04 Parni procesi

TEHNIKA HLAĐENJA
3.4. PARNI RASHLADNI PROCESI
Korištenjem višestepene kompresije i ekspanzije mogli smo približiti Jouleov proces
Carnotovu procesu. Međutim, kod zraka kao radne tvari, proces se odvija daleko u
pregrijanom području.
T
T o
3
p
2
T 0
4
p 0
1
1 bar (-197°C)
h`
h``
s
Sl. 3.16. Područja primjene plinskog i parnog rashladnog procesa
3.4.1. Parni rashladni proces s jednostupanjskom kompresijom
Parni rashladni uređaji rade s radnom tvari kod koje proces pada u zasićeno područje, pa je
dovođenje topline kod konstantne temperature T 0
i tlaka p
0
, dok je odvođenje topline kod
konstantne temperature T i tlaka p . To je moguće jer su u zasićenom području izoterme
ujedno i izobare. Unutar zasićenog područja može se i praktički provesti Carnotov proces
kao najbolji između temperatura T i T
0
.
p
Q
p
3
Kondenzator
2
L k
Ekspander
is
L e
Kompresor
is
4
Isparivač 1
p 0 p 0
Q 0 T 0
Sl. 3.17. Shematski prikaz jednostupanjskog parnog rashladnog uređaja koji radi po
Carnotovom procesu
36

TEHNIKA HLAĐENJA
Radna tvar u isparivaču isparuje kod konstantne temperature T 0
i tlaka p
0
, a kondenzira u
kondenzatoru kod konstantne temperature T i tlaka p .
Za T,s-dijagram ucrtavamo T i T
0
, p i p
0
. Stanje 2 leži na x=1, ispod je 1 na T
0
. Stanje 3 leži
na x=0, ispod je 4 na T
0
.
1-2 izentropska kompresija
2-3 odvođenje topline Q, radna tvar kondenzira pri konstantnoj temperaturi T i tlaku p
3-4 izentropska ekspanzija
4-1 dovođenje topline Q 0 , radna tvar isparuje pri konstantnoj temperaturi T0
i tlaku p
0
Promjene stanja u kružnom procesu idu po dvije izentrope i dvije izobare, koje su ujedno i
izoterme.
T
p
p 0
T ok
3
p
l
T
2
T H
4
p 0
T 0
1
q 0
Sl. 3.18. T,s- dijagram Carnotovog ljevokretnog procesa u području zasićene pare
q
0
- specifični rashladni učinak – odnosi se na 1 kg
l - specifični rad
p
s
b
3
p,T
2
p
l e
is
l k
l
is
a
4
p 0 ,T 0
1
p 0
x=0 x=1
Sl. 3.19. p,v- dijagram Carnotovog ljevokretnog procesa u području zasićene pare
v
37

TEHNIKA HLAĐENJA
Specifični rashladni učinak q0 = h1
− h4
[kJ/kg]
Potreban rad za izentropsku kompresiju 1 kg radne tvari l k
= h 2
− h1
[kJ/kg]
Rad dobiven izentropskom ekspanzijom 1 kg radne tvari l e
= h 3
− h4
[kJ/kg]
Potreban rad l = lk
− le
= ( h2 − h1
) − ( h3
− h4
) = q − q0
[kJ/kg]
Toplina koja se odaje od radne tvari na okolinu (npr. rashladnu vodu) q = h 2
− h3
[kJ/kg]
U p,v-dijagramu rad kompresije l k
je predočen površinom a-1-2-b-a, a rad dobiven
izentropskom ekspanzijom l e
predočen je površinom a-4-3-b-a. Ukupni je potreban rad
l = l k
− l e
predočen površinom 1-2-3-4-1 .
Protok mase radne tvari potreban da bi se ostvario rashladni učinak Q & Q0
0
je M & &
= [kg/s],
q0
gdje je Q & 0
izražen u W ili u kW a q u kJ/kg ili J/kg, i on je puno manji nego je to kod plinskih
procesa. Kako nema prekoračenja potrebne temperature ni iznad T , ni ispod T
0
, za provedbu
opisanog procesa troši se minimalni potreban rad.
Opisani parni proces identičan je s Carnotovim, pa mu je i faktor hlađenja jedak Carnotovom
q0
T0
ε
0C
= = . – vidi se da faktor hlađenja ovisi samo o temperaturi a ne o radnoj tvari.
l T − T
3.4.1.1. Prigušivanje kondenzata
0
Upotrebom jednostavnog prigušnog ventila sniženje tlaka vrele kapljevine stanja 3 se postiže
uz konstantnu entalpiju radne tvari. To znači da se odustaje od iskorištavanja rada ekspanzije,
ali on je ionako mali, pa i trenje u mehanizmu ekspandera može biti dovoljno da ga poništi.
Prigušni
ventil
p
3
5
Q T
3 2
Kondenzator
2
p
Kompresor
p 0
Isparivač
5 1
Q 0 T 0
1 L
p 0
Sl. 3.20. Shematski prikaz jednostpanjskog parnog rashladnog uređaja s prigušnim ventilom
38

TEHNIKA HLAĐENJA
Rad koji treba utrošiti je veći, dok je rashladni učinak manji. Površinom a-b-5-4-a predočeno
je smanjenje rashladnog učinka i povećanje rada. prigušivanje je nepovrativ proces, dakle
povlači za sobom gubitak na radu.
T
p
p 0
3
l
6 5
h=konst
Δq0
4
q 0
2
1
a b
c
s
Sl. 3.21. T,s- dijagram ljevokretnog rashladnog procesa s prigušnim ventilom
Površina 4-5-b-a-4 jednaka je površini 4-3-6-4 (to slijedi iz uvjeta h 3 =h 5 ), pa se potreban rad
može prikazati i površinom 6-1-2-3-6.
Rashladni učinak q
0
jednak je razlici entalpija na izlazu i ulazu isparivača
q0 = h1
− h5
= h1
− h3
[kJ/kg] jer je h
1
= h3
.
Što je veća razlika temperatura T i T
0
, to su gubici uslijed prigušivanja veći.
T
p
p 0
3
T,p
2
p 0 ’
T 0 ,p 0
5 q
1
0 T 0 ’,p 0 ’
5’ 1’
q 0 ’
s
Sl. 3.22. Promjena rashladnog učinka sa smanjenjem temperature isparivanja u T,s- dijagramu
Rashladni učinak q0
je manji a rad je veći kod T 0
′ nego kod T 0
.U oba slučaja okolišu se
predaje ista toplina q . Zato se faktor hlađenja smanjuje.
39

TEHNIKA HLAĐENJA
Za veličinu gubitaka prigušivanja mjerodavna je i blizina kritične točke. Npr. kod CO 2 ,
kritična točka leži kod temperature ϑ k
= 31
o C, što je blizu temperature rashladne vode. Kod
neznatnog povišenja temperature rashladne vode, moglo bi se dogoditi da rashladni učinak
potpuno iščezne.
T
p’’
p’
p
3
3’’
3’
h=konst
h=konst
h=konst
2’’
2’
2
p 0
5 5’’ 5’
1’1
q 0
q 0 ’’
s
Sl. 3.23. Promjena rashladnog učinka s povećanjem temperature kondenzacije u T,sdijagramu
3.4.1.2. Suho usisavanje
To je usisavanje suhozasićene pare. Provodi se da bi se spriječilo skupljanje kapljevite radne
tvari u kompresoru i tako zaštitio kompresor od hidrauličkog udara.
Q
Prigušni
ventil
p
3
5
p0
Kondenzator
p 0
p
2
1
Kompresor
is
L
Odjeljivač
Isparivač
Sl. 3.24. Shematski prikaz jednostupanjskog parnog rashladnog uređaja s prigušnim ventilom
i suhim usisavanjem
Q 0
40

TEHNIKA HLAĐENJA
Vlažna para iz isparivača i prigušnog ventila struje u prošireni prostor odjeljivača, pa se
brzina strujanja znatno smanjuje i para više ne može sa sobom nositi kapljice, nego se one
talože na dno odjeljivača i vraćaju u isparivač kao kapljevina. Ostala para, oslobođena
kapljica, postaje suhozasićena ( x = 1). Nju usisava kompresor i komprimira do tlaka p (stanje
2). U kondenzatoru se hladi i kondenzira do stanja 3. Nakon prigušnog ventila stanje radne
tvari je 5. Kada bi se usisavala vlažna para, kompresija bi tekla od stanja 1’.
T
p
6
3
h=konst
5
0 p 0 1’ 1
p 0
T, p 2` 2
l
T ,
q 0
a b
cd s
Sl. 3.25. T,s- dijagram jednostupanjskog parnog rashladnog procesa s prigušnim ventilom i
suhim usisavanjem
Takvim se postupkom povećava specifični rashladni učinak, ali se također povećava i utrošeni
mehanički rad. Površina c-1'-1-d-c predstavlja povećanje rashladnog učinka u odnosu na
slučaj kada se usisava vlažna para 1'.
Prednost je što se ovakav proces sa sigurnošću može primijeniti u realnim rashladnim
uređajima.
Ako se promatra T,s - dijagram, vidi se da je ostalo malo sličnosti s termodinamički najboljim
Carnotovim procesom. Ipak, ostala je velika termodinamička prednost parnog procesa, a to je
da se čitav rashladni učinak predaje radnoj tvari pri konstantnoj temperaturi isparivanja, a
može se reći da se najveći dio topline predaje okolišu također pri konstantnoj temperaturi
kondenzacije.
p
3
5
p 0 , T 0
p, T
1
is
2
x=0 x=1
Sl. 3.26. p,h- dijagram jednostupanjskog parnog rashladnog procesa s prigušnim ventilom i
suhim usisavanjem
h
41

TEHNIKA HLAĐENJA
Specifični rad l = h 2
− h1
[kJ/kg]
Specifični rashladni učinak q0 = h1
− h5
= h1
− h3
[kJ/kg]
(govorimo učinak, iako se ustvari radi o razlici specifičnih entalpija)
Toplina odvedena u kondenzatoru po 1 kg radne tvari q = h 2
− h3
[kJ/kg]
Faktor hlađenja
Protok radne tvari
q0
h1
− h3
ε 0 = =
l h2
− h1
Q0
M & &
= [kg/s]
q
0
Suhim se usisavanjem može provesti proces i kada je temperatura okoliša T viša od kritične
temperature T kr . To je često slučaj kod korištenja CO 2 , čija je kritična temperatura ϑkr
= 31 o C
( T = 304 K), a kad je rashladna voda kondenzatora više temperature.
kr
U ovom slučaju, kada je T > Tkr
, povećanjem tlaka na kraju kompresije ( p → p′
) može se
povećati rashladni učinak, ali se i potrebni rad povećava. Do koje se granice isplati povećanje
∂ε
tlaka koje za rezultat ima povećanje faktora hlađenja može se odrediti iz uvjeta 0
= 0 , uz
∂p
T = konst i h = konst
1
.
T
3’
3
K
l
2
2`
p’
p
pkr
5’
5
1
p 0
q 0
Sl. 3.27. T,s- dijagram nadkritičnog jednostepenog rashladnog procesa s prigušnim ventilom i
suhim usisavanjem
s
42

TEHNIKA HLAĐENJA
3.4.1.3. Utjecaj pothlađivanja radne tvari u kondenzatoru
T W2
izlaz vode
izlaz kapljevine
(kondenzata)
ulaz pare
radne tvari
ulaz vode
T W1
T
ΔT’
T kondenzacije radne tvari
T W2
ΔT’’
ΔT W
T W1
F
Sl. 3.28. Skica kondenzatora i dijagram promjene temperatura radne tvari i rashladnog
sredstva u kondenzatoru
Slikom je prikazan shematski prikaz kondenzatora. Strujanje vode i radne tvari je
protusmjerno. U kondenzatoru se toplina predaje od radne tvari rashladnoj vodi ili nekoj
drugoj tvari (npr. zrak) koja služi za hlađenje. Radna tvar kondenzira, a rashladna voda se
ugrijava, i to tim više što je njen protok manji. Temperatura kondenzacije mora biti viša od
temperature rashladne vode, jer se toplina od radne tvari predaje rashladnoj vodi.
Pretpostavka da odmah na početku imamo temperaturu kondenzacije je u redu, jer u cijevi
struji para, ali se čestice na stjenci odmah kondenziraju.
Δ Tw
= TW 2
− TW 1
je promjena temperature vode i kreće se uobičajeno oko 4 – 6 K, ali ovisi o
raspoloživoj količini vode. Ako je na raspolaganju manji protok vode, ova će razlika
temperatura biti veća.
Δ T ′′ = T − T W 2
- razlika temperature kondenzacije i temperature vode na izlazu. Kreće se
uobičajeno od 5 do 7 K.
što je manji protok vode, to je viša temperatura kondenzacije T , a time je rashladni učinak q
0
manji.
Ako je površina kondenzatora dovoljno velika, kondenzat će se pothladiti za nekoliko
stupnjeva. Pothlađivanje može biti u kondenzatoru ili u izmjenjivaču topline u koji radna tvar
ide nakon kondenzatora.
43

TEHNIKA HLAĐENJA
Pothlađivanje utječe na povećanje rashladnog učinka.
Q
Izmjenjivač
(pothlađivač)
Q iz
Prigušni
ventil
3
3’
5’
Odjeljivač
Kondenzator
2
Kompresor
1 L
Isparivač
Q 0
Sl. 3.29. Shematski prikaz jednostupanjskog parnog rashladnog uređaja s prigušnim ventilom,
suhim usisavanjem i pothlađivanjem radne tvari u izmjenjivaču topline - pothlađivaču
Usisavanje je suho (stanje 1 leži na liniji x=1). Stanje 3' je pothlađena kapljevina na ulazu u
prigušni ventil. Pothladila se pri konstantnom tlaku p = konst . Linija konstantnog tlaka
p = konst je jako blizu linije x = 0 . rad ostaje isti, što se ne vidi tako dobro u T,s - dijagramu,
kao u p,h - dijagramu.
p
3’
3
p,T
2
p 0 ,T 0
x=1
is
5’
1
x=0
h
Sl. 3.30. p,h- dijagram jednostupanjskog parnog rashladnog procesa s prigušnim ventilom,
suhim usisavanjem i pothlađivanjem radne tvari u izmjenjivaču topline - pothlađivaču
44

TEHNIKA HLAĐENJA
T
p
p 0
3
3’
5’
5
2
T, p
l
T 0 , p 0
1
q 0
s
Sl. 3.31. T,s- dijagram jednostepenog parnog rashladnog procesa s prigušnim ventilom, suhim
usisavanjem i pothlađivanjem radne tvari u izmjenjivaču topline - pothlađivaču
Specifični rad l = h 2
− h1
[kJ/kg]
Specifični rashladni učinak
q0 = h1
− h5'
[kJ/kg]
(govorimo učinak, iako se ustvari radi o razlici specifičnih entalpija)
Toplina odvedena u kondenzatoru po 1 kg radne tvari q k
= h 2
− h3
[kJ/kg]
Toplina odvedena u izmjenjivaču po 1 kg radne tvari
q iz
= h 3
− h 3 '
[kJ/kg]
Ako se pothlađivanje zbiva u kondenzatoru, onda je toplina
odvedena u kondenzatoru
q k
= h 2
− h 3 '
[kJ/kg]
Q0
Protok radne tvari
M & &
= [kg/s]
q0
Odvedena toplina u kondenzatoru
Q &
k
= M&
qk
[kW]
Snaga za pogon kompresora (izentropska kompresija)
P & = M&
l [kW]
Q&
0
q0
Faktor hlađenja (rashladni množilac)
ε
0
= =
P & l
45

TEHNIKA HLAĐENJA
3.4.1.4. Pothlađivanje kondenzata hladnom parom radne tvari
Pothlađivanje tekuće radne tvari prije ulaska u prigušni ventil može se provesti pomoću
hladne pare radne tvari koja izlazi iz isparivača.
p
Q
2’
p
Kondenzator
Kompresor
3
1’
p 0
Pothlađivač
(izmjenjivač)
1
p 0
3’
p
Prigušni
ventil
Isparivač
p 0
5’ 1 p 0
Q 0
Sl. 3.32. Shematski prikaz jednostupanjskog parnog rashladnog uređaja s prigušnim ventilom,
suhim usisavanjem i pothlađivanjem radne tvari u internom izmjenjivaču za prijenos topline
od hladne pare na izlazu isparivača na kapljevinu koja izlazi iz kondenzatora
T
p
2’ t
2
p 0
T
3
3
5
5
T , p
l
T 0 , p 0
1’ t
Δ l
1
1
Δ
q 0
s
Sl. 3.33. T,s- dijagram jednostupanjskog parnog rashladnog procesa s prigušnim ventilom,
suhim usisavanjem i pothlađivanjem radne tvari u internom izmjenjivaču za prijenos topline
od hladne pare na izlazu isparivača na kapljevinu koja izlazi iz kondenzatora
Kondenzatu se odvodi toplina pri tlaku p , a pari se dovodi toplina pri tlaku p
0
. Stanje 1’ je
određeno predanom toplinom i vrijedi h
1 ′ − h1
= h3
− h3′
.
46

TEHNIKA HLAĐENJA
Rashladni se učinak povećao za Δ q0
, ali na račun većeg potroška rada. Za povećanje Δ q0
potreban je dodatni rad Δ l . Za ovakav tip pothlađivača, u teoretskom se slučaju pari može
povećati temperatura do T .
Rashladni je učinak q
0
= h1
− h5′ = h1
− h3′
[kJ/kg].
Potreban je rad l = h2 ′ − h1′
[kJ/kg]
Toplina odvedena u kondenzatoru q = h 2′ − h3
[kJ/kg]
Izmijenjena toplina u izmjenjivaču q iz
= h3 − h3′ = h1′
− h1
[kJ/kg]
q0
h1
− h3′
Faktor hlađenja ε
0
= =
l h2′
− h1′
Povećan je rashladni učinak za Δ q0
, ali je povećan i potreban rad za Δ l .
Za svaki promatrani slučaj (različite temperature T i T
0
i različite radne tvari) treba odrediti
da li je termodinamski povoljniji ovakav proces ili proces s usisom suhozasićene pare.
p
p
3’ 3
2 2’
p 0
5’ 5
1 1’
x=0 x=1
Sl. 3.34. p,h- dijagram jednostupanjskog parnog rashladnog procesa s prigušnim ventilom,
suhim usisavanjem i pothlađivanjem radne tvari u internom izmjenjivaču za prijenos topline
od hladne pare na izlazu isparivača na kapljevinu koja izlazi iz kondenzatora
h
Teoretski se može para zagrijati do T , a pritom se kondenzat ohladi do neke temperature
TP
koja je viša od T 0
. To je stoga što je specifični toplinski kapacitet kondenzata viši od
specifičnog toplinskog kapaciteta pare.
47

TEHNIKA HLAĐENJA
3.4.2. Parni rashladni proces s jednostupanjskom kompresijom i isparivanjem na dvije
temperature (2 prigušna ventila)
Kod manjih komercijalnih uređaja može se pojaviti potreba za hlađenjem na više temperatura.
Ako je jednostepena kompresija opravdana, primjenjuju se uređaji s dva ili više prigušnih
ventila. Kod uređaja s dva prigušna ventila, jedan dio radne tvari se prigušuje od tlaka p na
tlak p
m
u prigušnom ventilu PV I , a drugi od tlaka p na tlak p 0
u prigušnom ventilu PV II .
Radna tvar iz PV I ulazi u isparivač I I , gdje preuzima toplinu Q
m
. Iz isparivača I I izlazi para
stanja 5. Ova se para prigušuje u ventilu za održavanje konstantnog tlaka VKT na tlak p
0
(stanje 6) i miješa sa parom 8 tlaka p
0
koja izlazi iz isparivača I II u kojem je preuzela toplinu
Q
0
. Kompresor siše pregrijanu paru 1 tlaka p
0
nastalu miješanjem pare 6 i 8 i komprimira ju
u jednom stupnju do tlaka p (stanje 2). U kondenzatoru se radna tvar ohladi i kondenzira do
stanja 3, s kojim ulazi u prigušne ventile.
p 3
Q
2
p
PV I
p
p
PV II
K
1
VKT
I I
p
4 5 6 0
p m p 0
Q m
I II NV
8
7 8 p 0
p 0
Q 0
KP
L
PV – prigušni ventil
NV – nepovratni ventil
VKT- ventil za održavanje
konstantnog tlaka
KP - kompresor
K - kondenzator
I - isparivač
Sl. 3.35. Shematski prikaz rashladnog uređaja s jednostepenom kompresijom i isparivanjem
na dvije temperature
Specifični rashladni učinci
q0 m h5
− h4
= h5
− h3
q0 h8
− h7
= h8
− h3
= [kJ/kg]
= [kJ/kg]
Protok radne tvari kroz PV I
Q&
Ukupni je protok radne tvari kroz kompresor
& m
I
= [kg/s], protok radne tvari kroz PV II
q0m
M
M & = M&
I
+ M&
[kg/s]
II
Q&
0
M& II
= [kg/s]
q0
Entalpija pare koju siše kompresor slijedi iz toplinske bilance mješališta:
48

TEHNIKA HLAĐENJA
M& h = & + & , pa je h
1
M
I
h6
M
II
h8
M&
h + M&
h
I 6 II 8
1
= [kJ/kg]
M&
I
+ M&
II
& [kW]
& h 2
h [kW]
3
Q& + Q&
m
Faktor hlađenja ε = 0
0
- ne može se izračunati sa specifičnim rashladnim učincima i
P&
radom kompresora.
Snaga za pogon kompresora P = M & ( h 2
− h 1
)
Učinak odveden u kondezatoru Q = M & ( − )
T
2
p
p m
p 0
3
p , T
4
7
p m , T m
p 0 , T 0
h=konst
5
8
6
1
h=konst
s
Sl. 3.36. T,s- dijagram rashladnog procesa s jednostupanjskom kompresijom i isparivanjem na
dvije temperature
p
p
3
p , T
2
p m
4
p m , T m
5
p 0
p 0 , T 0
7 8 1
6
h
Sl. 3.37. p,h- dijagram rashladnog procesa s jednostupanjskom kompresijom i isparivanjem na
dvije temperature
Ovakav proces se koristi kod manjih uređaja, i za po mogućnosti manji
Q & m
gubici prigušivanja (od 5 do 6) bili preveliki.
Q & m
, jer bi kod većih
49

TEHNIKA HLAĐENJA
3.4.3. Parni rashladni procesi s višestupanjskom kompresijom
Temperatura isparivanja mijenja se kao posljedica promjenjive temperature hlađenja, dok se
temperatura kondenzacije mijenja kao posljedica promjenjive temperature rashladne vode.
Povećanjem razlike temperatura isparivanja T0
i kondenzacije T raste razlika tlakova, što ima
za posljedicu povećanje rada kompresije. Pri povećanju razlike tlakova p i p
0
rastu i gubici
prigušivanja što dodatno smanjuje specifični rashladni učinak q
0
. Dakle, povećanjem razlike
temperatura isparivanja i kondenzacije faktor hlađenja se naglo smanjuje. Veći kompresijski
omjer x = p p0
razlog je i smanjenju volumetrijskog stupnja dobave kompresora λ . Kako je
dobava kompresora V = λVt
, gdje je V
t
teoretska dobava kompresora, kompresor će usisavati
sve manji volumen pare, odnosno sve manju masu radne tvari. U tom slučaju za isti rashladni
učinak, kompresor treba biti veći, a udio gubitaka u odnosu na q0
raste.
Veći kompresijski omjer ima također za posljedicu višu temperaturu pare na izlazu iz
kompresora, što može prouzročiti probleme s podmazivanjem.
Uobičajeno se dvostupanjska kompresija primjenjuje kad je:
• kompresijski omjer x = p p0 > 8 −10
(Prijelaz na dvostupanjsku kompresiju ovisi i o
primijenjenoj radnoj tvari, pa se treba razmotriti i drugi kriterij, a to je:)
• temperatura na kraju kompresije ϑ2 > 135 − 140
o C
Dvostupanjskom se kompresijom ostvaruje i ušteda na radu, ali to nije glavni razlog za njenu
primjenu.
3.4.3.1. Dvostupanjska kompresija s hladnjakom pare
Q p
P
6 p
PV
Q
5
4
p
p
K
p m
p m
3
H
KP II
Q r
7
KP I
p 0
p 0 1
2
K – kondenzator
KP I – kompresor I st.
KP II –kompresor II st
I - isparivač
OD – odjeljivač
PV – prigušni ventil
H – hladnjak pare
P – pothlađivač
OD
p 0
I
Q 0
Sl. 3.38. Shematski prikaz rashladnog uređaja s dvostupanjskom kompresijom i hladnjakom
pare između stupnjeva
50

TEHNIKA HLAĐENJA
T
p
p m
5
6
h=konst
p , T
p m , T m
4
3
2
Δl
p 0
7
p 0 , T 0
1
q 0
Sl. 3.39. T,s- dijagram rashladnog procesa s dvostupanjskom kompresijom i hlađenjem pare
između stupnjeva
Temperatura radne tvari stanja 3 ovisi o temperaturi rashladne vode koja protječe kroz
hladnjak pare. Tlak p m
može se odabrati u skladu s temperaturom raspoložive rashladne
vode, ili u skladu sa zahtjevom da ušteda na radu bude maksimalna. Ako se poštuje zahtjev
p
Δ l = Δl max
, vrijedi p m
= p0 x = p0
= p 0
p . U tom slučaju treba i hladilo kojim
p0
hladimo radnu tvar od stanja 2 do stanja 3 biti pogodne temperature.
s
p
p
6 5
p , T
4
p m
p m , T m
3
2
p 0
7
p 0 , T 0
1
Sl. 3.40. p,h- dijagram rashladnog procesa s dvostupanjskom kompresijom i hlađenjem pare
između stupnjeva
Rad kompresije l l + l = ( h − h ) + ( h − )
= [kJ/kg]
I
II
2 1 4
h3
h
51

TEHNIKA HLAĐENJA
Toplina odvedena u kondenzatoru q = h 4
− h5
[kJ/kg]
Toplina odvedena u pothlađivaču q p
= h 5
− h6
[kJ/kg]
Toplina odvedena u hladnjaku pare q r
= h 2
− h3
[kJ/kg]
Specifični rashladni učinak q0 = h1
− h7
[kJ/kg] h
7
= h6
Protok radne tvari za ostvarivanje rashladnog učinka Q & 0
je
Snaga za izentropsku kompresiju P & = M&
l [kW]
P&
Stvarno potrebna snaga : P& e = [kW] η
is
Toplina odvedena u kondenzatoru Q & = M&
q [kW]
Toplina odvedena u međuhladnjakuQ
&
r
= M&
qr
[kW]
Toplina odvedena u pothlađivaču Q & = M&
q [kW]
p
p
Q &
q
& =
0 [kg/s]
M
0
Faktor hlađenja
Q0
q0
ε
0
= &
= - kroz cijeli uređaj je isti protok radne tvari.
P l
3.4.3.2. Dvostupanjska kompresija s međuhladnjakom - odjeljivačem
Para radne tvari koja dolazi iz isparivača komprimira se u niskotlačnom kompresoru od tlaka
p0
na tlak p m
(od stanja 1 na stanje 2). M & 1kg/s pare 2 koja izlazi iz kompresora prvog
stupnja hladi se u međuhladnjaku (odjeljivaču) pri tlaku pm
na temperaturu zasićenja T
m
. To
se događa na račun isparivanja tekuće faze radne tvari stanja 7. U kompresor drugog stupnja
ulazi M & 2
kg/s suhozasićene pare 3. M & 2
je veće od M & 1
za M & ′ , tj. za količinu radne tvari koja
je isparila da bi se ohladila para iz prvog stupnja od stanja 2 do stanja 3. Na izlazu iz
kompresora drugog stupnja para 4 je tlaka p i temperature T 4
. Nakon kondenzacije i
pothlađivanja stanje kapljevine je 6. Jedan mali dio kapljevine ( M & ′ ) prigušuje se u PV II na
tlak p
m
i odlazi u međuhladnjak (odjeljivač), dok se glavnina kapljevine M & 1
prigušuje u PV I
na tlak p
0
i odlazi sa stanjem 8 u odjeljivač (isparivač).
Tlak p
m
se određuje tako da se osigura najveća ušteda na radu, pa je p m
= p 0
p .
Rad niskotlačnog kompresora (kompresora prvog stupnja) lI
= lNT
= h 2
− h1
[kJ/kg]
Rad visokotlačnog kompresora (kompresora drugog stupnja) lII
= lVT
= h 4
− h3
[kJ/kg]
Specifični rashladni učinak q0 = h1
− h8
= h1
− h6
[kJ/kg]
Toplina odvedena u kondenzatoru q = h 4
− h5
[kJ/kg]
Toplina odvedena u pothlađivaču q p
= h 5
− h6
[kJ/kg]
52

TEHNIKA HLAĐENJA
L VT
1
K
p
4
KP II
3 p m
M &
2
p m
p m
2 1
KP I
L NT
Q
5
P
6
M & ′
7
PV II
MHO
p 0
Q p
6
p
M &
1
p
6 8
PV I
p 0
OD
I
Q 0
Sl. 3.41. Shematski prikaz rashladnog uređaja s dvostupanjskom kompresijom i
međuhladnjakom - odjeljivačem
T
p
p m
5
6
p , T
4
2
p 0
7
p m , T m
3
8
p 0 , T 0
1
q 0
Sl. 3.42. T,s- dijagram rashladnog procesa s dvostupanjskom kompresijom i međuhladnjakom
- odjeljivačem
s
p
6
5
p , T
4
7
p m , T m
3
2
8
p 0 , T 0
1
Sl. 3.43. p,h- dijagram rashladnog procesa s dvostupanjskom kompresijom i međuhladnjakom
- odjeljivačem
h
53

TEHNIKA HLAĐENJA
Za ostvarivanje rashladnog učinka Q & 0
treba protok M & 1kroz prigušni ventil PV I biti
Q&
Q&
& 0 0
1
= = [kg/s]
q0
h1
− h8
M
Bilanca mase za međuhladnjak (odjeljivač) glasi
M & & +
& '
2
= M
1
M
Iz bilance topline u međuhladnjaku (odjeljivaču) M &
2h3
= M&
1h2
+ M&
′ h7
i bilance mase slijedi
protok M & ′
h − h
& 2 3
′ = M&
1
[kg/s]
h3
− h7
M
⎛ h ⎞ ⎛ ⎞
2
− h3
h2
− h7
M & ′
2
= M&
1
+ M&
= M&
1
⎜1
+
⎟ = M&
1
⎜
⎟ [kg/s]
⎝ h3
− h7
⎠ ⎝ h3
− h7
⎠
Potrebna snaga za izentropsku kompresiju:
( h − h ) + M ( h − )
P&
= P&
+ P&
= P&
+ P&
= M&
&
I
II
NT
Toplina odvedena u kondenzatoru
( h − )
2 4
h5
VT
Q & = M & ]kW]
Toplina odvedena u pothlađivaču
( h − )
& = M & ]kW]
Q iz
2 5
h6
1 2 1 2 4
h3
[kW]
Faktor hlađenja
Q&
0
ε
0
=
P&
=
M&
⎡
1⎢
⎣
( h − h )
2 7
( h − h ) + ( h − h )
2
M&
1
1
1
3
8
h − h
h − h
7
4
3
=
⎤
⎥
⎦
( h − h )
2 7
( h − h ) + ( h − h )
2
1
1
3
8
h − h
h − h
7
4
3
54

TEHNIKA HLAĐENJA
3.4.3.3. Dvostupanjska kompresija s međuhladnjakom – odjeljivačem: prigušivanje
duboko pothlađenog kondenzata u PV I i prigušivanje umjereno pothlađenog kondenzata
u PV II
K
Q
5
P
p
4
p
6
M & ′
KP II
PV II
L NT
3
L
p m
p m 2 1 p 0
M &
2
KP I
7 p m
MHO
VT
1
Q p
6
p
M & 6
1 8 9
PV I
p 0
OD
p 0
I
Q 0
Sl. 3.44. Shematski prikaz rashladnog uređaja s dvostupanjskom kompresijom i
međuhladnjakom – odjeljivačem, prigušivanjem duboko pothlađenog kondenzata u PV I i
prigušivanjem umjereno pothlađenog kondenzata u PV II
T
p
p m
8
5
6
7
p , T
p m , T m
4
3
2
p 0
9
p 0 , T 0
1
q 0
s
Sl. 3.45. T,s- dijagram rashladnog procesa s dvostupanjskom kompresijom i međuhladnjakom
– odjeljivačem, prigušivanjem duboko pothlađenog kondenzata u PV I i prigušivanjem
umjereno pothlađenog kondenzata u PV II
55

TEHNIKA HLAĐENJA
p
8
6
5
p , T
4
7
p m , T m
3
2
9
p 0 , T 0
1
h
Sl. 3.46. p,h - dijagram rashladnog procesa s dvostupanjskom kompresijom i
međuhladnjakom – odjeljivačem, prigušivanjem duboko pothlađenog kondenzata u PV I i
prigušivanjem umjereno pothlađenog kondenzata u PV II
Rad niskotlačnog kompresora (kompresora prvog stupnja) lI
= lNT
= h 2
− h1
[kJ/kg]
Rad visokotlačnog kompresora (kompresora drugog stupnja) lII
= lVT
= h 4
− h3
[kJ/kg]
Specifični rashladni učinak q0 = h1
− h9
[kJ/kg]
Toplina odvedena u kondenzatoru q k
= h 4
− h5
[kJ/kg]
Toplina odvedena u izmjenjivaču – pothlađivaču q p
= h 5
− h6
[kJ/kg]
Toplina odvedena kapljevini M & 1u međuhladnjaku (odvajaču) q m
= h 6
− h8
[kJ/kg]
Za ostvarivanje rashladnog učinka Q & 0
treba protok M & 1kroz prigušni ventil biti
Q&
0
Q&
0
M& 1
= = [kg/s]
q h − h
0
1
9
Bilanca mase za međuhladnjak (odjeljivač) glasi
M & & +
& '
2
= M
1
M
Iz bilance topline u međuhladnjaku (odjeljivaču) M &
2h3
= M&
1h6
− M&
1h8
+ M&
1h2
+ M&
′ h7
i
bilance mase slijedi protok M & ′
⎛ h
⎞
⎜
6 − h8
h2
− h3
M & ′ = M&
1 +
⎟ [kg/s]
⎝ h3
− h7
h3
− h7
⎠
potrebno je u međuhladnjak dovoditi više radne tvari stanja 7 nego za prethodni slučaj, a
njenim isparivanjem se hladi para iz kompresora prvog stupnja od stanja 2 do stanja 3, i
kapljevina od stanja 6 do stanja 8.
56

TEHNIKA HLAĐENJA
Protok mase radne tvari kroz drugi stupanj kompresora
⎛ h6
− h8
h2
− h3
⎞ ⎛ h6
− h8
+ h2
− h7
⎞
M & = + ′ =
⎜ + +
⎟ =
⎜
⎟
2 M&
1 M&
M&
1 1
M&
1
[kg/s]
⎝ h3
− h7
h3
− h7
⎠ ⎝ h3
− h7
⎠
Potrebna snaga za izentropsku kompresiju:
( h − h ) + M ( h − )
P&
= P&
+ P&
= P&
+ P&
= M&
&
I
II
NT
Toplina odvedena u kondenzatoru
( h − )
2 4
h5
VT
Q & = M & [kW]
Toplina odvedena u pothlađivaču
( h − )
& = M & [kW]
Q p
2 5
h6
Faktor hlađenja
Q0
ε
0
= =
P ⎡
M1⎢
h
⎣
1 2 1 2 4
h3
M1( h1
− h9
)
(
h6
− h8
+ h2
− h7
− h ) +
( h − h )
2
1
h − h
3
7
4
3
=
⎤
⎥
⎦
[kW]
( h1
− h9
)
( h
h6
− h8
+ h2
− h7
− h ) +
( h − h )
2
1
h − h
Vidi se da je faktor hlađenja veći nego je to bilo za slučaj dvostepene kompresije s
jednostepenim prigušivanjem i međuhladnjakom, bez dubokog pothlađivanja kondenzata
(slučaj 2).
3
7
4
3
57

TEHNIKA HLAĐENJA
3.4.3.4. Dvostupanjska kompresija s međuhladnjakom – odjeljivačem: prigušivanje
duboko pothlađenog kondenzata u PV I i prigušivanje duboko pothlađenog kondenzata u
PV II
p
K
Q
5
P
Q p
6 p
4
KP II
M &
3
p m
MHO
PV
2
L NT
L VT
PV I
p m 2 1
KP I
p m 8
M & ′
7
p 0
1
6 7 p 9
M &
PV II
p 0
1
OD
I
Q 0
Sl. 3.47. Shematski prikaz rashladnog uređaja s dvostupanjskom kompresijom i
međuhladnjakom – odjeljivačem, prigušivanjem duboko pothlađenog kondenzata u PV I i
prigušivanjem duboko pothlađenog kondenzata u PV II
T
p
p m
5
6
7
8
p , T
p m , T m
3
4
2
p 0
9
p 0 , T 0
1
q 0
Sl. 3.48. T,s- dijagram rashladnog procesa s dvostupanjskom kompresijom i međuhladnjakom
– odjeljivačem, prigušivanjem duboko pothlađenog kondenzata u PV I i prigušivanjem duboko
pothlađenog kondenzata u PV II
s
58

TEHNIKA HLAĐENJA
p
7
6 5
p , T
4
8
p m , T m
3
2
9
p 0 , T 0
1
Sl. 3.49. p,h- dijagram rashladnog procesa s dvostupanjskom kompresijom i međuhladnjakom
– odjeljivačem, prigušivanjem duboko pothlađenog kondenzata u PV I i prigušivanjem duboko
pothlađenog kondenzata u PV II
Rad niskotlačnog kompresora (kompresora prvog stupnja) lI
= lNT
= h 2
− h1
[kJ/kg]
Rad visokotlačnog kompresora (kompresora drugog stupnja) lII
= lVT
= h 4
− h3
[kJ/kg]
Specifični rashladni učinak q0 = h1
− h9
[kJ/kg]
Toplina odvedena u kondenzatoru q k
= h 4
− h5
[kJ/kg]
Toplina odvedena u pothlađivaču q iz
= h 5
− h6
[kJ/kg]
Toplina odvedena kapljevini M & 1u međuhladnjaku (odvajaču) q m
= h 6
− h7
[kJ/kg]
Za ostvarivanje rashladnog učinka Q & 0
treba protok M & 1kroz prigušni ventil biti
Q&
Q&
& 0 0
1
= = [kg/s]
q0
h1
− h9
M
h
Bilanca mase za međuhladnjak (odjeljivač) glasi
M & & +
& '
2
= M
1
M
Iz bilance topline u međuhladnjaku (odjeljivaču) M &
2h3
= M&
2h6
− M&
2h7
+ M&
1h2
+ M&
′ h8
Iz bilance mase slijedi protok M & ′
⎛ h
⎞
6
− h7
h2
− h3
M & ′ = M
⎜ +
⎟
1
[kg/s]
⎝ h3
− h6
h3
− h6
⎠
potrebno je u međuhladnjak dovoditi više radne tvari stanja 8 nego za prethodni slučaj, a
njenim isparivanjem se hladi para iz kompresora prvog stupnja od stanja 2 do stanja 3, i
kapljevina od stanja 6 do stanja 7.
59

TEHNIKA HLAĐENJA
Protok mase radne tvari kroz drugi stupanj kompresora, uz h
7
= h8
⎛ h6
M & = + ′ =
⎜
2
M&
1
M&
M&
1
1+
⎝ h3
− h
− h
7
6
h
+
h
2
3
− h
− h
3
6
⎞ ⎛ h3
− h
⎟ = M&
⎜
1
⎠ ⎝
6
+ h6
− h7
+ h
h − h
3
6
2
− h
3
⎞ ⎛ h2
− h
⎟ = M&
⎜
1
⎠ ⎝ h3
− h
7
6
⎞
⎟
⎠
Potrebna snaga za izentropsku kompresiju:
( h − h ) + M ( h − )
P&
= P&
+ P&
= P&
+ P&
= M&
&
I
II
NT
Toplina odvedena u kondenzatoru
( h − )
2 4
h5
VT
Q & = M & kW]
1 2 1 2 4
h3
Toplina odvedena u izmjenjivaču – pothlađivaču
( h − )
& = M & ]kW]
Q p
2 5
h6
Faktor hlađenja
[kW]
Q&
0
ε
0
=
P &
=
M
1
⎡
⎢
⎣
( h − h )
6 7 2 7
( h − h ) +
( h − h )
2
1
M
1
1
h − h + h − h
h − h
3
9
6
4
3
=
⎤
⎥
⎦
( h − h )
6 7 2 7
( h − h ) +
( h − h )
2
1
1
h − h + h − h
h − h
3
9
6
4
3
60

TEHNIKA HLAĐENJA
3.4.3.5. Dvostupanjska kompresija s prigušivanjem u dva prigušna ventila i
međuhladnjakom - odjeljivačem
p
4
3
p m
2 1
L NT
K
KP II
KP I
Q
P
PV I
L VT
1
p m
p m
5
2
6
7
MHO
p 0
M &
1
Q p
6 p
8
M &
9
p 0
p 0
PV II
OD
I
Q 0
Sl. 3.50. Shematski prikaz rashladnog uređaja s dvostupanjskom kompresijom, prigušivanjem
u dva prigušna ventila i međuhladnjakom – odjeljivačem
T
p
p m
5
6
8 7
p , T
p m , T m
3
4
2
p 0
9
x m
1-xm
p 0 , T 0
1
q 0
Sl. 3.51. T, s - dijagram rashladnog procesa s dvostupanjskom kompresijom, prigušivanjem u
dva prigušna ventila i međuhladnjakom – odjeljivačem
p
s
6
5
p , T
4
8
7
p m , T m
3
2
9
p 0 , T 0
1
Sl. 3.52.
p, h - dijagram rashladnog procesa s dvostupanjskom kompresijom, prigušivanjem u
dva prigušna ventila i međuhladnjakom – odjeljivačem
h
61

TEHNIKA HLAĐENJA
Rad niskotlačnog kompresora (kompresora prvog stupnja) lI
= lNT
= h 2
− h1
[kJ/kg]
Rad visokotlačnog kompresora (kompresora drugog stupnja) lII
= lVT
= h 4
− h3
[kJ/kg]
Specifični rashladni učinak q0 = h1
− h9
[kJ/kg]
Toplina odvedena u kondenzatoru q = h 4
− h5
[kJ/kg]
Toplina odvedena u izmjenjivaču – pothlađivaču q p
= h 5
− h6
[kJ/kg]
Za ostvarivanje rashladnog učinka Q & 0
treba protok M & 1kroz prigušni ventil PV II biti
Q&
Q&
& 0 0
1
= = [kg/s]
q0
h1
− h9
M
Iz bilance topline u međuhladnjaku (odjeljivaču) slijedi protok mase radne tvari kroz drugi
stupanj kompresora
⎛ h ⎞
2
− h8
M & =
⎜
⎟
2
M&
1
[kg/s]
⎝ h3
− h7
⎠
Potrebna snaga za izentropsku kompresiju:
( h − h ) + M ( h − )
P&
= P&
+ P&
= P&
+ P&
= M&
&
I
II
NT
Toplina odvedena u kondenzatoru
( h − )
2 4
h5
VT
Q & = M & [kW]
1 2 1 2 4
h3
Toplina odvedena u pothlađivaču = M & ( h − )
Q p
2 5
h6
[kW]
& [kW]
Q&
0
Faktor hlađenja ε
0
=
P&
=
M&
⎡
1⎢
⎣
( h − h )
2 8
( h − h ) + ( h − h )
2
M&
1
1
1
3
9
h − h
h − h
7
4
3
=
⎤
⎥
⎦
( h − h )
7 8
( h − h ) + ( h − h )
2
1
1
3
9
h − h
h − h
7
4
3
62

TEHNIKA HLAĐENJA
3.4.3.6. Dvostupanjska kompresija s prigušivanjem u dva prigušna ventila i
međuhladnjakom – odjeljivačem, s isparivanjem na dvije temperature
p
4
3
p m
2 1
L NT
K
KP II
KP I
Q
5
P
Q p
6
p
L VT
1
p m
p m
M & 2 6 7 3 p m
M
PV &
m
I
Q 0m
I II
MHO 8
8
9 p 0
PV II M &
1
p 0
O
p 0
I I
Q 0
Sl. 3.53. Shematski prikaz rashladnog uređaja s dvostupanjskom kompresijom, prigušivanjem
u dva prigušna ventila i međuhladnjakom – odjeljivačem, s isparivanjem na dvije temperature
U isparivaču I I isparivanje se odvija pri tlaku p 0
i temperaturi T 0
, a u isparivaču I II
isparivanje se odvija pri tlaku p
m
i temperaturi T m
. Tlak p
m
se sada ne odabire po kriteriju
najmanjeg utroška rada, već po potrebnoj temperaturi isparivanja T
m
.
T
p
5
6
8 7
9
p m
4 p 0
p , T
2
p m , T m 3
p 0 , T 0
q 0m
1
q 0
s
Sl. 3.54. T, s - dijagram rashladnog procesa s dvostupanjskom kompresijom, prigušivanjem u
dva prigušna ventila i međuhladnjakom – odjeljivačem, s isparivanjem na dvije temperature
63

TEHNIKA HLAĐENJA
p
6
5
p , T
4
8
7
p m , T m
3
2
9
p 0 , T 0
1
Sl. 3.55. p, h - dijagram rashladnog procesa s dvostupanjskom kompresijom, prigušivanjem u
dva prigušna ventila i međuhladnjakom – odjeljivačem, s isparivanjem na dvije temperature
Rad niskotlačnog kompresora (kompresora prvog stupnja) lI
= lNT
= h 2
− h1
[kJ/kg]
Rad visokotlačnog kompresora (kompresora drugog stupnja) lII
= lVT
= h 4
− h3
[kJ/kg]
Specifični rashladni učinak po 1 kg radne tvari koja dolazi u isparivač I I q0 = h1
− h9
[kJ/kg]
Specifični rashladni učinak po 1 kg radne tvari koja dolazi u isparivač I II q0 m
= h3
− h7
[kJ/kg]
Toplina odvedena u kondenzatoru q = h 4
− h5
[kJ/kg]
Toplina odvedena u izmjenjivaču – pothlađivaču q p
= h 5
− h6
[kJ/kg]
Za ostvarivanje rashladnog učinka Q & 0
treba protok M & 1kroz prigušni ventil PV II (isparivač I I )
biti
Q&
Q&
& 0 0
1
= = [kg/s]
q0
h1
− h9
M
h
Iz bilance topline i mase u međuhladnjaku (odjeljivaču) slijedi protok mase radne tvari kroz
drugi stupanj kompresora
h h
M &
⎛ − ⎞
= M&
⎜
2 8
+ M m
′
h h
⎟ &
2 1
[kg/s]
⎝ 3 − 7 ⎠
Za ostvarivanje rashladnog učinka
Q&
& 0m
m′
= [kg/s] .
h3
− h7
M
Q&
0 m
treba u MHO doteći kroz PV I
M&
To je više od masenog protoka kapljevite radne tvari kroz isparivač I II ( M& m
m′
= [kg/s] )
1 − x 7
64

TEHNIKA HLAĐENJA
Potrebna snaga za izentropsku kompresiju:
( h − h ) + M ( h − )
P&
= P&
+ P&
= P&
+ P&
= M&
&
I
II
NT
Toplina odvedena u kondenzatoru
( h − )
2 4
h5
VT
Q & = M & [kW]
1 2 1 2 4
h3
Toplina odvedena u pothlađivaču = M & ( h − )
Q p
2 5
h6
[kW]
& [kW]
Kod određivanja faktora hlađenja treba voditi računa da je za ostvarivanje Q & 0
i Q & m
potrebno
utrošiti različitu kompenzacijsku energiju (mehanički rad), pa bi faktor hlađenja trebalo
odrediti za svaki od tih učinaka posebno. Kada se u donji izraz uvrsti M &
1
= 0 dobije se faktor
Q&
hlađenja ε m
0II
= za slučaj da se samo isparivaču I
P&
II dovodi toplina, a uvrštenjem
M &
Q& m
= 0 dobije se faktor hlađenja ε 0
0 II
= za slučaj da se samo isparivaču I
P&
I dovodi toplina.
Bez obzira na spomenuti nedostatak, donji izraz može dobro poslužiti za međusobnu
usporedbu sličnih procesa, kao omjer koji pokazuje koliko se ukupno troši energije za rad
procesa.
Faktor hlađenja
Q&
0 + Q&
ε 0 =
P&
m
=
M&
1
( h − h ) + M&
( h − h )
2 8
( h − h ) + M&
+ M&
′ ( h − h )
2
M&
1
1
1
⎡
⎢
⎣
9
1
h − h
h − h
3
m
7
3
m
7
⎤
⎥
⎦
4
3
Ovako izračunat faktor hlađenja ne može se koristiti za usporedbu procesa i radnih tvari, jer
ovisi o konkretnim vrijednostima Q & 0
i Q&
0 m
, ali može poslužiti za uspoređivanje raznih
mogućnosti rješenja za neki konkretan slučaj s isparivanjem kod dvije temperature.
65

TEHNIKA HLAĐENJA
3.4.3.7. Trostupanjska kompresija s međuhladnjacima – odjeljivačima s isparivanjem
na jednoj, dvije ili tri temperature
L ST
L NT
p
6
5
p m1
p m1 4 3 p m 2 p m 1
Q
Q p
7
8
K
P
p
KP III
L VT
1
PV II
KP II
M &
M & 3
M & m1
2
p 5
MHO2
7
p m
m1 MHO1 3
Q
M & 0m1
m2
I III
10
12
9
p m1 10 11 p m 12
PV I M &
M & M &
3
2
1
KP I
M &
13
PV III
I II
m2
Q 0m
p 0
OD
p 0
14
p 0
I I
Q 0
Sl. 3.56. Shematski prikaz rashladnog uređaja s trostupanjskom kompresijom i
međuhladnjacima – odjeljivačima, s isparivanjem na tri temperature
Ovaj način rada koristi se uglavnom kod amonijačnih uređaja, za temperature isparivanja oko
–60 o C. Moguće je hlađenje na tri temperature T
0
, T
m
i T
m1
(temperature zasićenja za tlakove
p 0 , p m i p m1
), ali ne moraju se sve mogućnosti iskoristiti. Ako je cilj jedino hlađenje na
temperaturi T
0
, treba razmotriti i druga rješenja, kao što su kaskadni rashladni uređaji.
T
12
10
p
6
8 7 p , T
4
9 p m1 , T m1 5
2
11 p m , T m 3
p m1
p m
p 0
14
13
q 0m
p 0 , T 0
1
q 0
Sl. 3.57. T, s - dijagram rashladnog procesa s trostupanjskom kompresijom i međuhladnjacima
– odjeljivačima, isparivanje na tri temperature
s
66

TEHNIKA HLAĐENJA
p
8
7
p , T
6
10 9 p m1 , T m1 5
4
12
11
p m , T m
3
2
14
13
p 0 , T 0
1
Sl. 3.58. p, h - dijagram rashladnog procesa s trostepenom kompresijom, trostepenim
prigušivanjem i međuhladnjakom – odjeljivačem, isparivanje na tri temperature
h
3.4.4. Kaskadni rashladni procesi
Za niske temperature hlađenja (npr. –70 do –100 o C) već je jako sužen izbor uobičajenih
radnih tvari. Neke su radne tvari pri tim temperaturama već blizu ledišta (NH 3 na –80 o C,
R134a na –101 o C). Specifični volumen pare radne tvari je vrlo velik, pa su potrebni veliki
kompresori.
L II
L I
Q II
KP II
I II
K I
KP I
I I
K II
Q I = Q 0II
Q 0
PV II
R22 ili R717
Sl. 3.59. Shematski prikaz kaskadnog rashladnog uređaja s jednostepenim procesima u
pojedinoj kaskadi
Rješenje za ovakve slučajeve hlađenja su dva rashladna kruga s dvije različite radne tvari od
kojih je jedna pogodna za primjenu u području viših, a druga u području nižih temperatura.
Kondenzator rashladnog kruga niže temperature (donje kaskade) je ujedno isparivač
rashladnog kruga više temperature (gornje kaskade). Toplina Q & odvedena u kondenzatoru
PV I
R23 ili R13
I
67

TEHNIKA HLAĐENJA
donje kaskade dovodi se isparivaču gornje kaskade i predstavlja toplinu isparivanja Q& 0 II
za
gornju kaskadu. Vrijedi dakle Q & = I
Q & ′ 0 II
. Kondenzator i isparivač izvedeni su kao jedan
izmjenjivač topline.
Pojedini stupnjevi kaskadnog rashladnog uređaja mogu biti i rashladni procesi s dvostepenom
kompresijom i dvostepenim prigušivanjem. Za primjer prikazan na slici, kao radna tvar gornje
kaskade, za temperature do –55 o C odabran je amonijak R717 (to može biti i R22 za
temperature isparivanja koje se kreću oko –65 o C), a kao radna tvar donje kaskade, za
postizanje temperatura koje se kreću oko –90 o C etan R170 (mogu se koristiti još i etilen
R150 do temperatura isparivanja –100 o C, kisik R732 do –195 o C, dušik R724 do temperatura
isparivanja oko -180 o C). Temperatura kondenzacije donje kaskade mora biti nešto viša (za
Δ T IK
) od temperature isparivanja gornje kaskade, da bi se u izmjenjivaču topline ostvario
prijelaz topline.
4 II 3 II
1 II 2 I
K II KVT 1I
KNT 1I
KVT 1 KNT 1
4 I
3 I
1 I
Q II
I II K I I I
5
MHO II
MHO I
II
Q 0I
Q izII Q 0II =Q I
IZ II
6 II 7 II 8 II 9 II 9 I
6 I
8 I
PV 1II PV 2II
PV 1I PV 2I
R 717 R 170
Sl. 3.60. Shematski prikaz kaskadnog rashladnog uređaja s dvostepenim procesima u
pojedinom stupnju
T
T
T ok
ΔT
5 II
6 II
8 II
7 II
ΔT IK
9 II
p II , T II
p mII , T mII
p 0II , T 0II
3 II
4 II
2 II
4 I
5 I p I ,
2 I
1 II
6 I
8 I
ΔT 0
7 I 3 I
Th
p 0I , T 0I
9 I
1 I
p I
R 717
R 170
s s
Sl. 3.61.
T, s - dijagram kaskadnog rashladnog procesa s dvostepenim procesima u pojedinom
stupnju
Tu vrijedi ( h − h ) = M&
( h h )
& .
M R170 4I
6I
R717
1II
− 9II
68