Celem artykułu jest przybliżenie czytelnikom problematyki chłodniczej w zastosowaniu do chłodzenia pomieszczeń, głównie mieszkalnych.

Przedstawiona w artykule tematyka musi nawiązywać do podstaw techniki. Dlatego kolejnymi częściami tego tekstu są jako wprowadzenie ogólne informacje z zakresu techniki chłodniczej (z naciskiem na chłodzenie pomieszczeń) i jej historii, następnie omówiono typowy obieg chłodniczy i na jego tle zasadę działania typowego urządzenia chłodniczego.

Wreszcie przedstawiono znane z fizyki różne sposoby uzyskiwania obniżonej temperatury jako szeroko rozumiane inne – poza sprężarkowym obiegiem parowym – podstawy chłodnictwa. Także szeroko omówiono czynniki chłodnicze i ich klasyfikację. Ponadto omówiono warunki, jakie występują w pomieszczeniach. Dopiero na takim tle przedstawiono tytułową problematykę.

Chłodzenie pomieszczeń – wstęp

Chłodnictwo jest działem energetyki lub ogólnie techniki, który zajmuje się odprowadzaniem ciepła od środowiska, które chcemy schłodzić, w celu uzyskania i utrzymania jego temperatury na poziomie niższym od temperatury otoczenia. Choć ma podstawowe zastosowanie w przetwórstwie, przechowalnictwie, transporcie oraz w sieci dystrybucyjnej artykułów spożywczych, czyli ogólnie w utrwalaniu i przechowywaniu żywności, skąd się zresztą wywodzi, to jednak spotykamy je także w szeregu innych dziedzin, np. w przemyśle chemicznym i rafineryjnym.

Równocześnie chłodnictwo znalazło coraz bardziej powszechne zastosowanie w uzyskiwaniu i utrzymywaniu komfortu cieplnego w pomieszczeniach (chłodzenie pomieszczeń), i to nie tylko mieszkalnych, ale i produkcyjnych.

Chłodzenie pomieszczeń i nie tylko… historia dalsza i bliższa

Najwcześniej wykorzystywanymi nośnikami chłodu były lód i śnieg. Już kilka tysięcy lat temu stosowano je w Chinach do chłodzenia napojów. Właśnie Chińczycy przywozili z jezior górskich bloki lodu, które przechowywali aż do lata. Starożytni Rzymianie transportowali z gór śnieg, który umieszczali w izolowanych słomą dołach, tworząc w ten sposób prymitywne lodówki, natomiast później Wikingowie pod koniec zimy zakopywali (na terenie domostw) żywność razem z lodem.

Metoda wykorzystywania naturalnego lodu była stosowana jeszcze w XVIII wieku w Anglii. Ponoć i dzisiaj w Kanadzie w zimie gromadzony jest lód jeziorny w postaci bloków.

Odkrycie mikroorganizmów oraz wpływu temperatury na intensywność ich namnażania spowodowało wzrost zainteresowania chłodzeniem, jako ważnym sposobem utrwalania żywności. Jednak technika chłodnicza zaczęła rozwijać się gwałtownie dopiero w XIX wieku w trakcie rewolucji przemysłowej.

Obecnie efekt chłodzenia uzyskujemy dzięki specjalnie budowanym urządzeniom chłodniczym.

Chłodzenie – pierwsze „maszyny”

Pierwsza znana sztuczna forma chłodzenia została zademonstrowana przez Williama Cullena na Uniwersytecie w Glasgow w 1748 roku. Wynalazek Cullena, choć genialny, nie został wykorzystany w żadnym praktycznym celu. W 1805 roku amerykański wynalazca, Oliver Evans, wymyślił koncepcję pierwszej maszyny chłodniczej. Dopiero jednak w 1834 roku amerykański inżynier Jacob Perkins opatentował pomysł urządzenia chłodniczego. Jego urządzenie uzyskiwało niską temperaturę w wyniku odparowania eteru etylowego.

Dziesięć lat później amerykański lekarz John Gorrie dla potrzeb lecznictwa zbudował lodówkę na podstawie projektu Olivera Evansa. W 1876 roku niemiecki inżynier Carl Paul Gottfried von Linde (1842-1934) opatentował urządzenie sprężarkowe wykorzystujące parowanie i skraplanie amoniaku, które stało się aż do dzisiaj podstawową technologią chłodniczą. Zastosował ją w browarze Spaten w Monachium, co umożliwiło produkcję piwa latem.

Udoskonalone konstrukcje lodówek zostały nieco później opatentowane przez afroamerykańskich wynalazców Thomasa Elkinsa i Johna Standarda.

Od tego czasu obserwujemy gwałtowny wzrost zainteresowania dalszym udoskonalaniem konstrukcji oraz technologii produkcji głównie sprężarkowych urządzeń, przy jednoczesnym poszukiwaniu nowych czynników roboczych, zapewniających wyższą efektywność energetyczną urządzenia. Rozpoznano także inne zjawiska fizyczne prowadzące do uzyskiwania chłodu.

Chłodzenie pomieszczeń i obieg chłodniczy

Dla oceny energetycznej dowolnego urządzenia energetycznego przeprowadza się analizę termodynamiczną jego pracy i odnosi się ją do oceny energetycznej obiegu porównawczego dopasowanego do pracy tego urządzenia.

By zrealizować dowolny obieg termodynamiczny, musimy mieć do dyspozycji dwa źródła ciepła: górne, wysokotemperaturowe i dolne, niskotemperaturowe, między którymi zorganizowany jest przepływ ciepła. W obiegu prawobieżnym (silnikowym) ciepło przekazywane od górnego źródła jest częściowo zamieniane na pracę, a reszta ciepła jest wyprowadzana z dolnego źródła do otoczenia. By zrealizować odwrotny przepływ ciepła, a więc z dolnego źródła do górnego, czyli obieg lewobieżny (chłodniczy), musimy doprowadzić pracę.

Cztery elementy

Do realizacji najprostszego obiegu chłodniczego na czynnik parowy (wg pomysłu Lindego) niezbędne są cztery elementy. Parownik, będący dolnym źródłem ciepła, oraz skraplacz, stanowiący górne źródło, a także znajdujące się między źródłami odpowiednio: sprężarka, czyli urządzenie do podnoszenia ciśnienia czynnika roboczego, oraz maszyna ekspansyjna zastępowana obecnie zaworem dławiącym, służąca do obniżania ciśnienia.

Jak to działa?

W parowniku, w wyniku przepływu ciepła z komory chłodniczej do czynnika termodynamicznego, ulega on całkowitemu odparowaniu aż do uzyskania stanu gazowego w postaci pary suchej nasyconej. Dopływa on następnie do sprężarki, gdzie zostaje sprężony do wyższego ciśnienia, podnosząc swoją temperaturę ponad temperaturę otoczenia. Czynnik musi posiadać temperaturę wyższą od otoczenia, aby mogło zajść zjawisko oddawania ciepła do tego otoczenia.

Czynnik sprężony oddaje ciepło w skraplaczu, przechodząc ze stanu gazowego w stan ciekły (ciecz), po czym zostaje rozprężony w zaworze dławiącym, zmieniając swoje ciśnienie i obniżając tym samym temperaturę. Następnie czynnik ponownie dopływa do parownika, gdzie proces się powtarza.

Izo…

Jeżeli odparowanie i skraplanie zachodzi izobarycznie, a sprężanie przebiega adiabatycznie, zaś rozprężanie izentalpowo, to taki teoretyczny obieg chłodniczy nazwano porównawczym obiegiem Lindego. Stosowany jest on do czynników jednorodnych. Może służyć także do oceny obiegów sprężarkowych pomp ciepła.

Urządzenia chłodnicze i pompy ciepła

Teoretyczny obieg pompy ciepła realizuje bowiem taki sam cykl przemian termodynamicznych, jaki występuje w obiegu dla urządzenia chłodniczego. Jedyna różnica polega na poziomie temperatury obu źródeł. Urządzenie chłodnicze ma na celu odprowadzać ciepło z dolnego źródła, jakim bywa komora chłodnicza, w której zwykle panuje ujemna temperatura.

Pompy_ciepla_klasy_premium_Bosch - modele
Pompy ciepła klasy premium – Bosch – różne modele

Pompa ciepła ma natomiast za zadanie doprowadzać ciepło do górnego źródła, którym bywa pomieszczenie ogrzewane. W dodatku pompa ciepła korzysta z dolnego źródła, które w przeciwieństwie do urządzenia chłodniczego ma zwykle dodatnią temperaturę.

Dla obiegu Lindego, w oparciu o podstawowe wzory z termodynamiki, określa się teoretyczną wartość współczynnika efektywności energetycznej.

Efektywność energetyczna

Mimo identyczności obiegu, ze względu na uzyskiwany efekt – efekt chłodniczy w urządzeniu chłodniczym i efekt grzejny w pompie ciepła – nieco inaczej określa się efektywność energetyczną tych urządzeń, ale w obu przypadkach zależy ona od rozpiętości temperaturowej obu wykorzystywanych źródeł, przy czym im mniejsza ta rozpiętość, tym wyższa efektywność.

Ponieważ tak definiowana efektywność przyjmuje wartość większą od jedności, określamy ją nie sprawnością, ale właśnie współczynnikiem wydajności.

Rzeczywisty współczynnik wydajności grzejnej pompy ciepła oraz wydajności chłodniczej urządzenia chłodniczego jest mniejszy niż w porównawczym obiegu Lindego (obieg teoretyczny) z powodu strat występujących w poszczególnych elementach tych urządzeń.

Przyczyny strat

Główną przyczyną tych strat jest nieodwracalność procesów wymiany ciepła zachodzących pomiędzy źródłami i czynnikiem roboczym, straty spowodowane oporami przepływu czynnika roboczego przez elementy i przewody urządzenia oraz straty zachodzące w rzeczywistym procesie sprężania pary czynnika roboczego.

Straty cieplne i energetyczne występujące w zespole sprężarkowym spowodowane są wewnętrzną nieodwracalnością procesu sprężania, stratami mechanicznymi sprężarki oraz stratami elektromechanicznymi w silniku elektrycznym. Wartość tych strat zależy od sprawności indukowanej (wewnętrznej) sprężarki, jej sprawności mechanicznej oraz sprawności silnika elektrycznego.

Sposoby uzyskiwania obniżonej temperatury

Chłodnictwo wykorzystuje szereg sposobów uzyskiwania obniżonej temperatury określonego środowiska, opartych o znane z fizyki zjawiska. Do tych zjawisk zaliczamy:

  • topnienie, czyli przejście fazowe ze stanu stałego w ciekły, w którym to zjawisku ciepło potrzebne do jego przeprowadzenia pobierane jest z otoczenia, właśnie ze środowiska chłodzonego; przykładem jest lód wodny, który był wykorzystywany od tysięcy lat w ówczesnych „naturalnych” lodówkach;
  • sublimacja, czyli bezpośrednie przejście fazowe ze stanu stałego w gazowy, przy którym poziom temperatury i ilość ciepła tego zjawiska zależy od ciśnienia, przy czym najczęściej wykorzystywany jest w takim celu zestalony dwutlenek węgla, zwany suchym lodem;
  • parowanie, czyli przejście ze stanu ciekłego w gazowy (parę), realizowane zwykle jako wrzenie, czyli intensywne parowanie w całej objętości cieczy; w takim zjawisku temperatura i ciepło parowania zależą od wartości ciśnienia. Wraz ze spadkiem ciśnienia obniża się temperatura parowania, a i zwykle powiększa się ciepło parowania; zjawisko to wykorzystywane jest w urządzeniach chłodniczych sprężarkowych, strumienicowych i absorpcyjnych;
  • rozprężanie gazu, gdy podczas ekspansji sprężonego gazu połączonej z wykonaniem pracy zewnętrznej następuje obniżenie jego temperatury; zjawisko to jest wykorzystywane w powietrznych urządzeniach chłodniczych oraz w urządzeniach do skraplania gazów;
  • efekt Joule’a-Thomsona, towarzyszący ekspansji gazu podczas dławienia izentalpowego, w którym gaz nie wykonuje pracy zewnętrznej, zaś ciśnienie obniża się tak szybko, że podczas procesu nie zachodzi wymiana ciepła z otoczeniem; zjawisko to wykorzystywane jest w używanych powszechnie sprężarkowych urządzeniach chłodniczych;
  • efekt Peltiera polegający na powstawaniu różnicy temperatury pod wpływem przepływu prądu elektrycznego przez złącze złożone z dwóch różnych materiałów;
  • efekt Ranque’a-Hilscha, polegający na ziębieniu wirowym uzyskiwanym w tzw. rurze wirowej; stosowany do zasilania laboratoryjnych komór chłodniczych, przyrządów hipotermicznych, klimatyzatorów indywidualnych (np. skafandry chroniące przed wpływem wysokiej temperatury oraz ciśnienia);
  • zjawisko desorpcji, podczas którego z otoczenia pobierane jest ciepło np. na uwalnianie gazu zawartego w cieczy; proces ten może być realizowany zarówno w małych, domowych urządzeniach (chłodziarki absorpcyjne, pompy ciepła), jak i w dużych, przemysłowych urządzeniach chłodniczych o wydajności rzędu MW;
  • efekt magnetokaloryczny występujący podczas rozmagnesowania ciał paramagnetycznych poddanych wcześniej działaniu silnego pola magnetycznego, czemu towarzyszy spadek temperatury;
  • termoakustyka, gdy w wyniku działania fali akustycznej na specjalnie skonstruowanym wymienniku regeneracyjnym wytwarzany jest gradient temperatury umożliwiający przepływ ciepła.

W kolejnym artykule przedstawię m.in. klasyfikację czynników chłodniczych.

dr inż Piotr Kubski

Prenumerata Magazynu Instalatora

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij