3.Zasady działania chłodziarek sprężarkowych

DR INŻ. MARIA PLOCEK

MGR INŻ. ZYGMUNT STAROWICZ

3.1. Schemat sprężarkowego urządzenia chłodniczego

W urządzeniu chłodniczym pokazanym na rys.2.13 para czynnika chłod­niczego wypływa z parownika do otoczenia i jest tracona. Urządzenie przestałoby działać, gdyby w butli zabrakło ciekłego czynnika. Chcąc przedłużyć działanie urządzenia, należałoby podłączyć kolejną, pełną butlę. Urządzenie tak działające byłoby kosztowne, kłopotliwe i nieekologiczne. Trzeba zatem parę czynnika chłodniczego wypływającą z parownika za­wrócić do obiegu. Można to zrobić, zwiększając ciśnienie pary do wartości ciśnienia panującego w butli i następnie skroplić ją. Zwiększanie ciśnienia (sprężanie) odbywa się w sprężarce, skraplanie zaś - w wymienniku ciepła nazywanym skraplaczem (rys.3.1).

Sprężarka odsysa z parownika powstającą w nim parę czynnika chłod­niczego i spręża ją do ciśnienia panującego w skraplaczu. Ciśnienie w skraplaczu zależy od sposobu odprowadzania od niego ciepła. Ciepło od skraplacza jest odprowadzane do otaczającego go powietrza (skraplacz powietrzny) lub do przepływającej przez skraplacz wody (skraplacz wodny). Powstająca w wyniku skraplania ciecz czynnika spływa do zbiornika i następnie przez zawór rozprężny przepływa do parownika. Opisany obieg czynnika chłodniczego rozpoczyna się od początku.

Urządzenie chłodnicze zmontowane w jedną, zwartą całość nazwano chłodziarką sprężarkową.

3.2. Zmiany ciśnienia podczas obiegu chłodniczego

Wnętrze przewodu od zaworu rozprężnego do parownika, wnętrze samego parownika i przewodu od parownika do zaworu ssawnego sprężarki tworzą jedną, nie podzieloną nigdzie przestrzeń. Wobec tego w całej tej przestrzeni panuje takie samo ciśnienie jak w parowniku. Po drugiej stronie sprężarki, poczynając od zaworu tłocznego sprężarki, przez skraplacz i zbiornik do zaworu rozprężnego, panuje również ciśnienie jednakowe, lecz wyższe. Zawór rozprężny i sprężarka dzielą zatem cale urządzenie na dwie części: część niskociśnieniową i część wysokociśnieniową (rys. 3.2).

Rysunek 3.2. Podział urządzenia chłodniczego na strony wysokiego i niskiego ciśnienia

Wynika z tego, że w celu zmierzenia ciśnień panujących w urządzeniu chłodniczym, pokazanym na schemacie, wystarczą dwa manometry - jeden umieszczony po stronie niskiego ciśnienia, drugi zaś po stronie wysokiego ciśnienia. W rzeczywistości w instalacji chłodniczej występują straty ciśnienia związa­ne z oporami przepływu czynnika chłodniczego i ciśnienie hydrostatyczne, powodujące, że ciśnienia w części niskociśnieniowej i wysokociśnieniowej nie są stałe. Najczęściej, dla wygody obsługi, manometry umieszcza się obok siebie, tuż przy sprężarce.

Stronę wysokiego ciśnienia w urządzeniu chłodniczym nazywa się również stroną tłoczną lub stroną tłoczenia, albo krótko - tłoczeniem. Podobnie stronę niskiego ciśnienia określa się jako stronę ssawną lub stronę ssania, a w skrócie - ssaniem. Na przykład mówi się o pomiarze ciśnienia „na ssaniu", zamiast o pomiarze ciśnienia po stronie niskiego ciśnienia.

Opisany przebieg zmian ciśnienia można powiązać ze schematem urządzenia chłodniczego (rys.3.3). W tym celu rozważymy chłodziarkę, w której czynnikiem chłodniczym jest R134a, temperatura parowania wynosi - 15°C, a temperatura skraplania +35°C. Na rysunku 2.11 lub w tabl. 37.23 znajdziemy dla tych temperatur ciśnienie parowania równe 1,6461 bar, ciśnienie skraplania zaś -8,8479 bar. W przewodzie narysowanym linią przerywaną panuje ciśnienie takie samo jak w skraplaczu, lecz nie zostało ono naniesione ze względu na zachowanie przejrzystości wykresu. Wszystkie przedstawione w tym rozdziale wykresy zmian zachodzących w chłodziarce dotyczą więc wyłącznie tej części schematu, którą narysowano linią ciągłą.

Rysunek 3.3. Rozkład ciśnienia w urządzeniu chłodniczym

3.3. Zmiany temperatury podczas obiegu chłodniczego

Opisany poniżej przykładowy wykres zmian temperatury podczas obiegu chłodniczego (rys.3.4) dotyczy chłodziarki, której parametry pracy zostały podane w p. 3.2.

Sporządzenie wykresu zmian temperatury rozpoczniemy od parowni­ka, w którym panuje temperatura -15°C. W parowniku cała jego powierzchnia powinna być zwilżana ciekłym czynnikiem, czyli cała powierzchnia parownika powinna brać udział w wymianie ciepła.

Rysunek 3.4. Rozkład temperatury w urządzeniu chłodniczym

Właściwie dobrany zawór rozprężny powinien być tak otwarty, aby krople ciekłego czynnika prze­pływające przez parownik odparowywały całkowicie przed wylotem z paro­wnika. Ponieważ na całej długości parownika panuje jednakowe ciśnienie, zatem do miejsca, w którym wyparowuje ostatnia kropla ciekłego czynnika chłodniczego, panuje również stała temperatura (w opisywanym przypadku wynosi -15°C i jest temperaturą nasycenia odpowia­da­jącą ciśnieniu nasycenia l,6461 bar). W tym miejscu para czynnika jest parą suchą nasyconą (nie zawiera kropelek cieczy wrzącej) i dalej, na ostatnim, krótkim odcinku parownika, para ogrzewa się wskutek napływu ciepła. W rozważanym przykładzie para ogrzała się o 7°C ponad temperaturę wrzenia i stała się parą przegrzaną o temperaturze -8°C. To przegrzanie jest wykorzystywane jako sygnał do sterowania stopniem otwarcia termostatycznego zaworu rozpręż­nego. Podczas przepływu pary w rurociągu ssawnym łączącym parownik ze sprężarką następuje dalsze przegrzanie pary wskutek napływu ciepła przez ścianki rurociągu. Przyjmijmy, że dodatkowe przegrzanie wynosi w opisywa­nym przypadku 5°C, a więc przy wylocie do sprężarki para czynnika ma temperaturę -3°C.

Po sprężeniu pary w sprężarce jej ciśnienie wynosi 8,8479 bar, a para jest parą przegrzaną o temperaturze +52°C. Na drodze do skraplacza para czynnika oddaje do otoczenia część ciepła, wskutek czego jej temperatura obniża się stopniowo, np. do 47°C. Po wpłynięciu do skraplacza początkowo następuje obniżenie temperatury pary czynnika do temperatury skraplania +35°C, a potem na skutek współistnienia dwóch faz (para i ciecz) temperatura w skraplaczu pozostaje stała, równa temperaturze nasycenia +35°C. Dopiero od miejsca, w którym wężownica skraplacza jest wypełniona tylko ciekłym czynnikiem, może nastąpić dochłodzenie cieczy poniżej temperatury skraplania. Załóżmy, że w opisywanym przypadku dochłodzenie to wynosi 3°C i dalej na drodze od skraplacza do zaworu rozprężnego kolejne 2°C. Wtedy ciecz czynnika chłodniczego opusz­czającego skraplacz ma temperaturę +32°C, a tuż przed zaworem rozprężnym +30°C.

3.4. Bilans cieplny obiegu chłodniczego

Lepsze poznanie zjawisk zachodzących podczas obiegu chłodniczego umoż­liwia wykres przedstawiający zmianę entalpii czynnika chłodniczego (defini­cja entalpii - patrz p. 1.6).

Podczas obiegu chłodniczego występują zmiany wartości entalpii czyn­nika chłodniczego ponad pewien stan odniesienia przyjęty za zerowy. Ponieważ strumień masy czynnika krążącego w urządzeniu chłodniczym jest stały (przy założeniu stanu ustalonego), zatem można rozważać zmiany entalpii właściwej (entalpia l kg czynnika).

Znając z rys.3.3 i 3.4 wartości ciśnienia i temperatury czynnika chłodniczego w charakte­rystycznych punktach obiegu, można określić w tych punktach entalpię czynnika. W tym celu można posłużyć się wykresem zależności h-lg p dla czynnika R134a. Wartości entalpii dla cieczy wrzącej i pary nasyconej czynnika zawiera tabl.37.23. Przez połączenie naniesionych wartości entalpii powstaje wykres przedstawiony na rys.3.5.

Rysunek 3.5. Zmiany entalpii czynnika chłodniczego podczas obiegu w urządzeniu chłodniczym

Przed zaworem regulacyjnym entalpia ciekłego czynnika R134a o tem­peraturze +30°C i ciśnieniu 8,8479 bar (ciśnienie skraplania) wynosi 238 kJ/kg, a tuż przed sprężarką entalpia pary czynnika o ciśnieniu 1,6461 bar, przegrzanej do temperatury -3°C, wynosi 397 kJ/kg. Różnica entalpii 397 - 238 = 159 kJ/kg jest ciepłem, jakie pobrał 1 kg czynnika w parowniku oraz na drodze między parownikiem a sprężarką. Po sprężeniu para czynnika jest parą przegrzaną - ma temperaturę +52°C i ciśnienie 8,8479 bar. Entalpia takiej pary czynnika R134a wynosi 436 kJ/kg. Praca sprężania spowodowała wzrost entalpii o 436 - 397 = 39 kJ/kg. Zatem:

— w parowniku l kg czynnika pobrał (łącznie z ciepłem przegrzania) 159 kJ/kg

— w sprężarce l kg czynnika pobrał 39 kJ/kg

Razem 198 kJ/kg

Chcąc z powrotem doprowadzić czynnik chłodniczy do tego samego stanu, w jakim dopływał do zaworu rozprężnego, trzeba między sprężarką a zaworem rozprężnym obniżyć entalpię czynnika o 198 kJ/kg. Ponieważ wymiana ciepła odbywa się przy stałym ciśnieniu oznacza to, że na drodze od sprężarki do zaworu rozprężnego trzeba odprowadzić 198 kJ/kg ciepła (ciepło jest odprowadzane w skraplaczu).

Zauważmy, że aby w parowniku czynnik mógł pobrać 159 kJ/kg ciepła, trzeba wykonać pracę sprężania równą 39 kJ/kg. Dzieląc te dwie liczby przez siebie, otrzymuje się wartość współczynnika wydajności chłodniczej wyno­szącą 4,08. Wartość tego współczynnika zależy od parametrów termicznych obiegu i rodzaju czynnika chłodniczego.

Mnożąc obliczone zmiany entalpii właściwej w parowniku i skraplaczu przez strumień masy (kg/s) czynnika krążącego w obiegu, otrzymamy moc cieplną tych wymienników. Chcąc policzyć moc sprężania, należałoby dodatkowo uwzględnić czynnik pozostający w przestrzeni szkodliwej sprężarki (patrz rozdz. 7).

3.5. Zmiany stanu skupienia czynnika chłodniczego podczas obiegu w urządzeniu sprężarkowym

Przebieg zmian stanu skupienia czynnika chłodniczego podczas obiegu (rys.3.6) jest uzupełnieniem wcześniejszego opisu działania chłodniczego urządzenia sprężarkowego. Stan pary przegrzanej i cieczy dochłodzonej można określić przez podanie temperatury (ciśnienie jest znane). Chcąc określić stan pary nasyconej mokrej, która jest mieszaniną pary nasyconej suchej i cieczy wrzącej, trzeba podać zawartość pary nasyconej suchej w mieszaninie, czyli procent odparowanej cieczy. Gdy zawartość pary w tej mieszaninie wynosi 0%, wówczas jest to ciecz nasycona (wrząca), gdy zaś ostatnia kropla cieczy zamieni się w parę, jest to para sucha nasycona (zawartość pary wynosi 100%).

Do zaworu rozprężnego dopływa ciecz czynnika chłodniczego ochło­dzona o 5°C poniżej temperatury skraplania. Jak wynika z rys.3.4, jest to ciecz ochłodzona o 3°C w ostatniej sekcji skraplacza i o 2°C na drodze od skraplacza do zaworu rozprężnego.

W zaworze rozprężnym następuje gwałtowne obniżenie ciśnienia, wsku­tek czego część cieczy odparowuje (załóżmy, że ok. 23%) i w wyniku tego reszta cieczy obniża swą temperaturę do -15°C. Podczas przepływu przez parownik para mokra osusza się i w przedostatniej sekcji wężownicy parownika staje się parą suchą nasyconą. Para ta przegrzewa się na dalszej drodze do sprężarki o 12°C, z czego o 7°C w ostatniej części parownika i o 5°C w przewodzie ssawnym. Po sprężeniu w sprężarce para ma już wyższe ciśnienie (ciśnienie skraplania), ale nadal jest parą przegrzaną i ma tem­peraturę +52°C. Temperatura pary obniża się stopniowo na drodze do skraplacza (do +47°C). W pierwszej części skraplacza para oddaje ciepło przegrzania i staje się parą suchą nasyconą o temperaturze +35°C. Dalej, w miarę przepływu przez skraplacz para staje się coraz bardziej wilgotna, aż całkowicie zamienia się w ciecz nasyconą. Ciecz czynnika dochładza się nieznacznie w ostatniej gałęzi skraplacza i w przewodzie cieczowym przed zaworem rozprężnym.

Obiegi chłodnicze mogą być realizowane przy użyciu różnych czynników chłodniczych i przy różnych ciśnieniach parowania i skraplania. Różne też mogą być warunki dochładzania ciekłego czynnika i przegrzewania pary. Pomimo różnych wartości ciśnienia, temperatury i entalpii czynnika chłod­niczego opisany charakter zmian pozostaje ten sam.

Rysunek 3.6. Zmiany stanu skupienia czynnika chłodniczego podczas obiegu w urządzeniu chłodniczym

47

---