INSTYTUT INŻYNIERII ŚRODOWISKA UNIWERSYTET ZIELONOGÓRSKI
		TECHNIKA CIEPLNA - LABORATORIUM
II ROK INŻYNIERII ŚRODOWISKA STUDIA DZIENNE GRUPA 27 A		13.04.2005
REFERAT INSTALACJE CHŁODNICZE - teoria działania i budowy chłodziarek. AUTORZY OPRACOWANIA: Magdalena Kot Artur Dańko Bartosz Staniszewski

1. Wstęp

W różnych działach gospodarki, przede wszystkim w przemyśle spożywczym szerokie zastosowanie znajdują urządzenia chłodnicze. Ich zadaniem jest uzyskiwanie, a następnie utrzymywanie temperatury jakiegoś środowiska np pomieszczenia, na poziomie niższym od temperatury jego otoczenia najczęściej w granicach od +10°C do -40°C. Niska temperatura pomieszczenia sprawia, że z różnych źródeł dopływa do niego ciepło, stanowiąc obciążenie cieplne pomieszczenia. Takimi źródłami są: cieplejsze otoczenie, wprowadzane ciepłe produkty, ciepłe powietrze wpływające przy otwieraniu drzwi, ciepło oddawane przez pracujących ludzi, silniki, oświetlenie itp. Aby dopływające z tych źródeł ciepło nie powodowało podwyższenia temperatury pomieszczenia, musi być ono z pomieszczenia odprowadzane. Jeśli ilość ciepła odprowadzana w jednostce czasu, nazywana wydajnością chłodniczą, jest równa ilości ciepła doprowadzanego do pomieszczenia w tym samym czasie, to temperatura pomieszczenia będzie stała. Gdy wydajność chłodnicza jest większa od obciążenia cieplnego, temperatura pomieszczenia spada, w przy­padku przeciwnym następuje jej wzrost.

W celu odprowadzania ciepła z pomieszczenia najczęściej są wykorzy­stywane zjawiska zmiany stanu skupienia, a mianowicie parowanie cieczy oraz topnienie lub sublimacja ciał stałych. Realizacja tych przemian wymaga doprowadzenia ciepła. Jeśli zatem przemiany te zachodzą w danym pomiesz­czeniu, to potrzebne ciepło pobierane jest z tego pomieszczenia, a zatem jest ono chłodzone. Konieczne jest przy tym, aby temperatura, w jakiej następuje zmiana stanu, była niższa od żądanej temperatury pomieszczenia. Tem­peratura ta zależy od rodzaju ciała oraz od ciśnienia. Wpływ ciśnienia na wartość temperatury topnienia i sublimacji jest stosunkowo niewielki. Ponadto w praktyce przemiany te zachodzą tylko pod ciśnieniem atmosferycznym. Natomiast istotny jest wpływ ciśnienia na temperaturę parowania.

Przykładowo, jeśli do chłodzenia zastosuje się lód wodny, topnieje w temperaturze 0°C, to w pomieszczeniu można uzyskać tylko temperę dodatnią. Znacznie niższą temperaturę można uzyskać chłodząc pomieszczenie tzw. suchym lodem, czyli zestalonym dwutlenkiem węgla C0₂, który sublimuje w temp. - 78,9°C. Natomiast temperatura parowania cieczy jest tym s/c jest ciśnienie, l tak pod ciśnieniem 0,29 MPa ciekły amoniak (NH,) paruje w temperaturze -10"C, obniżenie zaś ciśnienia do 0,07 MPa powoduje, że parowanie zachodzi w temperaturze -40°C. Zależność tem­peratury parowania (nasycenia) od ciśnienia dla innych cieczy przedstawia wykres na rys. 1. Możliwość uzyskiwania żądanej temperatury nasycenia czynnika przez wytworzenie odpowiedniego ciśnienia sprawiła, że zjawisko odprowadzania ciepła przez parującą ciecz stało się podstawą działania urządzeń chłodniczych, zarówno najpopularniejszych, tzn. sprężarkowych, jak i absorpcyjnych oraz strumienicowych.

Rys. 1

2. Urządzenia sprężarkowe jednostopniowe

Lód wodny i lód suchy są stosowane do chłodzenia stosunkowo rzadko ponieważ niezbędne jest ich uzupełnianie w miarę zużycia. Znacznie dogodniejsze są zmechanizowane urządzenia chłodnicze, gdyż pracują one w sposób ciągły. Wymagają one jednak doprowadzenia energii elektrycznej lub cieplnej a niekiedy również wody.

Najważniejsze elementy składowe sprężarkowego urządzenia chłodnicze(rys.2a) to: sprężarka, skraplacz, zawór regulacyjny i parownik.

Rys. 2a Rys. 2b

W urządzeniu takim jest realizowany obieg złożony z czterech przemian: izentropowego sprężania, izobarycznego skraplania, izentalpowego dławienia i izobarycznego parowania. Obieg taki przedstawiono na rys.2b w postaci wykresu we współrzędnych i-lg p. Punkt l wykresu przedstawia parę czynnika o ciśnieniu p_o zasysaną przez sprężarkę. Może być ona w stanie nasyconym suchym, wówczas jej temperatura t_o odpowiada ciśnieniu p_o zgodnie z rys 1, lub może być parą przegrzaną o temperaturze wyższej od t_o Po sprężeniu czynnik uzyskuje ciśnienie p_k, panujące w skraplaczu, oraz staje się parą przegrzaną o temperaturze t_tł (p. 2). Para o takim stanie wpływa do skraplacza, gdzie pod stałym ciśnieniem jest od niej odprowadzane najpierw ciepło przegrzania (odcinek 2-2'), a następnie w stałej temperaturze t_k -ciepło skraplania (odcinek 2'-3). Środowiskiem odbierającym ciepło jest woda lub powietrze. Temp. skraplania czynnika chłodniczego musi być oczywiście wyższa od temp. tego środowiska. Temperaturze tej odpowiada określone dla danego rodzaju czynnika ciśnienie nasycenia p_k, do którego sprężarka musi sprężyć parę czynnika (rys. l) Otrzymywany w skraplaczu ciekły czynnik, którego stan określa p. 3, przepływa do zaworu regulacyjnego (zwanego rozprężnym), gdzie ulega dławieniu. W wyniku dławienia otrzymuje się parę mokrą, tj. mieszaninę pary i cieczy. Para ta o ciśnieniu p_o i odpowiadającej mu niskiej temp. T_o (p. 4)

Dopływa do parownika, w którym parując odprowadza ciepło z chłodzonego pomieszczenia. Zachodzącą w parowniku przemianę izobaryczną przedstawia odcinek 4-1 . Otrzymana na wylocie parownika para o stanie 1 jest zasysana przez sprężarkę. W ten sposób obieg się zamyka.

3. Czynniki chłodnicze. Chłodziwa. Oleje

Czynniki chłodnicze, jakimi napełnia się sprężarkowe urządzenia chłod­nicze są to związki chemiczne dobierane w zależności od parametrów pacy urządzenia Jego rodzaju i wielkość,. Czynniki te są oznaczane symbolem R oraz liczbą określającą ich budowę chemiczną. Najbardziej rozpowszechnione są: amoniak (NH₃) oznaczony symbolem R717 oraz tzw. freony będące pochodnymi węglowodorów. Najczęściej spotyka się freon R 12 (CF₂ Cl₂ ) freon R22 (CHF₂Cl) oraz freon R502 (_C2F₅Cl), będący mieszaniną freonów R22 i R115.

Amoniak jest stosowany w urządzeniach o średniej i dużej wydajności. W stanie parowym i ciekłym jest bezbarwny. Charakteryzuje się bardzo ostrym, przenikliwym zapachem. W temperaturze powyżej 120°C może w pewnych warunkach nastąpić rozkład amoniaku na azot i wodór, co grozi awarią urządzenia.

Amoniak jest palny. Z powietrzem tworzy mieszaninę wybuchową (niebez­pieczny zakres stężenia 15 — 28% amoniaku). Do pomieszczeń, w których mogą znajdować się pary amoniaku, nie wolno wchodzić z otwartym ogniem (nie wolno np. spawać).

Amoniak działa silnie na miedź i jej stopy (najbardziej odporny jest brąz fosforowy) oraz na cynk. W obecności niklu amoniak ulega rozkładowi.

Olej, niezbędny do smarowania sprężarek, jest w małych ilościach wtłacza­ny wraz z czynnikiem do dalszych części urządzenia. Ponieważ amoniak prawie nie rozpuszcza się w oleju, więc przy zachowaniu ostrożności możliwe Jest

wyprowadzanie oleju z urządzenia na zewnątrz.

Z wodą amoniak tworzy roztwory o dowolnym stężeniu. Dzięki temu nawet stosunkowo znaczna ilość wody w urządzeniu me zagraża jej zamarznięciem.

Amoniak silnie atakuje układ oddechowy oraz błony śluzowa. Stopień zatrucia zależy od stężenia amoniaku w powietrzu i czasu przebywania w skażonej atmosferze.

Freony są to czynniki bezbarwne, na ogół o słabym, eterycznym zapachu niepalne i niewybuchowe. Pod takim samym ciśnieniem rożne freony mają różną temperaturę nasycenia (rys. 1), tj. temperaturę parowania która praktycznie jest równa, temperaturze skraplania. Dzięki temu możliwy jest dobór takiego czynnika, dla którego ciśnienie odpowiadające żądanemu zakresowi temp. Pracy nie jest ani z byt wysoka, ani z byt niska. W przypadku wysokiego ciśnienia urządzenia musza mieć dużą wytrzymałość, a tym samym są ciężkie i drogie. natomiast ciśnienie niższe od atmosferycznego grozi zasysaniem do urządzenia powietrza z zawartą w nim parą wodną, mogącą ulec skropleniu i zamarznięciu.

Freony działają szkodliwie na cynk freonów magnez oraz są silnymi rozpuszczalnikami takich materiałów organicznych ,jak: guma, żywice, oraz wiele tworzyw sztucznych.

Większość freonów tworzy z olejem roztwory, a zatem olej nie może być wyprowadzany na zewnątrz. Aby Jednak olej wybaczany przez sprężarkę mógł do niej wrócić i nie zalegał w poszczególnych aparatach, co wpływałoby niekorzystnie na ich pracę, w każdym miejscu urządzenia musi być utrzymana dostatecznie duża prędkość przepływu czynnika, wystarczająca do transportu kropel oleju.

Freony nie mieszają się z wodą, aby zatem uniknąć jej zamarzania w urządzeniu chłodniczym, muszą być one dokładnie osuszane.

Na organizm ludzki działają dusząco, ale dopiero w stężeniu powyżej 10%. Niebezpieczne są natomiast produkty rozkładu freonów, jak np. fosgen, który powstaje przy zetknięciu freonów z otwartym płomieniem.

Freony, używane nie tylko w urządzeniach chłodniczych, okazały się szkodliwe, gdyż ulatniając się powodują niszczenie warstwy ozonu, wy­stępującej w górnych partiach atmosfery. Na skutek zaniku ozonu wzrasta średnia temperatura na Ziemi (tzw. efekt cieplarniany), występują choroby oczu i rak skóry, obniża się ogólna odporność organizmów, zmniejszają się plony zbóż itd. Podejmowane są liczne próby przeciwdziałania efektowi cieplarnianemu. Między innymi w 1987 r. na międzynarodowej konferencji ekologicznej zorganizowanej pod egidą ONZ sporządzono tzw. Protokół Montrealski, w którym postanowiono, iż do roku 1998 ilość freonów produkowanych na świecie powinna zmaleć o 50%. Jednocześnie trwają poszukiwania czynników o właściwościach podobnych do freonów, lecz nie szkodliwych dla atmosfery. Obecnie wszystko wskazuje na to, iż czynnikiem takim może być freon 134a, o własnościach zbliżonych do freonu 12.

Chłodziwa. W niektórych urządzeniach ciepło z chłodzonego pomieszczenia me Jest odprowadzane bezpośrednio przez parujący czynnik, lecz przez ciecz o odpowiednio niskiej temperaturze. Ciecz taka, nazwana chłodziwem (lub solanką). Jest chłodzona za pomocą urządzenia chłodniczego Układ luki nazywa się pośrednim. Cieczami pośredniczącymi mogą być: woda lub wodne roztwory soli, glikoli i alkoholi. Ich stężenia powinny być takie, aby temperatura krzepnięcia roztworu była o ok. 5°C niższa od temperatury parowania czynnika chłodniczego.

Oleje. Do smarowania sprężarek są stosowane zarówno oleje mineralne (otrzymywane z ropy), jak i syntetyczne. Muszą one mieć lepkość w zakresie temperatury panującej w urządzeniu zakresie tak że niską temp. krzepnięcia i wysoką temperaturę zapłonu. Oleje te muszą być obojętnie chemicznie względem czynników chłodniczych i materiałów konstrukcyjnych. W przypadku urządzeń freonowych nie mogą one zawierać wody ani związków parafinowych, które w niskiej temperaturze wydzielają się w stanie stałym.

Gatunek oleju odpowiedni dla danego typu sprężarki określają zalecenia wytwórni.

4. Urządzenia sprężarkowe wielostopniowe i kaskadowe

Wprowadzenie. Gdy urządzenie chłodnicze ma pracować w niskiej tem­peraturze, której odpowiada niskie ciśnienie parowania, wówczas układ jednostopniowy staje się nieekonomiczny. Przyczyną jest wzrost sprężu, tj. stosunku ciśnienia tłoczenia do ciśnienia ssania, powodujący zwiększenie zarówno strat wydajności, jak i strat energetycznych sprężarki. Aby zmniejszyć te straty, stosuje się układy z wielostopniowym (zwykle dwustopniowym) sprężaniem czynnika, połączonym z chłodzeniem między stopniowym. W przy­padku bardzo niskiej temperatury środowiska chłodzonego stosuje się układy kaskadowe.

Układy dwustopniowe. W urządzeniu dwustopniowym (rys. 3) czynnik o ciśnieniu p₀₁ wypływający z parownika w stanie pary nasyconej suchej (p. 1) lub lekko przegrzanej, jest zasysany przez pierwszy stopień sprężarki dwustop­niowej lub przez sprężarkę jednostopniową (zwaną niskoprężną) i sprężany do ciśnienia międzystopniowego p₀₂ W urządzeniach amoniakalnych otrzymana po sprężeniu para przegrzana o stanie 2 jest wprowadzana do chłodnicy międzystopniowej CM. Tu styka się ona z ciekłym czynnikiem o niższej temperaturze nasycenia t₀₂ (stan 7). Na skutek różnicy temperatury pary i cieczy następuje między nimi wymiana ciepła: para zostaje ochłodzona do stanu 3, a ciecz paruje osiągając ten sam stan. Z chłodnicy międzystopniowej para czynnika jest zasysana przez drugi stopień sprężarki dwustopniowej lub drugą sprężarkę jednostopniową (zwaną wysokoprężną) i po sprężeniu do stanu 4 wtłaczana do skraplacza. Otrzymany tu ciekły czynnik o stanie 5 zostaje zdławiony w zaworze regulacyjnym ZR 1 i w stanie pary mokrej (p. 6} wprowadzony do chłodnicy międzystopniowej. W chłodnicy, dzięki zmniej­szeniu prędkości i zmianie kierunku przepływu, para mokra zostaje roz­dzielona na parę nasyconą suchą o stanie 3, zasysaną przez sprężarkę wysokoprężną, oraz ciecz nasyconą o stanie 7. Jak już wyjaśniono, część tej cieczy odparowuje obniżając temperaturę pary przegrzanej wytłaczanej przez sprężarkę niskoprężną, a reszta jest dławiona w zaworze regulacyjnym ZR II i wprowadzana do parownika PAR I. W parowniku czynnik odparowuje pod ciśnieniem p₀₁ odpowiadającej mu temperaturze t₀₁ odbierając ciepło z chłodzonego pomieszczenia. Jednocześnie zmianie ulega stan czynnika (odcinek 8-1 wykresu).

Rys.3

Niekiedy jest wymagane utrzymywanie w sąsiadujących ze sobą pomieszczeniach niskiej temperatury, lecz o wartościach znacznie różniących się między sobą. Wówczas również może być użyte urządzenie dwustopniowe (rys. 3). W takim przypadku parownik PAR 1, służący do chłodzenia pomieszczenia o niższej temperaturze, łączy się ze stroną ssawną sprężarki niskoprężnej, a parownik PAR II, służący do chłodzenia pomieszczenia o wyższej tem­peraturze — ze stroną ssawną sprężarki wysokoprężnej. W tym parowniku panuje wówczas ciśnienie międzystopniowe p₀₂, a czynnik dopływający do niego poprzez zawór regulacyjny ZR III paruje w odpowiadającej temu ciśnieniu temperaturze t₀₂ wyższej od t₀₁

W urządzeniach freonowych chłodnice międzystopniowe nie mogą być stosowane, gdyż mała prędkość przepływu czynnika przez zbiornik uniemożli­wiałaby powrót oleju do sprężarki wysokoprężnej. Ciepło przegrzania jest natomiast odprowadzane przez parę mokrą wprowadzaną do przewodu łączącego oba stopnie sprężarki.

Jeśli wymagana jest bardzo niska temperatura parowania, to dla jej uzyskania mogą być stosowane urządzenia trzystopniowe lub (korzystniejsze) kaskadowe.

Urządzenie kaskadowe składa się z dwóch urządzeń, tzw. stopni kaskady. Zadaniem pierwszego z nich, pracującego w żądanej (niskiej) temperaturze parowania, jest odprowadzanie ciepła z chłodzonego pomieszczenia, zadaniem drugiego jest skraplanie czynnika w skraplaczu urządzenia pierwszego. Od­powiednio dobierając czynniki w obu urządzeniach można uniknąć zbyt wysokiego i zbyt niskiego ciśnienia oraz dużego sprężu. Jeżeli przyjmujemy przykładowo, że pierwszy stopień kaskady jest napełniony freonem R13 , który paruje w temp. -70°C i jest skraplany w temp. - 15 °C, to ciśnienie parowania wyniesie wówczas 0,18 MPa, ciśnienie skraplania 1,32 MPa a spręż 7,3( wartości ciśnienia odczytano z rysunku 1) jeśli drugi stopień kaskady jest napełniony napełniony freonem R12 , to ponieważ ma on odprowadzać ciepło od skraplanego freonu R13, jego temp. Parowania musi być odpowiednio niska i wynosi np. -20°C.przyjmując, że temperatura skraplania freonu R12 wynosi 40 °C, otrzymujemy ciśnienie parowania 0,15 MPa, skraplania 0,996 MPa oraz spręż 6,6

5. Sprężarki chłodnicze

W sprężarkowych urządzeniach chłodniczych są stosowane sprężarki wyporowe i przepływowe. Spośród sprężarek wyporowych najczęściej spotyka się sprężarki tłokowe, a ostatnio również śrubowe, rzadziej zaś rotacyjne jedno- i wieiołopatkowe. Ze sprężarek przepływowych w zasadzie stosuje się tylko sprężarki promieniowe.

W Polsce sprężarki tłokowe są produkowane o szerokim zakresie wydajno­ści skokowej (teoretycznej), od 0,63 m3/h (typ SH — na R12) do 1173 m³/h (typ WI80 — na R717).

Teoretyczna wydajność skokowa określa strumień objętości, tj. objętość czynnika zasysaną w jednostce czasu przez sprężarkę pracującą bez strat. W rzeczywistości wydajność sprężarki jest mniejsza i zależy od parametrów jej pracy, a więc od ciśnienia ssania i tłoczenia. W chłodnictwie wydajność rzeczywistą przyjęto określać jako wydajność chłodniczą, podawaną w watach lub kilowatach. Wydajność ta odpowiada ilości ciepła, jaką z chłodzonego środowiska może odprowadzić urządzenie chłodnicze wyposażone w daną sprężarkę i pracujące w określonym zakresie temperatury, któremu od­powiadają określone wartości ciśnienia parowania i skraplania. Wartości wydajności są często podawane przez producentów sprężarek w postaci wykresów (rys. 4) lub tablic. Wykresy umożliwiają też określenie poboru mocy efektywnej P_e tj. mocy, jaka musi być przyłożona do wału sprężarki .

W kraju są produkowane przede wszystkim sprężarki bezwodzikowe (typy XF, W92 i WI80), o zamkniętej skrzyni korbowej. Jedną z nich przedstawiono na rys. 5. W przypadku sprężarek stosowanych w chłodnictwie pewne różnice konstrukcyjne wynikają z konieczności uwzględnienia właściwości czynników oraz wymagań związanych z warunkami eksploatacji urządzeń. Sprowadzają się one do konieczności zapewnienia szczelności, właściwego smarowania, regulacji wydajności, a także ułatwienia rozruchu oraz użycia materiałów odpornych na działanie czynnika chłodniczego i oleju.

Miejscem wymagającym uszczelnienia jest przejście wału korbowego sprężarki przez ścianę skrzyni korbowej w celu połączenia go z silnikiem napędzającym. Uszczelnienie to stanowi dlawnica, zapobiegająca zarówno ucieczce pary czynnika ze skrzyni korbowej, jak i podsysania od niej powietrza. Ucieczka czynnika może nastąpić, gdy ciśnienie pary jest wyższe od atmosferycznego, podsysanie powietrza, gdy w skrzyni panuje pdciśnienie Podczas pracy sprężarki w skrzyni korbowej panuje ciśnienie równe ciśnieniu ssania bliskie ciśnieniu parowania w czasie postoju w skrzyni korbowej wzrasta.

W sprężarkach krajowych stosuje się dławnice typu sprężynowego. Ich zasadniczymi częściami są pierścienie ślizgowe, z których jeden (nieruchomy) jest połoncony z korpusem sprężarki, a drugi obraca się wraz z wałem korbowym.Pierścienie te stykają się ze sobą tworząc powierzchnie uszczelniającą, prostopadłą do osi wałów. W celu zapewnienia szczelności SA ode dociskane sprężynami miedzy ich powierzchniami trącymi znajduje się cieńka warstwa oleju.

Smarowaniema na celu zmniejszenie tarcia ruchomych części sprężarek oraz odprowadzenie ciepła wywiązującego się wskutek tarcia i sprężania. W mniejszych sprężarkach wolnoobrotowych stosuje się smarowanie rozbryz­gowe Na ogól stosuje się jednak smarowanie ciśnieniowe z użyciem pompy, sprzężonej z wałem korbowym i zasysającej olej znajdujący się w dolnej części skrzyni korbowej. Po sprężeniu olej jest wtłaczany kanałami do dławnicy, łożysk i czopów wału korbowego, skąd wraca do skrzyni korbowej. Zależnie od rodzaju sprężarki ciśnienie po stronie tłocznej pompy jest o 0,1 - 0,25 MPa wyższe od ciśnienia ssania. Ciśnienie to może być regulowane zaworem przelewowym włączonym między stroną tłoczną i ssawną pompy.

Aby ciepło odbierane przez olej nie spowodowało nadmiernego wzrostu jego temperatury, musi być odprowadzane na zewnątrz. W małych i średnich sprężarkach ciepło jest oddawane poprzez ścianki skrzyni korbowej, w dużych ciepło jest odbierane przez chłodnicę zanurzoną w oleju. Chłodnica jest zasilana wodą lub parującym czynnikiem chłodniczym. W tym ostatnim przypadku jest ona jednocześnie parownikiem.

Obciążenie cieplne chłodzonego środowiska jest zmienne w czasie. Aby zatem temperaturę środowiska utrzymać na żądanym poziomie, trzeba zapew­nić możliwość odpowiednich zmian wydajności chłodniczej sprężarki. Roz­wiązań tego zagadnienia jest wiele. W przypadku sprężarek wielocylindrowych regulacja wydajności polega np. na wyłączaniu z pracy poszczególnych cylindrów. Do tego celu służy specjalny mechanizm, uruchamiany ręcznie lub automatycznie, za pomocą którego zostają zablokowane (w położeniu otwar­cia) płytki robocze zaworów ssawnych. Wówczas zassany do cylindra czynnik w czasie suwu sprężania nie jest sprężany, lecz wytłaczany z powrotem na stronę ssawną.

W czasie uruchamiania sprężarki pobór mocy jest większy niż w czasie jej pracy, niezbędne jest bowiem pokonanie sił bezwładności części wprawianych w ruch. Może to nawet spowodować przeciążenie silnika napędzającego sprężarkę. Dlatego stosuje się różne sposoby jego odciążania np. blokowanie zaworów. Wyłączając część cylindrów z pracy pobór mocy potrzebną do sprężania w nich czynnika.

Pewne trudności stwarza uruchamianie sprężarek freonowych, szczegulnie po dłuższym ich postoju. Większość freonów tworzy z olejem roztwory, przy czym rozpuszcza się tym więcej freonu, im wyższe jest ciśnienie i niższa temperatura roztworu. Podczas postoju sprężarki w skrzyni korbowej panują warunki sprzyjające rozpuszczaniu się freonu w oleju. W momencie rozruchu w skrzyni gwałtownie spada ciśnienie, w roztworze powstaje zatem nadmiar freonu. Freon ten odparowuje, powodując pienienie oleju, i w efekcie złe smarowanie oraz możliwość zassania oleju do cylindrów. Aby tego uniknąć, w skrzyni korbowej jest zamontowany grzejnik elektryczny włączany przed rozruchem. Dzięki podgrzaniu roztworu zostaje z niego usunięta znaczna część freonu.

Doskonałą szczelnością wyróżniają się sprężarki hermetyczne. W kraju są produkowane dwa typy takich sprężarek — SH i XK. Sprężarki SH o najmniejszej wydajności są stosowane w chłodziarkach i zamrażarkach domowych. Są to sprężarki tłokowe z silnikiem elektrycznym jednofazowym, zamknięte w spawanej obudowie (rys. 6). Zamiana ruchu obrotowego wału silnika na ruch postępowo-zwrotny tłoka odbywa się następująco. Pionowy wał 12 silnika jest zakończony mimośrodowo osadzonym czopem 4. Czop 4 wchodzi w otwór tzw. kamienia 6 umieszczonego w tulei 5. Tuleja 5 ma podłużne wycięcie, które umożliwia przesuwanie się w niej czopa wraz z kamieniem. Z tuleją jest trwale połączony tłok 3, przesuwający się w poziomym cylindrze 2. Sprężarka zasysa parę freonu R12 z wnętrza swej obudowy w której panuje ciśnienie ssania.sprężony czynnik jest tłoczony przewodem 9.

Inne rozwiązanie mają sprężarki hermetyczne typu XK. Są to sprężarki tłokowe jedno dwu- lub trzycylindrowe o Poziomych osiach cylindrów. Na górnym końcu wału jest osadzony wirnik silnika Mechanizm korbowy umożliwia zamianę obrotowego ruchu wału na ruch postępowo-zwrotny tłoków Zawory robocze typu języczkowego są umieszczone w płycie zaworo­wej. Czynnik jest zasysany z wnętrza obudowy, a tłoczony przewodem wyprowadzonym na zewnątrz.

W odróżnieniu od sprężarek tłokowych, w których regulacja wydajności — polegająca na blokowaniu zaworów — jest skokowa (np. wyłączenie 2 z 6 cy­lindrów zmniejsza wydajność o 33%), w sprężarkach śrubowych regulacja ta jest ciągła i to w szerokim zakresie (100 - 10%). Umożliwia ją suwak 7 (rys. 7). W skrajnym położeniu suwaka obudowa 3 wirników 4 jest całkowicie zamknięta i cała ilość zassanego czynnika ulega sprężeniu. Przesu­nięcie suwaka w kierunku drugiego skrajnego położenia sprawia, iż powstaje otwór upustowy, którym część zassanego czynnika wraca do komory ssawnej.

Rys. 7

W ten sposób maleje wydajność sprężarki. Spadek wydajności jest tym większy, im większy jest otwór upustowy. Położenie suwaka ustala układ olejowy. Ciśnienie oleju działa na tłoczek 5 umieszczony w cylindrze i połączo­ny z suwakiem. Wprowadzenie oleju z jednej strony tłoczka i jednoczesne odprowadzenie z drugiej powoduje przesunięcie tłoczka w odpowiednim kierunku.

6. Aparatura chłodnicza

Podział aparatów

W skład urodzeń chłodniczych wchodzą aparaty, których zadania to-realizacja obiegu, utrzymanie wymaganych parametrów środowiska chłodzo­nego. ograniczenie poboru mocy i zużycia wody, ułatwienie obsługi, zabez­pieczenie urządzenia przed możliwością awarii, wreszcie automatyzacja pracy.

Uproszczone schematy urządzeń chłodniczych — amoniakalnego i freono­wego - przedstawiono na rysunkach 8 i 9.

Rys. 8

Aparatami niezbędnymi w każdym urządzeniu są skraplacze i parowniki. Skraplacze można podzielić na chłodzone wodą i chłodzone powietrzem (z grawitacyjnym lub wymuszonym przepływem powietrza). Wśród parow­ników rozróżnia się parowniki do chłodzenia cieczy i do chłodzenia powietrza.Jeśli przepływ cieczy lub powietrza jest wymuszony, parownik nazywa się chłodnicą

Wśród skraplaczy chłodzonych wodą najczęściej są stosowane płaszczowo-rurowe pionowe i poziome oraz natryskowo-wyparne, rzadziej wiązkowe i przeciwprądowe.

Rys. 9

Skraplacze

Skraplacz płaszczowo-rurowy poziomy (rys. 10) ma stalowy płaszcz zamknięty dnami sitowymi, w których są osadzone rury wodne. Końce płaszcza tworzą komory wodne wyposażone w przegrody i zamknięte po­krywami. Woda dopływa do jednej z komór, a następnie dzięki przegrodzie jest kierowana do części (pęczka) poziomych rur wodnych. Z tego pęczka woda wypływa do drugiej komory wodnej, gdzie dzięki odpowiednio rozmiesz­czonym przegrodom zmienia kierunek przepływu i wpływa do następnego pęczka rur. Umożliwia to utrzymanie odpowiedniej prędkości przepływu wody i zapewnia korzystne warunki przejmowania ciepła. Para czynnika jest doprowadzana do górnej części płaszcza, a skroplony czynnik zbiera się w jej części dolnej, skąd poprzez króciec jest odprowadzony do zbiornika cieczy.

Rys. 10

Skraplacz płaswzowo-rurowe pionowe również mają stalowy, walcowy płaszcz, zamknięty z obu końców dniami sitowymi. Między dnami znajdują się rury,do których ze zbiornika umieszczonego na górze skraplacza spływa woda. Po przepłynięciu przez rury , odebraniu ciepła od skraplanego czynnika woda spływa swobodnie do metalowej lub betonowej tacy. Para czynnika jest w połowie wysokości skraplacza. Ciekły czynnik jest odprowadzany znad dolnego dna sitowego. Kontrolę działania skraplacza oraz zabezpieczenie go przed awarią zapewnia odpowiedni osprzęt, tzn. zawory bezpieczeństwa (z trójdrożnym zaworem odcinającym), manometr, poziomowskaz, półauto­matyczny zawór spustu oleju oraz dwa odpowietrzniki.

Tego typu skraplacze są stosowane zarówno w urządzeniach amoniakal­nych, jak i freonowych. Różnice konstrukcyjne są w zasadzie nieduże i sprowadzają się do zastosowania innych materiałów. W skraplaczach freonowych stosuje się rury wodne zewnętrznie żebrowane.

Skraplacz natryskowo-wyparny (rys. 11) składa się z blaszanej obudowy, wewnątrz której znajdują się wężownice połączone na wlocie i wylocie kolektorami. Nad wężownicami jest usytuowany układ zraszający, a nad nim labiryntowy odkraplacz. Poniżej wężownic — w dwóch przeciwległych bokach obudowy — są zamontowane wentylatory osiowe. Woda spływająca po powierzchni wężownic odbiera ciepło od parowego czynnika chłodniczego, powodując jego skraplanie. Temperatura skraplania czynnika jest wyższa od temperatury wody. Przetłaczane wentylatorami powietrze chłodzi wodę, od­prowadzając od niej ciepło. Wymiana ciepła następuje zarówno wskutek różnicy temperatury wody i powietrza, jak i parowania wody. W stanie równowagi ilość ciepła odbieranego przez wodę od czynnika chłodniczego jest równa ilości ciepła oddawanego przez wodę powietrzu. Dzięki temu tempe­ratura wody przepływającej przez skraplacz pozostaje stała. Umożliwia to utworzenie zamkniętego obiegu wody, w którym zbierająca się w dolnej części obudowy woda jest zasysana przez pompę i tłoczona znów do układu zraszającego Ubytki wody powstające wskutek jej parowania są uzupełniane wodą świeżą , odpowiednio uzdatnioną.

Rys. 11

Skraplacze chłodzone powietrzem.Deficyt i wysoka cena wody sprawiaja, ze skraplacze chłodzone powietrzem są stosowane w urządzeniach chłodniczych o coraz wietrzej wydajności. Mają one postać wężownicy o rozwiniętej powierzchni zewnętrznej.Skraplacz o najmniejszej wydajność, (np. stosowany w chłodziarkach domowych) stanowi pojedyncza wężownica, na którą nakłada się płaską blachę. Obieg powietrza Jest wówczas grawitacyjna Skraplacze o większej wydajności składają się z wielu wężownic łączonych równolegle kolektorami. Wężownice są lamelowane, a obieg powietrza wymuszony za pomocą wentylatorów (zwykle osiowych).

Pomieszczenia, w których znajdują się skraplacze, muszą być intensywnie wentylowane. W przeciwnym bowiem razie ciepło oddawane przez skraplany czynnik powodowałoby podwyższenie temperatury powietrza w pomiesz­czeniu, a w konsekwencji -- podwyższenie temperatury i ciśnienia skraplania. Skraplacze ustawiane na zewnątrz pomieszczenia muszą mieć regulowaną wydajność, aby w razie niskiej temperatury powietrza nie wystąpił nadmierny spadek ciśnienia skraplania. Regulacja taka polega na zmniejszeniu natężenia przepływu powietrza albo na częściowym wypełnieniu rur skraplacza ciekłym czynnikiem, tzn. na zmniejszeniu powierzchni wymiany ciepła między skrap­laną parą czynnika i powietrzem.

Parowniki (chłodnice)

Odmiany parowników. Parowniki (chłodnice) są to wymienniki ciepła służące do chłodzenia cieczy lub powietrza. Chłodnice cieczy mogą być zamknięte (chłodzona ciecz nie styka się z powietrzem atmosferycznym) lub otwarte.

Chłodnice zamknięte mają budowę płaszczowo-rurową poziomą. Widoczne jest ich podobieństwo do skraplacza przedstawionego na rys. 10. Zasad­nicza różnica polega na tym, że do międzyrurowej przestrzeni chłodnicy doprowadzany jest czynnik zdławiony w zaworze regulacyjnym. Para czynnika powstająca wskutek odprowadzania ciepła od przepływającej rurami chłodzo­nej cieczy jest odsysana przez sprężarkę w górnej części płaszcza. Chłodnice takie są przeznaczone przede wszystkim do urządzeń amoniakalnych. W urzą­dzeniach freonowych wymagają zastosowania specjalnych układów umożli­wiających wyprowadzanie z nich oleju.

Otwarte chłodnice cieczy obecnie są rzadko stosowane, zwłaszcza w względu na korozję. Chłodnica taka składa się z prostokątnego zbiornika z przegrodami, w którym znajdują się parowniki typu stromorurowego lub wężownicowego .Zbiornik jest napełniony chłodzoną cieczą, której przepływ( dla poprawiania warunków wymiany ciepła) wymuszają mieszadła. Jeśli w ciągu doby występują krótkotrwałe duże obciążenia cieplne, a chłodzącą cieczą jest woda, to stosuje się tzw. Chłodnice akumulacyjne. W okresach gdy obciążenie cieplne jest mniejsze od wydajności urządzenia, jej nadwyżka jest wykorzystywana do namrażania lodu na rurach parownika. W czasie gdy obciążenie cieplne jest większe od wydajności urządzenia, topniejący lód wodny wyrównuje powstałą różnice.

Chłodnice z wymuszonym przepływem powietrza (rys. 12) stosuje się do chłodzenia pomieszczeń. W skład takiej chłodnicy wchodzą: parownik, obudo­wa z tacą na spływające skropliny i wentylatory. Parownik tworzy pewna liczba równolegle połączonych wężownic, którymi przepływa parujący czynnik chłodniczy. Ponieważ przejmowanie ciepła od strony powietrza jest znacznie gorsze niż od strony czynnika, więc zewnętrzna powierzchnia parownika jest żebrowana, najczęściej w kształcie lameli. W czasie pracy chłodnicy z prze­pływającego przez nią powietrza wytrąca się para wodna w postaci szronu (czasem — skroplin). Powstająca warstwa szronu pogarsza warunki wymiany ciepła, dlatego musi być okresowo usuwana.

Rys. 12

Parowniki z grawitacyjnym przepływem powietrza są stosowane w chłodziarkach domowych oraz niekiedy w handlowych meblach chłodniczych. Parownik urządzenia freonowego wykonuje się z dwóch blach aluminiowych łączonych ze sobą przez walcowanie na gorąco. Bywają też stosowane parowniki wężownicowe mocowane od strony izolacji, do wewnętrznej ściany przestrzeni chłodzonej.

7. Absorpcyjne urządzenia chłodnicze

Schemat absorpcyjnego urządzenia chłodniczego przedstawia rys. 13. Podobnie jak w przypadku urządzeń sprężarkowych, w skład urządzeniu absorpcyjnego wchodzą: skraplacz, zawór regulacyjny i parownik, a prze­pływający przez me czynnik chłodniczy poddawany Jest takim samym przemia­nom, tzn. skraplaniu, dławieniu i parowaniu. Czynnikiem chłodniczym naj­częściej jest amoniak. Inaczej niż, w urządzeniu sprężarkowym odbywa się zasysanie, sprężanie i wytłaczanie czynnika. Procesy te zachodzą w zespole aparatów, złożonym z: absorbera, pompy, desorhera, nazywanego warnikiem, oraz zaworu regulacyjnego. W zespole tym krąży wodny roztwór amoniaku, którego stężenie ulega zmianie. Do absorbera dopływa roztwór ubogi, tzn. o małym stężeniu amoniaku. Tutaj pochłania on (absorbuje) parę amoniaku powstającą w parowniku, co odpowiada zasysaniu czynnika przez sprężarkę. Proces pochłaniania jest połączony z wydzielaniem ciepła, które jest od­prowadzane za pomocą wody lub powietrza. W wyniku pochłaniania amonia­ku roztwór staje się bogaty i w tej postaci pompa wtłacza go do warnika. W warniku do roztworu zostaje doprowadzone ciepło, powodując jego wrzenie. Powstająca para amoniaku jest kierowana do deflegmatora i rektyfikatora, gdzie zostaje pozbawiona niewielkich domieszek pary wodnej, a następnie wpływa do skraplacza. Zubożony wodny roztwór amoniaku o wysokim ciśnieniu, jakie panuje w skraplaczu i warniku, zostaje zdławiony w zaworze regulacyjnym i wprowadzony do absorbera. W ten sposób obieg zostaje zamknięty.

Rys. 13

Zgodnie z opisaną zasadą działają urządzenia absorpcyjne stosowane w przemyśle i klimatyzacji. Natomiast w absorpcyjnych chłodziarkach domo­wych nie ma pompy roztworu ani zaworu regulacyjnego, za to oprócz amoniaku i wody, zastosowano tu wodór, jako tzw. gaz wyrównawczy. Dzięki jego obecności ciśnienie całkowite w całym urządzeniu jest jednakowe. -Ciśnienie to jest równe sumie ciśnień cząstkowych poszczególnych składni­ków. Ciśnienie cząstkowe danego składnika jest to ciśnienie, jakie miałby ten składnik, gdyby sam wypełniał rozpatrywaną przestrzeń.

Rys. 14

W absorpcyjnej chłodziarce domowej (rys. 14) doprowadzenie ciepła do bogatego wodnego roztworu amoniaku, znajdującego się w warniku, powodu­je wydzielenie z niego pary amoniaku. Niewielka domieszka pary wodnej zostaje usunięta na skutek jej skroplenia w deflegmatorze i czysty amoniak zostaje wprowadzony do skraplacza. Ciśnienie, jakie ustala się w skraplaczu, zależy od temperatury powietrza chłodzącego skraplacz. Jest to ciśnienie całkowite i takie też panuje w całym urządzeniu. Otrzymany ciekły amoniak jest kierowany do parownika, gdzie paruje chłodząc komorę chłodziarki. Parowanie nie przebiega jednak w atmosferze czystej pary amoniaku, lecz jej mieszaniny z wodorem. W tych warunkach temperatura parowania odpowiada ciśnieniu cząstkowemu pary amoniaku, które jest zmienne. Wzbogacona w parę amoniaku mieszanina przepływa z parownika do absorbera, gdzie amoniak zostaje pochłonięty, a wodór z resztą amoniaku wraca do parownika. Jest to możliwe dzięki temu, że ciężar właściwy mieszaniny w parowniku jest większy aniżeli w przewodzie powrotnym. Przyczyną tego jest bardzo mały ciężar właściwy wodoru w porównaniu z ciężarem właściwym pary amoniaku. Aby wzbogacony w absorberze roztwór mógł przepłynąć do warnika, za­stosowano tzw. termosyfon, w którym na skutek doprowadzenia ciepła następuje niewielkie parowanie roztworu. Dzięki temu słup ciekłego roztworu spływającego z warnika do absorbera jest cięższy od słupa roztworu przepły­wającego z absorbera do warnika, i to właśnie umożliwia ten przepływ. Przedstawione na schemacie dwa wymienniki ciepła zmniejszają koszt eksploa­tacji urządzenia.

8. Literatura

Jan Kijewski ,Andrzej Miller ,Kazimierz Pawlicki ,Tadeusz Szolc

„Maszynoznawstwo”

Warszawa 1993

---