Roman Hübner

Klimatyzacja maszyn samojezdnych

Przez klimatyzację rozumiemy uzyskanie w sposób sztuczny żądanych warunków klimatycznych w pomieszczeniach (w tym przypadku w kabinach maszyn samojezdnych). Odpowiednie warunki klimatyczne panujące w kabinie maszyny zapewniają odpowiednie samopoczucie operatora maszyny. Samopoczucie pracującej tam osoby zależy głównie od:

• temperatury powietrza,

• wilgotności powietrza,

• prędkości przewiewu,

• czystości powietrza (ilości zawiesin w powietrzu).

Klimatyzacja maszyn samojezdnych jest specyficzna. Po pierwsze, maszyny są ograniczone gabarytowo w związku z tym instalacja w maszynach musi być zwarta, musi zajmować mało miejsca. Po drugie urządzenia w maszynach w ciągu doby działają okresowo, w zasadzie wtedy, gdy maszyna pracuje, wobec czego istnieje potrzeba szybkiego uzyskania we wnętrzu kabiny operatora maszyny żądanego stanu. W rezultacie wielkość zainstalowanej mocy w odniesieniu do założonego skutku jest w urządzeniach chłodniczych znacznie większa, niż np. w budynkach.

Urządzenia chłodzące służą do obniżenia temperatury powietrza poniżej temperatury otoczenia oraz utrzymania jej w założonych granicach, niezależnie od zmiany warunków otoczenia. Na układ klimatyzacyjny w maszynach samojezdnych składają się następujące najważniejsze podzespoły: sprężarka, skraplacz, parownik i odwadniacz.

Sprężarka - jest głównym zespołem urządzenia chłodzącego. Wykonuje ona jednocześnie dwie czynności. Pierwsza czynność polega na tworzeniu w parowniku podciśnienia, ułatwiającego odparowanie czynnika, druga czynność polega na wytwarzaniu w skraplaczu ciśnienia ułatwiającego kondensację czynnika chłodzącego.

Skraplacz - otrzymuje wysokie ciśnienie, wysoką temperaturę czynnika chłodzącego w stanie gazowym ze sprężarki i zmienia jego stan skupienia z gazu w ciecz. Tak się dzieje, ponieważ ciepło jest odprowadzone przez czynnik chłodzący do otaczającego powietrza, którego przepływ przez skraplacz jest wymuszony za pomocą wentylatorów.

Parownik - czynnik chłodzący przepływa przez zawór rozprężny (dławiący) i jest kierowany do parownika. W parowniku stan skupienia czynnika chłodzącego zmienia się z cieczy na gaz. Ten proces wymaga energii a wymagana energia jest otrzymywana z powietrza przepływającego między żeberkami chłodzącymi parownika. Powietrze wylatujące z parownika kierowane jest do kabiny. Za parownikiem czynnik chłodzący ma postać gazową i jest zasysany z powrotem przez sprężarkę.

Odwadniacz - jest ważną częścią układu klimatyzacyjnego, ponieważ wilgoć może spowodować powstanie lodu w chłodnych częściach układu. Cała wilgoć powinna być usunięta już przy napełnianiu układu. Osuszacz pobiera ciekły czynnik chłodzący ze skraplacza i usuwa z niego wilgoć i obcy materiał. Ciecz przepływa przez filtr oraz przez część która zawiera substancję osuszającą absorbującą wilgoć z cieczy. Filtrowanie odbywa się za pomocą oddzielnego sita na rurze zbierającej. Odbierająca sekcja osuszacza jest tak zaprojektowana aby przechowywała dodatkową ilość czynnika chłodzącego zanim będzie potrzebna w parowniku.

Podstawowym elementem w układzie klimatyzacyjnym maszyn samojezdnych jest źródło chłodu. W maszynach samojezdnych może być stosowanych wiele źródeł chłodu jak:

lód wodny (nie stosowane źródło chłodu, ponieważ wymaga stosowania lodu, który musiałby być produkowany w kostkach o odpowiedniej wielkości, odpowiednio transportowany ma dół kopalni, krótko mówiąc stosowanie lodu na dole kopalni nie jest możliwe), lód suchy, chłodzenie sprężarkowe, chłodzenie absorpcyjne lub chłodzenie termoelektryczne. W przypadku maszyn górniczych mogą być stosowane następujące źródła chłodu:

1.Lód suchy

Nazwa suchy lód określająca zestalony dwutlenek węgla, wzięła się stąd, że przy ciśnieniu atmosferycznym dwutlenek węgla przechodzi bezpośrednio z fazy stałej w gazową, czyli sublimuje. Temperatura sublimacji, CO₂ wynosi -79°C, ciepło sublimacji 137 kcal/kg = 573,62 kJ/kg, ciepło właściwe 0,196 kcal/kg*K = 0,821 kJ/kg*K. Widać, że efekt chłodzenia wynika przede wszystkim z ciepła sublimacji.

Sposób chłodzenia suchym lodem jest to chłodzenie obiegowe umożliwiające regulacje temperatury w szerokim zakresie, a tym samym zmniejszające zużycie suchego lodu. W tym systemie suchy lód chłodzi za pośrednictwem obiegu czynnika chłodzącego.

q_dost Gaz q_od

Ciecz

Pompa (nie widoczna na schemacie) stwarza obieg czynnika chłodzącego między parownikiem, ( w którym zastosowany czynnik chłodzący odbiera ciepło q_dost z powietrza przechodzącego przez parownik) a skraplaczem. Czynnik chłodzący płynący z parownika do skraplacza jest w stanie gazowym. W skraplaczu zachodzi skraplanie czynnika chłodzącego wskutek odbierania od niego ciepła q_od przez sublimujący dwutlenek węgla. W przedstawionym obiegu chłodniczym parownik odbiera ciepło z powietrza przepływającego z kabiny maszyny a skraplacz jest źródłem chłodu. W rozpatrywanym przypadku ciepło q_dost jest dostarczane do czynnika będącego w obiegu z ośrodka o temperaturze wyższej , a ciepło q_od jest odbierane od niego do ośrodka o temperaturze niższej.

2.Chłodzenie sprężarkowe

Obieg sprężarkowy tym się różni od poprzedniego rozpatrywanego obiegu chłodniczego, że temperatura parownika jest niższa od temperatury skraplacza. Aby taki obieg był możliwy musi następować na drodze między parownikiem a skraplaczem oraz między skraplaczem a parownikiem zmiana stanu termodynamicznego czynnika. W tym celu między parownikiem a skraplaczem znajduje się sprężarka, natomiast między skraplaczem a parownikiem rozprężarka.

Gaz

Ciecz

W praktyce rozprężarki nie są stosowane, zastępowane są one zaworem dławiącym, co powoduje zmniejszenie współczynnika wydajności chłodniczej, lecz upraszcza układ. Sprężarka pobiera gazowy czynnik chłodzący (ciepły) spręża go i kieruje do skraplacza. Otaczające powietrze przechodzące przez skraplacz pobiera ciepło z krążącego czynnika chłodzącego powodując zamianę jego stanu skupienia z gazowego na ciekły. Czynnik chłodzący płynący z skraplacza przechodzi przez rozprężarkę uzyskując niską temperaturę i ciśnienie. Po wlocie do parownika ciecz pod niskim ciśnieniem zaczyna wrzeć i parować. Powietrze z kabiny jest przetłaczane przez parownik za pomocą dmuchawy, ponieważ czynnik chłodzący jest zimniejszy od powietrza pochłania ciepło z powietrza, które jest wdmuchiwane do kabiny. Cykl jest zamknięty, kiedy ogrzany pod niskim ciśnieniem czynnik chłodzący w stanie gazowym jest znów zasysany przez sprężarkę.

W układzie tym wskutek sprężenia izentropowego temperatura czynnika wzrasta od temperatury parowania do temperatury skraplania. Następuje skraplanie czynnika w jego temperaturze skraplania, czynnik oddaje do otoczenia ciepło Q_od. Skroplony czynnik jest rozprężany izentropowo, wskutek czego jego temperatura maleje od temperatury skraplania do temperatury parowania. Następnie czynnik paruje w jego temperaturze parowania odbierając z powietrza płynącego z kabiny maszyny ciepło Q_dost .

3.Chłodzenie absorpcyjne

Chłodzenie absorpcyjne jest chłodzeniem obiegowym, przy czym podobnie jak chłodzeniu sprężarkowym, temperatura skraplania czynnika jest wyższa niż temperatura parowania czynnika. Zamiana stanu termodynamicznego czynnika nie odbywa się kosztem pracy, lecz kosztem ciepła dostarczanego w warniku. Zwykle stosuje się roztwór wodny amoniaku. Wskutek podgrzewania następuje w warniku wydzielenie się amoniaku z wody (desorpcja). Amoniak przez skraplacz i zawór dławiący przepływa do parownika, gdzie odbiera ciepło z powietrza przepływającego przez parownik. Z parownika przepływa do absorbera gdzie jest pochłaniany (absorbowany) przez wodę spływającą przez zawór dławiący z warnika. Wodny roztwór amoniaku jest podawany z absorbera do warnika za pomocą pompy obiegowej. Pompa ta służy jedynie do wywołania krążenia czynnika. W chłodzeniu absorpcyjnym głównym elementem jest to, że nie zużywa się pracy, lecz ciepło. Do podgrzewania warnika można użyć skroplonego gazu, oleju gazowego lub innego paliwa.

4.Chłodzenie termoelektryczne

Jeśli utworzy się obwód elektryczny z dwóch przewodów wykonanych z dwóch różnych materiałów, a w miejscach styku utrzymywać temperatury różniące się między sobą, w obwodzie powstanie siła elektromotoryczna. Zwyczajowo złącze mające niższą temperaturę nosi nazwę zimnych końców, a wyższą - gorących końców. Jeśli obwód zasilić prądem stałym, to na jednym złączu, które stanie się wobec tego gorącymi końcami nastąpi wydzielenie się ciepła, a na drugim będącymi zimnymi końcami odbieranie ciepła. Termoelektryczny wymiennik ciepła składa się z szeregowego układu elementów metalowych, wymieniających ciepło z ośrodkiem, w którym są umieszczone i elementów półprzewodnikowych, przechodzących wskroś przegrody stanowiącej izolację cieplną dwóch ośrodków. Aby z jednej strony przegrody znajdowały się same gorące końce, a z drugiej strony same zimne, mimo że przepływ prądu jest kolejno z półprzewodnika do metalu i z metalu do półprzewodnika, elementy półprzewodnikowe muszą być na przemian typu N oraz typu P., Jeśli ze strony przegrody znajduje się kanał powietrza zewnętrznego, owiewający stronę z zimnymi końcami to następować będzie ochładzanie prądu powietrza.

Z wymienionych i opisanych źródeł chłodu najkorzystniejszym i stosownym źródłem chłodu w maszynach samojezdnych jest chłodzenie sprężarkowe.

Parownik

Skraplacz

Sprężarka

Parownik

Skraplacz

Rozprężarka

---