Projektowanie instalacji freonowej dla zdalnych skraplaczy

Do innych urządzeń o podobnej zasadzie działania należą szafy klimatyzacyjne bezpośredniego odparowania przeznaczone do współpracy ze zdalnym skraplaczem. Problemy pojawiają się na etapie projektowania instalacji łączącej oba urządzenia, co skutkuje awaryjnymi wyłączeniami systemów klimatyzacji w obiekcie. W artykule poruszono podstawowe zagadnienia związane w właściwym projektowaniem tego typu instalacji oraz przedstawiono informacje, na które warto zwrócić uwagę przy montażu tego odcinka instalacji freonowej.

Zdalne skraplacze to urządzenia pozwalające na odprowadzenie ciepła z bezskraplaczowych agregatów chłodniczych. Składają się z wymiennika lub wymienników, w których skraplany jest czynnik chłodniczy, obudowy oraz wentylatorów, najczęściej osiowych (choć stosowane są również rozwiązania z wentylatorami promieniowymi).

W zależności od liczby wymienników tworzone są układy jedno- i wieloobiegowe (najczęściej dwuobiegowe). Do bezskraplaczowego agregatu chłodniczego, wielosprężarkowego o kilku obiegach chłodniczych możliwe jest zatem zastosowanie kilku jednoobiegowych zdalnych skraplaczy bądź zastosowanie jednego zdalnego skraplacza w wykonaniu wieloobiegowym.

W zależności od rozkładu mocy chłodniczej w agregacie chłodniczym na poszczególne układy chłodnicze również możliwe jest zastosowanie układów wieloobiegowych o „symetrycznym” bądź „asymetrycznym” rozkładzie wydajności cieplnej przypadającej na poszczególne obiegi. Standardowe rozwiązania obejmują w zależności od konstrukcji:

• zdalne skraplacze w wykonaniu pionowym,
• zdalne skraplacze w wykonaniu poziomym,
• zdalne skraplacze w układzie „V”.

Dwa pierwsze z wymienionych typów urządzeń są rozwiązaniami identycznymi, tylko inaczej usytuowanymi względem podłoża (wymagane są nóżki w rozwiązaniach poziomych, ale urządzenia są takie same i mają identyczne parametry techniczne). Skraplacze w wykonaniu pionowym i poziomym są stosowane z reguły przy mniejszych wydajnościach cieplnych (do ok. 600 kW1) – jednoobiegowe, do ok. 1300 kW1) – wykonanie dwuobiegowe). Przy większych mocach wykorzystuje się już skraplacze z wymiennikami ukształtowanymi względem siebie w kształcie litery „V” (do ok. 2 MW¹⁾). 

¹⁾dla parametrów 35% wodnego roztworu glikolu 45/40°C i przy temperaturze powietrza wlotowego 30°C.

Niestandardowe wykonania tzw. skraplacze natryskowo-wyparne są wyposażone w odrębny układ wodny z dyszami wodnymi stanowiącymi układ zraszania pozwalający na uzyskanie większych wydajności schładzania. Pomimo wielu zalet są one z różnych względów rzadko obecnie stosowane (wyższe koszty inwestycyjne, problemy z osadzaniem się kamienia wodnego itp.).

Regulacja ciśnienia skraplania odbywa się poprzez prosty układ regulacyjny stanowiący czujnik temperatury (ciśnienia) skraplania oraz regulator prędkości obrotowej. Zanurzeniowe czujniki ciśnienia skraplania są rozwiązaniami bardziej dokładnymi od przylgowych czujników temperatury skraplania, których wskazania wykazują wysoką zależność od warunków atmosferycznych (nasłonecznienie, wiatr itp.). Utrzymanie stałej temperatury skraplania może odbywać się stopniowo (zał./wył., skokowa regulacja) bądź poprzez płynną regulację prędkości obrotowej wentylatora/-ów. W urządzeniach wyposażonych w natrysk wodny, przy pełnej prędkości obrotowej wentylatorów i dalszym wzroście temperatury (ciśnienia) skraplania, załączony zostaje natrysk wodny.

Dobór zdalnych skraplaczy

Do doboru zdalnych skraplaczy wykorzystywane są obecnie programy wspomagające projektowanie dostarczane projektantom przez producentów urządzeń. W celu doboru właściwej wielkości urządzenia niezbędne jest z reguły podanie następujących informacji:

• rodzaju preferowanej konstrukcji (pionowa, pozioma, układ „V”),
• liczby obiegów chłodniczych,
• wymaganej wydajności cieplnej przypadającej na poszczególne obiegi chłodnicze,
• temperatury skraplania (zalecana jest różnica ok. 18 K w stosunku do temperatury powietrza zewnętrznego i przy założeniu przyrostu temperatury powietrza wlotowego na skraplaczu, tj. ok. 10 K), np. 50°C przy temp. powietrza wlotowego: 32°C, 
• obliczeniowej temperatury powietrza wlotowego (zewnętrznego),
• poziomu mocy lub ciśnienia akustycznego (w przypadku poziomu ciśnienia akustycznego należy podać, dla jakiej odległości ma zostać osiągnięta podawana wartość poziomu ciśnienia akustycznego),
• rodzaju zastosowanego czynnika chłodniczego, 
• wysokości n.p.m.,
• wartości przegrzania czynnika chłodniczego w skraplaczu,
• rozstaw lameli,
• ograniczenia co do zalecanych wymiarów urządzenia.

Na podstawie powyższych informacji program dokonuje zestawienia najczęściej kilku proponowanych urządzeń. Należy zwrócić uwagę, że bardzo duży wpływ na wielkość urządzenia mają przyjęte parametry obliczeniowe czynnika chłodniczego, jak i powietrza zewnętrznego oraz poziom przyjmowanego hałasu od urządzenia. Im mniejszy wymagany poziom ciśnienia akustycznego, tym mniejsza wydajność wentylatorów, a to z kolei wiąże się z większą powierzchnią wymiany ciepła (większe wymiary, wyższy koszt urządzenia). Zatem hałas, wymiary urządzenia, koszty inwestycyjne to zasadnicze parametry stanowiące o optymalizacji doboru zdalnych skraplaczy.

Przy projektowaniu instalacji freonowej pomiędzy bezskraplaczowym agregatem chłodniczym a zdalnym skraplaczem nie można zapomnieć o tych elementach armatury, które są niezbędne do prawidłowego funkcjonowania całego systemu klimatyzacyjnego na obiekcie. Do podstawowych należą:

• zawory zwrotne,
• zawory elektromagnetyczne.

Poniżej przedstawiono podstawowe informacje z doborem tego typu armatury na instalacji freonowej.

Zawór zwrotny po stronie tłocznej i cieczowej

W przypadku systemów, w których instalacja chłodnicza jest dłuższa niż 10 m z pionowymi odcinkami w kierunku zdalnego skraplacza umieszczonego wyżej od agregatu chłodniczego, niezbędne jest zamontowanie zaworu zwrotnego na przewodzie tłocznym, możliwie najbliżej wylotu ze sprężarki. Pozwala to na uniknięcie powrotu skondensowanego czynnika ziębniczego przez instalację chłodniczą do sprężarki, w momencie zatrzymania pracy systemu, co może wiązać się z uszkodzeniem sprężarki lub zablokowaniem prawidłowej pracy urządzenia na wskutek aktywacji alarmu wysokiego ciśnienia. Oczywiście zawór powinien zostać zamontowany w pozycji pionowej i w sposób uwzględniający właściwy kierunek przepływu czynnika w układzie chłodniczym.

W przypadku instalacji, w których długość przekracza 20 m, i przy minimalnej temperaturze poniżej –10°C niezbędne jest zamontowanie zaworu zwrotnego na instalacji cieczowej najbliżej, jak to możliwe, przy króćcu wylotowym ze skraplacza chłodzonego powietrzem, również w pozycji pionowej. To zabezpieczenie stosuje się, aby uniknąć, w momencie postoju systemu i przy bardzo niskich temp. zewnętrznych, migracji czynnika chłodniczego do skraplacza. Zapobiega to, w momencie ponownego załączenia sprężarki, nieefektywnemu skraplaniu czynnika chłodniczego w skraplaczu.

Zawór elektromagnetyczny po stronie cieczowej

Sprężarki typu spiralnego (scroll) instalowane w niektórych urządzeniach z reguły nie są narażone na możliwość przedostania się ciekłego czynnika do karteru. Jednak podczas zatrzymania systemu chłodniczego w okresie letnim temperatury powietrza zewnętrznego są wyższe od wewnętrznych, co powoduje migrację czynnika chłodniczego w kierunku sprężarki (najzimniejszy punkt) i w zależności od ilości czynnika w systemie może spowodować całkowite lub częściowe zalanie jej. W takim wypadku po uruchomieniu sprężarki może wystąpić alarm wysokiego ciśnienia. Aby tego uniknąć, niezbędne jest (o ile to możliwe) sprawdzenie ilości czynnika ziębniczego w systemie, obliczenie sumy ilości czynnika w każdym z komponentów systemu, a następnie porównanie z maksymalnymi wartościami pozwalającymi na prawidłowe funkcjonowanie systemu bez konieczności zastosowania zaworu elektromagnetycznego. Dla przykładu w tabeli 1 podano zalecane ilości maksymalnego napełnienia systemu dla szaf klimatyzacji precyzyjnej firmy Tecnair z chłodnicą bezpośredniego odparowania czynnika chłodniczego oraz przeznaczonych do współpracy ze zdalnym skraplaczem, dla których nie jest konieczne zastosowanie zaworów elektromagnetycznych.

Dla instalacji, w których napełnienie jest wyższe od wartości wskazanych w tabeli 1, konieczne jest zainstalowanie zaworu elektromagnetycznego po stronie cieczowej, który zostaje zamknięty w momencie zatrzymania pracy sprężarki i pozwalającym na uniknięcie migracji czynnika chłodniczego przez przewód cieczowy. Oczywiście istnieje również potrzeba uniknięcia migracji czynnika chłodniczego przez przewód tłoczny. Może to zostać zagwarantowane przez zamontowanie na linii tłocznej zaworów zwrotnych, o których powyżej wspomniano.

Trasowanie instalacji chłodniczej

Właściwe prowadzenie i trasowanie przewodów instalacji freonowej, w szczególności przewodu tłocznego za sprężarką, jest podstawą prawidłowego funkcjonowania urządzenia i pozwala na właściwy obieg oleju smarnego w układzie chłodniczym. Przy projektowaniu i montażu instalacji chłodniczej należy zwrócić uwagę, aby:

• przewód tłoczny pomiędzy agregatem a zdalnym skraplaczem na poziomych odcinkach był prowadzony ze spadkiem 2% zgodnie z kierunkiem przepływu czynnika,
• poniżej każdego przewyższenia ponad 3 m powinna być montowana pułapka olejowa,
• na pionowych odcinkach co ok. 3–4 m należy zamontować syfony,
• na najwyższym przewyższeniu w pobliżu skraplacza należy zamontować kontrasyfon,
• wszystkie przewody powinny być montowane w uchwytach co 2 m, co pozwala na uniknięcie przekazywania wibracji oraz na naturalne rozszerzenie przewodów, 
• spowodowane zmianami temperatury podczas pracy,
• sprawdzić kierunek przepływu czynnika chłodniczego na wlocie i wylocie ze skraplacza chłodzonego powietrzem; w każdym przypadku wymiana ciepła pomiędzy powietrzem a czynnikiem ziębniczym powinna odbywać się w sposób przeciwprądowy; oznacza to, że króciec wlotowy odparowanego czynnika chłodniczego powinien znajdować się w dalszej odległości od wlotu powietrza do urządzenia.

Powyższe wytyczne obowiązują również przy bezskraplaczowych agregatach chłodniczych przeznaczonych do współpracy ze zdalnymi skraplaczami.

Wymiarowanie instalacji freonowych

Dla mniejszych bezskraplaczowych urządzeń chłodniczych producenci z reguły podają maksymalne dopuszczalne długości instalacji freonowej, jak również wymagane średnice przewodów dla każdej wielkości urządzenia z typoszeregu. W tabeli 2 podano przykładowe zalecane wymiary przewodów freonowych dla szaf klimatyzacji precyzyjnej, przeznaczonych do współpracy ze zdalnym skraplaczem. Dla urządzeń większej mocy, takich jak bezskraplaczowe agregaty chłodnicze, niezbędne jest opracowanie projektu związanego z wymiarowaniem instalacji freonowej, jak też obliczenie spadków ciśnienia w tej części układu chłodniczego.

Podsumowanie

W artykule poruszono zagadnienia związane z właściwym projektowaniem instalacji freonowej łączącej zdalne skraplacze z bezskraplaczowymi agregatami wody ziębniczej. Jest to aspekt wielokrotnie pomijany na łamach czasopism, czego skutkiem są błędy na etapie projektowania i awaryjne wyłączenia agregatów chłodniczych na obiektach. Właściwe trasowanie i prowadzenie przewodów freonowych pozwala na prawidłowy obieg oleju smarnego w układzie chłodniczym oraz jego powrót i poprawne smarowanie sprężarki.

Z kolei odpowiednio dobrane średnice przewodów pozwolą na efektywną pracę sprężarkowego układu chłodniczego, a niezbędna armatura na instalacji freonowej zapewni bezpieczne i bezproblemowe funkcjonowanie instalacji doprowadzenia chłodu do systemu klimatyzacyjnego.

Literatura

1. Biuletyny techniczne firm: Kliweko, Clivet, Tecnair.
2. Recknagel, Sprenger, Hönmann, Schramek, Poradnik Ogrzewanie+Klimatyzacja, Gdańsk 1994.