1. Wstęp

W różnych działach gospodarki, przede wszystkim w przemyśle spożywczym szerokie zastosowanie znajdują urządzenia chłodnicze. Ich zadaniem jest uzyskiwanie, a następnie utrzymywanie temperatury jakiegoś środowiska np pomieszczenia, na poziomie niższym od temperatury jego otoczenia najczęściej w granicach od +10°C do -40°C. Niska temperatura pomieszczenia sprawia, że z różnych źródeł dopływa do niego ciepło, stanowiąc obciążenie cieplne pomieszczenia. Takimi źródłami są: cieplejsze otoczenie, wprowadzane ciepłe produkty, ciepłe powietrze wpływające przy otwieraniu drzwi, ciepło oddawane przez pracujących ludzi, silniki, oświetlenie itp. Aby dopływające z tych źródeł ciepło nie powodowało podwyższenia temperatury pomieszczenia, musi być ono z pomieszczenia odprowadzane. Jeśli ilość ciepła odprowadzana w jednostce czasu, nazywana wydajnością chłodniczą, jest równa ilości ciepła doprowadzanego do pomieszczenia w tym samym czasie, to temperatura pomieszczenia będzie stała. Gdy wydajność chłodnicza jest większa od obciążenia cieplnego, temperatura pomieszczenia spada, w przy­padku przeciwnym następuje jej wzrost.

W celu odprowadzania ciepła z pomieszczenia najczęściej są wykorzy­stywane zjawiska zmiany stanu skupienia, a mianowicie parowanie cieczy oraz topnienie lub sublimacja ciał stałych. Realizacja tych przemian wymaga doprowadzenia ciepła. Jeśli zatem przemiany te zachodzą w danym pomiesz­czeniu, to potrzebne ciepło pobierane jest z tego pomieszczenia, a zatem jest ono chłodzone. Konieczne jest przy tym, aby temperatura, w jakiej następuje zmiana stanu, była niższa od żądanej temperatury pomieszczenia. Tem­peratura ta zależy od rodzaju ciała oraz od ciśnienia. Wpływ ciśnienia na wartość temperatury topnienia i sublimacji jest stosunkowo niewielki. Ponadto w praktyce przemiany te zachodzą tylko pod ciśnieniem atmosferycznym. Natomiast istotny jest wpływ ciśnienia na temperaturę parowania.

Przykładowo, jeśli do chłodzenia zastosuje się lód wodny, topnieje w temperaturze 0°C, to w pomieszczeniu można uzyskać tylko temperę dodatnią. Znacznie niższą temperaturę można uzyskać chłodząc pomieszczenie tzw. suchym lodem, czyli zestalonym dwutlenkiem węgla C02, który sublimuje w temp. - 78,9°C. Natomiast temperatura parowania cieczy jest tym s/c jest ciśnienie, l tak pod ciśnieniem 0,29 MPa ciekły amoniak (NH,) paruje w temperaturze -10"C, obniżenie zaś ciśnienia do 0,07 MPa powoduje, że parowanie zachodzi w temperaturze -40°C. Zależność tem­peratury parowania (nasycenia) od ciśnienia dla innych cieczy przedstawia wykres na rys. 1. Możliwość uzyskiwania żądanej temperatury nasycenia czynnika przez wytworzenie odpowiedniego ciśnienia sprawiła, że zjawisko odprowadzania ciepła przez parującą ciecz stało się podstawą działania urządzeń chłodniczych, zarówno najpopularniejszych, tzn. sprężarkowych, jak i absorpcyjnych oraz strumienicowych.

Rys. 1

2. Urządzenia sprężarkowe jednostopniowe

    Lód wodny i lód suchy są stosowane do chłodzenia stosunkowo rzadko ponieważ niezbędne jest ich uzupełnianie w miarę zużycia. Znacznie dogodniejsze są zmechanizowane urządzenia chłodnicze, gdyż pracują one w sposób ciągły. Wymagają one jednak doprowadzenia energii elektrycznej lub cieplnej a niekiedy również wody.

Najważniejsze elementy składowe sprężarkowego urządzenia chłodnicze(rys.2a) to: sprężarka, skraplacz, zawór regulacyjny i parownik.

Rys. 2a                                              Rys. 2b

    W  urządzeniu takim jest realizowany obieg złożony z czterech przemian: izentropowego sprężania, izobarycznego skraplania, izentalpowego dławienia i izobarycznego parowania. Obieg taki przedstawiono na rys.2b w postaci wykresu we współrzędnych i-lg p. Punkt l wykresu przedstawia parę czynnika o ciśnieniu po zasysaną przez sprężarkę. Może być ona w stanie nasyconym suchym, wówczas jej temperatura to odpowiada ciśnieniu po zgodnie z rys 1, lub może być parą przegrzaną o temperaturze wyższej od to Po sprężeniu czynnik uzyskuje ciśnienie pk, panujące w skraplaczu, oraz staje się parą przegrzaną o temperaturze ttł (p. 2). Para o takim stanie wpływa do skraplacza, gdzie pod stałym ciśnieniem jest od niej odprowadzane najpierw ciepło przegrzania (odcinek 2-2'), a następnie w stałej temperaturze tk -ciepło skraplania (odcinek 2'-3). Środowiskiem odbierającym ciepło jest woda lub powietrze. Temp. skraplania czynnika chłodniczego musi być oczywiście wyższa od temp. tego środowiska. Temperaturze tej odpowiada określone dla danego rodzaju czynnika ciśnienie nasycenia pk, do którego sprężarka musi sprężyć parę czynnika (rys. l) Otrzymywany w skraplaczu ciekły czynnik, którego stan określa p. 3, przepływa do zaworu regulacyjnego (zwanego rozprężnym), gdzie ulega dławieniu. W wyniku dławienia otrzymuje się parę mokrą, tj. mieszaninę pary i cieczy. Para ta o ciśnieniu po i odpowiadającej mu niskiej temp. To (p. 4)

Dopływa do parownika, w którym parując odprowadza ciepło z chłodzonego pomieszczenia. Zachodzącą w parowniku przemianę izobaryczną przedstawia odcinek 4-1 . Otrzymana na wylocie parownika para o stanie 1 jest zasysana przez sprężarkę. W ten sposób obieg się zamyka.

3. Czynniki chłodnicze. Chłodziwa. Oleje

Czynniki chłodnicze, jakimi napełnia się sprężarkowe urządzenia chłod­nicze są to związki chemiczne dobierane w zależności od parametrów pacy urządzenia Jego rodzaju i wielkość,. Czynniki te są oznaczane symbolem R oraz liczbą określającą ich budowę chemiczną. Najbardziej rozpowszechnione są: amoniak (NH3) oznaczony symbolem R717 oraz tzw. freony będące pochodnymi węglowodorów. Najczęściej spotyka się freon R 12 (CF2 Cl2 ) freon R22 (CHF2Cl) oraz freon R502 (C2F5Cl), będący mieszaniną freonów R22 i R115.

Amoniak jest stosowany w urządzeniach o średniej i dużej wydajności. W stanie parowym i ciekłym jest bezbarwny. Charakteryzuje się bardzo ostrym, przenikliwym zapachem. W temperaturze powyżej 120°C może w pewnych warunkach nastąpić rozkład amoniaku na azot i wodór, co grozi awarią urządzenia.

Amoniak jest palny. Z powietrzem tworzy mieszaninę wybuchową (niebez­pieczny zakres stężenia 15 — 28% amoniaku). Do pomieszczeń, w których mogą znajdować się pary amoniaku, nie wolno wchodzić z otwartym ogniem (nie wolno np. spawać).

Amoniak działa silnie na miedź i jej stopy (najbardziej odporny jest brąz fosforowy) oraz na cynk. W obecności niklu amoniak ulega rozkładowi.

Olej, niezbędny do smarowania sprężarek, jest w małych ilościach wtłacza­ny wraz z czynnikiem do dalszych części urządzenia. Ponieważ amoniak prawie nie rozpuszcza się w oleju, więc przy zachowaniu ostrożności możliwe Jest

wyprowadzanie oleju z urządzenia na zewnątrz.

Z wodą amoniak tworzy roztwory o dowolnym stężeniu. Dzięki temu nawet stosunkowo znaczna ilość wody w urządzeniu me zagraża jej zamarznięciem.

   Amoniak silnie atakuje układ oddechowy oraz błony śluzowa. Stopień zatrucia zależy od stężenia amoniaku w powietrzu i czasu przebywania w skażonej atmosferze.

Freony są to czynniki bezbarwne, na ogół o słabym, eterycznym zapachu niepalne i niewybuchowe. Pod takim samym ciśnieniem rożne freony mają różną temperaturę nasycenia (rys. 1), tj. temperaturę parowania która praktycznie jest równa, temperaturze skraplania. Dzięki temu możliwy jest dobór takiego czynnika, dla którego ciśnienie odpowiadające żądanemu zakresowi temp. Pracy nie jest ani z byt wysoka, ani z byt niska. W przypadku wysokiego ciśnienia urządzenia musza mieć dużą wytrzymałość, a tym samym są ciężkie i drogie. natomiast ciśnienie niższe od atmosferycznego grozi zasysaniem do urządzenia powietrza z zawartą w nim parą wodną, mogącą ulec skropleniu i zamarznięciu.

Freony działają szkodliwie na cynk freonów magnez oraz są silnymi rozpuszczalnikami takich materiałów organicznych ,jak: guma, żywice, oraz wiele tworzyw sztucznych.

   Większość freonów tworzy z olejem roztwory, a zatem olej nie może być wyprowadzany na zewnątrz. Aby Jednak olej wybaczany przez sprężarkę mógł do niej wrócić i nie zalegał w poszczególnych aparatach, co wpływałoby niekorzystnie na ich pracę, w każdym miejscu urządzenia musi być utrzymana dostatecznie duża prędkość przepływu czynnika, wystarczająca do transportu kropel oleju.

    Freony nie mieszają się z wodą, aby zatem uniknąć jej zamarzania w urządzeniu chłodniczym, muszą być one dokładnie osuszane.

Na organizm ludzki działają dusząco, ale dopiero w stężeniu powyżej 10%. Niebezpieczne są natomiast produkty rozkładu freonów, jak np. fosgen, który powstaje przy zetknięciu freonów z otwartym płomieniem.

    Freony, używane nie tylko w urządzeniach chłodniczych, okazały się szkodliwe, gdyż ulatniając się powodują niszczenie warstwy ozonu, wy­stępującej w górnych partiach atmosfery. Na skutek zaniku ozonu wzrasta średnia temperatura na Ziemi (tzw. efekt cieplarniany), występują choroby oczu i rak skóry, obniża się ogólna odporność organizmów, zmniejszają się plony zbóż itd. Podejmowane są liczne próby przeciwdziałania efektowi cieplarnianemu. Między innymi w 1987 r. na międzynarodowej konferencji ekologicznej zorganizowanej pod egidą ONZ sporządzono tzw. Protokół Montrealski, w którym postanowiono, iż do roku 1998 ilość freonów produkowanych na świecie powinna zmaleć o 50%. Jednocześnie trwają poszukiwania czynników o właściwościach podobnych do freonów, lecz nie szkodliwych dla atmosfery. Obecnie wszystko wskazuje na to, iż czynnikiem takim może być freon 134a, o własnościach zbliżonych do freonu 12.

Chłodziwa. W niektórych urządzeniach ciepło z chłodzonego pomieszczenia me Jest odprowadzane bezpośrednio przez parujący czynnik, lecz przez ciecz o odpowiednio niskiej temperaturze. Ciecz taka, nazwana chłodziwem (lub solanką). Jest chłodzona za pomocą urządzenia chłodniczego Układ luki nazywa się pośrednim. Cieczami pośredniczącymi mogą być: woda lub wodne roztwory soli, glikoli i alkoholi. Ich stężenia powinny być takie, aby temperatura krzepnięcia roztworu była o ok. 5°C niższa od temperatury parowania czynnika chłodniczego.

    Oleje. Do smarowania sprężarek są stosowane zarówno oleje mineralne (otrzymywane z ropy), jak i syntetyczne. Muszą one mieć lepkość w zakresie temperatury panującej w urządzeniu  zakresie tak że niską temp. krzepnięcia i wysoką temperaturę zapłonu. Oleje te muszą być obojętnie chemicznie względem czynników chłodniczych i materiałów konstrukcyjnych. W przypadku urządzeń freonowych nie mogą one zawierać wody ani związków parafinowych, które w niskiej temperaturze wydzielają się w stanie stałym.

Gatunek oleju odpowiedni dla danego typu sprężarki określają zalecenia wytwórni.

4. Urządzenia sprężarkowe wielostopniowe i kaskadowe

Wprowadzenie. Gdy urządzenie chłodnicze ma pracować w niskiej tem­peraturze, której odpowiada niskie ciśnienie parowania, wówczas układ jednostopniowy staje się nieekonomiczny. Przyczyną jest wzrost sprężu, tj. stosunku ciśnienia tłoczenia do ciśnienia ssania, powodujący zwiększenie zarówno strat wydajności, jak i strat energetycznych sprężarki. Aby zmniejszyć te straty, stosuje się układy z wielostopniowym (zwykle dwustopniowym) sprężaniem czynnika, połączonym z chłodzeniem między stopniowym. W przy­...