Technika chłodnicza - ebook

WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ

------------------- -----------------------------------------------------------------------------
a – współczynnik wyrównania temperatury, m²/s
A – pole powierzchni, m²
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/s²
h – entalpia właściwa, J/kg; różnica wysokości, m
I – natężenie prądu, A
k – współczynnik przenikania ciepła, W/(m² ∙ 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, m³/kg
V – objętość, m³
w – prędkość, m/s
x – stopień suchości
------------------- -----------------------------------------------------------------------------

oznaczenia greckie

--- -----------------------------------------------
α – współczynnik wnikania ciepła, W/(m² ∙ 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, m²/s
Π – spręż
ρ – gęstość, kg/m³
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 20211
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 , lecz moc cieplną mierzoną w watach . Podobnie nie rozpatruje się ilości doprowadzonej energii E w dżulach , lecz podaje się doprowadzoną moc napędową P (elektryczną, mechaniczną, cieplną) w watach . 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

+--+
| |
+--+
| |
+--+
| |
+--+
| |
+--+
| |
+--+
| |
+--+

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.