TERMODYNAMIKA OBIEGÓW CHŁODNICZYCH

W obiegu chłodniczym mają miejsce określone przemiany termodyna­miczne Ciepło w czasie parowania czynnika chłodniczego (Q„) w temp T_o odbierane jest od ochładzanego środowiska o t wyższej. Doprowadzenie energii z zew, np. jako pracy sprężania (N_t) po­zwala czyn osiągnąć t skraplania. Z kolei czyn oddaje do otoczenia ciepło skraplania (Oi).

Bilans energetyczny chłodziarki wyraża wzór: Q₀+N_t=Q_k

Środowisko ochładzające (otoczenie): T_k Q_k = Qo + N_t

Rys. Ogólna zasada działania urządzenia chłodniczego

Obieg chłodniczy jest realizowany w urządzeniu stanowiącym układ zamknięty, w którym krąży stale ta sama ilość czynnika chłodniczego. W układzie parowym urządzeń chłodniczych wykorzystuje się zjawisko parowania cieczy, w wyniku, którego ciepło jest odprowadzane od środowiska ochładza­nego, oraz zjawisko skraplania pary, wskutek czego ciepło jest oddawane śro­dowisku ochładzającemu - otoczeniu. Obniżanie temp. ciekłego czynnika chłodniczego odbywa się przez dławienie, tzn. spadek ciśnienia płynu (cie­czy lub gazu) wskutek przepływu przez przewężenie bez wymiany ciepła z otoczeniem i bez wykonywania pracy zewnętrzej.

WYBÓR CZYNNIKA CHŁODNICZEGO

Najczęściej stosowany jest amoniak. Przyjazne dla środowiska, i spełniające wysokie wymagania technologiczne jest Reclin®134a i Reclin®404a. Ze względu na brak atomów Cl nie niszczą warstwy ozonowej. Reclin®404a, w przeciwieństwie do Reclin®134a charakteryzuje się wysokim potencjałem efektu cieplarnianego. Pożądanymi cechami dobrego czynnika chłodniczego są duże ciepło parowania i mała objętość właściwa pary, co wpływa na wielkość instalacji, istotne jest również, by w danym zakresie temp nie występ. zbyt wysokie ciśnienie. Najbardziej rozpowszechnione wykresy stanu czynnika chłodniczego w użyciu są 2:

1. temperatura - entropia ( T-s)

2. log z ciśnienie-entalpia (log p-i).

Na wykresie w układzie log p-i lewa krzywa graniczna dotyczy stopnia suchości x=0 i przedstawia ciecz w stanie wrzenia, a prawa krzywa graniczna x=1 parę nasyconą suchą. Punkt K jest punktem krytycznym o temp krytycznej i ciśnienie krytyczne (parametry zależne od własności czynnika chłodniczego). W obszarze pary nasyconej mokrej zbieżnie do punktu K przebiegają krzywe stałego stopnia suchości x (izoiksy). W obszarze tym ponadto określone izotermy (T=const) pokrywają się z izobarami (p=const) gdyż danemu ciśnieniu odpowiada tylko jedna temp nasycenia. Izotermy w obszarze cieczy, powinny być przedstawione jako lekko odchylone od pionu, ale w praktyce rys są jako proste pionowe, aż do lewej krzywej granicznej x=0. W obszarze pary przegrzanej (od prawej krzywej granicznej x=1) izotermy ulegają odchyleniu w dół i im temp tym odchylenie to jest bardziej ostre. W dalszym przebiegu zbliżają się one prawie do linii prostych pionowych. Izentropy ( s=const - adiabaty) przebiegają jako krzywe pochylone w prawą stronę pod kątem ok 45°. Izochory (v=const) to krzywe wychodzące z dolnego lewego rogu wykresu rozbieżnie i rosnące ku prawej krzywej granicznej x=1, a po lekkim odchyleniu w górę biegnące dalej w prawo. Izentalpy (i=const) są wartościami na rzędnej wykresu, a izobary (p = const) na odciętej. Z wykresu T-s można określić ilość ciepła doprowadzonego i odprowadzonego za pomocą pól powierzchni leżących pod liniami przemian. Na wykresie log p-i odcinki równoległe do osi entalpii wyrażają cieplną równowartość pracy przemian adiabatycznych odwracalnych (izentropowych) i ilości dopro­wadzonego i odprowadzonego ciepła w przemianach izobarycznych.

Rys Przemiany termodynamiczne w układzie log p-i

0B1EGI CHŁODNICZE PAROWE

OBIEG CARNOTA

Miernikiem stopnia doskonałości urządzenia chłodniczego jest stopień zbliże­nia jego biegu do odwróconego (lewobieżnego) o. Carnota - składa się z 2 izoterm (odcinki 4-1 i 2-3) oraz 2 odwracalnych adiabat (odcinki 1-2 i 3-4). Czynniki chłodnicze podlega przemianom przebiegającym całkowicie w obszarze pary nasyconej mokrej.

Rys. Obieg Carnota: a) T-s, b) log p-i;

Skr - skraplacz, R - rozprężarka, P - parownik, Spr - sprężarka

W idealnym o.Carnota czyn podlega następuj przemianom termodynamicznym:

1. 1-2 - adiabatyczne sprężanie pary - sprężarka zasysa z parownika parę nasyconą mokrą o ciśnieniu p_o i temp T_o i kosztem włożonej pracy sprężania (/, - pole 1-2-3-5-1) spręża ją izentropowo do ciśnienia p₀ i temp T₀ oraz wtłacza do skraplacza czynnik, który jest parą nasyconą suchą (x=1);

2. 2-3 - izobaryczne i izotermiczne skraplanie pary - po odebraniu ciepła w ilości q_k od czynnika chłodniczego w skraplaczu przez powietrze lub wodę chłodzącą następuje jego wykropienie przy stałym ciśnieniu skraplania p_k i T_k, a w punkcie 3 osiąga stan cieczy wrzącej; ciepło oddane skraplaczu (q_k) odpowiada polu 2-3-a-b-2:

3. 3-4 - izentropowe rozprężanie cieczy - ciekły czynnik (ciś p_k i temp T_k) dopływa do rozprężarki i w wyniku pracy rozprężania (l_r pole 3-4-5-3) jednocześnie jego temp i ciśnienie obniżają się do T₀ i p₀

4. 4-1 - izobaryczne i izotermiczne parowanie cieczy - rozprężona ciecz dopływa do parownika, gdzie pobierając ze środowiska ochładzanego ciepło w ilości q_o, przedstawione polem 4-l-b-a-4, paruje przy stałym ciśnieniu p₀ i T_o, stając się parą nasyconą mokrą.

Pracę i ciepło obiegu można określić:

- praca pobrana przez sprężarkę l_s = i₂ - i₁

- praca uzyskana w rozprężarce l_r = i₃ - i₄

- praca obiegu (pole 1-2-3-4-1) l_Ob = l_s - l_r

- ciepło oddane w skraplaczu wynosi q_k = i₂ - i₃ lub q_k = T_k - Δs

- ciepło pobrane w parowniku wynosi q₀ = i₁ - i₄ lub q_o = T_o * Δs

Bilans cieplny dla obiegu Carnota:

l_s+q = l_r lub q_k = q₀+l_s-l_r = q_o+ l_Ob

Stopieniem termodynamicznym doskonałego obiegu urządzenia chłodniczego i czynnika chłodniczego (miarą jego sprawności) jest współczynnik wydajno­ści chłodnidzenia (ε), wyrażony jako stosunek ilości ciepła pobranego (q₀) ze środowiska ochładzanego do wykonanej w tym celu pracy (l₀): ε = q₀/l_ob

Wyrażenie to przedstawia wielokrotny efekt chłodniczy w stosunku do pracy sprężania. Dla obiegu Carnota:

ε_c = T_o*Δs/[(T_k-T₀)-Δs] = T₀/(T_k-T₀)

ε_c = i₁ - i₄ / (i₂ - i₃ ) - (i_l -i₄)

OBIEG MOKRY LINDEGO

Urzeczywistnienie obiegu chłodniczego parowego z rozprężarką w praktyce nie jest możliwe ze względu na trudności konstrukcyjne w zbudowaniu rozprężarki ciekłego czynnika, a ponadto praca odzyskiwana w rozprężarce jest mała w porównaniu z pracą wkładaną przy sprężaniu czynnika. W związku z tym w urządzeniach parowych rozprężarkę zastępuje się zaworem dławiącym, spełniającym jednocześnie zadanie zaworu regulującego dopływ czynnika do parownika. Zamiast adiabatycznego rozprężania występuje rozprężanie izentalpowe. W obiegu mokrym wydajność chłodnicza (q₀ = i₁ - i₄) jest mniejsza w po­równaniu z obiegiem Carnota o wartość Δq₀. Praca jednostkowa obiegu teoretycznego jest równa pracy sprężania (l_ob = l_s). Ob mokre w praktyce są b. rzadko realizowane ze względu na duże straty energetyczne i wymagania konstrukcyjne dotyczące sprężarek (ude­rzenia hydrauliczne kropelek cieczy znajdującej się w parze mokrej.

RYS. Obieg mokry Lindego; a) T-s, b) log p-i;

Skr - skraplacz, ZR - zawór regulacyjny. P - parownik, Sp - sprężarka

OBIEG SUCHY

W obiegu suchym sprężarka zasysa parę nasyconą suchą, a proces sprężania odbywa się całkowicie w obszarze pary przegrzanej (adiabata 1-2). W obiegu tym przed izobaryczno-izotermicznym skraplaniem (2'-3) musi nastąpić izobaryczne ochłodzenie pary przegrzanej, aż do osiągnięcia temp nasycenia T_k (izobara 2-2'). Aby sprężarka mogła zasysać parę nasyconą suchą, czyn opuszczający parownik i będący na ogół wilgotną parą nasyconą musi być pozbawiony kropelek cieczy. Osuszania par dokonuje się w osuszaczu a oddzielona ciecz wraca do parownika. Stopień suchości x pary płynącej do sprężarki w dużym stopniu zależy od skuteczności działania osuszacza.

Współczynnik wydajności chłodzenia (ε) dla obiegu suchego jest na ogół mniejszy niż dla obiegu mokrego o tej samej jednostkowej wydajności chłodzenia (q_o), lecz jego wart rzeczywista dla obiegu suchego jest korzystniejsza z uwagi na mniejsze straty cieplnego oddziaływania ścian w cylindrze sprężar­ki, Z tego też względu w praktyce stosuje się prawie wyłącznie obieg suchy.

Rys Obieg suchy Lindego: a) T-s. b) logp-i;

Skr - skraplacz, ZR - zawór regulacyjny, P - parownik; Spr - sprężarka, Os - Osuszacz

OBIEG SUCHY Z DOCHŁODZENIEM

Zmniejszenie jednostkowej wydajności chłodzenia (q₀), spowodowane zastą­pieniem rozprężarki zaworem regulacyjnym (dławiącym), możemy wyrównać przez dochłodzenie ciekłego czynnika chłodniczego poniżej jego temp skraplania {Tk). Dochłodzenie (przemiana 3-6) odbywa się po izobarze p_k, która na wykresie T-s pokrywa się z krzywą graniczną x=0. W wyniku dochłodzenia następuje przyrost jednostkowej wydajności chłodze­nia o wartość Δ q₀. Współczynnik wydajności chłodzenia dla obiegu z dochłodzeniem jest zatem niż dla obiegu bez dochłodzenia.

RYS Obieg suchy Lindego z dochłodzeniem: a) T- s, b) log p-i,

Skr - skraplacz, ZR - zawór regulacyjny., P - parownik, Spr - sprężarka, Os - osuszacz, D - dochładzacz

OBIEC PRZEGRZANY

W obiegu przegrzanym stosowana w urządzeniach chłodniczych wewnętrzna wymiana ciepła polega na tym. że ciekły czynnik ze skraplacza dochłodzony jest za pomocą zimnych par wypływających z parownika. Następuje przegrza­nie tych par i w rezultacie sprężarka zasysa parę przegrzaną, jednostkowa wydajność chłodzenia w tym obiegu jest niż w obiegu suchym, ponieważ wynosi q_o=i'₁-i₇. Powiększenie tej wielkości nie jest jednak równoznaczne ze współczynnika wydajności chłodzenia, gdyż jego wartość zależy także od wartości pracy obiegu, która również ulega o pole 1-2-2"-1'-1. W obiegu przegrzanym wielkość ta może być lub od wartości dla obiegu suchego, przy czym decydują o tym właściwości stosowanego czynnika­ chłodniczego.

rys. Obieg przegrzany:

a) T-s, b) log p-i, c) schemat urządzenia:

Skr - skraplacz, ZR - zawór regula­cyjny, P - parownik, Spr - sprężarka, D - dochladzacz, PP - przegrzewacz pary

OBIEGI WIELOSTOPNIOWE

Rosnąca różnica między temp parowania i skraplania wpływa w coraz stopniu na wydajność chłodzenia oraz pracy obiegu. Ponadto wraz ze stopnia sprężania (p_k/po - sprężu) następuje stopnia przetłaczania sprężarek wywołany silniejszym od­działywaniem przestrzeni szkodliwej i ścian cylindra na skutek wysokiej temp. Aby temu zapobiec, stosuje się obieg z 2- lub 3 stopniowym sprężaniem. Czynnik chłodniczy o parametrach punktu 1 zasssany jest z parownika przez sprężarkę I stopniową i sprężany do ciśnienia p_m. Sprężona para przepływa przez chłodnicę międzystopniową (przemiana izobaryczna 2-3). Następnie para z chłodnicy zasysana jest przez sprężarkę II stopniową i sprężana do ciśnienia p_k. Dalszy prze­bieg obiegu jest taki sam, jak w obiegu I stopniowym. Pole 2-2'-4-3-2 na wykresie T-s przedstawiono zaoszczędzoną wielkość pracy obiegu (Δl) dzięki zastosowaniu 2 stopniowego sprężania, przy niezmiennej wydajności chło­dzenia (q_o= i₁ - i₇). Współczynnik wydajności chłodzenia obiegu.: ε = i₁ - i₇ / [(i₂ - i₁)+ (i₄ - i₃)]

Rys. Obieg II stopniowy z dławieniem I stopnia:

a) T-s, b) log p-i, c) schemat urządzenia,

Skr - skraplacz, ZR - zawór regulacyjny, P - parownik,

Spr - sprężarka, D - dochładzacz, ChM - chłodnica międzystopniowa

WIELKOŚCI CHARAKTERYSTYCZNE:

1. Jednostkowa wydajność chłodzenia (q₀) ilość ciepła, którą od­biera ze środowiska chłodzonego 1 kg czynnika chłodzenia podczas parowania przy ciśnieniu p₀ w parowniku:

q₀ = i₁ - i₇,

2. Jednostkowa wydajność cieplna skraplacza (q_k) ilość ciepła, którą oddaje 1 kg czynnika do środowiska chłodzącego skraplacz (np. wody) przy ciśnieniu p_k,:

q_k = i₂ - i₃

3. Jednostkowa wydajność cieplna dochładzania (q_d) ilość ciepła oddana przez 1 kg ciekłego czynnika chłodniczego do środowiska chłodzącego w dochładzaczu przy ciśnieniu p_k:

q_d = i₃ - i₆

4. Jednostkowa teoretyczna praca obiegu (l_ob) w obiegu z dławieniem izentalpowym czynnika jest równa teoretycznej pracy sprężania (I_s). Jest to praca wyrażona w jednostce ciepła, jaką należy włożyć w obieg, aby 1 kg czynnika o ciśnieniu p_o sprężyć do ciśnienia p_k.

l_ob = l_s = i₂-i₁

5. Właściwa wydajność chłodnicza (q_v) ilość ciepła pobrana w parowniku przez 1m³ par czynnika zasysanych przez sprężarkę, tzn. o stanie 1: p₀, T_0, x=1

q_v = q_o * ρ" ρ_o" - gęstość pary nasyconej suchej czyn przy ciśnieniu p₀.

q_v = q₀ / v” v₀" - objętość właściwa pary nasyconej suchej przy ciśnieniu p₀.

6. Wydajność chłodnicza urządzenia chłodniczego (Q₀) ilość energii cieplnej pobranej w parowniku przez krążący w obiegu czynnik chłod­niczy w jednostce czasu:

Q_o = M * q₀ M - strumień masy (kg/s lub kg/h), czyli ilość czynnika krążącego

7. Wydajność cieplna skraplacza (Q_k) ilość energii cieplnej oddanej w skraplaczu przez krążący w obiegu czynnik chłodniczy w jednostce czasu:

Q_k = M * q_k

8. Wydajność cieplna dochładzacza (Q_d) ilość energii cieplnej oddanej do środowiska chłodzącego w dochładzaczu przez krążący w obiegu czynnik chłodniczy w jednostce czasu:

Q_d = M * q_d

9. Strumień objętości czynnika chłodniczego (V_s) najczęściej odnosi się do stanu czynnika przed sprężarką, tzn. przy ciśnieniu p₀ i temperaturze T_o oraz suchości x = 1:

V_s= M * v₀” = Q₀/ q₀ *v₀” = Q₀/q_v

10. Moc teoretyczna sprężarki (N_t) moc teoretyczna potrzebna do realizacji obiegu, w którym praca sprężania jest pracą teoretyczną, a ilość krą­żącego czynnika rzeczywistą ilością krążącą w urządzeniu:

N_t = M * l_S

11. Teoretyczny współczynnik wydajności chłodzenia (K_t) stosowany technice chłodniczej wyraża ilość odprowadzonego ciepła w obiegu na 1 kW doprowadzonej energii:

K_t = Q₀ / N_t

2

---