Maciej Wyrzykowski

Chłodziarki i pompy cieplne

Zadaniem urządzenia chłodniczego jest transport ciepła ze źródła o niższej temperaturze do źródła o temperaturze wyższej. Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło samorzutnie przepływa

od ciała o temperaturze wyższej do substancji o temperaturze niższej. Zatem, aby urządzenie chłodnicze mogło spełnić swoje zadanie, konieczne jest doprowadzenie do niego energii napędowej. Bilans energetyczny chłodziarki wyraża się zatem następująco:

QK = Q0 + Pt

gdzie:

QK - wydajność cieplna, czyli strumień ciepła przekazywany do górnego źródła ciepła [W];

Q0- wydajność chłodnicza, czyli strumień ciepła odbierany z dolnego źródła ciepła [W];

Pt - teoretyczna moc napędowa urządzenia [W].

Zadaniem chłodziarki parowej jest przenoszenie ciepła z układu o temperaturze niższej do układu o temperaturze wyższej kosztem doprowadzonej z zewnątrz energii. Czynnik chłodniczy wrząc w parowniku odbiera ciepło od środowiska chłodzonego. Strumień

tego ciepła nazywa się wydajnością chłodniczą. W obiegu teoretycznym, wrzenie jest procesem izobarycznym, a w przypadku płynów jednorodnych, bądź mieszanin azeotropowych - także izotermicznym. Następnie płyn roboczy ulega izobarycznemu przegrzaniu i w postaci pary przegrzanej zostaje zassany przez sprężarkę. Dzięki doprowadzonej do sprężarki mocy napędowej, czynnik chłodniczy zostaje sprężony w niej izentropowo do ciśnienia skraplania Oddając do otoczenia strumień ciepła nazywany wydajnością cieplną skraplacza, para przegrzana czynnika ulega izobarycznemu schłodzeniu do stanu pary nasyconej suchej, następnie skrapla się pod stałym ciśnieniem i w stałej temperaturze oraz zostaje izobarycznie dochłodzona. Skropliny zdławione izentalpowo w zaworze dławiącym do ciśnienia parowania docierają do parownika, zamykając cykl przemian.

Spośród różnych możliwych rozwiązań najczęściej w praktyce stosowane są chłodziarki sprężarkowe i absorpcyjne.

W chłodziarkach sprężarkowych mogą być użyte w charakterze czynnika roboczego gazy lub pary. Z nich najbardziej naturalnym i najłatwiej dostępnym jest powietrze, które mogłoby być zastosowane w odwrotnym obiegu Joule'a. Wadą powietrza jako czynnika termodynamicznego jest jego małą pojemność cieplna, powodująca konieczność krążenia w układzie bardzo dużej ilości powietrza przy obecnie spotykanych wartościach wydajności chłodniczej. W tych warunkach wymiary urządzenia chłodniczego, a więc jego ciężar i koszt musiałyby być duże. Chłodziarki powietrzne są obecnie stosowane jedynie w sporadycznych przypadkach w urządzeniach małych o niewielkiej wydajności chłodniczej. Natomiast większość urządzeń chłodniczych sprężarkowych pracuje przy użyciu par jako czynników roboczych, których zaletą jest możliwość wykorzystania ich ciepła parowania i znacznego zmniejszenia ilości czynnika krążącego w układzie, a tym samym zmniejszenia wymiarów urządzenia.

Wielkości charakterystyczne :

m' - masowe natężenie przepływu czynnika chłodniczego, krążącego w obiegu [kg/s];

Q0 - wydajność (moc) chłodnicza, czyli strumień ciepła odbierany ze środowiska chłodzonego:

Q 0 = q0m' [W]

Q k - wydajność (moc) cieplna skraplacza, czyli strumień ciepła oddawany do otoczenia [kW]:

Qk = qkm' [W]

Pt - teoretyczna moc napędowa spręŜarki:

Pt = lt m' [W]

0 - teoretyczny współczynnik wydajności chłodniczej, będący miarą efektywności pracy układu;

w literaturze anglojęzycznej oznaczany jako COP (coefficient of performance):

Użyteczna wydajność chłodnicza Q'0U pokrywa zyski ciepła do komory, wynikające z przenikania ciepła przez obudowę i z pracy grzejnika, z uwzględnieniem naddatku (15%) z tytułu nieszczelności i mostków cieplnych:

Q'0U = (Q'P + Pgrz)  1,15 [W]

Strumień ciepła przenikający do komory (Q'P) jest sumą strumieni przenikania ciepła dla poszczególnych przegród - ścian, podłogi, sufitu i drzwi (Q'Pi) - obliczanych ze wzoru Pecleta:

QPi k i
T [W]

gdzie: T - różnica temperatury po obu stronach przegrody,

A - powierzchnia przegrody - zewnętrzna i wewnętrzna

k - współczynnik przenikania ciepła:

[W/m2K]

gdzie:  - współczynnik przejmowania ciepła,

δ - grubość przegrody (izolacji),

 - współczynnik przewodzenia ciepła

Ideowy schemat chłodziarki parowej z dochładzaniem ciekłego czynnika:p- parowacz, Skr - skraplacz, D - dochładzacz, Sp - sprężarka tłokowa, O - osuszacz, ZR - zawór rozprężny.

Teoretyczny obieg chłodziarki parowej.

Do czynników chłodniczych należą

Woda - z uwagi na powszechne jej występowanie bardzo często wykorzystywana. Ma bardzo dobre właściwości z uwagi na wymianę ciepła. Szczególnie, jeśli chodzi ciepło parowania i skraplania. Powszechnie używana jako nośnik ciepła do ogrzewania jak
i chłodzenia. Była pierwszym czynnikiem stosowanym w silnikach cieplnych jako para (patrz: maszyna parowa). Obecnie powszechnie stosowana w energetyce do napędu turbin parowych. W układach maszyn zarówno w swojej postaci ciekłej jak i do wytwarzania pary stosuje się w większości wodę destylowaną, z uwagi na jej mniejsze właściwości korozyjne. Niestety woda i tak zawsze powoduje korozję, dlatego czasami stosuje się różnego rodzaju dodatki.

Spaliny - są czynnikiem we wszystkich silnikach spalinowych (też w turbinach spalinowych), dlatego są bardzo rozpowszechnione w tej roli. Mimo że to mieszanina różnych substancji to w roli czynnika traktuje się je jako gaz o określonych właściwościach.
Są produktem spalania i to niewątpliwie produktem ubocznym. Lecz skoro już są, wykorzystuje się ich cechy na w celu polepszenia procesu termodynamicznego w maszynie (na przykład zmianę wykładnika adiabaty). Jednak można się doszukać też zalet: Spalin czasem używa się jako gazu obojętnego (w tym przypadku jako niepalnego).

Powietrze - czynnik bardzo często wykorzystywany gdyż jest bardziej dostępny niż woda. Najczęściej używany do chłodzenia wszędzie tam gdzie chłodzenie cieczą nastręczałoby problemów. Przykładowo: w małych silnikach spalinowych; w układach łopatkowych turbina; w elektrotechnice oraz elektronice do chłodzenia zasilaczy, układów scalonych, CPU, GPU i innych elementów. Powietrze jest też traktowane po prostu jako czynnik przepływając przez sprężarkę albo silnik pneumatyczny (turbinę).

Freon - czynnik chłodniczy używany w chłodziarkach zwanych potocznie lodówkami. Niegdyś bardzo popularny ze względu na bezpieczeństwo użytkowania i dobre właściwości termodynamiczne. Obecnie ze względu na rosnące przekonanie, że szkodzi środowisku naturalnemu próbuje się go udoskonalać.

R600 - czynnik chłodniczy używany w nowoczesnych chłodziarkach zwanych potocznie lodówkami. Jest bardziej przyjazny dla środowiska, bo nie zawiera freonu.

Olej - chętnie używany jako czynnik, ponieważ łączy w sobie dobre własności termodynamiczne i smarne. Służy do celów grzewczych i chłodniczych. Stosowany
w silnikach; różnych urządzeniach mechanicznych w elektrotechnice (transformator olejowy) i w gospodarstwie domowym (grzejnik olejowy).

Chłodziarki absorpcyjne

Obieg chłodniczy można również zrealizować bez dostarczania pracy mechanicznej, energia zaś potrzebna do tego, aby przenieść ciepło układu o temp. niższej do układu o temp. wyższej dostarczana jest w postaci ciepła. Wykorzystuje się przy tym zjawisko absorpcji, a mianowicie amoniak jest chętnie absorbowany przez wodę w niskich temp., w wysokich zaś odparowuje, przy czym zostaje wydzielone ciepło, w drugim zaś pochłanianie, przy czym ciepło to jest nazywane ciepłem absorpcji. Urządzenia, w których wykorzystuje się to zjawisko, noszą nazwę chłodniczych urządzeń absorpcyjnych. Składa się ono z tych samych elementów, które są niezbędne również w urządzeniu sprężarkowym, a mianowicie ze skraplacza, parownika i zaworu regulującego, natomiast sprężarkę zastępuje zespół dwóch aparatów: absorbera i warnika.

Schemat chłodziarki absorpcyjnej.

Warnik, w którym znajduje się woda nasycona amoniakiem, ogrzewany jest parą doprowadzoną z zewnątrz przez wężownicę, dzięki czemu ustala się pewne parametry. Wskutek dostarczania do warnika ciepła Q_w następuje wrzenie roztworu stężonego, przy czym powstająca para składa się głównie z łatwo wrzącego amoniaku. Z warnika para przepływa do skraplacza, gdzie ulega skropleniu, oddając ciepło Q_s. Następnie skroplone pary przepływają przez zawór dławiąc, gdzie spada ich ciśnienie i dostają się do parownika.

W parowniku amoniak paruje pobierając z zewnątrz ciepło Q_p i przepływa do absorbera, w którym zostaje absorbowany przez ubogi roztwór amoniaku, powracający z warnika po odgazowaniu i zdławieniu w drugim zaworze regulacyjnym. Wywiązuje się ciepło pochłaniania Q_a odbierane jest do roztworu przez wodę chłodzącą. Roztwór stężony w absorberze jest przepompowywany pompą z powrotem do warnika.

Bilans energetyczny chłodniczego urządzenia absorpcyjnego może więc być zapisany następująco:

Pompy cieplne

Nazwa pompa ciepła oddaje analogię idei funkcjonowania tego urządzenia do pompy wodnej, tzn. „pompowania” w tym przypadku energii (ciepła). Urządzenie to działa na takiej samej zasadzie jak chłodziarka: odbiera energię z ośrodka o niskiej temperaturze i przekazuje ją do ośrodka o temperaturze wyższej (odbiornika). Celem pracy pompy ciepła jest dostarczenie ciepła do jej źródła górnego, a nie jak w przypadku chłodziarki odebranie ciepła ze źródła dolnego. Pompy ciepła mają zastosowanie w klimatyzacji, systemach centralnego ogrzewania, ogrzewania podłogowego, służą do podgrzewania wody użytkowej.

Pompy ciepła umożliwiają wykorzystanie zasobów energii naturalnej, której źródłem może być powietrze atmosferyczne, grunt, woda powierzchniowa lub podziemna. Urządzenia te pobierają energię cieplną ze źródła i przenoszą ją do budynku.

W zależności od pory roku i głębokości temperatury gruntu mogą się wahać w przedziale od 4 do 8°C. Przy głębokościach powyżej 15m ustają ruchy termiczne gruntu zależne od pory roku, a temperatura jest stała w granicach 8-10°C. Na większych głębokościach grunt regeneruje się poprzez przepływające wody gruntowe, ciepło z wnętrza ziemi oraz ciepło dopływające z góry.

Schemat funkcjonowania sprężarkowej pompy ciepła

Dolne źródło ciepła dostarcza do parownika pompy ciepła energię niezbędną do zmiany stanu skupienia czynnika roboczego. Czynnik roboczy odparowuje pobierając ciepło od źródła dolnego, a następnie jest sprężany. Sprężanie powoduje wzrost ciśnienia i temperatury czynnika roboczego. Kolejno w skraplaczu ma miejsce skroplenie czynnika (schłodzenie) i oddanie ciepła użytecznego (np. do ogrzewania pomieszczeń). Zawór rozprężający następnie rozpręża czynnik, czemu towarzyszy obniżenie jego ciśnienia i temperatury, po czym jest on ponownie kierowany do parownika zamykając obieg.

Pompa ciepła jako zespół urządzeń składa się z następujących elementów:

-sprężarki,

-skraplacza,

-parownika,

-urządzenia dławiącego,

-regulatora.

Pompa ciepła pracuje w innym zakresie temperatur niż lodówka, przez co inne wymagania stawiane są czynnikom roboczym (inne są temperatury parowania i kondensacji).

Pompa ciepła umożliwia uzyskanie ciepła np. z otoczenia i następnie wykorzystanie go na wyższym poziomie temperatury do celów grzewczych. Realizacja transportu ciepła z dolnego źródła ciepła do górnego może wykorzystywać wiele zjawisk i procesów. Rozróżnia się pompy ciepła z obiegiem parowym, gazowym, a także pompy wykorzystujące takie efekty jak termoelektryczny, reakcji chemicznych, elektrodyfuzji oraz magnetyczny.

Przekazanie ciepła ze źródła o niższej temperaturze do źródła o wyższej temperaturze wymaga, zgodnie z podstawowymi prawami termodynamiki, dostarczenia dodatkowej energii z zewnątrz (w formie pracy lub ciepła). Większość najbardziej popularnych sprężarkowych parowych pomp ciepła jest napędzana silnikiem elektrycznym. Współczynnik efektywności (COP) pomp ciepła jest wskaźnikiem ilości jednostek energii uzyskiwanej z jednej jednostki energii elektrycznej dostarczonej (Dla pomp ciepła COP = Wydajność grzewcza/Energia elektryczna). W normalnych warunkach eksploatacyjnych pompy ciepła osiągają współczynniki sprawności rzędu od 2.5 do 4.5. Współczynnik ten jest tym wyższy, im mniejsza jest różnica temperatur pomiędzy temperaturą źródła, a odbioru. Dlatego pompy ciepła zaleca się stosować wyłącznie w układach grzewczych nisko temperaturowych (do 60°C).

Ciepło Q może być odprowadzone z układu dzięki pobraniu ciepła Q₀ w źródle dolnym i wykonaniu pracy L. Zachowany jest bilans energetyczny: |Q| = Q₀ + |L|. Współczynnik wydajności cieplnej pompy jest tym wyższy im niższa jest różnica temperatur pomiędzy źródłem górnym i dolnym. Powoduje to, że systemy grzejne z pompami ciepła powinny być projektowane i wykonywane jako niskotemperaturowe. Wtedy współczynnik wydajności obiegu jest największy (np. przy ogrzewaniu wodnym podłogowym).

Q_s

skraplacz

warnik

parownik

pompa

Q_w

Zawory dławiace

Q_p

Q_a

absorber

---