Podstawowe zagadnienia chłodnictwa – problemy eksploatacyjne układów sprężarkowych

Eksploatacja instalacji chłodniczej wymaga wiedzy i doświadczenia. Niezależnie od stopnia zautomatyzowania układu, niezbędny jest fachowy nadzór. Niestety, specjalistów brakuje zarówno na etapie projektowania, wykonania i obsługi instalacji przemysłowych.

Zrozumienie istoty chłodnictwa pozwala eksploatować instalację zgodnie z zamysłem projektanta przy optymalnych parametrach pracy. Odpowiadając na zapotrzebowanie, w niniejszym tekście spróbujemy ukazać podstawowe wiadomości z zakresu chłodnictwa. Z nadzieją, iż w ten sposób wiele osób obsługujących instalacje przemysłowe będzie potrafiło lepiej wykorzystać możliwości jakie stwarza układ chłodniczy.

Proces chłodzenia to obniżanie temperatury. W sposób naturalny odbywa się ono poprzez przekazywanie ciepła z ośrodka o wyższej temperaturze do środka o temperaturze niższej. Sztuczne chłodzenie to przenoszenie energii cieplnej ze źródła o temperaturze niższej do ośrodka o temperaturze wyższej. Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki taki proces wymaga wykonania pracy – dostarczenia energii napędowej. Jeżeli temperatura górnego źródła jest równa temperaturze otoczenia mamy do czynienia z obiegiem chłodniczym. Z kolei gdy temperatura otoczenia jest równa niższemu temperaturze niższego źródła mówimy o pompie ciepła. Warto dostrzec, iż zasada działania pomp ciepła jest więc taka sama jak układów chłodniczych.

Do analizy przemian zachodzących w układzie chłodniczym stosuje się wykres termodynamiczny Moliera. Na jego pionowej osi odczytujemy w skali logarytmicznej ciśnienie, na poziomej entalpię właściwą. Taki sposób prezentacji przemian pozwala odczytać wiele istotnych informacji dotyczących przemian charakterystycznych dla obiegu chłodniczego, wyznaczyć ciepło jednostkowe czy wskazać ewentualne nieprawidłowości w pracy układu. Dodatkową zaletą wykresu jest to, że składowe obiegu chłodniczego są liniami prostymi bądź zbliżonymi do linii prostych, z kolei wartość podstawowych wielkości odczytuje się na osi odciętych jako różnicę entalpii właściwej. Aby zrozumieć charakter poszczególnych procesów zachodzących w obiegu chłodniczym warto wyjaśnić podstawowe pojęcia związane z termodynamiką i chłodnictwem. Słownik taki pozwoli nam precyzyjnie ujmować i rozumień poszczególne zjawiska.

Energia – zdolność do wykonania określonej pracy. Występuje w różnych postaciach. Dla nas najważniejszą będzie energia elektryczna, cieplna oraz powstająca w procesach chemicznych.

Ciepło – forma zmiany energii, wywołująca ruch cząsteczek ciała. Ciepło jako proces określa się mianem wymiany ciepła lub przepływu energii cieplnej. Należy odróżnić pojęcie ciepła od pojęcia temperatury. Dzięki dostarczeniu lub odebraniu odpowiedniej ilości ciepła, można doprowadzić do zmiany temperatury ośrodka lub zmiany fazy. Rozróżnia się fazę gazową, ciekła i stałą. Stąd często stosowaną jednostką ciepła jest kilokaloria. Jest to ilość ciepła niezbędna do podgrzania kilograma wody o jeden stopień Celsjusza (od 14,5°C do 15,5°C). W układzie SI jednostką podstawową ciepła jest Dżul.

Wymiana ciepła – przepływ ciepła pomiędzy dwoma ciałami może następować poprzez promieniowanie, przewodzenie i konwekcję. Promieniowanie to przenoszenie ciepła przez fale elektromagnetyczne. Warunkiem koniecznym jest tu zdolność ośrodka do zatrzymywania fal. Na przykład powietrze przepuszcza promieniowanie, poprzez co nie nagrzewa się. Przewodzenie to przenoszenie ciepła pomiędzy stykającymi się ciałami. Konwekcja to unoszenie ciepła przez substancje. Na przykład woda podgrzewając się, zmniejsza ciężar właściwy i unosi się do góry, gdzie styka się z zimniejszą i przekazuje jej swoje ciepło.

Ciśnienie – to napór cieczy lub gazu na jednostkę powierzchni. Ciśnienie określone względem próżni nazywa się ciśnieniem absolutnym, natomiast ciśnienie względne to ciśnienie określone w odniesieniu do atmosferycznego.

Ciepło właściwe – jest to ilość ciepła potrzebna do ogrzania 1 kg danej substancji o 1K (jeden stopień Kelvina). Znając ciepło właściwe, łatwo policzyć ile ciepła należy dostarczyć by podwyższyć lub obniżyć temperaturę określonej ilość jakiegoś ciała.

Zmiany stanu skupienia (przemiana fazowa) – w procesach chłodniczych występują wszystkie możliwe fazy oraz przemiany: topnienie, krzepnięcie, parowanie, skraplanie, sublimacja czy resublimacja.

Entaplia – zawartość cieplna. Jej wartość jest równa sumie wewnętrznej energii układu oraz iloczynowi pV. Przy stałym ciśnieniu określa się ją mianem pojemności cieplnej.

Entropia – termodynamiczny parametr stanu układu. Podczas samorzutnych przemian, układ dąży do stanu równowagi określonego przy maksymalnej wartości entropii.