Projekt okładki i stron tytułowych:

Lidia Michalak-Mirońska

Fotografia i zdjęcia na okładce:

gozalov/123RF

Wydawca:

Adam Filutowski

Koordynator ds. redakcji:

Adam Kowalski

Redaktor:

Agnieszka Jaworska

Produkcja:

Mariola Grzywacka

Dział reklamy:

Magdalena Lewocka (magdalena.lewocka@pwn.pl)
Barbara Czarnecka (barbara.czarnecka@pwn.pl)

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwo Naukowe PWN:
Michał Latusek

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 2014, 2021

ISBN 978-83-01-21780-8

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2021r. (Wydanie II (poprawione i uaktualnione))

Warszawa 2021

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

Bezpłatny fragment

Wykaz ważniejszych oznaczeń

Wstęp

Część A

1. Wprowadzenie

1.1. Pojęcia elementarne

1.2. Zasada działania parowych sprężarkowych urządzeń chłodniczych – zagadnienia elementarne

1.3. Pompy ciepła – zagadnienia elementarne

2. Podstawy termodynamiczne działania urządzeń chłodniczych

2.1. Odwracalność przemian

2.2. Zasady termodynamiki

2.3. Własności fizyczne i termodynamiczne substancji

2.4. Przemiany fazowe czynników

2.5. Przemiany termodynamiczne

2.5.1. Przemiana izobaryczna

2.5.2. Przemiana izochoryczna

2.5.3. Przemiana izotermiczna

2.5.4. Przemiana izentropowa

2.5.5. Przemiana izentalpowa

2.6. Wymiana ciepła

3. Czynniki chłodnicze i nośniki ciepła

3.1. Czynniki chłodnicze

3.1.1. Informacje ogólne

3.1.2. Systematyka czynników chłodniczych

3.1.3. Oznaczenia kodowe czynników chłodniczych

3.1.4. Charakterystyka wybranych czynników chłodniczych

3.2. Oleje chłodnicze

3.3. Nośniki ciepła

Literatura

4. Budowa i zasada działania urządzeń chłodniczych sprężarkowych

4.1. Urządzenia sprężarkowe jednostopniowe

4.2. Obiegi dwustopniowe

4.2.1. Obieg dwustopniowy z chłodzeniem pary w chłodnicy mokrej i jednostopniowym dławieniem

4.2.2. Obieg dwustopniowy z chłodnicą międzystopniową i dwustopniowym dławieniem

4.2.3. Obieg dwustopniowy z chłodzeniem cieczy w wężownicy i jednostopniowym dławieniem

4.2.4. Obieg z chłodzeniem cieczy w wężownicy i podwójnym dławieniem

4.3. Układy kaskadowe

4.4. Elementy wyposażenia urządzeń chłodniczych – ich funkcja, sposób działania i zasada doboru

Literatura

5. Efektywność energetyczna urządzeń chłodniczych

5.1. Chłodnicze obiegi porównawcze

5.2. Wpływ parametrów pracy obiegu chłodniczego Lindego na efektywność energetyczną

5.3. Straty dławienia

5.4. Kierunki poprawy efektywności energetycznej sprężarkowych urządzeń chłodniczych i pomp ciepła

5.5. Ekologiczna ocena urządzeń chłodniczych

Literatura

6. Sprężarki

6.1. Podstawy teoretyczne pracy sprężarek wyporowych

6.2. Sprężarki tłokowe

6.2.1. Sprężarki hermetyczne

6.2.2. Sprężarki półhermetyczne

6.2.3. Sprężarki tłokowe dławnicowe

6.3. Sprężarki spiralne

6.4. Sprężarki śrubowe

6.5. Dobór sprężarki

Literatura

7. Wymienniki ciepła

7.1. Parowniki

7.1.1. Uwagi ogólne

7.1.2. Parowniki suche

7.1.3. Parowniki zalane

7.1.4. Parowniki mokre

7.2. Skraplacze

7.3. Intensyfikacja wymiany ciepła

7.4. Wymiana ciepła w pośrednich systemach chłodzenia

Literatura

8. Przyrządy regulacyjne i zabezpieczające instalacji chłodniczych

8.1. Urządzenia obniżające ciśnienie w instalacjach chłodniczych

8.1.1. Termostatyczne zawory regulacyjne (rozprężne)

8.1.2. Elektroniczne zawory regulacyjne

8.1.3. Rurki kapilarne

8.2. Urządzenia zabezpieczające

8.3. Odszranianie parowników

Literatura

9. Aparatura pomocnicza urządzeń chłodniczych

9.1. Układ regulacji poziomu oleju w sprężarkach

9.2. Separatory oleju

9.3. Oddzielacze cieczy

9.4. Zbiorniki cieczy

9.5. Odwadniacze (filtry chemiczne)

9.6. Filtry mechaniczne

9.7. Dochładzacze

9.8. Wzierniki

9.9. Zawory bezpieczeństwa

9.10. Zawory elektromagnetyczne

9.11. Zawory kulowe odcinające

9.12. Wymiarowanie przewodów rurowych

Literatura

10. Agregaty chłodnicze

10.1. Agregaty skraplające

10.2. Sprężarkowe schładzacze cieczy

10.3. Agregaty sprężarkowe

Literatura

11. Absorpcyjne urządzenia chłodnicze

11.1. Uwagi ogólne

11.2. Amoniakalno-wodne urządzenia absorpcyjne

11.2.1. Zasada działania i obieg

11.2.2. Obliczenia obiegu amoniakalno-wodnego

11.2.3. Obliczenia obiegu z wymiennikami regeneracyjnymi

11.3. Urządzenia absorpcyjne bromolitowe

Literatura

12. Chłodnicze urządzenia strumienicowe

12.1. Informacje ogólne

12.2. Podział strumienic

12.3. Budowa i zasada działania chłodniczych układów strumienicowych

12.4. Aspekty fizyczne działania strumienicy parowej jednofazowej

12.5. Efektywność energetyczna urządzeń strumienicowych

Literatura

Część B

13. Przygotowanie do uzyskania certyfikatu

13.1. Wstęp

13.2. Zakres wiedzy i umiejętności określony w Rozporządzeniu Wykonawczym Komisji (UE) 2015/2067 z 17 listopada 2015 r.

13.3. Wybrane Polskie Normy

Literatura

Część C

14. Właściwości termodynamiczne i termokinetyczne czynników roboczych

14.1. Modelowanie wybranych właściwości termodynamicznych i termokinetycznych czynników chłodniczych

14.2. Nośniki ciepła stosowane w technice chłodniczej

14.2.1. Ergolidy

14.2.2. Pekasol

14.2.3. Antifrogen

14.2.4. Tyfocor

14.2.5. Tyfoxit

14.3. Tabele właściwości termodynamicznych i termokinetycznych wybranych czynników chłodniczych

Literatura

Przypisy

Wykaz ważniejszych oznaczeń

a

– współczynnik wyrównania temperatury, m^2/s

A

– pole powierzchni, m^2

b

– egzergia właściwa, J/kg

B

– egzergia, J

c

– ciepło właściwe, J/(kg ∙ K)

D

– średnica, m

COP

– współczynnik efektywności energetycznej

E

– energia, J

f

– krotność cyrkulacji

g

– przyspieszenie ziemskie, m/s^2

h

– entalpia właściwa, J/kg; różnica wysokości, m

I

– natężenie prądu, A

k

– współczynnik przenikania ciepła, W/(m^2 ∙ K)

l

– praca jednostkowa, J/kg; długość, m

L

– praca zewnętrzna, J

m

– masa, kg

M

– masa molowa, kg/kmol

– masowe natężenie przepływu, kg/s

P

– moc, W

q

– jednostkowa wydajność chłodnicza, J/kg

Q

– wydajność chłodnicza, J

– strumień ciepła, W

R

– indywidualna stała gazowa, J/(kg ∙ K); rezystancja, Ω

s

– entropia właściwa, J/(kg ∙ K)

t

– temperatura, °C

T

– temperatura, K

U

– masowy stosunek zasysania, napięcie elektryczne, V; energia wewnętrzna, J

v

– objętość właściwa, m^3/kg

V

– objętość, m^3

w

– prędkość, m/s

x

– stopień suchości

oznaczenia greckie

α

– współczynnik wnikania ciepła, W/(m^2 ∙ K)

Δ

– różnica, przyrost, zmiana

ζ

– współczynnik oporu miejscowego

ξ

– stężenie

η

– sprawność

κ

– wykładnik izentropy

λ

– współczynnik przewodzenia ciepła, W/(m ∙ K)

μ

– lepkość dynamiczna, Pa ∙ s

ν

– lepkość kinematyczna, m^2/s

Π

– spręż

ρ

– gęstość, kg/m^3

σ

– napięcie powierzchniowe, N/m

χ

– objętościowy stosunek zasysania

indeksy

a

– absorber

b

– egzergia właściwa, egzergetyczny; roztwór bogaty

c

– strumień napędowy; płyn zimny

C

– obieg Carnota

d

– dochłodzenie

e

– strumienica

fg

– przemiana parowania lub skraplania

g

– generator

h

– płyn gorący

k

– skraplanie

l

– ciecz

m

– międzystopniowy; komora mieszania; wartość średnia

n

– strumień napędowy

o

– parowanie

ot

– otoczenie

p

– pompa, przegrzanie

spr

– sprężanie

t

– teoretyczna

tł

– tłoczenie

u

– roztwór ubogi

w

– warnik

wl

– wlot

wyl

– wylot

v

– para

‚

– ciecz nasycona

„

– para nasycona

Wstęp

Układy chłodnicze oraz pompy ciepła znajdują powszechne zastosowanie w wielu dziedzinach techniki, takich jak: technologia chłodnicza żywności, przemysł chemiczny, medycyna oraz w życiu codziennym: domowe oraz handlowe urządzenia chłodnicze i zamrażalnicze, klimatyzacja pomieszczeń, klimatyzacja samochodowa, nowoczesne systemy ogrzewania za pomocą pomp ciepła i inne.

Sprawą najbardziej kluczową na obecnym etapie rozwoju techniki chłodniczej, klimatyzacyjnej i pomp ciepła jest spełnienie restrykcyjnych wymogów odnośnie ochrony środowiska – wynikających głównie z zastosowania substancji roboczych krążących w układach chłodniczych bądź pompach ciepła. Wycofane zostały nieodwracalnie z zastosowań wszystkie substancje powodujące destrukcję ozonu stratosferycznego. Aktualnym wyzwaniem stawianym dla techniki chłodniczej i pomp ciepła są substancje robocze, których potencjał tworzenia efektu cieplarnianego jest nawet kilka tysięcy razy większy niż dwutlenku węgla. Wiele substancji roboczych (zwanych czynnikami chłodniczymi), które są bezpieczne dla warstwy ozonowej jest substancjami klasyfikowanymi jako gazy cieplarniane. Do tej grupy należy zwłaszcza większość syntetycznych czynników chłodniczych. Sytuacja ta wymusiła wiele działań restrykcyjnych związanych z zastosowaniem takich substancji roboczych, a w tym przede wszystkich fluorowanych syntetycznych płynów roboczych stosowanych powszechnie w technice chłodniczej i pomp ciepła. Przyjęte zostały w Unii Europejskiej szczegółowe regulacje prawne, które stanowią podstawę dla krajowych regulacji prawnych. Kluczową rolę odgrywa Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) nr 517/2014 z dnia 16 kwietnia 2014 r. w sprawie fluorowanych gazów cieplarnianych i uchylenia rozporządzenia (WE) nr 842/2006 wraz z serią rozporządzeń wykonawczych, zaś w obszarze krajowych regulacji prawnych – Ustawa z dnia 12 lipca 2017 r. o zmianie ustawy o substancjach zubożających warstwę ozonową oraz o niektórych fluorowanych gazach cieplarnianych oraz niektórych innych ustaw. Tekst jednolity tej ustawy został ogłoszony w Obwieszczeniu Marszałka Sejmu Rzeczypospolitej Polskiej z dnia 14 października 2019 r. w sprawie ogłoszenia jednolitego tekstu ustawy o substancjach zubożających warstwę ozonową oraz o niektórych fluorowanych gazach cieplarnianych Dz. U. 2019 poz. 2158, do ustawy tej wprowadzono szereg rozporządzeń wykonawczych. Jednym z kluczowych aspektów podlegających regulacji prawnej jest certyfikacja personelu przeprowadzającego kontrolę szczelności, instalację, konserwację lub serwisowanie, a także naprawę i likwidację stacjonarnych urządzeń chłodniczych, klimatyzacyjnych i pomp ciepła oraz agregatów samochodów ciężarowych chłodni i przyczep chłodni zawierających substancje kontrolowane lub fluorowane gazy cieplarniane oraz odzysk tych substancji lub gazów z takich urządzeń oraz urządzeń ruchomych. Niniejszy przewodnik obejmuje podstawowe zagadnienia techniki chłodniczej i pomp ciepła, które są niezbędne z punktu widzenia certyfikacji personelu wynikającej z aktualnego stanu prawnego w tej dziedzinie techniki. Certyfikację tę określa się często skrótowo jako certyfikację „F-gazową”, gdyż podstawowe europejskie akty prawne określane są mianem rozporządzeń F-gazowych.

Przewodnik składa się z trzech części. W części A przedstawiono podstawowe zagadnienia techniki chłodniczej, obejmuje on zarówno materiał o elementarnym charakterze, dedykowanym dla osób, które nie miały wcześniej styczności z techniką chłodniczą i pomp ciepła. W części tej zawarto także materiał o charakterze uzupełniającym, adresowany do osób posiadających pewne doświadczenie w zakresie tej dziedziny techniki. Część B ma charakter przewodnika dla osób przystępujących do egzaminu w zakresie certyfikacji tak zwanej F-gazowej. Będzie on także przydatny dla osób przygotowujących się do egzaminu na świadectwo kwalifikacji w zakresie substancji kontrolowanych. Przewodnik ten odpowiada ściśle zakresowi rzeczowemu wymagań certyfikacyjnych. Z kolei Część C zawiera zestawienie własności termodynamicznych oraz termokinetycznych wybranych płynów roboczych, które jest przydatne w bieżącej działalności w technice chłodniczej.

Zasadniczym celem niniejszego poradnika jest prezentacja niezbędnego zakresu wiedzy z punktu widzenia spełnienia wymogów regulacji prawnych związanych z ochroną środowiska, a w tym przede wszystkim związanych z ograniczeniem emisji tzw. F-gazów do atmosfery. Zawarto także informacje dotyczące postępowania z substancjami kontrolowanymi, czyli niszczącymi warstwę ozonową. Tym niemniej w poradniku uwypuklono także zagadnienia związane z zastosowaniem bezpiecznych dla środowiska czynników roboczych, a także poprawy efektywności energetycznej urządzeń chłodniczych i pomp ciepła oraz minimalizacji emisji czynników do atmosfery.

Zaproponowany układ przewodnika sprawia, że stanowić on może także pomoc dla studentów kierunku kształcenia związanego z techniką cieplną, a także personelu technicznego zajmującego się eksploatacją, nadzorem, montażem oraz projektowaniem urządzeń chłodniczych i  pomp ciepła.

W drugim wydaniu poradnika dokonano uaktualnień wynikających ze zmiany szczegółów regulacji prawnych, jakie zaszły w odniesieniu do stanu z 2014 roku, tj. daty ukazania się pierwszego wydania książki. Uaktualnieniu uległy również informacje o stosowanych i dostępnych czynnikach chłodniczych, zwłaszcza należących do nowej generacji czynników charakteryzującej się bardzo niskimi wartościami potencjału tworzenia efektu cieplarnianego, niższymi nawet od większości substancji naturalnych. W drugim wydaniu zrezygnowano z prezentacji zagadnień związanych z analizą egzergetyczną na rzecz bardziej praktycznego ujęcia zagadnień dotyczących efektywności energetycznej urządzeń chłodniczych i pomp ciepła. W aktualnym wydaniu dokonano także wielu drobniejszych zmian, poprawek oraz uzupełnień. Autorzy wyrażają nadzieję, że uaktualnione i zmienione wydanie będzie stanowić dla Czytelników pomoc ułatwiającą uzyskanie uprawnień certyfikacyjnych – niezbędnych do efektywnego funkcjonowania w branży chłodniczej, klimatyzacyjnej i pomp ciepła w aktualnych, szczególnie wymagających, uwarunkowaniach technicznych oraz formalnych.

Autorzy książki oraz Wydawca składają szczególne podziękowania firmie P.P.H. KOSTRZEWA sp.j., bez której niemożliwe byłoby wydanie tej publikacji.

Szczególne wyrazy uznania i podziękowanie przekazujemy również Patronowi medialnemu książki – Krajowemu Forum Chłodnictwa – Związkowi Pracodawców.

Autorzy

Gdynia, marzec 2021

Część A

Pozostałe rozdziały dostępne w pełnej wersji e-booka.

1

Wprowadzenie

1.1. Pojęcia elementarne

Chłodnictwo jest dziedziną techniki zajmującą się odprowadzaniem ciepła z ośrodka chłodzonego w celu uzyskania i utrzymania temperatur niższych od temperatury otoczenia. Ciepło w sposób samorzutny przepływa jednak jedynie z ośrodka o temperaturze wyższej do ośrodka o temperaturze niższej, jak to przedstawiono na rys. 1.1. Przykładowo, sytuacja taka występuje, gdy ochładzany jest jakiś przedmiot lub ośrodek o temperaturze wyższej od temperatury otoczenia: ciepło jest samorzutnie odprowadzane z takiego ciała do otoczenia.

Technika chłodnicza nie zajmuje się jednak tego typu procesami. Opisane zjawisko zachodzi bowiem samorzutnie i ośrodek o temperaturze wyższej od temperatury otoczenia zawsze będzie oddawał ciepło bez pomocy jakichkolwiek urządzeń. Proces taki można mniej lub bardziej intensyfikować, aby obniżyć temperaturę tego przedmiotu lub ośrodka. W tym celu można na przykład zastosować wentylator, który zintensyfikuje ruch powietrza, co poprawi oddawanie ciepła. Proces taki nadal jednak będzie zachodził w sposób samorzutny, tyle że będzie mniej lub bardziej intensywny. Technika chłodnicza zajmuje się natomiast takim przepływem ciepła, które w sposób samorzutny z pewnością nie zajdzie i z tej racji wymaga stosowania specjalnych urządzeń.

Rys. 1.1. Samorzutne przekazywanie ciepła od ośrodka o temperaturze wyższej do otoczenia o temperaturze niższej

Przeanalizujmy zatem przypadek transportu ciepła, którym właśnie zajmuje się technika chłodnicza. W tym celu rozpatrzmy proces obniżania temperatury przedmiotów poniżej temperatury otoczenia. Sytuację taką przedstawiono na rys. 1.2. Aby obniżyć temperaturę przedmiotów poniżej temperatury otoczenia, należy odprowadzać od nich ciepło i przekazywać je do otoczenia. Taki proces z pewnością nie zajdzie w sposób samorzutny, ponieważ należy odprowadzać ciepło od ciała o temperaturze niższej i przekazywać je do ośrodka o temperaturze wyższej (w tym przypadku do otoczenia).

Rys. 1.2. Ochładzanie ośrodka poniżej temperatury otoczenia

Na rysunku 1.2 pokazano komorę, w której panuje temperatura niższa od temperatury otoczenia. Na skutek różnicy temperatur do komory tej dopływa z otoczenia ciepło. Jest to oczywiście zjawisko szkodliwe. Aby zmniejszyć dopływ ciepła z otoczenia, taką komorę należy zaizolować termicznie. Jest rzeczą oczywistą, że aby efektywnie obniżyć temperaturę przedmiotów znajdujących się w komorze, należy odprowadzić od nich większą ilość ciepła w porównaniu z ciepłem dopływającym do komory z otoczenia.

Jednym z najbardziej podstawowych zadań techniki chłodniczej jest właśnie odprowadzenie ciepła od ochładzanych przedmiotów o temperaturze niższej od temperatury otoczenia oraz utrzymanie tej temperatury na żądanym poziomie.

Opisywany proces odprowadzania ciepła z ochładzanych przedmiotów o temperaturze niższej od temperatury otoczenia zawsze jest realizowany za pomocą urządzenia chłodniczego. Ponieważ ciepło przepływa samorzutnie tylko od ośrodka o temperaturze wyższej do ośrodka o temperaturze niższej, aby odprowadzić ciepło, przykładowo, od przedmiotów o temperaturze –10 °C urządzenie chłodnicze musi pobierać ciepło z wnętrza rozpatrywanej komory w temperaturze jeszcze niższej. Wewnątrz rozpatrywanej komory musi być zatem wprowadzony element urządzenia chłodniczego odprowadzający ciepło z komory, którego temperatura jest niższa od temperatury panującej w komorze i wynosi na przykład –15 °C, co pokazano na rys. 1.3. Następnie, urządzenie chłodnicze musi przekazać odprowadzone ciepło do otoczenia. Oznacza to, że element urządzenia chłodniczego przekazujący ciepło do otoczenia musi mieć temperaturę wyższą od temperatury otoczenia (np. +30 °C, jeśli temperatura otoczenia wynosi +20 °C).

Rys. 1.3. Działanie urządzenia chłodniczego

Urządzenie chłodnicze zatem zawsze, niezależnie od sposobu funkcjonowania i konstrukcji, musi pobierać ciepło z ochładzanego ośrodka w temperaturze niższej od temperatury tego ośrodka oraz odprowadzać je do otoczenia. Takie urządzenie, aby funkcjonować, musi pobierać energię napędową. Urządzenie chłodnicze, w zależności od rozwiązania, może być napędzane mechanicznie (energia jest dostarczana na sposób pracy mechanicznej), elektrycznie (energią napędową jest energia elektryczna), cieplnie (do układu dostarczane jest ciepło napędowe) bądź częściowo ciepłem napędowym, a częściowo pracą mechaniczną.

Obecnie, nawet wtedy, gdy urządzenie jest napędzane mechanicznie, do napędu maszyny wykonującej pracę mechaniczną (np. sprężarki tłokowej) stosuje się silniki elektryczne, wobec czego – z punktu widzenia użytkownika urządzeń chłodniczych – urządzenie jest napędzane energią elektryczną (rys. 1.4). Jest to najczęściej występująca sytuacja.

Rys. 1.4. Energia napędowa sprężarki mechanicznej

Biorąc powyższe pod uwagę, urządzenie chłodnicze pobiera ciepło Qo od ochładzanego ośrodka (np. z komory chłodniczej), pobiera energię E do swojego napędu i oddaje ciepło do otoczenia Qk, co schematycznie przedstawiono na rys. 1.5.

Rys. 1.5. Transport energii w urządzeniu chłodniczym

Zgodnie z zasadą zachowania energii, suma pobieranej energii przez układ zamknięty, jakim jest całe urządzenie chłodnicze, musi być równa energii odprowadzanej przez układ. Oznacza to, że ciepło odprowadzane do otoczenia jest równe sumie ciepła pobieranego przez urządzenie chłodnicze oraz energii napędowej

(1.1)

W praktyce nie rozpatruje się jednak doprowadzanego i odprowadzanego ciepła Q mierzonego w dżulach [J], lecz moc cieplną mierzoną w watach [W]. Podobnie nie rozpatruje się ilości doprowadzonej energii E w dżulach [J], lecz podaje się doprowadzoną moc napędową P (elektryczną, mechaniczną, cieplną) w watach [W]. W związku z tym, można zapisać, że

(1.2)

Moc cieplna odprowadzana od ochładzanego ośrodka nazywa się wydajnością chłodniczą. Jeżeli zatem, przykładowo wydajność chłodnicza urządzenia chłodniczego wynosi 2,0 kW, a urządzenie pobiera do napędu moc elektryczną 0,5 kW, to urządzenie musi odprowadzać do otoczenia moc cieplną 2,5 kW.

Szczególnego znaczenia nabiera kwestia efektywności energetycznej urządzeń chłodniczych. Pożądane jest, aby urządzenia te do swojego napędu pobierały jak najmniejszą moc napędową. Efektywność energetyczną definiuje się jako stosunek efektu działania urządzenia do nakładu potrzebnego do jego wytworzenia. W przypadku urządzeń chłodniczych efektem ich działania jest wydajność chłodnicza, nakładem energetycznym zaś niezbędnym do ich funkcjonowania – moc napędowa. Obecnie efektywność energetyczną urządzeń chłodniczych oznacza się symbolem COP (ang. coefficient of performance)

(1.3)

W rozpatrywanym powyżej przykładzie wydajność chłodnicza , a moc napędowa P = 5 kW. Oznacza to, że efektywność energetyczna takiego urządzenia COP = 4,0.

Definicja wskaźnika COP (stosunek efektu do nakładu) bardzo przypomina definicję sprawności. Z powyższego prostego przykładu widać, dlaczego w przypadku urządzeń chłodniczych stosunku efektu do nakładu nie nazywa się sprawnością. W rozważanym przypadku wynosiłaby ona bowiem 400%, z czym trudno byłoby się pogodzić, odnosząc ją do definicji sprawności na przykład silników, siłowni parowych, w których sprawność nie może być oczywiście wyższa niż 100%. W większości urządzeń chłodniczych uzyskuje się zwykle wartości efektywności energetycznej COP większe niż 1,0.

Na wartość efektywności energetycznej COP ma wpływ wiele czynników, przede wszystkim typ urządzenia chłodniczego, parametry jego pracy, a także stosowany w nim czynnik roboczy. Zagadnienia te są przedstawione w rozdz. 2.

W zakresie zastosowań techniki chłodniczej istotne znaczenie ma zakres temperatury ochładzanego ośrodka. Najniższą temperaturą ciała możliwą do uzyskania jest temperatura wynosząca 0 kelwinów (0 K) w skali termodynamicznej, czyli –273,15 °C. Temperatura otoczenia stanowi górny poziom odniesienia. W związku z powyższym, zakres od temperatury otoczenia do –273,15 °C jest możliwym zakresem obniżania temperatury ośrodka. Zakres zastosowań techniki chłodniczej przedstawiono w tab. 1.1.

Tabela 1.1. Podstawowe obszary zastosowań techniki chłodniczej

Temperatura

Obszar zastosowań

–10 °C ÷ +25 °C

• produkcja i przechowywanie żywności

• transport chłodniczy

• urządzenia klimatyzacyjne (ochładzanie i osuszanie powietrza)

• pompy ciepła

• obiekty sportowe (sztuczne lodowiska, skocznie)

–50 °C ÷ –10 °C

• zamrażanie żywności na potrzeby przechowalnictwa

• liofilizacja (suszenie sublimacyjne)

• skraplanie węglowodorów

–180 °C ÷ –50 °C

• produkcja suchego lodu

• kriobiologia i kriomedycyna (przechowywanie
tkanek)

–270 °C ÷ –180 °C

• skraplanie powietrza, tlenu, azotu i innych gazów technicznych

• lotnictwo i kosmonautyka

• urządzenia wykorzystujące nadprzewodnictwo

• układy pomiarowe i laboratoryjne

–270 °C ÷ –273 °C

• badania fizyczne budowy materii

1.2. Zasada działania parowych sprężarkowych urządzeń chłodniczych – zagadnienia elementarne

Spośród dość szerokiej gamy różnych możliwych rozwiązań technicznych urządzeń chłodniczych tylko niektóre są istotne we współczesnej technice. Za najważniejszą grupę tych urządzeń należy uznać urządzenia chłodnicze parowe. Określenie „parowe” oznacza, że w urządzeniu takim krąży substancja robocza, która paruje, odprowadzając ciepło z ochładzanego ośrodka, w związku z czym substancja ta w części urządzenia występuje w postaci pary. Substancję taką nazywa się czynnikiem chłodniczym. Zasadę działania parowego sprężarkowego urządzenia chłodniczego przedstawiono poniżej, przyjmując przykładowe parametry robocze w celu bardziej przejrzystego zobrazowania.

Sposób, w jaki urządzenie chłodnicze parowe odprowadza ciepło od ochładzanego ośrodka, przedstawiono na rys. 1.6. W ochładzanej komorze umieszczono wymiennik ciepła, nazywany parownikiem, do którego doprowadzany jest czynnik chłodniczy w stanie ciekłym. Czynnikiem chłodniczym jest substancja niskowrząca. Przy określonym ciśnieniu tego czynnika następuje zatem jego wrzenie w ściśle określonej, niskiej temperaturze. Oznacza to, że jeśli czynnikiem chłodniczym jest amoniak, to aby nastąpiło wrzenie doprowadzonej cieczy w temperaturze –15 °C, powinna ona być pod ciśnieniem 2,36 bar. W procesie wrzenia wrzący czynnik chłodniczy pobiera ciepło z wnętrza komory. Należy zauważyć, że ciepło to przepływa samorzutnie na skutek różnicy temperatur między temperaturą w komorze (wynoszącą np. –10 °C) a temperaturą wrzenia czynnika chłodniczego (wynoszącą np. –15 °C). Czynnik opuszcza parownik w fazie parowej.

Rys. 1.6. Najprostsze parowe sprężarkowe urządzenie chłodnicze

W przedstawionym procesie został zrealizowany kluczowy cel działania urządzenia chłodniczego, czyli ciepło zostało odebrane z wnętrza komory chłodniczej. Rozpatrując dalej powyższy przykład, można oszacować wynik procesu wrzenia. Otóż w rozpatrywanych warunkach jednostkowe ciepło parowania amoniaku (czyli ilość ciepła potrzebna do całkowitego odparowania 1 kg ciekłego amoniaku o temperaturze –15 °C) wynosi 1313,1 kJ/kg. W rozpatrywanych warunkach, jeśli do parownika zostanie dostarczony czynnik w ilości 0,0150 kg/s, to z komory chłodniczej odbierze on moc cieplną (wydajność chłodniczą) równą

Pozostaje nadal problem, co zrobić z odparowanym czynnikiem roboczym, który wypływa z parownika. Aby substancję tę wykorzystać ponownie, należy ją skroplić i doprowadzić do wlotu parownika pod określonym ciśnieniem. Proces skraplania nastąpi wtedy, gdy od pary zostanie odprowadzone ciepło. Bezpośrednie skroplenie pary wypływającej z parownika jest oczywiście niemożliwe, musiałby bowiem być dostępny płyn odbierający ciepło od pary o temperaturze od niej niższej (czyli w rozpatrywanym przypadku o temperaturze niższej niż –15 °C). Z praktycznego punktu widzenia najefektywniejszym procesem skraplania jest taki proces, w którym ciepło skraplania pary jest odprowadzane wprost do otoczenia. To wymaga jednak, aby para skraplała się w temperaturze wyższej od temperatury otoczenia, na przykład +30 °C (jeśli temperatura otoczenia wynosi +20 °C). Jeśli w rozważanym przypadku czynnikiem roboczym jest amoniak, to para amoniaku będzie się skraplać w temperaturze +30 °C dopiero pod ciśnieniem 11,67 bar. A to z kolei oznacza, że parę wypływającą z parownika należy najpierw sprężyć. Najbardziej oczywistym sposobem jest zastosowanie sprężarki mechanicznej, co przedstawiono na rys. 1.6.

W analizowanych warunkach jednostkowa praca sprężania (czyli praca, jaką należy dostarczyć, aby sprężyć 1 kg pary czynnika) wynosi 231,1 kJ/kg. Jeśli z parownika zostanie zassany czynnik w ilości 0,0150 kg/s, to teoretycznie sprężarka wymaga dostarczenia do napędu mocy mechanicznej równej

Moc pobrana przez rzeczywistą sprężarkę będzie oczywiście większa z powodu różnych strat zachodzących w tej maszynie. W rozważanym przypadku efektywność energetyczna wyniesie teoretycznie

Para wypływająca ze sprężarki ma faktycznie znacznie wyższą temperaturę niż temperatura skraplania, gdyż w wyniku jej sprężenia od ciśnienia 2,36 bar do ciśnienia 11,26 bar jej temperatura wzrasta od –15 °C do wartości teoretycznej wynoszącej aż +99,1 °C. Parę wypływającą ze sprężarki określa się jako parę przegrzaną. Para ta jest wytłaczana ze sprężarki do skraplacza chłodzonego powietrzem lub wodą. Jak wynika z rozważanego przypadku, w skraplaczu następuje proces ochładzania pary do temperatury skraplania, a następnie proces skroplenia tej pary. Ciecz wypływająca ze skraplacza ma w rozważanym przypadku ciśnienie 11,67 bar. Do zasilania parownika potrzebna jest natomiast ciecz pod ciśnieniem 2,36 bar. Oznacza to, że należy obniżyć ciśnienie tej cieczy na wlocie do parownika. Najprostszym sposobem obniżenia ciśnienia cieczy jest zastosowanie zaworu rozprężnego, co pokazano na rys. 1.6. W ten sposób cykl procesów zachodzących w najprostszym urządzeniu chłodniczym został zamknięty.

Jak widać z przedstawionej powyżej zasady działania urządzenia chłodniczego parowego sprężarkowego, zrozumienie procesów zachodzących w takim urządzeniu, właściwy dobór elementów składowych, a także właściwa jego eksploatacja oraz serwisowanie wymagają wiedzy w zakresie podstawowych zagadnień termodynamiki, wymiany ciepła, a także w zakresie budowy sprężarek, wymienników ciepła, elementów układu regulacji automatycznej. W Części A niniejszego poradnika zamieszczono podstawowe informacje na ten temat.

1.3. Pompy ciepła – zagadnienia elementarne

Z techniką chłodniczą w sposób bezpośredni związana jest także technika pomp ciepła, której zadaniem jest doprowadzanie ciepła do ogrzewanego ośrodka w celu uzyskania i utrzymania temperatury wyższej od temperatury otoczenia.

Rys. 1.7. Transport energii w pompie ciepła

Działanie pompy ciepła przedstawiono w sposób ideowy na rys. 1.7. Jak widać, pompa ciepła realizuje identyczne procesy transportu energii, czyli pobiera ciepło z ośrodka o temperaturze niskiej (najczęściej jest nim otoczenie), pobiera energię napędową oraz oddaje ciepło do ogrzewanego ośrodka w temperaturze wyższej od temperatury otoczenia. A więc zasada działania oraz zasadnicze rozwiązania konstrukcyjne pompy ciepła nie różnią się od tych w urządzeniach chłodniczych. Co więcej, w niektórych przypadkach urządzenie chłodnicze może być wprost zastosowane jako pompa ciepła. Najistotniejszymi różnicami między urządzeniami chłodniczymi a pompami ciepła są:

• cel działania urządzenia i związane z tym rozwiązania wymagające współpracy z układem grzewczym budynku w przypadku pomp ciepła oraz, przykładowo, chłodniczą komorą składową lub systemem klimatyzacji pomieszczeń w przypadku urządzeń chłodniczych;

• zakres temperatur pracy: w przypadku parowych pomp ciepła (najczęściej stosowanych w praktyce) temperatura parowania jest niższa od temperatury otoczenia i zależy od ośrodka, z którego jest pobierane ciepło (np. powietrze atmosferyczne, grunt, rzeka, jezioro) oraz od wymaganej temperatury w ogrzewanym pomieszczeniu, a także sposobu ogrzewania pomieszczenia.

Z uwagi na identyczną zasadę działania oraz jednakowe podstawowe rozwiązania techniczne pomp ciepła i urządzeń chłodniczych, zasada działania parowej sprężarkowej pompy ciepła jest podobna jak wyjaśniona w podrozdz. 1.2 zasada działania parowego sprężarkowego urządzenia chłodniczego. Zasadniczą różnicą jest jednak ocena efektywności energetycznej pompy ciepła. Ponieważ efektywność energetyczną definiuje się jako stosunek efektu do nakładu, w przypadku pomp ciepła efektem jest zatem moc grzewcza przekazywana do ogrzewanego ośrodka, nakładem zaś jest moc napędowa P. Wobec tego dla pomp ciepła współczynnik COPH jest opisany zależnością

(1.4)

Można zauważyć, że ponieważ moc grzewcza przekazywana do ogrzewanego pomieszczenia jest równa sumie mocy cieplnej pobieranej z otoczenia oraz mocy napędowej, to

(1.5)

Oznacza to, że z powodu przyjęcia definicji efektywności energetycznej pompy ciepła COPH, jej efektywność jest wyższa o jeden od efektywności energetycznej COP urządzenia chłodniczego pracującego w identycznych warunkach.

W technice pomp ciepła stosuje się te same substancje robocze co w technice chłodniczej. W ostatnim okresie szczególnie ważne stają się zagadnienia dotyczące zastosowań czynników roboczych bezpiecznych dla środowiska, a także właściwa konstrukcja, eksploatacja oraz serwisowanie układów umożliwiające maksymalne ograniczenie wycieku tych czynników do otoczenia. Zagadnienia te, w związku ze stosowaniem identycznych substancji roboczych, są takie same jak w odniesieniu do techniki chłodniczej oraz techniki pomp ciepła. Procedury certyfikowania personelu odpowiedzialnego za obsługę tych urządzeń są identyczne. Tematom tym poświęcona jest Część B niniejszego poradnika. Właściwości czynników roboczych stosowanych w technice chłodniczej i pomp ciepła są ujęte w Części C.

2

Podstawy termodynamiczne działania urządzeń chłodniczych

2.1. Odwracalność przemian

Procesy fizyczne takie jak sprężanie, rozprężanie itp., określa się mianem przemian termodynamicznych. Wszystkie procesy (przemiany termodynamiczne) zachodzące w układach technicznych są zjawiskami nieodwracalnymi z uwagi na występowanie tarcia, a także różnic temperatur. Jeśli w rzeczywistym zjawisku (na przykład sprężaniu) występuje tarcie, to wydziela się ciepło tarcia, które przekazywane jest do otoczenia. Gdyby chcieć odwrócić przebieg zjawiska sprężania, to w analizowanym przykładzie byłoby to zjawisko rozprężania, w którym przebieg zmian ciśnienia, temperatury oraz objętości byłby przeciwny, niż w procesie sprężania. Jednakże, kierunku transportu ciepła tarcia nie da się odwrócić – zostanie ono ponownie przekazane do otoczenia. Zjawiska, w którym występuje tarcie nie da się zatem całkowicie odwrócić.

Podobnie jest z procesem transportu ciepła – jest ono przekazywane samorzutnie od ośrodka o temperaturze wyższej do ośrodka o temperaturze niższej. Odwrócenie tego procesu, czyli przekazanie ciepła od ośrodka o temperaturze niższej do ośrodka o temperaturze wyższej nigdy nie zajdzie w sposób samorzutny i wymaga zastosowania w tym celu urządzenia chłodniczego lub pompy ciepła.

Tak więc, przemiany odwracalne nie zachodzą w rzeczywistych układach, lecz można je traktować jako przemiany idealne. Jest wysoce pożądane, aby wszelkie przemiany przebiegały w sposób jak najbardziej zbliżony do przemian odwracalnych, wszelkie urządzenia techniki cieplnej pracują wówczas z największą efektywnością energetyczną. Należy zatem dążyć do prowadzenia przemian termodynamicznych w warunkach jak najmniejszych strat wywołanych tarciem, natomiast przy przekazywaniu ciepła należy dążyć do jak najmniejszych różnic temperatur.

2.2. Zasady termodynamiki

Dwa główne prawa termodynamiki stanowią podstawę działania urządzeń chłodniczych oraz pomp ciepła.

Pierwsza zasada termodynamiki jest w istocie zasadą zachowania energii. Można ją ująć w taki sposób: suma wszelkich rodzajów energii doprowadzonych do układu Ed jest równa sumie wszelkich rodzajów energii odprowadzonych z układu Eo oraz sumie przyrostów energii układu ΔEu

(2.1)

Energię można doprowadzać lub odprowadzać na trzy sposoby:

• wraz z przepływem czynnika roboczego do lub z układu – transportuje się jednocześnie zawartą w nim energię wewnętrzną;

• na sposób ciepła – odbywa się bez doprowadzania lub odprowadzania czynnika roboczego;

• na sposób pracy – również bez doprowadzania lub odprowadzania czynnika roboczego.

Stąd zapis pierwszej zasady termodynamiki formułuje się w sposób następujący:

,

(2.2)

gdzie Q – ciepło dostarczone do rozpatrywanego układu, ΔU – zmiana energii wewnętrznej tego układu, L – praca zewnętrzna wykonana przez ten układ.

W praktyce nie bilansuje się energii w dżulach, lecz strumienie energii bądź moce w watach. Na ogół rozpatruje się przy tym pracę układów w stanie ustalonym, w którym strumienie energii dostarczane oraz odprowadzane z układu są sobie równe (układ nie magazynuje ani nie zmniejsza swojej energii wewnętrznej).

Układy, do których nie dopływa ani z nich nie odpływa czynnik roboczy nazywa się układami zamkniętymi. Przykładem takiego układu jest całe urządzenie chłodnicze lub pompa ciepła, a także butla z zawartym w niej czynnikiem chłodniczym. Pierwsza zasada termodynamiki dla takich układów sprowadza się do bilansu dostarczanych oraz odbieranych mocy cieplnych, elektrycznych oraz mechanicznych. W przypadku najprostszego parowego sprężarkowego urządzenia chłodniczego, sformułowanie tej zasady sprowadza się do następującego bilansu:

,

(2.3)

który oznacza, że jeśli do tego urządzenia jest doprowadzana wydajność chłodnicza (moc cieplna pobierana od ochładzanego ośrodka) oraz moc napędowa P (w postaci mocy elektrycznej), to z urządzenia tego należy odprowadzić moc cieplną równą sumie obydwu doprowadzanych mocy. Widać więc, że omawiana zasada odgrywa fundamentalną rolę dla urządzeń chłodniczych oraz pomp ciepła.

Układy otwarte, czyli takie, do których dopływa i z których odpływa czynnik roboczy (np. sprężarka, wymiennik ciepła, fragment instalacji chłodniczej) należy bilansować podobnie, z tym że należy dodatkowo uwzględnić strumień energii transportowany razem z dopływającym bądź odpływającym czynnikiem. Przykłady takich bilansów są zawarte punkcie dotyczącym przemiany izobarycznej (p. 2.5.1), w których zademonstrowano obliczenia bilansowe parownika oraz skraplacza, a także w punkcie dotyczącym przemiany izentropowej (p. 2.5.4), gdzie omówiono bilans energetyczny sprężarki.

Druga zasada termodynamiki posiada wiele równoważnych sformułowań. W zakresie techniki chłodniczej i pomp ciepła jedno z nich ma zasadnicze znaczenie: ciepło jest samorzutnie przekazywane wyłącznie od ośrodka o temperaturze wyższej do ośrodka o temperaturze niższej. Oznacza to, że jeśli ciepło jest pobierane od ochładzanego przedmiotu i doprowadzane do otoczenia, to wymaga to zastosowania urządzenia chłodniczego, do którego z zewnątrz dostarczana jest energia napędowa. Co więcej, zgodnie z tą zasadą istnieje minimalna praca, którą należy wykonać, aby urządzenie chłodnicze działało. Oznacza to więc, że istnieje maksymalna efektywność energetyczna urządzenia chłodniczego. Zgodnie z tą zasadą termodynamiki, maksymalna możliwa efektywność energetyczna urządzenia chłodniczego

,

(2.4)

gdzie To,max – maksymalna temperatura ochładzanego ośrodka [K], zaś Tk,min jest minimalną temperaturą otoczenia, do którego przekazywane jest ciepło z urządzenia chłodniczego [K].

Z kolei maksymalna możliwa efektywność energetyczna pompy ciepła wynosi:

,

(2.5)

gdzie To,max – maksymalna temperatura ośrodka, z którego pobierane jest ciepło [K], Tk,min – minimalna temperatura ogrzewanego ośrodka [K].

Efektywności te nie mogą zostać uzyskane w żadnym z rzeczywistych urządzeń chłodniczych ani w pompach ciepła i odpowiadają one teoretycznemu obiegowi termodynamicznemu Carnota.

Przykład

Obliczyć maksymalną możliwą do osiągnięcia efektywność energetyczną pompy ciepła, pobierającej ciepło z gruntu, w którym w najcieplejszym miejscu temperatura wynosi +8 °C, w ogrzewanym pomieszczeniu zaś powinna zostać uzyskana temperatura nie niższa niż +23 °C.

Temperatury w skali absolutnej wynoszą: To,max = 8 + 273,15 = 281,15 K, oraz
Tk,min = 23 + 273,15 = 296,15 K. Stosując podaną powyżej zależność, uzyskuje się:

Z drugiej zasady termodynamiki wynika, że w podanych warunkach żadna pompa ciepła nie może uzyskać efektywności energetycznej wyższej od COPHP, niezależnie od stosowanych rozwiązań konstrukcyjnych, zastosowanego czynnika roboczego, itp.

2.3. Własności fizyczne i termodynamiczne substancji

Stan czynnika roboczego określony jest poprzez podanie dwóch niezależnych wielkości fizycznych nazywanych parametrami stanu. Przykładowo, stan gazu określić można poprzez podanie wartości ciśnienia oraz temperatury.

Do podstawowych parametrów stanu czynnika chłodniczego należą:

Temperatura (t, T) określa stan termiczny substancji. Temperaturę absolutną oznacza się symbolem T i mierzy się w kelwinach [K]. Temperaturę względną oznacza się symbolem t i mierzy się w stopniach Celsjusza [°C]. Związek pomiędzy tymi dwiema temperaturami jest następujący:

.

(2.6)

Punktem odniesienia dla skali temperatury absolutnej jest zero absolutne (0 K), które nie jest możliwe do osiągnięcia, zaś dla skali temperatury względnej jest nim temperatura zamarzania czystej chemicznie wody (0 °C) przy ciśnieniu atmosferycznym.

Ciśnienie p jest siłą normalną działającą na płyn, odniesioną do jednostki pola powierzchni, na którą ta siła działa. Jednostką ciśnienia w układzie SI jest paskal (1 Pa = 1 N/m^2 = 1 kg/(m ⋅ s^2). Pomocniczą jednostką ciśnienia jest 1 bar = 10^5 Pa. Używa się jeszcze przyrządów do pomiaru ciśnienia wyskalowanych w dawniej stosowanej jednostce, jaką jest atmosfera techniczna: 1 at = 1 kG/cm^2 = 0,981 bar.

Nadciśnienie oraz podciśnienie są mierzone odpowiednio manometrami oraz wakuometrami w odniesieniu do ciśnienia atmosferycznego. Z uwagi na zmienność ciśnienia atmosferycznego, w technice przyjmuje się wartość standardową ciśnienia atmosferycznego równą 1,01325 bar. Jeżeli zatem manometr wskazuje przykładowo nadciśnienie 11,4 bar, to ciśnienie absolutne panujące w układzie wynosi 12,4 bar. Jeżeli wakuometr wskazuje podciśnienie 0,98 bar, to ciśnienie absolutne w układzie wynosi około 0,02 bar = 2 kPa.

Gęstość ρ jest masą substancji odniesioną do jednostki objętości przez nią zajmowanej. Jednostką gęstości jest 1 kg/m^3.

Objętość właściwa v jest objętością substancji odniesioną do masy tej substancji. Jednostką objętości właściwej jest m^3/kg. Związek pomiędzy objętością właściwą a gęstością jest następujący:

.

(2.7)

Do własności kalorycznych czynnika chłodniczego należą:

Energia wewnętrzna U jest łączną energią wszystkich atomów oraz cząsteczek czynnika termodynamicznego. Jednostką energii wewnętrznej w układzie SI jest dżul (1 J = kg ⋅ m^2/s^2). Własności termodynamiczne substancji są powiązane z jej energią wewnętrzną.

Entalpia H jest sumą energii wewnętrznej substancji U oraz tak zwanej energii przetłaczania równiej iloczynowi ciśnienia i objętości (pV), czyli:

.

(2.8)

Jednostką entalpii jest dżul. Entalpia stosowana jest powszechnie w całej technice cieplnej z uwagi na to, że czynniki robocze są na ogół przetłaczane przez przewody bądź kanały stanowiące elementy składowe urządzeń, wobec czego przepływający czynnik roboczy transportuje nie tylko zawartą w nim energię wewnętrzną, lecz także energię przetłaczania uzyskiwaną od maszyn wymuszających jego przepływ np. pomp, wentylatorów, dmuchaw, sprężarek. W celu uniezależnienia analiz od konkretnej ilości czynnika roboczego, w technice stosuje się bardzo często entalpię właściwą odniesioną do jednego kilograma czynnika h [J/kg].

Entropia S jest termodynamicznym parametrem stanu czynnika charakteryzującym odwracalność procesów (przemian termodynamicznych). Jednostką entropii jest J/K.

Jeżeli do czynnika o temperaturze T dostarczane jest ciepło w ilości dQ, wówczas następuje zmiana wartości entropii dS według następującej relacji:

.

(2.9)

Entropia zachowuje zatem stałą wartość w procesach, w których nie następuje przekazywanie ciepła (dQ = 0), ale nie zachodzi także tarcie (bowiem wówczas pojawiłoby się ciepło tarcia). Takie przemiany określa się jako adiabatyczne odwracalne. Ponieważ w przemianach tych entropia zachowuje stałą wartość, zatem określa się je także jako przemiany izentropowe. Przemiany te są przemianami odwracalnymi.

W celu uniezależnienia analiz od konkretnej ilości czynnika roboczego, w technice stosuje się bardzo często entropię właściwą odniesioną do jednego kilograma czynnika s [J/(kg ⋅ K)].

Należy podkreślić, że takie wielkości jak energia wewnętrzna, entalpia oraz entropia posiadają jedynie wartości względne, czyli wymagają podania poziomu odniesienia. Przykładowo, analogiczna sytuacja występuje przy podawaniu wysokości położenia jakiegoś przedmiotu: podanie konkretnej wartości liczbowej ma sens tylko wtedy, gdy wiadomo, gdzie jest poziom zerowy. Przy podawaniu wartości energii wewnętrznej, entalpii lub entropii niezbędne jest zdefiniowanie, w jakich umownych warunkach przyjmują one wartość zerową.

W procesach cieplno-przepływowych zachodzących w urządzeniach chłodniczych i pompach ciepła istotne znaczenie mają tzw. właściwości termokinetyczne czynnika roboczego, do których należą:

Ciepło właściwe c [J/(kg ⋅ K)] definiuje się jako ilość ciepła, które należy dostarczyć do lub odebrać od jednostki masy ciała, aby zmienić jego temperaturę o 1 K. Należy nadmienić, że dostarczanie ciepła może zachodzić w trakcie różnych procesów fizycznych (przemian termodynamicznych), więc do uzyskania tego samego wzrostu temperatury będą potrzebne różne ilości ciepła. Ponieważ różnorodność procesów fizycznych jest nieograniczona, każda substancja fizyczna ma zatem nieograniczoną ilość rodzajów ciepła właściwego odpowiadającego każdemu z procesów. Najbardziej charakterystycznym ciepłem właściwym jest ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu cp oraz ciepło właściwe przy stałej objętości cv. Dla ciał stałych oraz cieczy różnica między wartościami tych dwóch rodzajów ciepła właściwego na ogół jest bardzo mała, natomiast dla substancji w stanie lotnym (gaz lub para) jest niemożliwa do pominięcia, przy czym zawsze cp > cv. W analizach procesów sprężania oraz rozprężania istotne znaczenie ma stosunek tych rodzajów ciepła właściwego, nazywany stałą Poissone’a lub wykładnikiem adiabaty dla gazów doskonałych

.

(2.10)

Określenie wartości wykładnika adiabaty dla rzeczywistych płynów κ wymaga wykonania dość złożonych obliczeń; wartości tego wykładnika dla wybranych czynników chłodniczych podano w rozdz. 14.

Współczynnik przewodzenia ciepła λ [W/(m ⋅ K)] jest miarą zdolności substancji do przewodzenia ciepła.

Lepkość dynamiczna μ [Pa ⋅ s] jest miarą tarcia wewnętrznego w płynie.

Lepkość kinematyczna ν [m^2/s] jest związana jest z lepkością dynamiczną oraz gęstością następującą relacją:

.

(2.11)

Współczynnik wyrównywania temperatury a [m^2/s] jest związany ze współczynnikiem przewodzenia ciepła, ciepłem właściwym przy stałym ciśnieniu oraz gęstością następującą relacją:

.

(2.12)

Liczba Prandtla Pr jest związana jest ze współczynnikiem wyrównywania temperatury oraz lepkością kinematyczną następującą relacją:

.

(2.13)

Napięcie powierzchniowe σ [N/m] jest miarą pracy potrzebnej do wytworzenia menisku rozgraniczającego fazę ciekłą oraz parową, co ma istotne znaczenie w procesach wrzenia oraz skraplania.

Prędkość dźwięku ws [m/s], która jest prędkością rozchodzenia się drobnych zaburzeń w płynie. Jest ona zależna dla danego czynnika chłodniczego od parametrów stanu. Jej wartość jest istotna przy ocenie maksymalnej przepustowości czynnika przepływającego przez kanał.

Własności wybranych czynników chłodniczych zamieszczono w Części C niniejszego przewodnika.

2.4. Przemiany fazowe czynników

Jak przedstawiono w rozdziale 1, zasadnicze znaczenie w funkcjonowaniu urządzeń chłodniczych parowych posiadają procesy wrzenia oraz skraplania, czyli przemiany fazowe. Nie jest możliwe pełne zrozumienie procesów zachodzących w tych urządzeniach bez szczegółowej wiedzy w zakresie uwarunkowań przebiegu przemian fazowych oraz własności czynnika roboczego.

Rozróżnia się trzy stany skupienia ciał: stały, ciekły oraz lotny, który określany jest jako gazowy lub parowy w zależności od parametrów stanu. Przemiana fazowa jest procesem zmiany stanu skupienia. Na rysunku 2.1 przedstawiono przykładowo w układzie współrzędnych ciśnienie–temperatura obszary, w których woda występuje w stanie lotnym, ciekłym oraz stałym. Na liniach rozgraniczających te obszary zachodzą przemiany fazowe. Na wykresie tym zaznaczono standardowe ciśnienie atmosferyczne (1,013 bar), przy którym zachodzi proces topnienia lodu oraz zestalania wody ciekłej w temperaturze 0 °C. Przy tym ciśnieniu woda wrze przechodząc ze stanu ciekłego w lotny (parowy), zaś para skrapla się przechodząc ze stanu parowego w ciekły w temperaturze 100 °C. Widać, że wraz ze wzrostem ciśnienia wzrasta temperatura wrzenia oraz skraplania i konsekwentnie – wraz ze spadkiem ciśnienia obniża się temperatura.

Rys. 2.1. Przemiany fazowe czynnika w układzie współrzędnych ciśnienie–temperatura dla wody

Na rysunku 2.1 wyróżniono dwa charakterystyczne punkty K oraz T. Punkt oznaczony symbolem T jest tzw. punktem potrójnym. W warunkach ściśle określonego ciśnienia oraz temperatury współistnieją ze sobą wszystkie trzy fazy: stała, ciekła oraz lotna. Dla wody punkt taki zostaje osiągnięty przy ciśnieniu wynoszącym 611 Pa w temperaturze +0,08 °C. Drobna zmiana któregokolwiek z tych parametrów pociąga za sobą zanik jednej z faz. Jak widać, w otoczeniu punktu potrojonego T linie przemian fazowych jednoznacznie rozgraniczają obszary poszczególnych faz. Faza lotna oraz stała są w sposób jednoznaczny rozgraniczone na analizowanym wykresie, podobnie jak jest to w przypadku fazy stałej oraz ciekłej.

Wydaje się, że poszczególne fazy są zawsze możliwe do jednoznacznego rozróżnienia. Jednakże w przypadku fazy ciekłej oraz lotnej oczekiwanie to może nie zostać spełnione. Krzywa rozgraniczająca obszar fazy ciekłej oraz lotnej kończy się przy ściśle określonym ciśnieniu oraz odpowiadającej mu temperaturze w punkcie nazywanym punktem krytycznym. Na rysunku 2.1 oznaczono go symbolem K. Jak widać, powyżej tego punktu nie istnieje rozgraniczenie pomiędzy fazą ciekłą oraz lotną. Oznacza to, że w warunkach ciśnień wyższych od ciśnienia krytycznego nie jest możliwe rozróżnienie czy czynnik roboczy występuje w postaci cieczy, czy w postaci pary.

Wynika to z faktu, że wraz ze wzrostem ciśnienia następują: znaczne zwiększenie gęstości pary oraz nieznaczne zmiany gęstości cieczy. Oznacza to, że przy pewnym ciśnieniu faza lotna oraz ciekła osiągną jednakową gęstość, wówczas różnica między nimi zaniknie całkowicie. Co więcej, zanika wówczas także napięcie powierzchniowe, a więc również menisk rozgraniczający wcześniej ciecz i parę. Można stwierdzić, że w tych warunkach określenia „ciecz”, „para” i „gaz” mają charakter jedynie umowny. W warunkach ciśnień wyższych od ciśnienia krytycznego najczęściej czynnik o większej gęstości umownie traktuje się jako ciecz, co ma miejsce dla niższych temperatur, zaś za granicę można uznać temperaturę krytyczną. Z kolei czynnik o mniejszej gęstości (powyżej temperatury krytycznej) umownie traktuje się jako stan lotny. Dla wody ciśnienie krytyczne wynosi 221,2 bar, a temperatura krytyczna wynosi 374,15 °C.

Na rysunku 2.2 przedstawiono przemiany fazowe dwutlenku węgla. W warunkach ciśnienia atmosferycznego (ok. 1 bar) dwutlenek węgla występuje w postaci stałej i lotnej. Przy tym ciśnieniu w temperaturze –78,4 °C przy doprowadzaniu ciepła następuje proces przemiany fazowej ze stanu stałego w lotny, zwany sublimacją, przy odprowadzaniu ciepła zaś proces odwrotny, czyli zmiany stanu skupienia z lotnego w stały, zwany resublimacją. Dla dwutlenku węgla punkt potrójny T osiągany jest przy ciśnieniu 5,18 bar i temperaturze –56,56 °C, punkt krytyczny zaś – przy ciśnieniu 73,77 bar i temperaturze +30,98 °C.

Należy jeszcze wspomnieć o kwestii związanej z określeniem substancji w stanie lotnym. Rozróżnienie między parą a gazem jest umowne. Parą nazywa się substancję w stanie lotnym w temperaturze zbliżonej do temperatury skraplania przy określonym ciśnieniu, natomiast w temperaturze znacznie wyższej od temperatury skraplania dla określonego ciśnienia substancję taką określa się jako gaz. Najczęściej przyjmuje się, że substancja jest w stanie gazu dla temperatur wyższych od temperatury krytycznej.

Rys. 2.2. Przemiany fazowe czynnika w układzie współrzędnych ciśnienie–temperatura dla dwutlenku węgla

Temperaturę, w której następuje wrzenie oraz skraplanie określa się mianem temperatury nasycenia. Nazwa ta pochodzi stąd, że w trakcie dostarczania ciepła do cieczy jej temperatura wzrasta aż do osiągnięcia temperatury wrzenia, po jej osiągnięciu zaś pozostaje stała z uwagi na to, że proces wrzenia substancji jednorodnych zachodzi przy stałej temperaturze. Jak zaznaczono powyżej, temperatura wrzenia oraz skraplania jest ściśle powiązana z ciśnieniem czynnika. Tę wzajemną zależność przedstawiono dla kilku wybranych czynników chłodniczych na rys. 2.3. Należy zatem podkreślić, że jeśli proces wrzenia bądź skraplania jednorodnego czynnika chłodniczego zachodzi w określonej temperaturze, wówczas ciśnienie czynnika roboczego samo dostosuje się do odpowiedniej wartości zgodnej z krzywą nasycenia. Ciśnienie to ustali się również wtedy, gdy w zbiorniku znajduje się ciecz oraz para tej samej substancji.

Rys. 2.3. Krzywe nasycenia dla kilku wybranych czynników chłodniczych

Oznacza to, że jeśli w butli znajduje się mieszanina cieczy oraz pary czynnika chłodniczego, to ciśnienie w niej panujące zależy jedynie od temperatury czynnika w butli, nie zależy natomiast od znajdującego się w niej ilości czynnika. Jeśli, przykładowo, w butli znajduje się ciekły propan, a nad lustrem cieczy znajduje się para propanu, to gdy butla jest wystawiona w przestrzeni, w której panuje temperatura –10 °C, to wówczas ciśnienie czynnika w butli osiągnie wartość 3,45 bar. Jeśli butla zawierająca tę samą ilość czynnika zostanie ustawiona w pomieszczeniu, w którym panuje temperatura +20 °C, to ciśnienie czynnika zawartego w tej butli samorzutnie wzrośnie do 8,37 bar. Należy pamiętać o tej szczególnej właściwości mieszaniny cieczy i pary w stanie nasycenia, która polega na ścisłej zależności ciśnienia i temperatury, jest bowiem przyczyną rozlicznych konsekwencji mających kluczowy wpływ na działanie parowych sprężarkowych urządzeń chłodniczych i pomp ciepła.

Wykres w układzie współrzędnych ciśnienie–temperatura nie daje należytego obrazu przebiegu procesów przemian fazowych i dlatego w tym celu stosuje się w technice chłodniczej dwa typy wykresów, a mianowicie w układzie współrzędnych temperatura–entropia właściwa (t-s) oraz – najczęściej stosowany w praktyce – w układzie współrzędnych ciśnienie–entalpia właściwa (p–h). Na rysunku 2.4 przedstawiono wykresy właściwości propanu układzie współrzędnych t–s oraz p–h. W układzie współrzędnych p–h, z uwagi na znaczną zmienność ciśnienia, na osi pionowej stosuje się zwykle skalę logarytmiczną. Na obydwu tych wykresach widoczne są pogrubione linie graniczne dla fazy ciekłej oraz lotnej. Na lewo od lewej linii granicznej znajduje się obszar cieczy, na prawo zaś od prawej krzywej granicznej znajduje się obszar pary. Lewa krzywa graniczna obrazuje stan tzw. cieczy nasyconej, czyli cieczy o temperaturze wrzenia. Prawa krzywa graniczna obrazuje stany tzw. pary suchej nasyconej, czyli pary o temperaturze nasycenia (skraplania). Ciecz o temperaturze niższej od temperatury nasycenia określa się jako ciecz dochłodzoną, parę zaś o temperaturze wyższej od temperatury nasycenia określa się jako parę przegrzaną. Linie nasycenia dla cieczy oraz pary zbiegają się w punkcie krytycznym K. Poniżej punktu krytycznego, w obszarze między liniami nasycenia, znajduje się obszar tzw. pary nasyconej mokrej. W obszarze tym para i ciecz znajdują się w równowadze termodynamicznej, co jest określane właśnie jako stan nasycenia.

Rys. 2.4. Wykresy właściwości termodynamicznych propanu: a) w układzie współrzędnych temperatura–entropia właściwa; b) w układzie współrzędnych ciśnienie–entalpia właściwa; na wykresach przyjęto: x_1 = 0,25; x_2 = 0,50; x_3 = 0,75; p_1 = 0,1 MPa, p_2 = 1,0 MPa, p_3 = 5 MPa, p_4 = 10 MPa, t_1 = +120 °C, t_2 = +80 °C, t_3 = +40 °C, t_4 = –40 °C

W podrozdziale 2.1 wspomniano, że podawanie wartości entalpii właściwej oraz entropii właściwej wymaga zdefiniowania stanu odniesienia. W technice chłodniczej oraz pomp ciepła jak dotąd tej sprawy nie unormowano. Na ogół przyjmuje się, że entalpia właściwa cieczy nasyconej o temperaturze 0 °C wynosi ho = 200 kJ/kg, natomiast entropia właściwa tej cieczy to so = 1,0 kJ/(kg ⋅ K). Takie wartości stanu odniesienia są przyjęte w niniejszej książce.

Do określenia parametrów stanu czynnika roboczego konieczne jest zdefiniowane dwóch dowolnych właściwości będących parametrem stanu, np. ciśnienie i temperatura. Do określenia parametrów termodynamicznych na liniach nasycenia wystarczy podać jeden z parametrów stanu, np. ciśnienie lub temperaturę. Ponieważ ciśnienie oraz temperatura pary mokrej są ze sobą powiązane, do określenia stanu pary mokrej nie wystarczy jedynie podanie ciśnienia albo temperatury. Stan pary mokrej będzie określony w sposób ścisły wówczas, gdy oprócz temperatury lub ciśnienia znany będzie drugi parametr stanu, inny niż temperatura lub ciśnienie, np. gęstość, entalpia lub entropia właściwa. Może to być również informacja o proporcji fazy parowej w mieszaninie cieczy i pary, a więc stopień suchości x.

Jest on zdefiniowany jako stosunek masy pary m″ do całkowitej masy pary mokrej, równej sumie masy cieczy m′ oraz masy pary suchej m″

.

(2.14)

Wartość x = 0 oznacza, że występuje jedynie faza ciekła, natomiast x = 1 oznacza, że występuje jedynie z faza parowa. Przykładowo, stopień suchości 0,15 oznacza, że w parze mokrej znajduje się masowo 15% pary oraz 85% cieczy. Należy przestrzec, aby tej wartości nie interpretować w ten sposób, że w przepływie o takim stopniu suchości dominuje objętościowo ciecz. Z uwagi na znaczną różnicę pomiędzy gęstością pary oraz cieczy, w przepływie o takim stopniu suchości na ogół będzie dominowała faza parowa! Można wykazać, że udział objętościowy fazy parowej w przepływie pary mokrej, zwany stopniem zapełnienia φ, przy założeniu, że obydwie fazy przepływają z jednakowymi prędkościami, wynosi

,

(2.15)

gdzie γ – stosunek gęstości cieczy do pary w stanie nasycenia

.

(2.16)

Na rysunku 2.5 przedstawiono zależność stopnia zapełnienia od stopnia suchości dla przepływu propanu w warunkach różnych ciśnień. Duża wartość stopnia zapełnienia φ oznacza, że objętościowo w przepływie dominuje faza parowa. Przykładowo, dla stopnia suchości x = 0,15 w temperaturze –20 °C uzyskuje się stopień zapełnienia równy φ = 0,95. Tak więc, mimo że masowy udział pary wynosi tylko 15%, to w analizowanym analizowanym przypadku udział objętościowy wynosi aż 95%, czyli przepływ taki występuje w postaci mgły z większymi kroplami cieczy. Dalej, jeśli stopień suchości, również w warunkach tej samej temperatury, zwiększy się przykładowo do x = 0,35, to wówczas stopień zapełnienia wzrośnie aż do wartości φ = 0,98. W tych warunkach faza ciekła będzie występowała jako mgła. Zagadnieniu temu poświęcono nieco więcej uwagi, ponieważ podobne parametry pracy występują często przy zasilaniu parowników chłodniczych, które najczęściej zasilane są nie cieczą, lecz właśnie parą mokrą. Oznacza to, że mimo stosunkowo niskich stopni suchości x, można oczekiwać, że do parowników chłodniczych doprowadzany jest czynnik chłodniczy raczej w postaci przepływu mgłowego, niż w postaci cieczy z niewielką ilością pęcherzyków pary. Ma to na ogół pozytywny wpływ na proces przekazywania ciepła od ochładzanego ośrodka do wrzącego czynnika chłodniczego.

Rys. 2.5. Zależność stopnia zapełnienia od stopnia suchości dla przepływu pary mokrej propanu w warunkach różnych ciśnień

Jak już wspomniano, aby określić w sposób jednoznaczny stan termodynamiczny czynnika chłodniczego w obszarze pary mokrej, nie wystarczy podanie wartości ciśnienia lub temperatury nasycenia. Podając stopień suchości x właściwości termodynamiczne pary mokrej można wyliczyć z następujących zależności (indeks ′ dotyczy cieczy nasyconej, indeks ″ pary suchej nasyconej):

objętość właściwa: ;

entalpia właściwa: ;

entropia właściwa: .

Jak wspomniano powyżej, stan czynnika roboczego w stanie pary przegrzanej określony jest poprzez podanie dwóch niezależnych parametrów stanu, na przykład ciśnienia oraz temperatury. Pozostałe właściwości termodynamiczne można wyznaczyć na podstawie tzw. równania stanu, co – z uwagi na skomplikowaną postać takiego równania – jest złożonym dość zagadnieniem. W sposób szczegółowy omówiono je w części C. Powyżej temperatury krytycznej wiele czynników chłodniczych posiada własności zbliżone do tzw. gazu doskonałego. Gazem doskonałym nazywa się hipotetyczny gaz, który zachowuje się w najprostszy możliwy sposób, a więc spełnia najprostsze z możliwych równanie stanu

,

(2.17)

w którym R – indywidualna stała gazowa [J/(kg ⋅ K)].

Wartość tej stałej można obliczyć dla danego czynnika chłodniczego z następującego wzoru, co wymaga znajomości masy molowej czynnika M [kg/kmol]:

,

(2.18)

gdzie (MR) – uniwersalna stała gazowa.

Przykład

Obliczyć objętość właściwą pary amoniaku o ciśnieniu p = 13,5 bar i temperaturze t = +110 °C. W równaniu stanu stosuje się jednostki podstawowe, a zatem: p = 13,5 ⋅ 10^5 Pa, T = 273,15 + 110 = 384,15 K.

Najpierw należy wyznaczyć masę molową amoniaku ze wzoru chemicznego NH_3. Masa molowa atomowego azotu wynosi 14 kg/kmol, a atomowego wodoru 1 kg/kmol, zatem dla amoniaku otrzymuje się: M = 17 kg/kmol. Indywidualna stała gazowa dla amoniaku wynosi zatem:

Z równania stanu gazu doskonałego uzyskuje się:

Z programu REFPROP[1], stanowiącego obecnie międzynarodowy standard w zakresie dokładnych własności czynników chłodniczych, uzyskuje się dla podanych powyżej parametrów roboczych wartość v = 0,0131 m^3/kg. Traktując zatem parę czynnika roboczego o wysokiej temperaturze jako gaz doskonały, uzyskano wartość objętości właściwej czynnika dość zbliżoną do wartości obliczonej na podstawie bardzo złożonego równania stanu.

Można poprawić dokładność równania (2.17) poprzez wprowadzenie współczynnika ściśliwości Z

(2.19)

Dla Z = 1,0 czynnik zachowuje się identycznie jak gaz doskonały. Powyższe równanie wymaga dokładnej znajomości współczynnika ściśliwości Z, który zależy od temperatury oraz ciśnienia. Istnieje uniwersalna zależność określająca wartość tego współczynnika od tak zwanej temperatury zredukowanej TR oraz ciśnienia zredukowanego pR, które są odniesione odpowiednio do temperatury krytycznej TK oraz ciśnienia krytycznego pK:

Zależność tę przedstawiono graficznie na rys. 2.6.

Rys. 2.6. Uniwersalna zależność współczynnika ściśliwości Z od zredukowanych parametrów stanu: ciśnienia pR oraz temperatury TR (wg: B. Staniszewski, Termodynamika, PWN, Warszawa 1982)

Równanie stanu gazu doskonałego nie jest zatem dokładne dla większości czynników chłodniczych w szerokim zakresie parametrów roboczych. Dość dobrze opisuje ono parametry stanu jedynie w zakresie bardzo niskich ciśnień oraz wysokich ciśnień i dość wysokich temperatur. Wiele obliczeń przemian termodynamicznych wykonywanych jest przy założeniu, że parę przegrzaną czynnika chłodniczego można traktować jako gaz doskonały. Pozwala to na znaczne uproszczenie obliczeń, jednakże kosztem dokładności. Bardziej szczegółowe informacje dotyczące równań stanu czynników chłodniczych zamieszczono w części C.

2.5. Przemiany termodynamiczne

W urządzeniach chłodniczych i pompach ciepła zachodzą złożone procesy fizyczne, które stanowią zamknięty obieg (cykl): czynnik chłodniczy po zrealizowaniu wszystkich przemian zachodzących w poszczególnych elementach składowych urządzenia, powraca do swoich początkowych parametrów roboczych. Na przebieg tych procesów mają wpływ właściwości termodynamiczne czynnika chłodniczego oraz parametry robocze, a w pewnym stopniu także konkretne uwarunkowania wynikające z konstrukcji urządzenia, sposobu oraz okresu jego eksploatacji. Każdy z tych procesów zachodzi nieodwracalnie, a niektóre z nich przebiegają w bardzo krótkim czasie. Bardzo dokładny opis rzeczywistych procesów zachodzących w takich warunkach jest nadzwyczaj trudny, o ile w ogóle możliwy. Na ogół, zwłaszcza dla potrzeb praktycznej oceny zjawisk zachodzących w urządzeniach chłodniczych, tak szczegółowy opis zjawisk nie jest konieczny. Dlatego cały obieg czynnika w urządzeniu chłodniczym dzieli się na charakterystyczne przemiany termodynamiczne, które omówiono w sposób syntetyczny w poniższych punktach.

2.5.1. Przemiana izobaryczna

Przemiana izobaryczna zachodzi w warunkach stałego ciśnienia. Zakłada się, że przemiana taka zachodzi przykładowo w wymiennikach ciepła. Warto zauważyć, że ciśnienie czynnika przepływającego przez kanały wymiennika ciepła obniża się w wyniku oporów przepływu, tym niemniej dla celów uproszczonej analizy pracy urządzenia zjawisko to można pominąć. W związku z tym na ogół zakłada się, że przemiany zachodzące w parowniku, w skraplaczu lub też innych wymiennikach ciepła przebiegają izobarycznie. Moc cieplną przekazywaną do czynnika w wymienniku ciepła (rys. 2.7) obliczyć można z następującej zależności:

,

(2.20)

gdzie – strumień masy czynnika [kg/s], hwl, hwyl – entalpie właściwe czynnika, odpowiednio na wlocie i wylocie z wymiennika [kJ/kg].

Rys. 2.7. Strumień ciepła przekazywany do czynnika roboczego w wymienniku ciepła

Wartości entalpii właściwej czynnika chłodniczego można odczytać z wykresu właściwości termodynamicznych (dla wybranych czynników zamieszczono je w części C) lub obliczyć przy użyciu dostępnego oprogramowania specjalistycznego. Jeżeli czynnik, do którego jest dostarczane ciepło, można traktować jako gaz doskonały, jego entalpię właściwą można obliczyć ze wzoru:

.

(2.21)

gdzie ho – stała wynikająca z przyjętego poziomu odniesienia. Wobec powyższego, w przypadku gazów doskonałych, moc cieplną można obliczyć z zależności:

,

(2.22)

gdzie cp – ciepło właściwe czynnika przy stałym ciśnieniu [kJ/(kg ⋅ K)], Twl, Twyl – temperatury czynnika, odpowiednio na wlocie i wylocie z wymiennika [K]. W przypadku odprowadzania ciepła od czynnika, w powyższych wzorach należy odejmować odpowiednio entalpie właściwe lub temperatury na wlocie od wartości na wylocie wymiennika.

Przykład

Obliczyć moc cieplną skraplacza propanowego urządzenia chłodniczego. Manometr znajdujący się na przewodzie tłocznym sprężarki, którym para dopływa do skraplacza, wskazuje nadciśnienie 9,0 bar. Strumień masy czynnika wynosi 0,20 kg/s. Temperatura pary na wlocie do skraplacza wynosi +40 °C, a temperatura cieczy wypływające ze skraplacza wynosi +20 °C.

Parametry czynnika w analizowanym przykładzie przedstawiono na rys. 2.8. Ciśnienie absolutne panujące w skraplaczu wynosi pk = 10,0 bar. Temperatura nasycenia, czyli temperatura skraplania pary dla takiego ciśnienia wynosi tk = +26,9 °C. Widać zatem, że para przegrzana o temperaturze +40 °C najpierw schłodzi się w skraplaczu do temperatury skraplania wynoszącej +26,9 °C, a następnie ulegnie skropleniu. Wskutek odprowadzania ciepła powstałe skropliny ulegną dodatkowo dochłodzeniu od temperatury nasycenia +26,9 °C do temperatury końcowej wynoszącej +20 °C. Parametry wlotowe oraz wylotowe skraplacza przedstawiono na rys. 2.8. Zaznaczono na nim przebiegi izotermy (linii stałej temperatury) dla +20 °C; +26,9 °C oraz +40 °C. W skraplaczu zachodzi przemiana izobaryczna od punktu oznaczonego jako „wl” do punktu oznaczonego jako „wyl”. Na rysunku pokazano sposób odczytywania wartości entalpii właściwej czynnika. Odczytane wartości entalpii właściwej wynoszą: dla pary przegrzanej na wlocie do skraplacza skraplacza hwl = 629,1 kJ/kg, dla dochłodzonej cieczy wypływającej ze skraplacza hwyl = 251.7 kJ/kg. W rezultacie otrzymuje się

Rys. 2.8. Wykres właściwości termodynamicznych propanu w układzie współrzędnych ciśnienie–entalpia – ilustracja do przykładu 1

.

Przykład

Obliczyć ilość czynnika chłodniczego, który należy dostarczyć do parownika w propanowym urządzeniu chłodniczym, jeśli urządzenie to ma osiągnąć wydajność chłodniczą równą 20,0 kW. Temperatura parowania w tym urządzeniu wynosi –15 °C. Przyjąć, że do parownika dopływa czynnik chłodniczy w stanie pary mokrej o stopniu suchości 0,25. Parownik opuszcza para przegrzana o 5 K.

Odczyty wykonane z zastosowaniem wykresu właściwości termodynamicznych dla tego przykładu zamieszczono na rys. 2.9. Ciśnienie parowania odpowiadające temperaturze parowania wynosi po = 2,92 bar = 0,292 MPa. Manometr zamocowany na przewodzie ssaniu sprężarki zasysającej parę z parownika wskaże zatem nadciśnienie wynoszące 2,92 – 1,01 = 1,91 bar (przy założeniu, że opory przepływu pary są możliwe do pominięcia). Do parownika dopływa czynnik w stanie pary mokrej o stopniu suchości xwl = 0,25. Punkt odpowiadający parametrom czynnika na wlocie do parownika oznaczono jako „wl”. W parowniku odbywa się proces wrzenia czynnika chłodniczego, a następnie proces przegrzewania pary o 5 K powyżej temperatury parowania. Oznacza to, że para na wylocie z parownika ma temperaturę twyl = –10 °C. Entalpię właściwą czynnika na wylocie z parownika można odczytać z wykresu, wynosi ona hwyl = 566,0 kJ/kg. Entalpię właściwą czynnika na wlocie do parownika można odczytać bądź obliczyć z zastosowaniem tablic dla stanu nasycenia zamieszczonych w części C książki. Na rysunku 2.9 przedstawiono sposób odczytu entalpii. Obliczenie entalpii z zastosowaniem tablic wymaga natomiast znalezienia wartości entalpii właściwej dla cieczy nasyconej h′ oraz pary suchej nasyconej h″ dla temperatury nasycenia równiej –15 °C. Wynoszą one odpowiednio: h′ = 163,3 kJ/kg oraz h″ = 557,9 kJ/kg. Entalpię właściwą pary mokrej można obliczyć z zastosowaniem podanego wcześniej wzoru:

Rys. 2.9. Wykres właściwości termodynamicznych propanu w układzie współrzędnych ciśnienie–entalpia – ilustracja do przykładu 2

W przykładzie podana jest wydajność chłodnicza urządzenia wynosząca = 20 kW. Jest ona zdefiniowana jako

wymagany strumień masy czynnika chłodniczego równy jest zatem:

2.5.2. Przemiana izochoryczna

Przemiana izochoryczna zachodzi w stałej objętości. Przemiana ta występuje w trakcie procesów ogrzewania lub ochładzania czynnika zawartego w butli bądź w zbiorniku lub zamkniętej części instalacji. Przemiana taka występuje także w procesie pompowania cieczy.

W odniesieniu do procesów zachodzących w stałej objętości, przypadek dotyczący pary mokrej ma szczególne znaczenie. W butli zawierającej czynnik chłodniczy, o ile nie jest ona niemal zupełnie pusta, w dolnej części znajduje się faza ciekła, zaś nad lustrem cieczy znajduje się w równowadze z nią para nasycona. Jak już wskazano, ciśnienie czynnika zawartego w butli zależy tylko od temperatury. Wraz ze wzrostem temperatury ciśnienie w butli wzrasta stosownie do krzywej nasycenia danego czynnika. Zmieniają się jednak także proporcje pomiędzy ilością zawartej w butli cieczy oraz pary. Dla butli o objętości V, jeżeli znana jest masa m zawartego w niej czynnika chłodniczego, to dla danej temperatury (i odpowiadającego jej ciśnieniu nasycenia) stopień suchości x można obliczyć z następującej zależności

,

(2.23)

gdzie v′(t), v″(t) – objętości właściwe w temperaturze t, odpowiednio cieczy nasyconej oraz pary suchej nasyconej [m^3/kg].

Zagadnienie to zostanie rozpatrzone na przykładzie czynnika chłodniczego R134a, popularnego i wciąż jeszcze stosowanego w klimatyzacji samochodowej, chłodnictwie oraz pompach ciepła. Czynnik ten dostarczany jest w butlach o różnej objętości. Przyjmijmy, że czynnik znajduje się w butli o objętości 27 litrów, czyli V = 0,027 m^3. Dla takiej butli nominalne napełnienie czynnikiem wynosi 25,0 kg. Poniżej przeanalizowano na podstawie podanych powyżej zależności, zachowanie się czynnika w warunkach temperatur od –20 °C do +45 °C.

Rys. 2.10. Zmiany stopnia suchości x (a, b) oraz stopnia zapełnienia φ (c) czynnika R134a zawartego w butli o objętości 27 dm^3 w warunkach różnych temperatur oraz różnych napełnień butli czynnikiem

Na rysunku 2.10 przedstawiono zmiany stopnia suchości x oraz stopnia zapełnienia φ czynnika zawartego w butli w warunkach różnych temperatur oraz różnych napełnień butli czynnikiem. W butli znajdującej się w temperaturze –20 °C panuje ciśnienie 1,33 bar, natomiast w temperaturze +45 °C (o ile w butli nadal znajdowałyby się obydwie fazy) ciśnienie wynosi aż 11,60 bar. Jak widać, dla pełnej butli, czyli dla wypełnienia nominalnego m = 25,0 kg, niemal w całym zakresie temperatur stopień suchości jest niższy od 0,01. Dopiero w temperaturze +35 °C stopień suchości przekracza wartość 0,01. Oznacza to, że w tych warunkach w butli czynnik w postaci pary stanowi mniej niż 1% masy całego czynnika. Wraz ze wzrostem temperatury i odpowiadającemu jej ciśnieniu nasycenia stopień zapełnienia obniża się od wartości 0,32 do 0,19. Widać więc, że butla z zawartym w niej czynnikiem pozostawiona w temperaturze –20 °C jest zapełniona cieczą na poziomie tylko około 1/3 objętości, a w temperaturze +45 °C niecałe 20% objętości butli jest zajęte przez ciecz.

Może się wydawać, że butla taka jest niedopełniona, w związku z czym można nabić tę butlę zdecydowanie większą ilością czynnika. Na rysunku 2.10 zamieszczono wyniki dla napełnienia rozważanej butli wynoszącego m = 31 kg, a więc dodano 24% czynnika więcej. Z zaprezentowanych wyników widać, że wraz ze wzrostem temperatury obniża się stopień suchości, zatem pomimo wzrostu temperatury, para czynnika zawartego w butli ulega wykropleniu! Dzieje się tak dlatego, że wraz ze wzrostem temperatury wzrasta znacznie ciśnienie czynnika zawartego w butli. W rezultacie w temperaturze około +40 °C butla całkowicie zapełni się ciekłym czynnikiem, czyli nastąpi całkowity zanik poduszki parowej nad lustrem cieczy. Zjawisko takie jest bardzo groźne, bowiem w warunkach przypadkowego wzrostu temperatury nastąpi gwałtowny wzrost ciśnienia mogący spowodować rozszczelnienie lub nawet rozerwanie butli i wyciek czynnika na zewnątrz. Warto pamiętać, że niektóre z substancji stosowanych w technice chłodniczej i pomp ciepła są substancjami toksycznymi, palnymi, bądź wybuchowymi, co stwarza dodatkowe zagrożenie. Dla większości cieczy można przyjąć szacunkowo, że izochoryczny współczynnik prężności wynosi około β = 10^5/K. Oznacza to, że w sytuacji, w której zbiornik bądź butla są całkowicie wypełnione cieczą, wraz ze wzrostem temperatury następuje wzrost ciśnienia o około 1 bar na każdy 1 K wzrostu temperatury. Biorąc to pod uwagę, napełnienie zbiorników bądź butli powinno zapewniać istnienie tzw. poduszki parowej, czyli istnienie fazy parowej ponad lustrem cieczy, w każdych warunkach możliwych do wystąpienia. Należy zatem podkreślić, że – z tego względu – butli nie wolno napełniać ilością czynnika większą od wartości nominalnej.

Powyżej przeanalizowano groźne skutki przepełnienia butli bądź zbiornika czynnika chłodniczego. Na rysunku 2.10 pokazano również wyniki dotyczące częściowego napełnienia analizowanej butli. Przy napełnieniu m = 6 kg (czyli w butli znajduje się 24% masy początkowej czynnika) stopień suchości wraz ze wzrostem temperatury wzrasta od wartości 0,025 dla temperatury –20 °C do około 0,22 w temperaturze +45 °C. Oznacza to, że na skutek wzrostu temperatury, mimo znacznego wzrostu ciśnienia, ciekły czynnik odparowuje. Pomimo około dziesięciokrotnej zmiany stopnia suchości x, stopień zapełnienia φ pozostaje niemal na stałym poziomie: faza parowa zajmuje około 85% objętości butli, a faza ciekła – praktycznie niezależnie od warunków termicznych – zajmuje około 15% objętości butli.

Podobnie, przeanalizowano zachowanie się czynnika w butli niemal całkowicie opróżnionej. Na rysunku 2.10 pokazano wyniki obliczeń uzyskane dla napełnienia m = 1 kg. W temperaturze –20 °C stopień suchości wynosi około 0,19, natomiast stopień zapełnienia wynosi aż około 0,98. W tych warunkach ciekły czynnik zajmuje tylko 2% objętości butli. Wraz ze wzrostem temperatury (i związanego z nią ciśnienia nasycenia) następuje wzrost stopnia suchości, co oznacza, że ciekły czynnik odparowuje. W temperaturze około +30 °C powinna zaniknąć całkowicie faza ciekła, czyli: x = 1, φ = 1. Dalszy wzrost temperatury powoduje wzrost ciśnienia, który nie ma już związku z temperaturą nasycenia, bowiem w butli znajduje się tylko para przegrzana czynnika chłodniczego. Należy pamiętać, że w takich warunkach ciśnienie w butli zależy wprost od masy zawartego w nim czynnika. Jeśli przyjąć, że parę przegrzaną czynnika R134a można traktować jako gaz doskonały, to izochoryczny współczynnik prężności opisany jest wzorem

.

(2.34)

Indywidualna stała gazowa dla czynnika R134a wynosi R = 81,49 J/(kg ⋅ K). Wobec tego w analizowanych warunkach współczynnik prężności wyniesie

.

Gdyby zatem, po całkowitym odparowaniu cieczy w temperaturze +30 °C, doprowadzić do wzrostu temperatury butli do +45 °C, to ciśnienie powinno wzrosnąć od poziomu około 7,70 bar (odpowiadającego temperaturze +30 °C) dodatkowo o

czyli wyniosłoby około 8,15 bar. Z zastosowaniem programu REFPROP uzyskuje się dokładną wartość wynoszącą 8,29 bar. Tymczasem, jeśli w butli znajduje się faza ciekła i parowa, to w temperaturze +45 °C wystąpi ciśnienie nasycenia równe 11,60 bar. Można zatem stwierdzić, że po zaniknięciu fazy ciekłej wzrost temperatury czynnika zamkniętego w butli powoduje znacznie bardziej umiarkowany wzrost ciśnienia w odniesieniu do sytuacji, gdy w butli znajdują się obydwie fazy. Nie oznacza to jednak, że wzrost temperatury nie stanowi żadnego zagrożenia. Należy wziąć pod uwagę, że wraz ze znacznym wzrostem temperatury następuje jednak istotny wzrost ciśnienia, co może doprowadzić do przekroczenia dopuszczalnego dla butli bądź zbiornika poziomu ciśnienia. Przekroczenie tego poziomu może prowadzić do wybuchu butli bądź zbiornika. Podsumowując: zawsze należy unikać narażania butli bądź zbiornika, w których znajduje się czynnik chłodniczy, na działanie podwyższonej temperatury.

Należy pamiętać, że siła tego wybuchu nie zależy od wartości ciśnienia, lecz od iloczynu ciśnienia i objętości (p ⋅ V). Oznacza to, że stosunkowo niewielkie ciśnienie pary przegrzanej lub gazu znajdujących się w zbiorniku o znacznej pojemności może się okazać – pod względem zagrożenia wybuchem – znacznie groźniejsze, niż nawet wysokie ciśnienie czynnika znajdującego się w zbiorniku bądź butli o bardzo małej pojemności.

Jak wspomniano powyżej, przemiana izochoryczna występuje także w procesie pompowania cieczy. Uzasadnieniem tego, że proces sprężania cieczy zachodzący w pompach można traktować jako proces izochoryczny jest to, że w warunkach nawet umiarkowanie wysokich ciśnień ciecze można traktować jako substancje nieściśliwe – wzrost ciśnienia nie powoduje zmiany objętości.

Założenie, że ciekły czynnik jest sprężany w pompie w warunkach izochorycznych, pozwala na posługiwanie się stosunkowo prostą zależnością na obliczenie mocy napędowej P pompy [W], która zasysa strumień objętości cieczy [m^3/s] i podnosi ciśnienie cieczy o Δp [Pa]:

,

(2.25)

gdzie η – sprawność mechaniczna pompy.

Przykład

Obliczyć moc napędową pompy, która powinna przepompować strumień objętości ciekłego czynnika wynoszący = 8 m^3/h i podnieść ciśnienie cieczy o Δp = 2,5 bar. Przyjąć sprawność pompy η = 55%.

Przyjmując podstawowe jednostki miar, dla podanych warunków obliczeniowych moc napędowa pompy:

2.5.3. Przemiana izotermiczna

Przemiana izotermiczna zachodzi w warunkach stałej temperatury. W technice chłodniczej przemiany takie są stosowane do opisu dwóch przypadków:

• przepływu czynnika chłodniczego jednorodnego w parowniku oraz w skraplaczu, bowiem w warunkach określonego stałego ciśnienia – procesy wrzenia i skraplania zachodzą izotermicznie, a jednocześnie izobarycznie (przy pominięciu oporów przepływu w tych wymiennikach);

• teoretycznego procesu sprężania pary w warunkach doskonałego chłodzenia, który to proces charakteryzuje się najmniejszą pracą sprężania i z tego powodu stanowi często przemianę porównawczą.

Zagadnienia sprężania zostaną omówione w następnych rozdziałach. Teraz zostanie jedynie omówione zagadnienie zasadności traktowania procesów wrzenia i skraplania jako przemian izotermicznych dla jednorodnych czynników chłodniczych. Jeżeli ciśnienie wrzącego bądź skraplającego się czynnika nie ulega zmianie wzdłuż drogi jego przepływu, to temperatura również pozostaje stała i równa temperaturze nasycenia. W warunkach przepływu wrzącego bądź skraplającego się czynnika następuje spadek ciśnienia wywołany oporami przepływu. W efekcie spadku ciśnienia nastąpi spadek temperatury nasycenia: wrzenia bądź skraplania. Dla różnych czynników chłodniczych efekt ten może mieć zdecydowanie różne znaczenie. Na rysunku 2.11 przedstawiono wyniki obliczeń spadku temperatury nasycenia w funkcji spadku ciśnienia wywołanego oporami przepływu dla kilku wybranych czynników chłodniczych i dla różnych poziomów ciśnień nasycenia. Jak widać, dla dwutlenku węgla spadek ciśnienia wywołany oporami przepływu nie powoduje znaczącej zmiany temperatury wrzenia bądź skraplania, zaś dla czynnika R507 uzyskuje się umiarkowane spadki temperatury. Dla izobutanu natomiast, uzyskano wartości bardzo duże. Można zatem przyjąć, że opory przepływu odgrywają tym większe znaczenie, im czynnik chłodniczy posiada niższe ciśnienia nasycenia (wrzenia lub skraplania). Wyjątkiem jest amoniak, który jest czynnikiem wysokociśnieniowym, jednakże wraz ze spadkiem ciśnienia w znaczący sposób spada temperatura nasycenia.

Rys. 2.11. Spadek temperatury nasycenia spowodowany spadkiem ciśnienia wywołanego oporami przepływu dla różnych ciśnień i dla różnych czynników chłodniczych: a) czynnik R134a; b) czynnik R507; c) amoniak; d) propan; e) izobutan; f) dwutlenek węgla

Z przedstawionych wyników można wyciągnąć także bardzo ważny wniosek: spadek ciśnienia wywołany oporami przepływu odgrywa znaczącą rolę dla pracy parowników, natomiast w odniesieniu do skraplaczy, które pracują w warunkach wyższych ciśnień, efekt ten nie ma tak istotnego znaczenia. Należy podkreślić, że spadek temperatury parowania wywołany oporami przepływu jest zawsze szkodliwy i pociąga za sobą wiele negatywnych skutków, które prowadzą w konsekwencji do pogorszenia efektywności energetycznej urządzenia oraz obniżenia wydajności chłodniczej układu. Na ogół przyjmuje się, że spadek ciśnienia wywołany oporami przepływu w parowniku nie powinien wywoływać spadku temperatury parowania większej niż 4 K. Należy to uwzględnić przy doborze parowników, zwłaszcza dla pracy w niskich temperaturach parowania, bądź dla czynników chłodniczych niskociśnieniowych (np. izobutanu).

Przypisy

[1] Lemmon, E.W., Huber, M.L., McLinden, M.O., NIST Standard Reference Database 23: Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties-REFPROP, Version 9.1, National Institute of Standards and Technology, Standard Reference Data Program, Gaithersburg, USA, 2013.