Wykresy ciśnienie–entalpia dla obiegu chłodniczego

Wykres ciśnienie–entalpia może początkowo onieśmielać, ale jest jednym z najbardziej przydatnych narzędzi do zrozumienia zachowania czynnika chłodniczego w sprężarkowym układzie chłodniczym. Gdy nauczysz się rozpoznawać główne obszary i śledzić cztery przemiany, wykres pozwoli przełożyć ciśnienia i temperatury na czytelny obraz pracy instalacji.

Wiedza ta bezpośrednio wiąże się z termodynamiką stanowiącą podstawę egzaminu na unijny certyfikat A1 w zakresie F-gazów. Wspiera również umiejętności praktyczne dotyczące sprężarek, skraplaczy, parowników, urządzeń rozprężnych, pomiaru ciśnienia i diagnostyki instalacji.

„Czynnik chłodniczy jest płynem roboczym.”

To proste stwierdzenie ma fundamentalne znaczenie. Czynnik chłodniczy krąży nieprzerwanie, zmieniając ciśnienie, temperaturę, entalpię i stan fizyczny podczas pobierania i oddawania ciepła.

Cztery główne elementy obiegu chłodniczego

Podstawowy sprężarkowy obieg chłodniczy zawiera cztery główne elementy:

1. Sprężarka: zasysa parę o niskim ciśnieniu i spręża ją do pary o wysokim ciśnieniu i wysokiej temperaturze.
2. Skraplacz: oddaje ciepło i zmienia czynnik chłodniczy z pary w ciecz przy wysokim ciśnieniu.
3. Urządzenie rozprężne: obniża ciśnienie czynnika chłodniczego i reguluje jego przepływ do parownika.
4. Parownik: pobiera ciepło i zmienia mieszaninę czynnika chłodniczego o niskim ciśnieniu w parę.

Strona wysokiego ciśnienia zwykle rozciąga się od króćca tłocznego sprężarki, przez skraplacz i przewód cieczowy, do wlotu urządzenia rozprężnego. Strona niskiego ciśnienia zaczyna się za urządzeniem rozprężnym i biegnie przez parownik oraz przewód ssawny do wlotu sprężarki.

W manometrach chłodniczych tradycyjnie stosuje się kolor czerwony dla strony wysokiego ciśnienia i niebieski dla strony niskiego ciśnienia. Kolory te ułatwiają identyfikację, ale technik musi mimo to sprawdzić prawidłowość podłączenia węży oraz przydatność zestawu manometrów i węży do danego czynnika chłodniczego i ciśnienia roboczego.

Sprężarka i urządzenie rozprężne wytwarzają różnicę ciśnień umożliwiającą działanie obiegu. Wysokie ciśnienie nie oznacza jednak automatycznie, że w każdym punkcie strony wysokiego ciśnienia panuje taka sama temperatura. Temperatura czynnika chłodniczego znacznie się zmienia podczas schładzania pary przegrzanej do stanu nasycenia, skraplania i przechładzania cieczy.

Odczytywanie wykresu ciśnienie–entalpia

Wykres ciśnienie–entalpia, zwykle nazywany w skrócie wykresem p-h, przedstawia dwie podstawowe wielkości:

• Ciśnienie na osi pionowej, zazwyczaj jako ciśnienie bezwzględne w skali logarytmicznej
• Entalpię właściwą na osi poziomej, zwykle wyrażoną w kJ/kg

Entalpia określa zawartość energii czynnika chłodniczego na jednostkę masy. Różnica entalpii między dwoma punktami jest szczególnie przydatna, ponieważ pozwala technikom obliczać wydajność chłodniczą parownika, ciepło oddawane w skraplaczu i pracę sprężarki.

Każdy czynnik chłodniczy ma własny wykres p-h. Wykresu dla R-410A nie można używać dla R-134a, R-32, amoniaku ani innego czynnika chłodniczego, ponieważ każdy z nich ma inne właściwości termodynamiczne.

Najbardziej rozpoznawalnym elementem jest kopuła nasycenia. Dzieli ona wykres na trzy główne obszary:

• Obszar cieczy przechłodzonej lub sprężonej: na lewo od kopuły
• Obszar dwufazowy: pod kopułą, zawierający ciecz i parę
• Obszar pary przegrzanej: na prawo od kopuły

Lewą granicę stanowi linia cieczy nasyconej. Prawą granicę stanowi linia pary nasyconej.

Ciecz nasycona, stopień suchości pary i para nasycona

Na linii cieczy nasyconej czynnik chłodniczy jest cieczą w stanie bezpośrednio poprzedzającym wrzenie. Granicę tę często nazywa się punktem pęcherzyków, ponieważ doprowadzenie energii powoduje powstanie pierwszego pęcherzyka pary.

Wewnątrz kopuły nasycenia ciecz i para współistnieją. Udział pary określa się jako stopień suchości, czyli udział masowy pary w czynniku chłodniczym:

• Stopień suchości równy 0 oznacza ciecz nasyconą
• Stopień suchości równy 0,5 oznacza, że około 50% masy stanowi para
• Stopień suchości równy 1 oznacza parę nasyconą

Stopień suchości jest zdefiniowany wyłącznie w obszarze dwufazowym. Nie należy stosować go do cieczy przechłodzonej ani pary przegrzanej.

Na linii pary nasyconej ostatnia porcja cieczy właśnie odparowała. Przy zbliżaniu się do tej granicy od strony pary podczas skraplania nazywa się ją punktem rosy, ponieważ dalsze chłodzenie powoduje powstanie pierwszej kropli cieczy.

„Stan czynnika chłodniczego zależy od ciśnienia i temperatury.”

Dla czystego czynnika chłodniczego w stanie nasycenia ciśnienie wyznacza temperaturę nasycenia. Wiele mieszanin czynników chłodniczych wykazuje poślizg temperaturowy, dlatego ich temperatury punktu pęcherzyków i punktu rosy są różne. R-410A jest mieszaniną bliską azeotropowej i ma jedynie niewielki poślizg, ale podczas wykonywania precyzyjnych pomiarów technicy nadal muszą korzystać z właściwych danych producenta.

Na czym polega przechłodzenie

Przechłodzenie występuje, gdy ciekły czynnik chłodniczy zostaje schłodzony poniżej temperatury nasycenia odpowiadającej zmierzonemu ciśnieniu skraplania. Na wykresie p-h ciecz przechłodzona znajduje się na lewo od linii cieczy nasyconej.

Przykładowo, jeśli temperatura nasycenia odpowiadająca ciśnieniu w przewodzie cieczowym wynosi 40 °C, a zmierzona temperatura tego przewodu wynosi 35 °C:

Przechłodzenie = 40 °C − 35 °C = 5 K

Odpowiednie przechłodzenie pomaga zapewnić dopływ cieczy bez pęcherzyków pary do urządzenia rozprężnego. Brak przechłodzenia może wskazywać na niedobór czynnika chłodniczego, nadmierny spadek ciśnienia, słabą wydajność skraplacza lub obecność pary powstałej wskutek odparowania części cieczy w przewodzie cieczowym. Odczyty należy zawsze interpretować z uwzględnieniem przepływu powietrza, obciążenia, warunków otoczenia i specyfikacji producenta.

Na czym polega przegrzanie

Przegrzanie to różnica, o jaką temperatura pary przekracza temperaturę nasycenia odpowiadającą jej ciśnieniu. Para przegrzana znajduje się na prawo od linii pary nasyconej.

Jeśli temperatura nasycenia przy ciśnieniu parowania wynosi 5 °C, a temperatura przewodu ssawnego wynosi 11 °C:

Przegrzanie = 11 °C − 5 °C = 6 K

Przegrzanie na wylocie parownika potwierdza zakończenie parowania. Pomaga również chronić sprężarkę przed ciekłym czynnikiem chłodniczym. Nadmierne przegrzanie może wskazywać na niedostateczne zasilanie parownika, ograniczony przepływ czynnika chłodniczego, zbyt małe napełnienie lub niewystarczającą wymianę ciepła. Bardzo małe przegrzanie może sugerować nadmierne zasilanie parownika lub ryzyko powrotu cieczy do sprężarki.

Ciśnienie manometryczne i ciśnienie bezwzględne

Serwisowe zestawy manometrów zwykle wskazują ciśnienie manometryczne, oznaczane jako PSIG lub bar(g). Ciśnienie manometryczne mierzy się względem ciśnienia otaczającej atmosfery.

Wykresy termodynamiczne zazwyczaj wymagają ciśnienia bezwzględnego, oznaczanego jako PSIA lub bar(a). Ciśnienie bezwzględne mierzy się względem próżni doskonałej.

Zależność jest następująca:

Ciśnienie bezwzględne = ciśnienie manometryczne + lokalne ciśnienie atmosferyczne

Na poziomie morza standardowe ciśnienie atmosferyczne wynosi około 14,7 psi lub 1,013 bar. Odczyt manometru wynoszący 100 PSIG odpowiada zatem około 114,7 PSIA w standardowych warunkach na poziomie morza.

Ciśnienie atmosferyczne zmienia się wraz z wysokością i pogodą, dlatego 14,7 psi jest przybliżeniem, a nie uniwersalną poprawką. Przede wszystkim nigdy nie myl skali ciśnienia manometrycznego ze skalą ciśnienia bezwzględnego podczas nanoszenia stanu pracy instalacji na wykres.

Śledzenie czterech przemian na wykresie

Obieg chłodniczy przedstawia się jako cztery połączone przemiany:

1. Sprężanie: para przegrzana o niskim ciśnieniu staje się parą o wysokim ciśnieniu i wysokiej temperaturze. Ciśnienie, temperatura i entalpia rosną.
2. Skraplanie: ciepło jest oddawane przy wysokim ciśnieniu. Czynnik chłodniczy jest schładzany ze stanu pary przegrzanej do nasycenia, skraplany, a następnie może zostać przechłodzony.
3. Rozprężanie: czynnik chłodniczy przepływa przez urządzenie dozujące. Ciśnienie gwałtownie spada, a entalpia pozostaje w przybliżeniu stała.
4. Parowanie: mieszanina cieczy i pary o niskim ciśnieniu pobiera ciepło, wrze i zwykle opuszcza parownik jako para przegrzana.

Rzeczywista instalacja nie będzie pracować dokładnie według idealnych linii. Straty ciśnienia, niedoskonała sprawność sprężarki, wymiana ciepła w rurociągach i zmienne obciążenie wpływają na zmierzony przebieg obiegu.

Znaczenie dla F-gazów i unijnego certyfikatu A1

Art. 4 rozporządzenia (UE) 2024/573 ustanawia obowiązki zapobiegania emisjom i usuwania wykrytych wycieków bez zbędnej zwłoki. Art. 5 określa wymagania dotyczące kontroli szczelności na podstawie ton ekwiwalentu CO2 dla gazów wymienionych w załączniku I oraz masy dla gazów wymienionych w załączniku II sekcja 1, z uwzględnieniem zakresu urządzeń objętych przepisami i zwolnień. Art. 10 dotyczy szkolenia i certyfikacji personelu wykonującego czynności podlegające przepisom. Zobacz rozporządzenie (UE) 2024/573.

Zrozumienie stanów czynnika chłodniczego pomaga wypełniać te obowiązki. Ułatwia technikowi unikanie uwolnienia cieczy, prawidłowy odzysk czynnika chłodniczego, rozpoznawanie nieprawidłowych warunków pracy oraz odróżnianie możliwych problemów z napełnieniem od usterek przepływu powietrza lub podzespołów.

Załącznik I wymienia fluorowane gazy cieplarniane i ich współczynniki globalnego ocieplenia. W przypadku mieszanin takich jak R-410A GWP mieszaniny oblicza się metodą określoną w załączniku VI, wykorzystując wartości dla poszczególnych składników. Powszechnie podawane GWP czynnika R-410A wynosi 2088, dlatego zapobieganie emisjom i prawidłowy odzysk są szczególnie istotne. Zobacz rozporządzenie (UE) 2024/573, załączniki I i VI.

Osobom przygotowującym się do uzyskania unijnego certyfikatu A1 w zakresie F-gazów znajomość wykresów p-h pomaga opanować temat Termodynamika, obieg chłodniczy oraz zagadnienia oceniane praktycznie, obejmujące:

• Zależności między ciśnieniem a temperaturą
• Przemiany fazowe czynnika chłodniczego
• Bezpieczne korzystanie z zestawu manometrów
• Działanie sprężarki, skraplacza i parownika
• Działanie urządzenia rozprężnego
• Przegrzanie i przechłodzenie
• Zapobieganie wyciekom, odzysk i postępowanie z czynnikami chłodniczymi

Kandydaci powinni również rozumieć różnice między certyfikatami określonymi w rozporządzeniu wykonawczym (UE) 2024/2215. Certyfikat A1 obejmuje czynności podlegające przepisom, wykonywane przy F-gazach i węglowodorach, niezależnie od wielkości napełnienia. Certyfikat A2 obejmuje te czynności przy urządzeniach zawierających mniej niż 3 kg lub mniej niż 6 kg w przypadku oznakowanych układów hermetycznie zamkniętych. Certyfikat D obejmuje odzysk F-gazów w tych granicach napełnienia. Certyfikat E obejmuje kontrole szczelności urządzeń zawierających F-gazy bez otwierania obiegu chłodniczego. Zobacz rozporządzenie wykonawcze (UE) 2024/2215, art. 3.

Jak F-Gas Pro – przygotowanie do egzaminu A1 pomaga w powtórkach

F-Gas Pro – przygotowanie do egzaminu A1 pomaga powtarzać takie pojęcia jak nasycenie, entalpia, przegrzanie i przechłodzenie. Aplikacja zawiera ponad 540 pytań w formacie egzaminacyjnym z 15 tematów, dzięki czemu możesz powtarzać termodynamikę wraz z przepisami, kontrolą szczelności, odzyskiem i zagadnieniami dotyczącymi poszczególnych podzespołów.

Możesz ćwiczyć według tematów, rozwiązywać egzaminy próbne z limitem czasu, powtarzać materiał za pomocą fiszek i przeglądać szczegółowe wyjaśnienia do każdej odpowiedzi. Aplikacja zawiera również 12 kalkulatorów i funkcję śledzenia postępów. Jest dostępna na iOS i Androida. To niezależna pomoc w nauce, niepowiązana z żadną jednostką certyfikującą, która nie zastępuje zatwierdzonego kursu szkoleniowego ani egzaminu.