Komponenty obiegu czynnika chłodniczego

„Obieg chłodniczy sprężarkowy” to nazwa opisująca stosowanie zamkniętych obiegów dla celów chłodnictwa.

Wykorzystuje on parowanie czynnika chłodniczego wewnątrz obiegu, szczególnie w wymienniku ciepła zwany parownikiem, które pochłania energię z otoczenia; schłodzone powietrze dostarczane jest następnie do komory chłodniczej poprzez naturalną konwekcję lub dzięki działaniu wentylatora (zobacz też „SCHŁADZANIE” i „CIŚNIENIE I TEMPERATURA”).

Po odparowaniu, czynnik nie jest już w stanie pochłaniać dużych ilości energii i musi zostać przywrócony do stanu ciekłego poprzez skraplanie.

Pojawia się zatem problem znalezienia otoczenia o odpowiednio niskiej temperaturze by pochłaniać energię czynnika i oczywiście nie może to być komora która wcześniej została schłodzona.

Wykorzystując korelację pomiędzy ciśnieniem i temperaturą dla zmiany stanu skupienia, dla której wyższe ciśnienie odpowiada wyższej temperaturze, stosuje się sprężarkę by sprężyć czynnik chłodniczy do osiągnięcia ciśnienia wyższego niż to w parowniku (do 8-10 razy) by proces skraplania mógł zajść w temperaturze odpowiadającej temperaturze dostępnego źródła „zimna”, zwykle powietrzu na zewnątrz.

Skraplanie zachodzi zatem w wysokiej temperaturze (zwykle 35-55°C) wewnątrz wymiennika ciepła a dwie oddziałujące na siebie substancje to powietrze zewnętrzne i czynnik chłodzący. Ten drugi skrapla się i wraca do stanu ciekłego, a powietrze zewnętrzne się ogrzewa.

Ciekły czynnik nadal ma wysoką temperaturę gdy opuszcza skraplacz. Urządzenie rozprężne jest zatem niezbędne by rozprężyć ciekły czynnik i obniżyć ciśnienie do wartości w której zachodzi parowanie; czynnik powrócił zatem do stany wyjściowego (ciekły pod niskim ciśnieniem i w niskiej temperaturze) i może po raz kolejny pochłaniać energię z powietrza w chłodzonej komorze.

Głównymi komponentami obiegu chłodniczego są zatem:

Parownik: to wymiennik ciepła podobny do chłodnicy gdy wykorzystuje powietrze (lamelkowy) lub bardziej kompaktowy gdy wykorzystuje wodę (płytowy wymiennik ciepła, wiązka rur); wymiana energii następuje poprzez jej przewodzenie pomiędzy parującym czynnikiem, przechodzącym ze stanu ciekłego w gazowy, a otaczającym go powietrzem (lub wodą) które w rezultacie jest schładzane. Parowanie zachodzi pod praktycznie stałymi ciśnieniem i temperaturze, poza nieznacznym spadkiem ciśnienia. Czynnik opuszczający parownik to przegrzany gaz w temperaturze nieznacznie wyższej niż temperatura parowania.

Sprężarka: to urządzenie zapewniające kompresję objętościową tj. stopniową redukcję objętości, wykorzystując systemy rotacyjne lub tłokowe. Sprężarka wywołuje cyrkulację czynnika chłodniczego w obiegu, szczególnie zasysając go jako gaz z parownika i sprężając i wtłaczając pod ciśnieniem do skraplacza. Praca mechaniczna wykonywana przez sprężarkę pociąga za sobą znaczący wzrost temperatury gazu (czasami powyżej 100°C) jak i zużycie energii. Zużycie energii przez sprężarkę zależy od różnicy pomiędzy dwiema wartościami ciśnienia pracy. Czynnik zasysany przez kompresor musi być w stanie gazowym, ponieważ ciecze bardzo trudno jest sprężać. Sprężarka rozpoczyna pracę, gdy wymagane jest chłodzenie i jest zwykle uruchamiana przez systemy kontroli temperatury.

Skraplacz: to wymiennik ciepła podobny do parownika, jednak nieznacznie większy, może to również być wymiennik lam elkowy, płytowy, lub wiązanka rur. Umożliwia wymianę energii pomiędzy otaczającym go powietrzem (lub wodą) tłoczonym przez wentylatory a czynnikiem chłodniczym w postaci gorącego gazu tłoczonego przez sprężarkę. Czynnik chłodniczy jest ochładzany i skrapla się w praktycznie stałej temperaturze i ciśnieniu, ulegając nieznacznemu ochłodzeniu. U wylotu skraplacza czynnik pojawia się w postaci wysoko sprężonej cieczy w temperaturze nieznacznie niższej niż temperatura skraplania.

Urządzenie rozprężne: składa się ze skalibrowanego otworu, cienkiej kapilarnej rurki lub mechanicznego lub napędzanego silnikiem zaworu regulującego kontrolowanego mikroprocesorem. Dławienie powodowane przez urządzeni rozprężne obniża ciśnienie ciekłego czynnika opuszczającego skraplacz bez wymiany ciepła. Proces wykorzystuje zasadę Bernoulliego, według której prędkość przepływu płynu przez zwężenie znacząco wzrasta, powodując spadek ciśnienia i co za tym idzie spadek temperatury. W ten sposób ciekły czynnik chłodniczy wraca do stanu niskiego ciśnienia i niskiej temperatury i jest gotowy zacząć ponownie parować, powtarzając cykl opisany powyżej.

Urządzenie rozprężne kontroluje także przepływ czynnika chłodniczego w obiegu chłodniczym. Zbyt duża ilość czynnika może uszkodzić sprężarkę, ponieważ nie odparuje całkowicie w parowniku, pozostając częściowo w stanie ciekłym. Niedostateczna ilość ogranicza wydajność jednostki, ponieważ parownik nie jest w pełni wykorzystywany.