Skraplacze w układach chłodniczych

Zasada działania skraplaczy

Funkcją skraplaczy stosowanych w układach chłodniczych jest odprowadzanie do otoczenia ciepła skraplania, które jest sumą ciepła parowania pobranego przez czynnik chłodniczy w parowniku, oraz ciepła uzyskanego w procesie sprężania.
Skraplacze zbudowane są z trzech stref. Pierwsza z nich to strefa chłodzenia, w której przegrzany czynnik chłodniczy w postaci pary zostaje schłodzony od temperatury przegrzania do temperatury skraplania. W strefie skraplania, przy stałej temperaturze i ciśnieniu, zachodzi skraplanie czynnika chłodniczego. W trzeciej strefie czynnikowi chłodniczemu zostaje odebrane ciepło przechłodzenia. W wyniku tego procesu spada temperatura czynnika chłodniczego z poziomu temperatury skraplania do poziomu temperatury przechłodzenia.

Podział skraplaczy

Skraplacze można uszeregować ze względu na rodzaj chłodziwa czyli czynnika chłodzącego, który odbiera ciepło przegrzania oraz skraplania par sprężonego czynnika chłodniczego. Dobór chłodziwa jest związany z  wydajnością cieplną skraplacza.
Wyróżnia się:

• skraplacze powietrzne (chłodziwem jest powietrze)
• skraplacze wodne (chłodziwem jest woda)

Skraplacze chłodzone powietrzem

Mogą wyróżniać się naturalnym lub wymuszonym przepływem powietrza chłodzącego. Uwzględniając rozwiązania konstrukcyjne dzieli się je także na:

• skraplacze płytowe
• skraplacze lamelowe
• skraplacze lamelowe z wentylatorem osiowym/promieniowym
• skraplacze drutowe

Skraplacze powietrzne stosowane są zarówno w chłodniczych urządzeniach freonowych jak i w amoniakalnych instalacjach ziębniczych. Zbudowane są z rur ożebrowanych, rozmieszczonych w układzie przestawnym i połączonych w wężownice. Najczęściej stosowanym rodzajem ożebrowania są lamele. Wymienniki ciepła w skraplaczach powietrznych zbudowane są najczęściej z rur i lamel miedzianych lub lamel aluminiowych dla skraplaczy freonowych, oraz z  rur i lamel stalowych ocynkowanych dla skraplaczy amoniakalnych. Często stosuje się także specjalnie rowkowane powierzchnie wewnętrzne rur, aby zwiększyć intensywność wymiany ciepła po stronie skraplającej się pary.
Zakres stosowalności skraplaczy i chłodnic chłodzonych powietrzem wyznacza temperatura czynnika chłodzącego czyli w tym przypadku powietrza zewnętrznego. Dla warunków Polskich, przyjmuje się zakres temperatur od -30C do +40C. Główną zaletą powietrza jako chłodziwa jest jego ogólna dostępność oraz fakt, że jest 'za darmo'. Jednakże w porównaniu z wodą chłodzenie powietrzem ma szereg wad. Najważniejsze z nich to mniejsze współczynniki przejmowania ciepła co wymusza stosowania wymienników o dużej powierzchni i gabarytach oraz hałas pochodzący od pracujących wentylatorów. Istnieją także ograniczenia w ich stosowaniu ze względu na wysokie temperatury skraplania występujące latem, oraz niskie występujące w miesiącach zimowych. Niezbędna jest automatyzacja pracy urządzeń chłodniczych oraz regulacja wymaganych temperatur skraplania.
Rozróżnia się także kilka podstawowych rozwiązań konstrukcyjnych, opierających się na różnym kierunku przepływu powietrza przez wymiennik. Istotną zasadą jest zapewnienie swobodnego dopływu oraz odpływu powietrza do skraplaczy chłodzonych powietrzem - należy pamiętać o minimalnych odległościach urządzeń od ścian budynków oraz innych skraplaczy. Powinno się także unikać umiejscowienia tego typu skraplaczy w miejscu narażonym na działanie wiatrów o kierunku ruchu powietrza przeciwnym niż wymuszany przez wentylator, oraz w miarę możliwości instalować je w miejscach zacienionych i pozbawionych nadmiaru pyłów, liści czy sadzy (które mogłyby zanieczyścić urządzenie). Większe skraplacze montuje się pojedynczo na dachach budynków, natomiast mniejsze jednostki grupuje się ze sprężarką i umieszcza obok siebie na wspólnej ramie.
Najpopularniejsze skraplacze posiadają wentylator osiowy wymuszający ruch powietrza. W tej grupie znajdują się urządzenia o pionowym, poziomym lub ukośnym przepływie powietrza. Rzadsze są skraplacze z wentylatorami promieniowymi, charakteryzujące się większym sprężem, dzięki czemu łatwiej im pokonywać opory przepływu powietrza w kanałach. Stosuje się także skraplacze V-kształtne, wyposażone w separatory wewnętrzne, pozwalające wyeliminować zjawisko obejścia powietrza podczas sekwencyjnej pracy wentylatorów. Prędkość powietrza  na skraplaczu wynosi zwykle od 2 do 6 m/s (zależy od niej wartość współczynnika przenikania ciepła), przy czym należy pamiętać, że zbyt duże prędkości powodują większe opory przepływu a co za tym idzie większe zużycie energii i większy hałas (powodowany przez pracujący wentylator, silniki napędowe oraz przepływ strumienia powietrza). Prawidłowy dobór wentylatorów może zwiększyć sprawność skraplacza nawet o 20%, a przy tym zredukować emitowany hałas o prawie 17 dB dla prędkości 700 obrotów na minutę. Przy tego typu „cichych” skraplaczach, na zmniejszenie emisji hałasu mają wpływ także niższe obroty oraz większe łopaty wentylatorów (stosuje się także odpowiednio wyciszone obudowy dźwiękoszczelne). Wiążą się z tym większe rozmiary oraz wyższy koszt całego urządzenia, jednak zastosowanie odpowiednio dobranych i energooszczędnych wentylatorów pozwoli uzyskać oszczędność energii. Ze względu na wpływ temperatury powietrza zewnętrznego na temperaturę skraplania, stosuje się systemy pozwalające pracować skraplaczom przez cały rok. Wersja całoroczna jest wyposażona w automatyczną regulację wydajności wentylatora skraplacza. Pozwala to na optymalną pracę urządzenia zarówno przy niskich temperaturach zimą, oraz wysokich w okresie letnim.

Skraplacze chłodzone wodą
 
W porównaniu do skraplaczy chłodzonych powietrzem w tego typu układach można osiągnąć lepsze parametry pracy, dzięki niższemu ciśnieniu skraplania. Jako chłodziwo wykorzystuje się wodę, która może być pobierana z cieków wodnych czy studni głębinowych i w takich przypadkach stosowania układów otwartych, znacznie maleją koszty związane z dostępnością wody. Skraplacze tego typu wykorzystywane są do budowy agregatów skraplających, są także często stosowane na statkach (ze względu na lekkość oraz dostępność wody). Niezmiernie istotne jest aby woda chłodząca krążąca w układzie była czysta i o małej twardości, ponieważ zanieczyszczenia, a także tworzące się osady zmniejszają intensywność wymiany ciepła.
Ze względu na konstrukcję, można je podzielić na:

• skraplacze płaszczowo – rurowe poziome
• skraplacze płytowe
• skraplacze koaksjalne przeciwprądowe

Działanie tych skraplaczy polega na odbieraniu ciepła  ze skroplonego czynnika chłodniczego przez wodę. Przegrzana para czynnika chłodniczego zostaje ochłodzona do temperatury skraplania, a następnie skroplona przy stałym ciśnieniu i temperaturze. Następnie czynnik już w postaci cieczy zostaje przechłodzony. Skraplacze płaszczowo – rurowe poziome są zbudowane z płaszcza w formie walca obustronnie zamkniętego, z układem prostych rur wewnątrz, którymi przepływa woda chłodząca. Do wnętrza płaszcza wpuszczana jest przegrana para czynnika chłodniczego, która skrapla się na rurach i jest odbierana w dolnej części płaszcza. Skraplacze płaszczowo – rurowe poziome charakteryzują się niewielkim zużyciem wody. Tego typu skraplacze stosuje się także w systemach współpracujących z chłodniami kominowymi. Jako skraplacze chłodnicze coraz szerzej stosowane są lutowane skraplacze płytowe. Są to płytowe wymienniki ciepła o zwartej konstrukcji i szerokim zakresie wydajności. Płyty z których składa się skraplacz są odpowiednio wytłoczone w jodełkę i ustawione naprzemiennie do siebie, przez co powstaje sieć bardzo drobnych kanalików o duże powierzchni wymiany ciepła. Sąsiednimi kanalikami przepływa naprzemiennie woda chłodząca oraz skraplający się czynnik chłodniczy. Rozmiary tego typu skraplaczy są ponad pięciokrotnie mniejsze od rozmiarów skraplaczy płaszczowo – rurowych poziomych. Alternatywą dla opisanych skraplaczy wodnych jest skraplacz koaksjalny przeciwprądowy. Jest to wymiennik wykonany w postaci zwojów dwóch rur o różnych średnicach umieszczonych koncentrycznie jedna w drugiej. Do przestrzeni pomiędzy rurami wprowadza się czynnik chłodniczy w postaci pary przegrzanej, która najpierw ulega schłodzeniu, potem skropleniu, a na końcu wymiennika przechłodzeniu. Czynnik chłodzący czyli woda przepływa przeciwprądowo w wewnętrznej rurce odbierając ciepło. (MZ)

Więcej informacji na temat skraplaczy chłodniczych w książce: 
Gaziński B., Technika chłodnicza dla praktyków. Urządzenia chłodnicze i przepisy prawne, Systherm Technik, Poznań 2010

Opracowanie: www.ogrzewnictwo.pl, www.klimatyzacja.pl
Materiał objęty prawem autorskim. Publikacja w części lub w całości wyłącznie za zgodą autora.

Źródło:
Gaziński B., Technika chłodnicza dla praktyków. Urządzenia chłodnicze i przepisy prawne, Systherm Technik, Poznań 2010