Wprowadzenie
Termodynamika wyjaśnia działanie urządzeń chłodniczych, klimatyzacyjnych i pomp ciepła. Znajomość tych zasad wspiera przygotowanie do uzyskania unijnego certyfikatu A1 zgodnie z rozporządzeniem wykonawczym (UE) 2024/2215.
Jednostki SI i pomiary
- Ciśnienie: paskal (Pa); 1 Pa = 1 N/m². Dokładnie 1 bar = 100 kPa.
- Temperatura: kelwin (K). Dodaj 273,15 do temperatury w stopniach Celsjusza; 0 K = −273,15 °C. Przyrosty temperatury w obu skalach są jednakowe, ale wskazania liczbowe nigdy nie są równe.
- Energia: dżul (J). Moc: wat (W); 1 W = 1 J/s.
- Masa: kilogram (kg). Gęstość (kg/m³) jest odwrotnością objętości właściwej (m³/kg).
Ciśnienie i temperatura
Ciśnienie bezwzględne = ciśnienie manometryczne + ciśnienie atmosferyczne, wynoszące około 1,013 bar. Ciśnienie manometryczne mierzy się względem ciśnienia atmosferycznego, a bezwzględne — względem próżni. Sprawdź, jaki rodzaj ciśnienia podano na wykresach zależności ciśnienia od temperatury dla danego czynnika chłodniczego.
Wyższe ciśnienie podnosi temperaturę nasycenia. Ogrzewanie gazu zamkniętego w stałej objętości powoduje wzrost ciśnienia. Prawo Daltona: ciśnienie całkowite jest sumą ciśnień cząstkowych; powietrze uwięzione w instalacji podnosi ciśnienie tłoczenia.
- Przegrzanie: temperatura pary minus temperatura nasycenia przy tym samym ciśnieniu. Zatem −4 °C − (−10 °C) = 6 K. Chroni przed uderzeniami cieczowymi; nadmierne przegrzanie podnosi temperaturę tłoczenia i zmniejsza wydajność.
- Przechłodzenie: temperatura nasycenia minus temperatura cieczy. Zatem 40 °C − 35 °C = 5 K. Większe przechłodzenie ogranicza powstawanie pary podczas rozprężania i zwiększa jednostkową wydajność chłodniczą.
Mierz jednocześnie ciśnienie i temperaturę rury. W przypadku mieszanin do obliczania przegrzania używaj temperatury punktu rosy, a do obliczania przechłodzenia — temperatury punktu pęcherzyków. Termostatyczny zawór rozprężny (TEV) reguluje przegrzanie na wylocie parownika.
Wymiana ciepła
- Przewodzenie: przez ścianki rur.
- Konwekcja: za pośrednictwem poruszającego się powietrza lub cieczy.
- Promieniowanie: za pośrednictwem fal elektromagnetycznych.
Energia podlega zasadzie zachowania. Ciepło przepływa samorzutnie od ciał cieplejszych do chłodniejszych; odwrócenie tego przepływu w procesie chłodzenia wymaga wykonania pracy. Entropia układu izolowanego wzrasta podczas procesów nieodwracalnych i pozostaje stała podczas procesów odwracalnych.
Obieg chłodniczy
- Sprężarka: zasysa przegrzaną parę o niskim ciśnieniu; na tłoczeniu występują najwyższe ciśnienie i temperatura.
- Skraplacz: odbiera ciepło przegrzania pary, skrapla ją i przechładza ciecz. Ciepło oddawane jest równe sumie ciepła pobieranego w parowniku i energii sprężania.
- Element rozprężny: obniża ciśnienie i temperaturę przy w przybliżeniu stałej entalpii. Część cieczy odparowuje podczas rozprężania, chłodząc pozostałą ciecz.
- Parownik: pobiera ciepło, głównie podczas wrzenia, a następnie przegrzewa parę.
Ciepło utajone i jawne
Ciepło jawne zmienia temperaturę bez zmiany fazy. Ciepło utajone powoduje zmianę fazy, która w przypadku czystych czynników chłodniczych przy stałym ciśnieniu zachodzi w stałej temperaturze.
Ciecz nasycona znajduje się w punkcie pęcherzyków; para nasycona znajduje się w punkcie rosy. Mieszaniny zeotropowe, takie jak R-407C, wykazują poślizg temperaturowy. Wyciek może powodować frakcjonowanie, zmieniając skład, ciśnienia i wydajność; uzupełnienie czynnika może nie przywrócić prawidłowych parametrów pracy. Napełniaj instalację tymi mieszaninami w fazie ciekłej, zapobiegając przedostawaniu się cieczy do sprężarki. Mieszaniny azeotropowe mają pomijalnie mały poślizg temperaturowy.
Wykresy ciśnienie–entalpia
Ciśnienie przedstawia się na osi pionowej, zwykle w skali logarytmicznej; entalpię właściwą (kJ/kg) — na osi poziomej.
- Obszary: ciecz przechłodzona na lewo od kopuły nasycenia, mieszanina cieczy i pary wewnątrz niej, para przegrzana po prawej stronie. Udział pary wzrasta w obrębie kopuły od lewej do prawej.
- Parowanie: poziomo w prawo; skraplanie: poziomo w lewo, przy założeniu stałego ciśnienia.
- Rozprężanie: pionowo w dół przy stałej entalpii.
- Sprężanie idealne: przebiega w górę wzdłuż krzywej stałej entropii; sprężanie rzeczywiste wymaga większej pracy.
Efektywność obiegu i diagnostyka usterek
Jednostkowa wydajność chłodnicza netto to ciepło pobrane na kilogram czynnika podczas parowania i użytecznego przegrzewania. Wydajność chłodnicza jest równa iloczynowi strumienia masy i jednostkowej wydajności chłodniczej netto.
COP dla chłodzenia = moc chłodnicza ÷ moc pobierana przez sprężarkę. COP równy 3 oznacza 3 kW mocy chłodniczej na 1 kW mocy pobieranej. Wyższa temperatura parowania lub niższa temperatura skraplania zwiększa COP. Stopień sprężania = bezwzględne ciśnienie tłoczenia ÷ bezwzględne ciśnienie ssania; wyższy stopień sprężania zmniejsza sprawność objętościową. SEER uwzględnia ważoną efektywność w sezonowych warunkach obciążenia częściowego.
Poniższe scenariusze egzaminacyjne ilustrują typowe objawy usterek; rzeczywiste zachowanie zależy od układu sterowania instalacją:
| Usterka | Oczekiwane zmiany |
|---|---|
| Wyciek czynnika chłodniczego | Oba ciśnienia spadają; przegrzanie i temperatura tłoczenia rosną; przechłodzenie spada do zera. |
| TEV zablokowany w pozycji otwartej | Ciśnienie parowania rośnie; przegrzanie maleje; ciecz stwarza zagrożenie uszkodzenia sprężarki. |
| Ograniczony przepływ powietrza przez skraplacz | Oba ciśnienia i temperatura tłoczenia rosną; przechłodzenie zanika. |
| Ograniczony przepływ powietrza przez parownik | Oba ciśnienia i temperatura tłoczenia spadają; TEV utrzymuje przegrzanie; przechłodzenie spada do zera. |
Wskazówka egzaminacyjna: Do obliczania stopnia sprężania używaj ciśnień bezwzględnych. Wyrażaj przegrzanie i przechłodzenie w K. Interpretuj łącznie odczyty ciśnienia, temperatury i przepływu powietrza.
