozprężny zamontowuje się zawsze
łącznie z parownikowym regulatorem temperatury (termostatem) wyłączają-
cym silnik sprężarki w chwili, gdy czujnik regulatora zamocowany u wylotu
z parownika nada impuls pod wpływem obniżenia temperatury tego wylotu.
Tablica 12.1. Nieprawidłowe działanie i uszkodzenia automatycznego zaworu
rozprężnego
Objawy Przyczyny Sposób usunięcia
Zbyt małe zanieczyszczony filtr w zaworze siatkę filtru przemyć alkoholem,
ciśnienie i wskutek tego niedostateczny oczyścić cale urządzenie przez założe-
ssania dopływ czynnika nie dużego filtru o drobnych oczkach
za mały automatyczny zawór wymienić zawór na inny właściwej
rozprężny wielkości
zawór jest przeznaczony do innego wymienić zawór na właściwy
czynnika
powierzchnia przepływu w dyszy zawór rozebrać i oczyścić; w razie
została zmniejszona przez zanie- stwierdzenia wilgoci należy założyć
czyszczenie lub przez zamarzniętą odwadniacz lub wymienić wkład
wodÄ™
odwadniacza
Zbyt duże korozja iglicy i gniazda powoduje należy zawór wymienić
ciśnienie nieszczelność zaworu
ssania
iglica zamarzła w położeniu nie nagrzewać zaworu lampą lutowni-
otwartym czą; nie uderzać zaworu młotkiem,
zawór wymontować i wysuszyć; zało-
żyć odwadniacz
wilgoć zawarta w powietrzu za- zawór wymontować i T 3 gliceryny
Nieczułość wysuszyć; moż-
, " , ~ , J J
marzÅ‚a na mieszku lub na membra- na wprowadzić 2 do 3 cm °^
zaworu
nie po stronie działania ciśnienia
na zmiany lub nie zamarzającego oleju; dokręcić
atmosferycznego
ciśnienia szczelnie kapturek osłaniający śrubę
regulacyjną: przed odkręceniem kap-
turka usunąć szron dokoła kapturka
Zastosowanie regulatora ciśnienia (presostatu) zamiast parownikowego
regulatora temperatury (termostatu) byłoby błędem. Automatyczny zawór
rozprężny utrzymuje stałe ciśnienie, a zatem regulator ciśnienia, który działa
pod wpływem zmiany ciśnienia, nie otrzymywałby żadnych impulsów. Przy
ustalaniu przyczyny niedomagania automatycznego zaworu rozprężnego
może być pomocna tabl. 12.1.
12.2.3. Termostatyczny zawór rozprężny
Budowa. Termostatyczny zawór rozprężny ma budowę bardzo zbliżoną do
budowy automatycznego zaworu rozprężnego (rys. 12.4). Bywa on wyposa-
żony w membranę płaską lub mieszkową, na którą po jednej stronie działa
ciśnienie parowania oraz nacisk sprężyny, tak jak w automatycznym zaworze
rozprężnym. Na drugą stronę nie działa jednak ciśnienie atmosferyczne, lecz
ciśnienie panujące w czujniku przymocowanym u wylotu parownika i połą-
czonym włoskowatą rurką z przestrzenią nad membraną.
Termostatyczny zawór rozprężny firmy Danfoss pokazano na rys. 12.5.