Zasada działania dwustopniowej chłodziarki kaskadowej
Zrozumienie zasady działania klasycznej kaskady, to nie lada wyzwanie. Potrzebna jest dobra znajomość fizyki termodynamicznej. Ale do rzeczy, jak ktoś nie zrozumie, to trudno :-)
Jak sam tytuł sugeruje, są dwa stopnie, którymi są pojedyncze układy (przez pojedynczy układ rozumiem agregat chłodniczy z jedną sprężarką i parownikiem oraz skraplaczem). Można je nazwać na dwa sposoby - pierwszy i drugi, albo wysoki i niski. Pierwszy/wysoki to klasyczny jednostopniowy układ, typem przypominający agregaty lodówkowe. Jedyna różnica to taka, że w celu obniżenia temperatury, absorbuje ciepło nie z wnętrza lodówki, ale z skraplacza drugiego stopnia. Pierwszy stopień chłodzi drugi - na tym polega idea kaskadowego chłodzenia. Jaki jest z tego zysk? Pamiętajmy, że gaz można skroplić na dwa sposoby: poprzez ochłodzenie lub sprężenie, albo na oba sposoby naraz. Te dwa procesy są ze sobą powiązane - jeśli ochłodzimy o ileś tam stopni, to ciśnienie potrzebne do skroplenia maleje, a jak sprężymy, to temperatura skroplenia wzrasta. Piszę o tym, bo jest to pewna specyficzna cecha u gazów - im niższa temperatura wrzenia (temperatura parującego gazu przy ciśnieniu atmosferycznym), tym większe trudności z skropleniem. Potrzeba do tego odpowiedniej temperatury lub ciśnienia. Co to oznacza? To, że w drugim stopniu stosuje się gazy o niskiej temperaturze wrzenia. Pierwszy stopień ma za zadanie, poprzez ochłodzenie drugostopniowego gazu do niskiej temperatury, skroplić go. Dla zobrazowania pokazuję wykres zależności ciśnienia od temperatury dla etylenu (występuje także pod nazwą eten, C2H4 lub R1150 i jest jednym z najczęściej stosowanych gazów niskotemperaturowych). Krzywa składa się z punktów zwanymi stanami nasycenia. Stan nasycenia to moment, w którym czynnik chłodniczy ma postać gazową i ciekłą. Zależnie do tego, czy zwiększamy ciśnienie, bądź obniżamy temperaturę, albo odwrotnie, uzyskujemy ciecz albo gaz. Punkt może być także momentem wrzenia lub parowania, zależnie od tego, w jakim stanie był płyn (mała uwaga, wg. fizycznej definicji, płynem może być gaz lub ciecz) przed procesem przemiany. Wykres jest często stosowany w chłodnictwie do sprawdzenia, w jakim stanie występuje płyn, mając dane ciśnienie i temperaturę i bywa nieodzowny w diagnostyce.
Gdybyśmy zastosowali ten gaz w pojedyncznym układzie, gdzie skraplacz jest chłodzony powietrzem, a nie przez inny układ, to, zakładając, że skraplacz chłodzony powietrzem schłodzi gaz do temperatury +40°C, potrzebowalibyśmy ciśnienia.. żadnego. Dlaczego? Zauważmy, że krzywa kończy się w punkcie zwanym punkcie krytycznym . Jest to temperatura, powyżej której, niezależnie od tego, jak olbrzymie będzie ciśnienie, nie skroplimy go. Żeby skroplić etylen, potrzebujemy temperatury minimum +10°C. W tej temperaturze potrzebne jest ciśnienie około 55 atmosfer. Ciśnienie to panuje w wodzie na głębokości 550 metrów (1 atmosfera na każde 10m głębokości). Spokojnie rozgniotłoby człowieka na miazgę. Nie jest to osiągalne dla typowych kompresorów chłodniczych, gdzie robocze ciśnienie wynosi do 20 barów (1 atmosfera równa się 1.01295 bara, czyli w przybliżeniu tyle samo), chwilowe do około 25 barów. Więc co robimy, żeby skroplić etylen? Obniżamy jego temperaturę! W tym celu używamy innego układu, zwaego pierwszym, lub wysokim stopniem. Po schłodzeniu gazu do -40°C, wg. wykresu wystarczy 15 barów. Kompresor bez problemu spręży gaz do odpowiedniego ciśnienia i w ten sposób uzyskujemy ciekły etylen. Po skropleniu ciecz trafia do zaworu rozprężnego. Jest to element układu, który dzieli stronę wysokiego i niskiego ciśnienia. Następuje tu olbrzymi spadek ciśnienia do około 0 barów. Gwałtowny i duży spadek sprawia, że proces parowania również przebiega w zawrotnym tempie. Ponieważ jest to proces przemiany, potrzebna jest energia, aby podtrzymać przemianę. Energię tę ciecz pobiera z otoczenia. Otoczenie na skutek ubytku energii wewnętrznej (I zasada termodynamiki się kłania) ochładza się. Ciecz po rozprężeniu wraca do sprężarki, która ją ponownie spręża, tym samym kończąc cykl termodynamiczny, jaki odbywa się w niskim stopniu. I to jest ta cała teoria działania klasycznego dwustopniowego układu kaskadowego.
Teraz czas na praktykę - wytłumaczę, jak to działa w praktyce. W tym celu skorzystamy z schematu:
Po lewej stronie mamy wysoki stopień, a po prawej niski. Mają wspólną część w postaci międzystopniowego wymiennika ciepła, gdzie wysoki stopień chłodzi niski. Dla przejrzystości oddzieliłem w schemacie te stopnie. Zacznijmy od wysokiego. W sprężarce gaz jest sprężany do wysokiego ciśnienia około kilkunastu barów. Zgodnie z pierwszą zasadą termodynamiki, tłok, który pracuje nad gazem, ogrzewa go jednocześnie. Skutkiem czego gaz wylatujący z sprężarki ma wysokie ciśnienie i temperaturę. Wynosi ona zazwyczaj około +80°C. Następnie, zanim rozprężymy gaz w celu ochłodzenia, musimy go skroplić. Proces skroplenia odbywa się w skraplaczu, który ma postać chłodnicy z wentylatorem. Po ochłodzeniu do temperatury niewiele wyższej od otoczenia (notka : w wysokim stopniu dobiera się taki gaz, który skropli się w takich temperaturach). Między skraplaczem a sprężarką jest zagięcie rury w postaci U (u-bends
na schemacie). Ma to na celu amortyzację silnych wibracji, które występują podczas rozruchu i wyłączania sprężarki. Inaczej połączenia rur byłyby narażone na rozerwanie, a to, zapewniam Was, nic dobrego by nie wróżyło. Układy muszą się w jakimś stopniu odznaczać wewnętrzną czystością. Resztki tlenków po spawaniu, brudny olej, czynnik i inne paskudztwa mogą zatkać newralgiczne punktu układu i doprowadzić do poważnych problemów. W tym celu stosuje się filtry, które gromadzą nie tylko brud, ale i wilgoć, która z kolei mogłaby zamarznąć w chłodnych partiach układu i zatkać przepływ. Dodatkowo filtry mogą działać jako zbiorniki cieczy. Pamiętajmy, że tylko ciekła postać może się rozprężyć, więc jeśli do zaworu rozprężnego docierają bąble, odbija się to negatywnie na wydajności chłodniczej. Zbiornik, dzięki grawitacji, gromadzi ciecz na dole, przy wylocie, a gaz wypierany jest do góry, gdzie siedzi, dopóki nie skropli się do końca. Sam filtr dobrze działa w układach, gdzie parownik jest mały i pobiera niewiele ciepła. Ale jeśli mamy do czynienia z dużo większą ilością ciepła do pobrania i większą powierzchnią wymiany cieplnej, musimy zapewnić dopływ większej ilości ciekłego czynnika. To oczywiście sprawia, że konieczne jest zwiększene przestrzeni, w której ciecz się gromadzi, zanim dociera do parownika. Można kupić większy filtr, ale najopłacalniej jest zrobić osobny zbiornik cieczy, który oznaczyłem na schemacie jako receiver
. Ciecz przepływa bezpośrednio od zbiornika do zaworu rozprężnego. Możemy zastosować wziernik (sight glass
) - jest to okienko, przez które możemy zobaczyć, jak wygląda przepływająca ciecz. Jest to proste narzędzie diagnostyczne - obserwujemy, czy nie ma bąbli. Jeśli są bąble, to najczęściej oznacza to zbyt małą ilość czynnika chłodniczego, albo niewydolność skraplacza. Zaworem rozprężnym może być któryś z wielu ich typów, rurka kapilarna (capillary tube), elektroniczny (EEV - electronic expansion valve), presostatyczny (CPEV - constant pressure expansion valve) lub termostatyczny zawór rozprężny (TEV - thermostatic expansion valve). Każdy ma swoje zalety, wady i warunki, w których najlepiej działa. Najczęściej stosowane przez hobbystów, to rurka kapilarna i termostatyczny zawór. Nieco mniejszą popularnością cieszy się presostatyczny zawór. HAV z schematu to skrót od Hand Adjusted Valve, czyli ręcznie regulowany zawór. Nazwa nie występuje powszechnie, jest wymyślona przez małą grupę ludzi. Ten zawór miał być przeróbką TEV, tak, abym mógł go regulować ręcznie. Po zaworze rozprężnym jest parownik (rzadko nazywany parowaczem), czyli komora, w której ciecz paruje i absorbuje ciepło od otoczenia. Rozprężony gaz wraca do sprężarki, napotykając po drodze zagięcie, które ma takie samo zadanie, jak to za sprężarką. Te wystające kawałki rurek zakończone kulkami to zawory serwisowe służące do przyłączania urządzeń mierniczych oraz do napełniania i opróźniania układu. To byłoby na tyle
, jeśli chodzi o wysoki stopień. A teraz przechodzimy teraz do znacznie ciekawszego stopnia, czyli niskiego, gdzie problemów jest bez liku, zaszczytów odmrożenia którejś górnej kończyny mnogo, a okazji do wybałuszczania gał na widok manometra wskazującego ciśnienie grubo wyższe od bezpiecznego i wyciekającego trującego i łatwopalnego gazu jest co niemiara :) Ale czego to się nie robi dla ujrzenia na termometrze trzycyfrowej liczby z znaczkiem minusa? ;-)
Zasada działania jest bardzo podobna do wysokiego stopnia. Jest pięć zasadniczych różnic: zastosowanie wysokociśnieniowego (i jednocześnie niskotemperaturowego) gazu, separator oleju (oil separator
) i skraplacz (condenser (interstage HX)
) oraz zbiornik wyrównawczy (expansion tank
). Najpierw poinformuję, że prawie wszystkie sprężarki rotacyjne oraz tłokowe mają wbudowaną miskę olejową przez którą przelatuje czynnik chłodniczy. Ponieważ silnik się grzeje, olej, który działa jako medium chłodnicze dla niego, także nagrzewa się. Aby usunąć nadmiar ciepła, sprężarkę ustawia się w polu nawiewu wentylatora skraplacza. Ale to dalej za mało, więc inżynierowie od chłodnictwa wpadli na pomysł zastosowania czynników chłodniczych, które mieszają się z olejem. Taki czynnik sprawia, że olej krąży się po całym układzie. Ma to zaletę i wadę : olej się chłodzi (tak samo jak silnik) ale może osadzić się w pewnych punktach układu. Schody
zaczynają się w przypadku niskiego stopnia. Tu niskie temperatury rzędu -60°C sprawiają, że olej niemiłosiernie gęstnieje, a nawet zamarza. Można zastosować specjalistyczne kriogeniczne oleje za skromne kilkaset złotych za litr. Mają dużo niższą temperaturę krzepnięcia, ale niewystarczającą. I tu do gry wchodzi separator oleju, który oddziela olej od czynnika chłodniczego i zwraca sprężarce. Jednak nie ma idealnego separatora - wysokiej klasy separator ma efektywność około 99%. Najlepszym rozwiązaniem byłoby zastosowanie sprężarki z osobną miską olejową. Ale taką opcję mają gigantyczne sprężarki przemysłowe o kosmicznej wydajności chłodniczej, więc odpada to dla nas, hobbystów. Dla nas nie ma idealnego rozwiązania - sam separator musi wystarczyć. W celu odciążenia pierwszego stopnia możemy ochłodzić nieco gaz z drugiego stopnia. Można to zrobić za pomocą niewielkiego skraplacza ('desuperheater'). Nie jest to konieczne, zwłaszcza, jeśli ma się dobrze zrobiony międzystopniowy wymiennik i wydajny pierwszy stopień. Zbiornik ekspansywny to zabezpieczenie, głównie dla tych, którzy budują tego rodzaju układy i nie mają zbyt wiele doświadczenia z napełnianiem. Chodzi o to, że w drugim stopniu jest wysokociśnieniowy gaz, który podczas pracy jest chłodzony do niskiej temperatury. Sprawia to, że ciśnienie znacznie maleje, do bezpiecznego poziomu. Jednak, jeśli wyłączymy wszystkie stopnie, gaz ogrzewa się do temperatury otoczenia, podnosząc tym samym ciśnienie w układzie. Jeśli gazu jest spora ilość, to ciśnienie może być na tyle wysokie, że rozerwie jakieś elementy. Nie muszę chyba mówić, że to jest dla nas niebezpieczne, jako że wysokie ciśnienie może wystrzelić kawałki metalu z sporą energią. Zbiornik ekspansywny działa w ten sposób, że podczas pracy nie ma wpływu na pracę (gaz leci tam, gdzie jest mniejsze ciśnienie, czyli do sprężarki, a poza tym rurka kapilarna jest tak cienka, że ciężko mówić o przepływie), ale po wyłączeniu kaskady gaz grzecznie rozpręża się w nim. Im większy zbiornik, tym mniejsze ciśnienie statyczne (czyli ciśnienie przy temperaturze pokojowej). Brakuje w schemacie dwóch elementów bezpieczeństwa, czyli presostatu, który odcina zasilanie po przekroczeniu danego ciśnienia oraz zawór upustowy, który wypuszcza gaz, także po przekroczeniu maksymalnego ciśnienia. Między linią ssącą (linia łącząca parownik ze sprężarką zawierająca rozprężony gaz) a odolejaczem jest umieszczony zawór ('king valve'). Gdyby był cały czas otwarty, część niskostopniowego gazu uleciałaby do sprężarki, zamiast do parownika. Mniejsza ilość gazu oznacza mniejszą wydajność cieplną. Krótko mówiąc, zawór jest zamknięty na czas pracy układu i jest otwierany pod koniec (a może i rzadziej) w celu przepompowania zgromadzonego oleju do sprężarki.
W planach mam napisanie relacji z budowania kaskady. Jednak, na skutek zmiany koncepcji i braku kilku elementów, projekt został wstrzymany aż do skompletowania wszystkich części.