Projekt okładki i stron tytułowych: Lidia Michalak-Mirońska

Fotografia i zdjęcia na okładce: Dmitrynew83/Dreamstime

Wydawca: Adam Filutowski

Koordynator ds. redakcji: Adam Kowalski

Redaktor: Irena Puchalska

Produkcja: Mariola Grzywacka

Dział reklamy: Magdalena Lewocka (magdalena.lewocka@pwn.pl) Urszula Obrycka (urszula.obrycka@pwn.pl)

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwo Naukowe PWN S.A.: Michał Latusek

Recenzent: dr inż. Tomasz Łokietek, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright ? by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2024

ISBN 978-83-01-23402-7

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2024r. (Wydanie I)

Warszawa 2024

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321; faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Wstęp

Chłodnictwo historycznie było związane z rolnictwem. Wraz ze zmianą nawyków ludzkości i przejściem z łowiecko-zbierackiego trybu życia do osiadłego, opartego na uprawie roli, zaczęto poszukiwać metod przechowywania żywności. Oprócz suszenia, wędzenia, kiszenia, przechowywania w kwasie octowym czy oleju zauważono także, że obniżając temperaturę żywności, można ją dłużej przechowywać. Pierwsze metody chłodzenia to dobrze wszystkim znane ziemianki i piwnice, gdzie w okresie letnim temperatura była utrzymywana na poziomie temperatury gruntu. W warunkach Polski jest to około 8°C. W rejonach, gdzie lód był dostępny w okresie zimowym, z czasem zaczęto stosować metody z jego wykorzystaniem. Stosowane rozwiązania z użyciem lodu stały się na tyle popularne, że lód zaczęto transportować z rejonów północnych w rejony południowe. Rynek transportu lodu z północy na południe zapoczątkowany został przez Frederica Tudora w 1806 roku. Największe ilości lodu transportowano statkami pod koniec XIX wieku. A transport odbywał się z Ameryki Północnej nawet do południowej Afryki czy Australii. Warto zwrócić uwagę, że metoda wykorzystania lodu była stosowana powszechnie do XX wieku, a w Stanach Zjednoczonych lodówki wypełniane lodem (a nie napędzane mechanicznie) stanowiły większość rynku domowych urządzeń chłodniczych aż do lat sześćdziesiątych.

W chwili obecnej chłodnictwo nadal w głównej mierze jest związane z przetwórstwem żywności. Jest to obszar, który obejmuje największą część branży. Wraz z rozwojem technologii i zwiększonym komfortem życia pojawiły się inne obszary wymagające wykorzystywania niskiej temperatury. Mowa tu przede wszystkim o klimatyzacji bytowej i technologicznej oraz wykorzystaniu chłodu w procesach przemysłowych.

Klimatyzacja bytowa wydaje się dość niedawnym osiągnięciem ludzkości, natomiast rozwiązania służące do polepszania komfortu życia w pomieszczeniach powstały już w starożytnej Persji ponad 2500 lat temu [1]. Wieże, które kojarzymy z typową architekturą starożytnej Persji, a potem także z architekturą arabską, były kominami, które miały za zadanie transportować powietrze do otoczenia z przestrzeni, w której znajdowały się zbiorniki z wodą. Przepływ powietrza wymuszał większe odparowanie wody, a tym samym powodował ochłodzenie tego powietrza. Była to typowa chłodnia kominowa, czyli wyparny system chłodzenia [2]. Rozwiązanie to idealnie sprawdzało się w gorącym i suchym klimacie, dlatego stosowane jest do dzisiaj. W warunkach polskich chłodnie kominowe są powszechnie stosowane w instalacjach przemysłowych oraz w skraplaczach natryskowo-wyparnych będących częścią instalacji chłodniczych czy klimatyzacyjnych.

Oprócz klimatyzacji bytowej wyróżnia się także klimatyzację technologiczną. W wielu procesach, w których realizowane są procesy produkcyjne, należy zachować odpowiednie parametry wilgotnościowe i temperaturowe w pomieszczeniach. Dotyczy to między innymi branży papierniczej, włókienniczej, a także produkcji elementów elektrycznych, elektronicznych, optycznych, farmaceutycznych czy medycznych - związane jest z nimi tak zwane pojęcie czystych pomieszczeń (ang. clean room).

Chłodzenie wykorzystywane do procesów przemysłowych ma dwa główne zastosowania. Jedno to jest chłodzenie elektroniki (już nie jej produkcję, a użytkowanie), a drugie to chłodzenie pozostałych procesów przemysłowych. Elektronika została tutaj wyróżniona dlatego, że gęstość odbioru chłodu jest na poziomie kilkudziesięciu kilowatów na metr kwadratowy. Dotyczy to chłodzenia elektroniki zarówno bezpośrednio, jak i całych serwerowni. W innych procesach przemysłowych nie są to aż tak duże wartości i w wielu przypadkach do chłodzenia można wykorzystać ciecz, co zdecydowanie redukuje objętości wymienników ciepła. A chodzi tu o procesy takie jak chłodzenie wtryskarek, urządzeń do wulkanizacji itp.

Istnieje także wiele niszowych zastosowań chłodnictwa czy klimatyzacji, natomiast w niniejszej książce nie będziemy się zajmować nimi wszystkimi ze względu na dużą liczbę tych rozwiązań. Warto choćby wspomnieć, że wszystkie opisane tutaj rozwiązania można łączyć w instalacje hybrydowe lub kaskadowe, co pozwala na budowanie coraz bardziej skomplikowanych urządzeń czy instalacji, w zależności od wymagań. Książka ta ma być więc podstawą do budowy i rozwoju nowych urządzeń przez techników i inżynierów z branży chłodniczej.

A zatem, jak można zauważyć, chłodnictwo i klimatyzacja są wszechobecne w otaczającym nas świecie. Zużycie energii elektrycznej na potrzeby chłodnictwa i klimatyzacji w Unii Europejskiej w okresie letnim stanowi często ponad połowę całkowitego zużycia. Ta tendencja jest rosnąca, przede wszystkim ze względu na zwiększanie się liczby urządzeń w sektorze klimatyzacji bytowej. Rynek europejski jest jeszcze bardzo daleki od nasycenia.

Najczęściej spotykanymi urządzeniami w sektorze chłodnictwa i klimatyzacji są urządzenia sprężarkowe. W ich przypadku bardzo dużym problemem są stosowane czynniki chłodnicze. Można powiedzieć, że historia zatoczyła koło, gdyż pierwotnie w sprężarkowych urządzeniach chłodniczych stosowano czynniki naturalne. Czynniki naturalne zostały wyparte przez czynniki syntetyczne, przede wszystkim przez czynniki z grupy CFC, gdyż czynniki syntetyczne nie były ani palne, ani toksyczne. Były bezpieczne dla użytkowników i serwisantów. Po latach okazało się, że czynniki z grupy CFC przyczyniały się do niszczenia warstwy ozonowej. Wycofując czynniki z grupy CFC, najpierw stosowano czynniki syntetyczne z grupy HCFC, a następnie z grupy HFC. Te z kolei mają wysoki współczynnik GWP (ang. Global Warming Potential - potencjał tworzenia efektu cieplarnianego). Z tego powodu Komisja Europejska od kilkunastu lat ogranicza stosowanie czynników z grupy HFC, planując w niedalekiej przyszłości całkowity zakaz ich stosowania. Na rynku znów najpopularniejsze stają się naturalne czynniki chłodnicze. Wadami tych czynników jest to, że:

- są palne (izobutan, propan, propylen);

- toksyczne (amoniak);

- pracują, w branży chłodniczej, w wysokich podciśnieniach (woda);

- pracują, w branży chłodniczej, w wysokich ciśnieniach lub realizują obiegi nadkrytyczne - co nie we wszystkich aplikacjach jest korzystne (CO2);

- realizują tylko obiegi gazowe (powietrze).

Urządzenia sprężarkowe w najbliższych latach nadal będą odgrywać główną rolę w branży chłodnictwa, klimatyzacji i pomp ciepła, należy zwrócić jednak uwagę, że na rynku widoczna jest tendencja do stosowania innych rozwiązań. Rozwiązania te często są powiązane z takimi obszarami jak na przykład odzysk ciepła odpadowego czy wykorzystanie promieniowania słonecznego. W niniejszej publikacji skupimy się na zaprezentowaniu właśnie tych rozwiązań. Naszym celem jest zwiększenie świadomości branży chłodniczej w tym obszarze. Warto także zwrócić uwagę na to, że książka jest przeznaczona dla czytelników dysponujących już podstawową wiedzą w obszarze sprężarkowych urządzeń chłodniczych.

1Chłodnictwo konwencjonalne

Urządzenia i instalacje generujące chłód, które są wykorzystywane w takich branżach jak chłodnictwo, klimatyzacja i pompy ciepła, są dzielone ze względu na zakres temperaturowy, w jakim odbierają ciepło. Powszechnie stosowane nazewnictwo tych sektorów zaprezentowano w tabeli 1.1.

Tabela 1.1. Podział urządzeń chłodniczych ze względu na temperaturę dolnego źródła ciepła, bez uwzględnienia obszaru kriogeniki [3]

Skrót

Nazwa

Temperatura dolnego źródła ciepła

Zastosowanie

LT

chłodnictwo niskotemperaturowe

od -20 do -35

przechowywanie mrożonej żywności o szczególnych wymaganiach: ryby, lody

MT

chłodnictwo średniotemperaturowe

od -5 do -20

przechowywanie mrożonej żywności

HT

chłodnictwo wysokotemperaturowe

od -5 do +2

przechowywanie chłodzonej żywności

AC

systemy klimatyzacji

od +5 do +12

chłodzenie pomieszczeń

HP

pompy ciepła

od -20 do +20

ogrzewanie pomieszczeń

Chłodnictwo konwencjonalne jest oparte przede wszystkim na obiegach sprężarkowych. Wynika to z w pełni skomercjalizowanych rozwiązań dostępnych na rynku, łatwości montażu tego typu urządzeń, dość wysokiej niezawodności oraz szerokiego zakresu cenowego urządzeń. W zależności od ceny dostępne są urządzenia lepszej lub gorszej jakości.

1.1. Podstawowy sprężarkowy obieg chłodniczy

Suchy obieg Lindego jest podstawowym obiegiem realizowanym w instalacjach chłodniczych, klimatyzacyjnych i pompach ciepła. Urządzenie, w uproszczeniu, składa się z czterech głównych elementów. Są to: sprężarka, skraplacz, element rozprężny oraz parownik (rys. 1.1).

Rys. 1.1. Podstawowy sprężarkowy obieg chłodniczy

Obieg Lindego realizuje cztery przemiany termodynamiczne (rys. 1.2). Zaczynając od procesu 1-2, jest to sprężanie - w ujęciu idealnym jest to sprężanie izentropowe. Kolejna przemiana zachodzi w skraplaczu, proces 2-3. Przy stałym ciśnieniu czynnik roboczy najpierw jest ochładzany, a następnie przechodzi proces właściwego skraplania. Proces kończy się w punkcie 3 na linii nasycenia. Kolejny etap to rozprężanie - proces 3-4 - jest to proces izentalpowy. Rozpoczyna się na linii nasycenia 3 i kończy w punkcie 4, w obszarze pary mokrej. Ostatni proces - linia 4-1, to wrzenie czynnika roboczego (nazywane potocznie parowaniem).

Efektywność urządzeń chłodniczych określa się współczynnikiem EER (ang. Energy Efficiency Ratio), który definiuje się w postaci stosunku uzyskiwanej mocy chłodniczej do mocy dostarczonej do sprężarki L

(1.1)

lub wykorzystując wykres ciśnienie-entalpia (rys. 1.2)

Rys. 1.2. Przemiany termodynamiczne w podstawowym sprężarkowym obiegu chłodniczym