32. Strojní chlazení

Úkolem strojního chlazení je v daném prostředí snížit teplotu pod teplotu okolí. Chlazení látek a předmětů má velký význam v širokém spektru lidské činnosti (v chemickém průmyslu při výrobě plastů umělých kaučuků, ve strojírenství při kalení a zušlechťování, ve zdravotnictví, stavebnictví atd…). Principem strojního chlazení je úkaz známý z termomechaniky, že každá kapalina se při přeměně v páru (při expanzi) spotřebuje.

1. Chladiva a solanky
Chladiva jsou kapaliny, které při své přeměně v páru odnímají svému okolí. Nejvhodnější chladiva jsou taková, která mají nízký bod varu a velké výparné teplo (přehled nejpoužívanějších chladiv v tabulce).

Důležité vlastnosti:
– bod varu za atmosférického tlaku by měl být pod 0°C
– páry chladiva lze snadno zkapalnit při teplotě kolem 25°C
– velké výparné teplo, aby nebylo potřeba velké množství chladiva
– nesmí narušovat materiál chladícího zařízení
– musí být nehořlavé a nejedovaté

Chlazení, kdy je chlazený předmět/látka umístěn přímo ve výparníku, se nazývá přímě chlazení. U nepřímého chlazení, kdy je třeba zajistit chlazení na větší vzdálenost nebo z nějakého jiného důvodu umístit chlazený předmět jinam, použijeme pro přenos chladu další kapalinu, tzv. solanku. Na místo určení se čerpá potrubím.

Solanka je teplonosná látka, která zůstává tekutá i při nízkých teplotách pod bodem mrazu a při oběhu nemění své skupenství. Nejčastěji se používá roztok vody a soli – např. CaCl2, který tuhne při -55°C. Tam, kde se jedná o teploty těsně nad bodem mrazu (klimatizace) se dá použít i voda. Pro velmi nízké teploty je vhodný methanol atd…

2. Přímé a nepřímé strojní chlazení
Nejdůležitější způsoby strojního chlazení
– kompresní chladící oběh – může být použito jakéhokoliv kompresoru
– absorpční chladící oběh – chladivo je pohlcováno do jiné látky a teplem je z ní vypuzováno do chladícího oběhu

Kompresní chladící oběh s přímým chlazením (320)
– menší teplotní rozdíl mezi chladivem ve výparníku a chlazenou látkou
– nižší spotřeba elektrické energie
– menší pořizovací náklady

Kompresní chladící oběh s nepřímým chlazením (321)
– při poškození výparníku se nepoškodí chlazený předmět

Možnosti zvýšení účinnosti chlazení:
– dvoustupňové stlačování kompresorem
– dvoustupňové škrcení

Výpočet kompresního chladícího oběhu

Základní hodnoty lze určit z diagramu nebo vypočítat množství tepla odvedené v kondensátoru qk (čára 2-3):

Přivedené teplo ve výparníku (4-1) vypařováním kapalného čpavku, tzv. hmotnostní chladivost:

Adiabatická měrná práce kompresoru:

Pro porovnání úseků (4-2) a (2-3) platí

Pro celkový tepelný tok odváděný v kondensátoru platí:

– celkový chladící výkon
– adiabatický výkon kompresoru

Chladící výkon musí zajistit příslušný hmotnostní průtok chladiva:

Charakteristická hodnota oběhu je tzv. chladící činitel :

Absorpční chladící oběh s přímý chlazením – kompresor je nahrazen jednak absorbérem, kde jsou páry chladiva pohlcovány vodou, jednak vypuzovačem, odkud jsou teplem vytlačovány jen páry chladiva do kondensátoru. Tento způsob chlazen používá v domácích chladničkách, protože je bezhlučný. Součástí oběhu je kromě chladiva a absorbentu také třetí látky, která zajišťuje vyrovnání tlaků v celém oběhu a není proto nutné použít čerpadla.
Výhody absorpčních chladniček:
– bezhlučný provoz
– menší poruchovost a dlouhodobý provoz téměř bez údržby
– možnost použít k vytápění plyn – levnější provoz

3. Tepelná čerpadla
Každé chladící zařízení uvolňuje kondensátorem teplo, které může být využito na ohřívání vzduchu v místnosti. Takto je možno vytápět i celé budovy, jestliže vedeme teplo od kondensátorů do otopných těles. Princip je obdobný jako u chladících zařízení. Chladivo cirkulující v oběhu odebere za nízkého tlaku ve výparníku teplo svému prostředí. Chladivo tak přejde i za velmi nízkých teplot z kapalného do plynného skupenství. Je nasáto a stlačeno kompresorem, čímž se zvýší jeho tlak a stoupne tak i jeho teplota. V kondensátoru chladivo opět zkapalní a předá své teplo. Ve škrtícím ventilu se opět sníží tlak na původní a celý cyklus se opakuje. Takto je možné získat i teplo ze zdrojů o poměrně nízké teplotě nad 0°C (třeba jen 8°C např. voda v jezeře, v řece, vzduch z hlubokých šachet)

Takovýto způsob vytápění je vhodný zejména tam, kde je k dispozici levný elektrický proud k pohonu kompresoru. Tepelným čerpadlem je možné získat až 8krát více tepla něž elektrickým odporovým topidlem při stejné spotřebě elektrické energie. Nízké provozní náklady kontrastují s velkými pořizovacími náklady, protože otopná tělesa mají poměrně nízkou teplotu a proto musí mít velké povrchové plochy.

4. Provoz a údržba strojního chlazení
Provoz chladícího zařízení se reguluje průtokem chladiva. K tomu účelu slouží několik zařízení, která automaticky propouštějí do výparníku jen tolik chladiva, kolik je potřeba k okamžitému chladícímu výkonu.

Pro provoz a údržbu je nutno zajistit kvalifikovanou obsluhu. Při údržbě je důležité čistit vnitřní plochy zařízení, aby se nezanášely a tím se nezhoršoval výkon zařízení. Z tohoto důvodu se nesmí míchat různá chladiva a solanky.

Nejdůležitější je zajištění těsnosti celého zařízení, zvláště na místech kde je vyšší tlak než atmosférický a u kapalin místa, kde je tlak vyšší než hydrostatický. Jednak se snižuje účinnost celého zařízení a jednak chladiva jsou mnohdy zdraví nebezpečná.