5. Zasady opracowywania bilansów cieplnych i ich konsekwencje

5. Zasady opracowywania bilansów cieplnych i ich konsekwencje dla kompletacji podstawowych
elementów urządzenia:
- elementy typowego bilansu cieplnego dla komory chłodniczej
Qd - ciepło przenikające przez ściany, sufit i podłogę komory chłodniczej,
Qw - ciepło odprowadzane od chłodzonego towaru,
QL - ciepło oddane przez powietrze, które zostało wprowadzone do komory w sposób niezamierzony, czyli
np. przez otwarte drzwi,
Qv - ciepło związane z pracą wentylatora chłodnicy powietrza,
Qah - ciepło wydzielane podczas przeprowadzania procesu odszraniania,
QMa - ciepło pochodzące od oświetlenia, maszyn oraz podobnych urządzeń znajdujących się w chłodni,
QMe - ciepło wydzielane przez ludzi,
QS - dodatkowa założona wcześniej ilość ciepła na wypadek gdyby nastąpiły jakieś
nieprzewidziane zmiany obciążenia komory chłodzonej.
Zatem bilans chłodni ma następującą postać:
Q=Qd+Qw+QL+Qv+Qah+QMa+QMe+QS [Wh]
Obciążenie cieplne komory chłodniczej jest wyznaczane jako dobowe, czyli dla 24 godzin.
- zasady komplementacji podstawowych elementów urządzenia chłodniczego
Bilans cieplny opiera się na 1-szej i 2-giej zasadzie termodynamiki. W każdym przypadku kiedy jesteśmy
zmuszeni go sporządzić powinniśmy trzymać się dwóch podstawowych zasad. Bilans sporządzamy przy
założeniu, że:
1. na zewnątrz chłodni panują najwyższe temperatury otoczenia (lato);
2. komora chłodnicza jest maksymalnie obciążona (całkowite wypełnieni komory towarem oraz
maksymalny czas pracy komory).
Przez większość czasu użytkowania instalacji sprężarka skraplacz i parownik są przewymiarowane (stąd też
potrzeba zastosowania automatyki chłodniczej w celu zachowania stabilności pracy układu).
1
- niestabilne warunki pracy urządzenia i celowość regulacji jego wydajności
a. Cele procesu regulacji urządzeniach chłodniczych
W urządzeniach chłodniczych regulacje stosuje się po to, żeby osiągnąć wymagane
parametry w przestrzeni chłodzonej przy zachowaniu stabilnej pracy układu i to wszystko
musi się odbywać niezależnie od warunków zewnętrznych i wewnętrznych oddziałujących na
wszystkie elementy wchodzące w skład instalacji.
b. Cel regulacji temperatury?
Regulacji temperatury dokonuje się po to żeby:
- wszystkie procesy związane z utrwalaniem produktów przez obniżanie ich temperatury
zachodziły w optymalnych dla danego produktu warunkach. Tzn. po to żeby maksymalnie
wydłużyć czas przechowywania produktu przy jak najmniejszym obniżeniu jakości tego
produktu w odniesieniu do jego stanu początkowego (przed schładzaniem, zamrażaniem itp.);
Bilans energetyczny urządzenia chłodniczego
Podstawowa zasada bilansu energetycznego:
wydajność chłodnicza ≥ obciążenie cieplne
Obciążenie cieplne jest to suma wszystkich zysków i strat cieplnych obiektu chłodniczego, a są to:
- ciepło przenikania przez przegrody izolowane i mostki cieplne,
- ciepło wprowadzone do pomieszczenia przez powietrze wentylacyjne i wnikające do pomieszczeń
chłodzonych przez drzwi i różne otwory,
- ciepło wychładzania i zamrażania towarów,
- ciepło oddychania produktów ‘żywych’ (owoców i warzyw),
- ciepło oddawane do otoczenia przez pracujące maszyny (np. wentylatory, pompy), oświetlenie oraz ludzi,
- ciepło dostarczone do chłodnic podczas odtajania.
Wydajność chłodnicza – (moc) wydajność sprężarek chłodniczych obsługujących dany obiekt chłodniczy,
przy ściśle określonej temperaturze parowania i temperaturze skrapiania, uwzględniającej spadki ciśnień w
rurociągach.
2. Budowa i zasada działania sprężarkowego urządzenia chłodniczego (SUCH).
Chłodziarka sprężarkowa
Najprostszy układ chłodniczy składa się z następujących
elementów:
1. skraplacza,
2. elementu dławiącego (w urządzeniach domowych rolę tę
pełni rurka kapilarna),
3. parownika.
4. sprężarki.
2
W parowniku, który jest umiejscowiony w środowisku chłodzonym, panuje niskie ciśnienie więc i
temperatura.
Znajdujący się tam czynnik chłodniczy wrze, intensywnie odbierając ciepło.
Następnie jest zasysany i sprężany przez sprężarkę po czym trafia do skraplacza, gdzie pod wysokim
ciśnieniem ulega skropleniu.
Ciekły czynnik o temperaturze wyższej od temperatury otoczenia trafia do elementu dławiącego, ponieważ
jego ciśnienie musi zostać obniżone do ciśnienia panującego w parowniku.
Podczas dławienia część czynnika odparowuje powodując spadek temperatury pozostałej cieczy. Zimna
mieszanina cieczowo-parowa trafia do parownika i cykl się powtarza.
Budowa i zasada działania sprężarkowej pompy ciepła (SPC).
Działanie pompy ciepła przedstawia rysunek:
W obiegu zamkniętym krąży czynnik chłodniczy, który pobiera ciepło z powietrza, wody lub gruntu (dolne źródło
ciepła), odparowuje i oddaje ciepło poprzez wymiennik (górne źródło ciepła) wodzie lub powietrzu. Zmiany faz
zachodzą w parowniku i skraplaczu, rozprężanie w zaworze, sprężanie w sprężarce. Temperatura, jaką osiąga czynnik
nie przekracza 55°C i do skutecznego przekazania energii do ogrzewanych pomieszczeń stosuje się źródła ciepła
niskotemperaturowe (ogrzewanie powietrzne, podłogowe, grzejniki konwektorowe...).
Pompa ciepła pracując na zasadzie obniżania temperatury dolnego źródła i podnoszenia temperatury górnego
źródła, pozwala na odwrócenie procesu, co w efekcie daje możliwość klimatyzacji pomieszczeń w okresie letnim.
Najczęściej stosowanymi dolnymi źródłami ciepła są:
- gruntowa instalacja pozioma,
- gruntowa instalacja pionowa,
- zbiorniki wodne,
- woda głębinowa.
3
Pompa ciepła jest urządzeniem grzewczym, którego zadaniem jest przekazywanie ciepła do
środowiska ogrzewanego zwanego górnym źródłem ciepła (np. do powietrza w pomieszczeniu, bądź
do ciepłej wody użytkowej).
W tradycyjnych układach wykorzystywanych w ogrzewnictwie, doprowadzona do nich energia
(np. w postaci energii chemicznej zawartej w paliwie, albo energii elektrycznej) jest z pewną
sprawnością zamieniana na ciepło do ogrzewania. Natomiast pompa ciepła, dzięki dostarczeniu
energii napędowej, umożliwia transport ciepła z niższego poziomu temperaturowego na wyższy.
Transport ciepła w sprężarkowej pompie ciepła jest możliwy dzięki realizacji lewobieżnego,
parowego obiegu Lindego. Zasada działania tego urządzenia jest więc identyczna, jak w przypadku
każdego sprężarkowego urządzenia chłodniczego. Analogiczna jest też budowa układu (rys. 1).
Na strumień ciepła przekazywany ze skraplacza do górnego źródła ciepła składa się strumień
ciepła odebrany przez czynnik chłodniczy w parowniku ze źródła dolnego, powiększony o cieplny
ekwiwalent mocy napędowej niezbędnej do pracy urządzenia. W przypadku sprężarkowej pompy
ciepła, moc napędowa P jest dostarczana do silnika sprężarki pod postacią strumienia energii
elektrycznej.
4