Wykres ciśnienie–entalpia: poradnik do egzaminu F-gazowego

Zapytaj grupę techników chłodnictwa, do czego służy wykres ciśnienie–entalpia, a usłyszysz dwie odpowiedzi. Połowa powie, że to narzędzie projektowe dla osób pracujących za biurkiem. Druga połowa przyzna po cichu, że gdy wreszcie go zrozumiała, zaczęła szybciej diagnozować instalacje. Rację ma druga grupa. Wykres p-h najczytelniej pokazuje, co dzieje się z czynnikiem chłodniczym między wylotem sprężarki a wylotem parownika. Każdy pomiar przegrzania wykonany podczas pracy odpowiada punktowi na tym wykresie, niezależnie od tego, czy go narysujesz.

Ten poradnik pokazuje, jak powstaje wykres, obszar po obszarze, zgodnie z podejściem stosowanym w znanym module dydaktycznym z termodynamiki. Narysuj go raz samodzielnie, a nie będzie już trzeba uczyć się go na pamięć.

Wyznaczanie osi

Zacznij od dwóch osi. Oś pionowa przedstawia ciśnienie i właśnie tutaj większość początkujących popełnia błąd:

„Zwróć uwagę, że skala będzie logarytmiczna. Mamy więc 0,1, 1, 10 i 100, a jednostką ciśnienia jest bar”.

Taki rozstaw wartości jest celowy. W niskotemperaturowym zespole sprężarkowym parowanie może zachodzić przy ciśnieniu bezwzględnym 0,6 bar, podczas gdy ciśnienie tłoczenia przekracza 25 bar. Na skali liniowej cała strona niskiego ciśnienia zlałaby się w niewyraźny obszar przy początku układu współrzędnych. Skala logarytmiczna zapewnia użyteczną rozdzielczość po obu stronach instalacji.

Oś pozioma przedstawia entalpię właściwą w kJ na kilogram czynnika chłodniczego. Ma zwykłą skalę liniową — 0, 100, 200, 300 i dalej. Entalpia to po prostu zawartość energii cieplnej w przeliczeniu na kilogram. Pozioma odległość między dwoma punktami na wykresie odpowiada ciepłu przekazanemu w danej przemianie, dlatego wykres tak bardzo ułatwia obliczanie wydajności.

Na egzaminie pamiętaj o jednej rzeczy: ciśnienia na wykresie p-h są bezwzględne, a nie manometryczne. Zestaw manometrów wskazuje ciśnienie manometryczne. Zanim zaczniesz szukać punktu na wykresie, dodaj około 1 bar, aby przeliczyć je na ciśnienie bezwzględne.

Krzywa dzwonowa i obszary po jej obu stronach

Następnie pojawia się kształt, który każdy rozpoznaje: krzywa przypominająca dzwon, przechylona w prawo i zajmująca środek wykresu.

Lewa gałąź to linia cieczy nasyconej. Każdy punkt na niej oznacza czynnik całkowicie ciekły, ale tuż przed rozpoczęciem wrzenia. Na lewo od tej linii znajduje się obszar cieczy przechłodzonej — cieczy o temperaturze niższej od temperatury nasycenia przy danym ciśnieniu. To pożądany stan w przewodzie cieczowym, ponieważ przechłodzona ciecz nie odparuje gwałtownie w drodze do elementu rozprężnego.

Prawa gałąź to linia pary nasyconej. Punkt na niej oznacza 100% pary bez żadnego przegrzania. Na prawo od niej leży obszar pary przegrzanej, w którym gaz został ogrzany powyżej temperatury nasycenia. W tym obszarze znajdują się stany czynnika zarówno w przewodzie ssawnym, jak i tłocznym.

Obie gałęzie łączą się u góry w punkcie krytycznym. Powyżej tego ciśnienia i tej temperatury zanika rozróżnienie między cieczą a parą, a żaden wzrost ciśnienia nie spowoduje skroplenia czynnika. Dlatego transkrytyczne instalacje CO₂ zachowują się tak inaczej niż konwencjonalne instalacje HFC — po stronie wysokiego ciśnienia pracują powyżej punktu krytycznego, więc zamiast skraplania zachodzi tylko chłodzenie gazu.

Wewnątrz dzwonu znajduje się obszar dwufazowy: współistnieją w nim ciecz i para. Niemal wszystko, co użyteczne w chłodnictwie, dzieje się właśnie pod tą kopułą.

Linie temperatury: trzy obszary, trzy różne przebiegi

Temperatura zachowuje się inaczej w każdym z trzech obszarów. Zrozumienie przyczyn daje na egzaminie więcej punktów niż zapamiętanie rysunku.

Wewnątrz kopuły linie temperatury biegną poziomo. Podczas przemiany fazowej ciśnienie i temperatura są ze sobą ściśle związane — to ta sama zależność ciśnienia od temperatury, z której korzystasz codziennie, przeliczając wskazanie manometru na temperaturę nasycenia. W filmie temperatury są zaznaczane na obu krzywych nasycenia na odpowiadających sobie poziomach:

„Na krzywej cieczy nasyconej oznaczymy -50, -40, 20, 30 i 90… a po prawej stronie, zachowując te same poziomy, wpiszemy -50, -40, 20, 30 i 90”.

To samo ciśnienie, ta sama temperatura — niezależnie od tego, czy stopień suchości wynosi 5%, czy 95%. Całe dostarczane ciepło służy wrzeniu, a nie podnoszeniu temperatury.

W obszarze pary przegrzanej linie stałej temperatury odchodzą od krzywej pary nasyconej i zakrzywiają się w dół oraz w prawo. Gdy odparuje ostatnia kropla, dalsze dostarczanie ciepła podnosi temperaturę — jest to ciepło jawne, a pomiar przegrzania określa właśnie ten wzrost temperatury.

W obszarze cieczy przechłodzonej linie stałej temperatury są praktycznie pionowe. Jak wskazano w filmie, na większości publikowanych wykresów są one pomijane:

„Po lewej stronie na wykresie p-h nie widać tych krzywych, ale narysujemy pionowe linie od poszczególnych wartości temperatury… przyjmuje się, że pionowe linie wychodzące od tych temperatur przedstawiają w tym obszarze linie stałej temperatury”.

W praktyce oznacza to, że entalpia cieczy przechłodzonej zależy niemal wyłącznie od temperatury, a od ciśnienia tylko w znikomym stopniu.

Linie stałej entropii

Od krzywej pary nasyconej odchodzą w prawo linie stałej entropii. Mają szczególne znaczenie dla jednej przemiany — sprężania.

Idealne sprężanie jest izentropowe, czyli przebiega wzdłuż jednej z tych linii. Na wykresie przemiana sprężania biegnie więc w górę i w prawo wzdłuż linii stałej entropii, od stanu na ssaniu do ciśnienia tłoczenia. Rzeczywiste sprężarki nie pracują izentropowo — tarcie, wymiana ciepła i straty w zaworach przesuwają rzeczywisty punkt tłoczenia dalej w prawo. Dlatego rzeczywista temperatura tłoczenia jest wyższa od wartości teoretycznej. Różnica między nimi odpowiada sprawności izentropowej maszyny i wyjaśnia, dlaczego zużyta sprężarka z nieszczelnymi zaworami ma wyższą temperaturę tłoczenia niż sprawna sprężarka pracująca w tych samych warunkach.

Linie stopnia suchości: odczytywanie obszaru dwufazowego

Wewnątrz kopuły szereg linii rozchodzi się wachlarzowo od punktu krytycznego w dół, ku podstawie. Są to linie stopnia suchości, czasem oznaczone jako 10%, 20% i tak dalej, aż do 90%.

„Stopień suchości bywa też określany jako udział masowy pary. Z tą nazwą można się również spotkać w niektórych zadaniach”.

Obie nazwy opisują to samo — udział pary w całkowitej masie czynnika:

• Stopień suchości 0% = linia cieczy nasyconej. Całkowity brak pary.
• Stopień suchości 100% = linia pary nasyconej. Sama para, bez pozostałości cieczy.
• Każda wartość pomiędzy = mieszanina cieczy i pary. Przy stopniu suchości 25% jedną czwartą masy stanowi para, a trzy czwarte nadal stanowi ciecz.

Właśnie tutaj wykres pokazuje swoją wartość w diagnostyce usterek. Gdy ciekły czynnik chłodniczy opuszcza skraplacz i przepływa przez zawór rozprężny, spadek ciśnienia powoduje natychmiastowe odparowanie jego części. Powstała w ten sposób para nie daje użytecznego efektu chłodniczego — już pochłonęła swoje ciepło utajone. Punkt, w którym czynnik znajduje się na wykresie po rozprężeniu, pokazuje dokładnie, ile tej pary powstało. Zwiększ przechłodzenie cieczy, a punkt przesunie się w lewo, do niższego stopnia suchości. Oznacza to więcej cieczy dostępnej do odparowania w parowniku i większą wydajność przy tym samym masowym natężeniu przepływu. To całe uzasadnienie utrzymywania właściwego przechłodzenia, przedstawione jedną linią.

Podobnie przemiana w parowniku przebiega od lewej do prawej wzdłuż poziomej linii wewnątrz kopuły: od, przykładowo, 20% stopnia suchości na wlocie do 100% na linii pary nasyconej. Następnie wychodzi do obszaru pary przegrzanej o tyle kelwinów przegrzania, ile utrzymuje zawór rozprężny.

Miejsce wykresu w egzaminie F-gazowym na unijny certyfikat A1

Wykres p-h jest częścią zakresu egzaminu F-gazowego na unijny certyfikat A1 określonego w rozporządzeniu wykonawczym (UE) 2024/2215. W unijnej wersji aplikacji wiąże się szczególnie z tematami Termodynamika, Czynniki alternatywne i Alternatywy w praktyce. Certyfikat A1 obejmuje określone czynności związane z F-gazami i węglowodorami w urządzeniach o dowolnej wielkości napełnienia.

Zakres egzaminu wymaga od kandydatów korzystania z wykresów p-h i ich interpretowania. W przygotowaniu do egzaminu istotne są następujące zastosowania:

1. Ciepło utajone a ciepło jawne — rozpoznawanie, że poziome przesunięcie wewnątrz kopuły odpowiada ciepłu utajonemu, a przesunięcie w obszarach pary przegrzanej i cieczy przechłodzonej — ciepłu jawnemu.
2. Przegrzanie i przechłodzenie — znajomość obszarów, w których mierzy się każdą z tych wielkości, oraz ich znaczenia dla ochrony sprężarki i wydajności instalacji.
3. Wpływ wzrostu ciśnienia skraplania — zablokowany skraplacz podnosi ciśnienie po stronie wysokiej, co wydłuża linię sprężania, zwiększa temperaturę tłoczenia i zmniejsza użyteczny efekt chłodniczy.
4. Właściwości czynników chłodniczych — przyczyny tak dużych różnic w kształcie i skali wykresów dla R-744, R-290 i R-134a.

Istnieje też związek z przepisami. Rozporządzenie (UE) 2024/573 wymaga od operatorów stosowania środków ostrożności zapobiegających niezamierzonemu uwalnianiu F-gazów oraz technicznie i ekonomicznie wykonalnych środków ograniczających wycieki do minimum. Instalacja pracująca przy niewystarczającym przechłodzeniu, wysokim przegrzaniu lub nadmiernym napełnieniu jest bardziej obciążona, osiąga wyższe temperatury i naraża połączenia oraz uszczelnienia na większe naprężenia — wszystko to zwiększa ryzyko wycieku. Art. 4 wymaga naprawy wykrytych wycieków bez zbędnej zwłoki. Art. 5 określa wymagania dotyczące kontroli szczelności i odstępy między nimi na podstawie napełnienia wyrażonego jako ekwiwalent CO2 w przypadku gazów wymienionych w załączniku I lub masy napełnienia w przypadku gazów wymienionych w załączniku II sekcja 1. Zrozumienie wykresu p-h pomaga zauważyć nieefektywną pracę, zanim doprowadzi ona do emisji.

Wykres wiąże się również z doborem czynnika chłodniczego i minimalizacją napełnienia. Załącznik IV określa ograniczenia dotyczące wprowadzania do obrotu wskazanych produktów i urządzeń, a załącznik VII ustala harmonogram stopniowego ograniczania ilości HFC poprzez kontyngenty. Zrozumienie obiegu pomaga technikom oceniać parametry pracy instalacji z czynnikami o niższym GWP i mniejszym napełnieniem.

Korzystanie z wykresu jako codzienny nawyk

Nie trzeba nosić wykresu p-h w skrzynce narzędziowej. Wystarczy mieć go w pamięci, aby po wykonaniu pomiarów umiejscowić na nim wyniki:

• Ciśnienie ssania i temperatura przewodu ssawnego → punkt w obszarze pary przegrzanej, na prawo od linii pary nasyconej. Pozioma odległość od krzywej odpowiada przegrzaniu.
• Ciśnienie tłoczenia i temperatura tłoczenia → punkt wysoko i daleko po prawej stronie, głęboko w obszarze pary przegrzanej.
• Ciśnienie i temperatura w przewodzie cieczowym → punkt na lewo od linii cieczy nasyconej, jeśli występuje przechłodzenie; na samej krzywej, jeśli go nie ma.

Trzy pomiary, trzy punkty i w praktyce masz już szkic obiegu roboczego. Technik, który myśli w ten sposób, szybciej rozpozna ograniczony przepływ przez zawór rozprężny lub zalany parownik niż ktoś, kto tylko porównuje liczby z tabelą.

Jak pomaga w tym F-Gas Exam Prep

Aplikacja F-Gas Pro – przygotowanie do egzaminu A1 wspiera przygotowanie do egzaminu F-gazowego na unijny certyfikat A1. Jest dostępna na iOS i Androida i zawiera:

• Ponad 540 pytań w stylu egzaminacyjnym z 15 tematów, w tym z tematu Termodynamika.
• Egzaminy próbne z limitem czasu, umożliwiające ćwiczenie w warunkach ograniczonego czasu.
• Fiszki i ćwiczenia według tematów do powtarzania najważniejszych zagadnień.
• 12 kalkulatorów wspomagających obliczenia techniczne.
• Szczegółowe wyjaśnienia każdej odpowiedzi, pozwalające powtórzyć zasadę, na której się opiera.

Rozwiązuj pytania z termodynamiki, mając przed oczami wykres, aby połączyć teorię z wynikami pomiarów instalacji. Aplikacja jest niezależną pomocą do nauki i nie zastępuje zatwierdzonego szkolenia ani egzaminu.