Hlađenje

Hlađenje i klimatizacija

Hlađenje

Rashladna tehnika je ona grana tehnike koja se bavi pojavama i postupcima hlađenja tijela. U tom smislu, hladiti znači nekom tijelu smanjivati unutrašnju energiju odvođenjem energije, što se manifestira sniženjem njegove temperature. Hlađenje je proces snižavanja temperature u nekom prostoru u svrhu, npr., rashlađivanja hrane, očuvanja neke supstance ili stvaranja ugodnog osjetilnog doživljaja. Hladnjaci, strojevi za hlađenje, usporavaju razvoj bakterija koje uzrokuju kvarenje prehrambenih proizvoda kao i kemijskih reakcija koje se događaju u normalnoj atmosferi. Čovjek je već u dalekoj prošlosti shvatio korisnost hlađenja, tako je još pračovjek skupaljao snijeg i led i čuvao ga u svojim pećinama. U starom Egiptu, gdje niti zimi nema leda, koristila se tehnika hlađenja vode u poroznim glinenim ćupovima koje su robovi hladili lepezama. U Indiji se za vedrih ljetnih noći ostavljala na slobodnom prostoru u plitkim glinenim posudama i tako se hladila. 1913. godine Escher Wyss po prvi puta upotrebljava monoklormetan kao radnu tvar u rashladnom uređaju. Dvadesetih godina prošlog stoljeća započinje serijska proizvodnja kućanskih hladnjaka sa monoklormetanom ili sumpor-dioksidom kao radnom tvari. 1945. godine freoni postaju najznačajnija radna tvar u rashladnoj tehnici, i to značenje zadržavaju do danas.

Slika 1: Moderni hladnjak za kućanstvo

Konstantan rashladni učinak kod tehničkog hlađenja je postignut cirkulacijom radne tvari u zatvorenom sustavu, u kojem radna tvar isparava (radna tvar ima nisku temperaturu isparavanja) da bi zatim opet kondenzirala u kontinuiranim ciklusima. Ako ne dođe do iscurenja radne tvari, radna tvar zadržava svoja svojstva kroz čitav uporabni vijek rashladnog uređaja i nije potrebna njena zamjena. Sve što je potrebno za održavanje rashladnog efekta je stalan dovod energije ili snage u sustav, i mogućnost odvođenja topline iz sustava.

Kružni procesi u rashladnoj tehnici su ljevokretni procesi uz utrošak kompenzacijske energije koja se dovodi procesu najčešće kao mehanički rad. Razlikujemo tri vrste takvih procesa. Kada se procesom prenosi toplina od niže na višu okolišnu temperaturu, proces se naziva rashladnim procesom. Kada se kružnim procesom prenosi temperatura s okolišne na neku višu temperaturu, takav proces se naziva ogrjevnim procesom ili dizalicom topline. Treću vrstu ljevokretnih kružnih procesa čine procesi u kojima se uz utrošak mehaničkog rada prenosi toplina od niske na visoku temperaturu grijanja, tkz. ogrjevno-rashladni procesi.

Dva osnovna tipa rashladnih sustava su kompresijski rashladni uređaji i apsorpcijski rashladni uređaji.

Kompresijski sustavi

Svaki kompresijski sustav se sastoji od četri osnovna elementa, a to su:

Kompresor Kompresira radnu tvar od tlaka isparavanja do tlaka kondenzacije s ciljem da joj se temperatura podigne iznad temperature okoline. Time se povećava temperatura i tlak radne tvari. Kada temperatura naraste na potreban iznos omogućena je izmjena topline s okolinom. Kompresori se dijele na hermetičke, poluhermetičke i otvorene.

Kondenzator

Vruće pare radne tvari iz kompresora se prvo hlade, kondenziraju, te pothlađuju prije napuštanja kondenzatora. Prema načinu hlađenja kondenzatori se djele na vodom hlađene, zrakom hlađene, i kombinirano, vodom i zrakom hlađene kondenzatore.

Prigušni ventil

Dozira i prigušuje radnu tvar s tlaka kondenzacije na tlak isparavanja. Kapljevita radna tvar prolazi kroz prigušni ventil iz područja visokog tlaka u područje nižeg tlaka. Zbog toga radna tvar ekspandira i istodobno isparava. Najčešće je to termoekspanzijski ventil (TEV) ili ventil s plovkom na niskotlačnoj strani (VPNT).

Isparivač

Dok radna tvar isparava, ona apsorbira toplinu i hladi tvari i/ili prostor kojeg želimo rashladiti. U isparivaču se radna tvar nalazi u međusobno gusto postavljenim cjevčicama, da bi se dobila što veća površina za izmjenu topline. Prema načinu rada isparivači se djele na potopljene i suhe.

Slika 2: Shema kompresijskog rashladnog sustava

A – unutrašnjost rashladnog uređaja, B – kompresor, C – prigušni ventil

Apsorbcijski sustavi

Apsorpcijski rashladni proces se od kompresijskog samo po tome što je mehanički kompresor zamjenjen termičkim kompresorom (ili “toplinskim kompresorom”). To znači da kao kompenzacijska energije više ne služi mehanički rad (kojeg je dovodimo kompresijskom sustavu u vidu električne energije), već toplinska energije dovedena u sustav pri temperaturi višoj od temperature okoline. Prednost je u tome što je kompenzacijska energija obično neka jeftina otpadna toplina. Da bi termički kompresor radio potrebno je da radna tvar bude smjesa dvije tvari. Jedna tvar je rashladna radna tvar koja kondenzira u kondenzatoru i isparava u isparivaču, a a druga tvar mora imati sposobnost da prvu tvar apsorbira (otopi) da bi kao smjesa kružila u krugu termokompresora. Većina industrijskih apsorpcijskih uređaja i malih kućanskih aparata rade sa smjesom amonijaka i vode (NH3/H2O).

Radne tvari

Radna tvar koja cirkulira unutar uređaja ima funkciju prijenosnika energije, preuzimajući toplinsku energiju u jednom dijelu rashladnog uređaja i prenoseći je na drugi dio na kojem se toplina predaje okolišu. Svojstva radnih tvari moraju biti takva da se toplina s niže na višu temperaturu može prenositi pod uvjetima koji vladaju unutar rashladnog uređaja. Radne tvari moraju zadovoljavati posebne termodinamičke, sigurnosne i fizikalno-kemijske zahtjeve. Zbog relativno velikog spektra tvari koje se mogu koristiti kao radne tvari u rashladnim sustavima, uvedeno je univerzalno internacionalno označivanje. Za svaku radnu tvar u rashladnim uređajima oznaka započinje velikim slovom R (eng.: refrigerant), a iza njega slijede dvije ili tri brojke (npr. metan, CH4, ima oznaku R 50).

Najčešće korištene radne tvari u hladnjacima za kućanstva, halogeni derivati metana i etana, R 11, R 12 i R 22, inače izvaredno kemijski stabilne, prestavljaju veliku opasnost za okoliš u slučaju da radna tvar iscuri iz sustava. Za navedene spojeve se pouzdano zna da uništavaju ozonski omotač. Montrealskim protokolom je zabranjena proizvodnja rashladnih uređaja sa ovim radnim tvarima, i do danas bi zabrana trebala u potpunosti biti provedena.

Energetska bilanca

Za svaki kružni proces vrijede zakoni očuvanja energije. Tako energija koja ulazi u sustav mora biti jednaka energiji koja iz tog sustava i izlazi. Tako za rashladni uređaj vrijedi ista formula kao i za toplinsku pumpu pri kompresijskom procesu sa hladnom parom. Pojednostavljeno to izgleda:

Za sam proračun rashladnog uređaja nije dovoljan samo ovaj zakon održanja energije. Za proračun bitan je i zakon o održanju mase odnosno masenih protoka na hladnoj i toploj strani s ostvarenim temperaturnim razlikama.

Ukupnu energetsku bilancu možemo prikazati pomoću slike 3.

Indeksi C i W označuju hladnu i toplu stranu procesa. Indeksi I i U označavaju izlaz i ulaz za određeni medij.

Kratko pojašnjenje oznaka i veličina navedenih u prethodno navedenim jednadžbama:

Položaj radnih temperatura tc i t0 znatno utječe na rashladni kapacitet i potrošnju energije. Isto tako važan faktor je i veličina kompresora i njegov protok. Za svako postrojenje postoji jedinstvena točak u kojoj navedene zavisnosti i jednadžbe postižu jednakost. To je točka ravnoteže ili pogonska točka. Postizanjem te točke najbolje optimirano određeno rashladno postrojenje.

Slika 3

Faktori ekonomičnosti (hlađenja i grijanja):

Za ekonomičnost svakog rashladnog uređaja mjerodavan je stupanj iskoristivosti. Stupanj iskoristivosti definiramo kao omjer korisne energije (energije koju možemo iskoristiti za neki koristan rad) i ukupne energije (utrošena energije). Ovaj omjer nikad ne može biti veći od jedan. Iskoristivost od 100% predstavlja idealizirani slučaj u kojem teoretski nemamo nikakvih gubitaka te je sva uložena energije pretvorena u koristan rad. Naravno ovakav slučaj nije mogući u nekom realnom postrojenju. Stupanj iskoristivosti za klasičan desnokretni proces:

Temelje prolazimo u termodinamici, odnosno ljevokretnim kružnim procesima. Izrazi koje ćemo koristiti u nastavku, prije svega za faktor ekonomičnosti, ne ovise o svojstvima radne tvari te vrijede za svaku tvar koja se koristi u ljevokretnom kružnom procesu.

Transport topline kod ljevokretnog procesa ne odvija se sam od sebe nego je za prijenos topline potreban nekakav rad koji se dovodi izvana. Isto tako moramo uvesti jednu novu veličinu koja će opisivati „dovođenje“ topline kod rashladnog spremnika i toplinske pumpe. Radi se o faktoru efikasnosti. Moguća su dva faktora efikasnosti i to za rashladne uređaje i toplinske pumpe (radi se naravno o ljevokretnim procesima). Faktor efikasnosti za rashladne uređaje može se definirati kao:

Faktor ekonomičnosti kod rashladnog uređaja definira se kao količina topline u đulima preuzeta iz ogrjevnog spremnika na račun jednog đula dovedenog rada . Za toplinsku pumpu faktor ekonomičnosti se definira kao:

Faktor ekonomičnosti za toplinske pumpe nam pokazuje koliko se đula ogrjevne topline dobije za grijanje na račun jednog đula dovedenog rada.

Postoji mogućnost da se dio rashladnog kapaciteta iskoristi i kod toplinske pumpe. Ukoliko imamo takav sustav povećavamo i stupanj ekonomičnosti. Tada dobivamo:

Za određivanje ukupne vrijednosti rashladnog procesa koristimo omjere faktora ekonomičnosti realnog i idealnog Carnotovog procesa.