ChBodziarki i pompy cieplne.doc

Maciej Wyrzykowski

Chłodziarki i pompy cieplne

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

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

QK = Q0 + Pt

gdzie:

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

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

Pt - teoretyczna moc napędowa urządzenia [W].

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

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

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

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

Wielkości charakterystyczne :

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

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

Q 0 = q0m’ [W]

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

Qk = qkm’ [W]

Pt - teoretyczna moc napędowa spręŜarki:

Pt = lt m’   [W]

e0 - teoretyczny współczynnik wydajności chłodniczej, będący miarą efektywności pracy układu;

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

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

Q’0U = (Q’P + Pgrz) × 1,15      [W]

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

QPi= k i DT    [W]

gdzie: DT – różnica temperatury po obu stronach przegrody,

A – powierzchnia przegrody – zewnętrzna i wewnętrzna

k – współczynnik przenikania ciepła:

                     [W/m2K]                                            

gdzie: a - współczynnik przejmowania ciepła,

d - grubość przegrody (izolacji),

l - współczynnik przewodzenia ciepła

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

Teoretyczny obieg chłodziarki parowej.

Do czynników chłodniczych należą

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

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

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

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

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

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

Chłodziarki absorpcyjne

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

Schemat chłodziarki absorpcyjnej.

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

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

              Bilans energetyczny chłodniczego urządzenia absorpcyjnego może więc być zapisany następująco:                                                                     

Pompy cieplne

...