Projekt okładki i stron tytułowych: Lidia Michalak-Mirońska

Fotografia i zdjęcia na okładce: Dmitrynew83/Dreamstime

Wydawca: Adam Filutowski

Koordynator ds. redakcji: Adam Kowalski

Redaktor: Irena Puchalska

Produkcja: Mariola Grzywacka

Dział reklamy: Magdalena Lewocka (magdalena.lewocka@pwn.pl)
Urszula Obrycka (urszula.obrycka@pwn.pl)

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwo Naukowe PWN S.A.:
Michał Latusek

Recenzent: dr inż. Tomasz Łokietek, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2024

ISBN 978-83-01-23402-7

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2024r. (Wydanie I)

Warszawa 2024

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321; faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Fragment

Wstęp

1. Chłodnictwo konwencjonalne

1.1. Podstawowy sprężarkowy obieg chłodniczy

1.2. Rozwinięte układy sprężarkowe

1.2.1. Wykorzystanie regeneratora

1.2.2. Układy dwustopniowe z wewnętrzną chłodnicą międzystopniową

1.2.3. Układy z dwoma poziomami temperatury odparowania

1.2.4. Układy chłodnicze typu booster

1.2.5. Układy kaskadowe

1.3. Sterowanie urządzeniami chłodniczymi

1.4. Czynniki chłodnicze

1.5. Podsumowanie

2. Chłodnictwo magnetokaloryczne

2.1. Materiały magnetokaloryczne

2.2. Obiegi realizowane przez układy magnetyczne

2.2.1. Obieg Carnota

2.2.2. Obieg Brytona

2.2.3. Obieg Ericssona

2.2.4. Obiegi kaskadowe

2.3. Fizyczne realizacje obiegów magnetycznych

2.3.1. Urządzenia tłokowe z regeneratorem

2.3.2. Urządzenia obrotowe

2.3.3. Czynniki robocze stosowane w urządzeniach magnetycznych

3. Chłodnictwo sorpcyjne

3.1. Urządzenia absorpcyjne

3.1.1. Efektywność chłodnicza urządzeń absorpcyjnych

3.2. Urządzenia adsorpcyjne

4. Chłodnictwo termoelektryczne

4.1. Efekt Peltiera

4.2. Efektywność chłodnicza układów Peltiera

4.3. Materiały wykorzystywane w układach Peltiera

4.4. Zastosowanie urządzeń termoelektrycznych do chłodzenia

4.4.1. Chłodziarki termoelektryczne

4.4.2. Chłodzenie elektroniki

4.4.3. Klimatyzacja w samochodach

4.4.4. Chłodzenie baterii w samochodach

4.4.5. Stacjonarne systemy klimatyzacji

5. Wykorzystanie strumienic w chłodnictwie

5.1. Zasada działania strumienicy

5.2. Obiegi strumienicowe

5.2.1. Podstawowy obieg strumienicowy

5.2.2. Układ z podgrzewaczem i chłodnicą wstępną

5.2.3. Układ łączony z turbiną

5.2.4. Układy grawitacyjne

5.2.5. Układ z dwoma strumienicami

5.2.6. Układy wielostrumienicowe

5.3. Efektywność układów strumienicowych

5.4. Czynniki chłodnicze stosowane w układach strumienicowych

5.5. Podsumowanie

6. Chłodzenie próżniowe

6.1. Mechanizm chłodzenia próżniowego

6.2. Produkty poddawane chłodzeniu próżniowemu

6.3. Wymiana ciepła i masy w procesie chłodzenia próżniowego

6.3.1. Zmiana temperatury materiału

6.4. Rozwiązania techniczne chłodzenia próżniowego

6.5. Podsumowanie

7. Chłodziarki Stirlinga

7.1. Zasada działania chłodziarek Stirlinga

7.2. Podstawowe rozwiązania konstrukcyjne

7.3. Nowoczesne konstrukcje urządzeń chłodniczych wykorzystujące obiegi Stirlinga

7.3.1. Urządzenia z tłokami cieczowymi

7.3.2. Układy wielostopniowe

7.4. Ograniczenia pracy urządzeń Stirlinga

8. Rury pulsacyjne

8.1. Rury pulsacyjne pierwszej generacji

8.2. Rury pulsacyjne drugiej generacji

8.3. Rury pulsacyjne trzeciej generacji

8.4. Konstrukcje rur pulsacyjnych

8.5. Zastosowanie rur pulsacyjnych

8.5.1. Chłodzenie i mrożenie żywności

8.5.2. Zastosowania w kriogenice

8.6. Podsumowanie

9. Termoakustyczne urządzenia chłodnicze

9.1. Zasada działania

9.2. Podstawowe parametry opisujące urządzenia termoakustyczne

9.3. Sposób napędu urządzeń termoakustycznych

9.4. Urządzenia z falą stojącą

9.5. Urządzenia z falą biegnącą

9.6. Podsumowanie

10. Rurki ciepła

10.1. Cylindryczne rurki ciepła

10.1.1. Grawitacyjne rurki ciepła

10.1.2. Rurki ciepła ze strukturą kapilarną

10.2. Zapętlone rurki ciepła

10.3. Pulsacyjne rurki ciepła

10.4. Rurki ciepła o zmiennej przewodności cieplnej

10.5. Obrotowe rurki ciepła

10.6. Limit transportu ciepła rurkami ciepła

10.6.1. Limit różnicy temperatury

10.7. Materiały

10.7.1. Materiał wypełnienia struktury kapilarnej

10.7.2. Czynniki robocze rurek ciepła

10.8. Podsumowanie

11. Chłód sieciowy

11.1. Trójgeneracja

11.1.1. System rozproszony

11.1.2. System scentralizowany ze zdecentralizowaną generacją chłodu

11.1.3. System scentralizowany

11.2. Współpraca z pompami ciepła

11.3. Chłód odpadowy

11.4. Przegląd instalacji chłodu sieciowego

11.5. Podsumowanie

Bibliografia

Przypisy

Pozostałe rozdziały dostępne w pełnej wersji e-booka.

Wstęp

Chłodnictwo historycznie było związane z rolnictwem. Wraz ze zmianą nawyków ludzkości i przejściem z łowiecko-zbierackiego trybu życia do osiadłego, opartego na uprawie roli, zaczęto poszukiwać metod przechowywania żywności. Oprócz suszenia, wędzenia, kiszenia, przechowywania w kwasie octowym czy oleju zauważono także, że obniżając temperaturę żywności, można ją dłużej przechowywać. Pierwsze metody chłodzenia to dobrze wszystkim znane ziemianki i piwnice, gdzie w okresie letnim temperatura była utrzymywana na poziomie temperatury gruntu. W warunkach Polski jest to około 8°C. W rejonach, gdzie lód był dostępny w okresie zimowym, z czasem zaczęto stosować metody z jego wykorzystaniem. Stosowane rozwiązania z użyciem lodu stały się na tyle popularne, że lód zaczęto transportować z rejonów północnych w rejony południowe. Rynek transportu lodu z północy na południe zapoczątkowany został przez Frederica Tudora w 1806 roku. Największe ilości lodu transportowano statkami pod koniec XIX wieku. A transport odbywał się z Ameryki Północnej nawet do południowej Afryki czy Australii. Warto zwrócić uwagę, że metoda wykorzystania lodu była stosowana powszechnie do XX wieku, a w Stanach Zjednoczonych lodówki wypełniane lodem (a nie napędzane mechanicznie) stanowiły większość rynku domowych urządzeń chłodniczych aż do lat sześćdziesiątych.

W chwili obecnej chłodnictwo nadal w głównej mierze jest związane z przetwórstwem żywności. Jest to obszar, który obejmuje największą część branży. Wraz z rozwojem technologii i zwiększonym komfortem życia pojawiły się inne obszary wymagające wykorzystywania niskiej temperatury. Mowa tu przede wszystkim o klimatyzacji bytowej i technologicznej oraz wykorzystaniu chłodu w procesach przemysłowych.

Klimatyzacja bytowa wydaje się dość niedawnym osiągnięciem ludzkości, natomiast rozwiązania służące do polepszania komfortu życia w pomieszczeniach powstały już w starożytnej Persji ponad 2500 lat temu [1]. Wieże, które kojarzymy z typową architekturą starożytnej Persji, a potem także z architekturą arabską, były kominami, które miały za zadanie transportować powietrze do otoczenia z przestrzeni, w której znajdowały się zbiorniki z wodą. Przepływ powietrza wymuszał większe odparowanie wody, a tym samym powodował ochłodzenie tego powietrza. Była to typowa chłodnia kominowa, czyli wyparny system chłodzenia [2]. Rozwiązanie to idealnie sprawdzało się w gorącym i suchym klimacie, dlatego stosowane jest do dzisiaj. W warunkach polskich chłodnie kominowe są powszechnie stosowane w instalacjach przemysłowych oraz w skraplaczach natryskowo-wyparnych będących częścią instalacji chłodniczych czy klimatyzacyjnych.

Oprócz klimatyzacji bytowej wyróżnia się także klimatyzację technologiczną. W wielu procesach, w których realizowane są procesy produkcyjne, należy zachować odpowiednie parametry wilgotnościowe i temperaturowe w pomieszczeniach. Dotyczy to między innymi branży papierniczej, włókienniczej, a także produkcji elementów elektrycznych, elektronicznych, optycznych, farmaceutycznych czy medycznych – związane jest z nimi tak zwane pojęcie czystych pomieszczeń (ang. clean room).

Chłodzenie wykorzystywane do procesów przemysłowych ma dwa główne zastosowania. Jedno to jest chłodzenie elektroniki (już nie jej produkcję, a użytkowanie), a drugie to chłodzenie pozostałych procesów przemysłowych. Elektronika została tutaj wyróżniona dlatego, że gęstość odbioru chłodu jest na poziomie kilkudziesięciu kilowatów na metr kwadratowy. Dotyczy to chłodzenia elektroniki zarówno bezpośrednio, jak i całych serwerowni. W innych procesach przemysłowych nie są to aż tak duże wartości i w wielu przypadkach do chłodzenia można wykorzystać ciecz, co zdecydowanie redukuje objętości wymienników ciepła. A chodzi tu o procesy takie jak chłodzenie wtryskarek, urządzeń do wulkanizacji itp.

Istnieje także wiele niszowych zastosowań chłodnictwa czy klimatyzacji, natomiast w niniejszej książce nie będziemy się zajmować nimi wszystkimi ze względu na dużą liczbę tych rozwiązań. Warto choćby wspomnieć, że wszystkie opisane tutaj rozwiązania można łączyć w instalacje hybrydowe lub kaskadowe, co pozwala na budowanie coraz bardziej skomplikowanych urządzeń czy instalacji, w zależności od wymagań. Książka ta ma być więc podstawą do budowy i rozwoju nowych urządzeń przez techników i inżynierów z branży chłodniczej.

A zatem, jak można zauważyć, chłodnictwo i klimatyzacja są wszechobecne w otaczającym nas świecie. Zużycie energii elektrycznej na potrzeby chłodnictwa i klimatyzacji w Unii Europejskiej w okresie letnim stanowi często ponad połowę całkowitego zużycia. Ta tendencja jest rosnąca, przede wszystkim ze względu na zwiększanie się liczby urządzeń w sektorze klimatyzacji bytowej. Rynek europejski jest jeszcze bardzo daleki od nasycenia.

Najczęściej spotykanymi urządzeniami w sektorze chłodnictwa i klimatyzacji są urządzenia sprężarkowe. W ich przypadku bardzo dużym problemem są stosowane czynniki chłodnicze. Można powiedzieć, że historia zatoczyła koło, gdyż pierwotnie w sprężarkowych urządzeniach chłodniczych stosowano czynniki naturalne. Czynniki naturalne zostały wyparte przez czynniki syntetyczne, przede wszystkim przez czynniki z grupy CFC, gdyż czynniki syntetyczne nie były ani palne, ani toksyczne. Były bezpieczne dla użytkowników i serwisantów. Po latach okazało się, że czynniki z grupy CFC przyczyniały się do niszczenia warstwy ozonowej. Wycofując czynniki z grupy CFC, najpierw stosowano czynniki syntetyczne z grupy HCFC, a następnie z grupy HFC. Te z kolei mają wysoki współczynnik GWP (ang. Global Warming Potential – potencjał tworzenia efektu cieplarnianego). Z tego powodu Komisja Europejska od kilkunastu lat ogranicza stosowanie czynników z grupy HFC, planując w niedalekiej przyszłości całkowity zakaz ich stosowania. Na rynku znów najpopularniejsze stają się naturalne czynniki chłodnicze. Wadami tych czynników jest to, że:

• są palne (izobutan, propan, propylen);

• toksyczne (amoniak);

• pracują, w branży chłodniczej, w wysokich podciśnieniach (woda);

• pracują, w branży chłodniczej, w wysokich ciśnieniach lub realizują obiegi nadkrytyczne – co nie we wszystkich aplikacjach jest korzystne (CO₂);

• realizują tylko obiegi gazowe (powietrze).

Urządzenia sprężarkowe w najbliższych latach nadal będą odgrywać główną rolę w branży chłodnictwa, klimatyzacji i pomp ciepła, należy zwrócić jednak uwagę, że na rynku widoczna jest tendencja do stosowania innych rozwiązań. Rozwiązania te często są powiązane z takimi obszarami jak na przykład odzysk ciepła odpadowego czy wykorzystanie promieniowania słonecznego. W niniejszej publikacji skupimy się na zaprezentowaniu właśnie tych rozwiązań. Naszym celem jest zwiększenie świadomości branży chłodniczej w tym obszarze. Warto także zwrócić uwagę na to, że książka jest przeznaczona dla czytelników dysponujących już podstawową wiedzą w obszarze sprężarkowych urządzeń chłodniczych.

1

Chłodnictwo konwencjonalne

Urządzenia i instalacje generujące chłód, które są wykorzystywane w takich branżach jak chłodnictwo, klimatyzacja i pompy ciepła, są dzielone ze względu na zakres temperaturowy, w jakim odbierają ciepło. Powszechnie stosowane nazewnictwo tych sektorów zaprezentowano w tabeli 1.1.

Tabela 1.1. Podział urządzeń chłodniczych ze względu na temperaturę dolnego źródła ciepła, bez uwzględnienia obszaru kriogeniki [3]

Skrót

Nazwa

Temperatura dolnego źródła ciepła

Zastosowanie

LT

chłodnictwo niskotemperaturowe

od –20 do –35

przechowywanie mrożonej żywności o szczególnych wymaganiach: ryby, lody

MT

chłodnictwo średniotemperaturowe

od –5 do –20

przechowywanie mrożonej żywności

HT

chłodnictwo wysokotemperaturowe

od –5 do +2

przechowywanie chłodzonej żywności

AC

systemy klimatyzacji

od +5 do +12

chłodzenie pomieszczeń

HP

pompy ciepła

od –20 do +20

ogrzewanie pomieszczeń

Chłodnictwo konwencjonalne jest oparte przede wszystkim na obiegach sprężarkowych. Wynika to z w pełni skomercjalizowanych rozwiązań dostępnych na rynku, łatwości montażu tego typu urządzeń, dość wysokiej niezawodności oraz szerokiego zakresu cenowego urządzeń. W zależności od ceny dostępne są urządzenia lepszej lub gorszej jakości.

1.1. Podstawowy sprężarkowy obieg chłodniczy

Suchy obieg Lindego jest podstawowym obiegiem realizowanym w instalacjach chłodniczych, klimatyzacyjnych i pompach ciepła. Urządzenie, w uproszczeniu, składa się z czterech głównych elementów. Są to: sprężarka, skraplacz, element rozprężny oraz parownik (rys. 1.1).

Rys. 1.1. Podstawowy sprężarkowy obieg chłodniczy

Obieg Lindego realizuje cztery przemiany termodynamiczne (rys. 1.2). Zaczynając od procesu 1–2, jest to sprężanie – w ujęciu idealnym jest to sprężanie izentropowe. Kolejna przemiana zachodzi w skraplaczu, proces 2–3. Przy stałym ciśnieniu czynnik roboczy najpierw jest ochładzany, a następnie przechodzi proces właściwego skraplania. Proces kończy się w punkcie 3 na linii nasycenia. Kolejny etap to rozprężanie – proces 3–4 – jest to proces izentalpowy. Rozpoczyna się na linii nasycenia 3 i kończy w punkcie 4, w obszarze pary mokrej. Ostatni proces – linia 4–1, to wrzenie czynnika roboczego (nazywane potocznie parowaniem).

Efektywność urządzeń chłodniczych określa się współczynnikiem EER (ang. Energy Efficiency Ratio), który definiuje się w postaci stosunku uzyskiwanej mocy chłodniczej do mocy dostarczonej do sprężarki L

(1.1)

lub wykorzystując wykres ciśnienie–entalpia (rys. 1.2)

Rys. 1.2. Przemiany termodynamiczne w podstawowym sprężarkowym obiegu chłodniczym