Specjaliści w zaawansowanych systemach chłodniczych i klimatyzacyjnych

Układ kaskadowy

Co to jest układ kaskadowy?

Układ kaskadowy to rodzaj układu chłodniczego, w którym dwa układy są niezależne od siebie, a jeden z nich – układ o niższej temperaturze – wykorzystuje wymiennik ciepła jako skraplacz, który jest odpowiedzialny za odprowadzanie gromadzącego się w nim ciepła. Bardziej szczegółowe wyjaśnienie sposobu działania tych układów i wykorzystania czynników chłodniczych w zastosowaniach o bardzo niskiej lub niskiej temperaturze znajduje się poniżej.

Kaskadowy układ chłodzenia

Kaskadowy układ chłodzenia to układ przeznaczony do pracy w bardzo niskich temperaturach, nawet do -70°C, wyposażony w dwa dedykowane obwody chłodzące. Pierwszy z tych obwodów jest określany jako obwód pierwotny, który jest obwodem wysokotemperaturowym; drugi obwód jest nazywany obwodem wtórnym lub niskotemperaturowym. Jak wspomniano powyżej, oba te obwody są od siebie niezależne.

W tym dwuobwodowym układzie obwód pierwotny jest odpowiedzialny za chłodzenie obwodu wtórnego, dokładnie tak samo, jak w przypadku czynników chłodniczych. Są one zatem szczególnie przydatne w obwodach, w których wymagana jest wysoka niezawodność pod względem temperatury.

Można powiedzieć, że istnieją dwa warianty podstawowego cyklu chłodniczego wykorzystującego sprężanie pary. Pierwszy z nich nazywany jest cyklem kaskadowym, w którym cykl sprężania pary może być stosowany, jeśli różnica temperatur między skraplaczem a parownikiem jest zbyt wysoka. W tym momencie wykorzystywany jest układ chłodniczy, który pochłania ciepło ze skraplacza podczas procesu parowania, a także ciepło ze sprężania pary czynnika chłodniczego, gdy przechodzi on przez sprężarkę.

Pierwszy cykl obniża temperaturę skraplania, powodując późniejszy spadek ciśnienia. Jest to bardziej wydajna metoda niż pobieranie ciepła przez procesy konwekcyjne. Jest tak, ponieważ w środowisku pochłaniającym ciepło urządzenie skraplające ma niższą temperaturę niż powietrze, które przez nie przepływa.

Ciepło ze skraplacza jest zatem pochłaniane przez parownik w drugim układzie chłodniczym. Czynniki chłodnicze generalnie różnią się w zależności od typu obwodu, a celem tej wariacji jest właśnie dostosowanie parametrów temperatury i ciśnienia.

Oto jak działa kaskadowy układ chłodzenia

W kaskadowym układzie chłodzenia można wyróżnić dwa główne etapy. W pierwszym etapie (wysoki stopień) obwód przejmuje funkcję chłodzenia. W ten sposób czynnik chłodniczy jest odprowadzany przez sprężarkę pod wysokim ciśnieniem i w wysokiej temperaturze, a następnie trafia do skraplacza. Ten skraplacz jest odpowiedzialny za przekazywanie energii pochłoniętej przez czynnik chłodniczy z otoczenia, która zostanie ponownie uwolniona w postaci cieczy.

Następnym krokiem musi być przechłodzenie czynnika chłodniczego. Celem tej operacji jest zwiększenie wydajności przy jednoczesnym zapewnieniu, że ciecz przemieszcza się tylko w jednym kierunku. Gdy czynnik chłodniczy wejdzie w kontakt z parownikiem płytowym, czynnik chłodniczy w obiegu niskotemperaturowym zostanie schłodzony. W ten sposób cykl parownik-skraplacz zostaje zakończony, a czynnik chłodniczy o wysokiej temperaturze pochłania ciepło z czynnika chłodniczego o niskim ciśnieniu.

Następnie można wyróżnić drugi etap. Ten drugi stopień jest często nazywany również stopniem niskim i ma miejsce, gdy czynnik chłodniczy jest usuwany ze sprężarki pod wysokim ciśnieniem i w wysokiej temperaturze. W tym przypadku skraplacz działa jak płytowy wymiennik ciepła, a układ zaczyna działać przy wysokim ciśnieniu; następnie jest chłodzony lub przekształcany z pary w ciecz przez parownik wysokiego stopnia. Gdy czynnik chłodniczy jest przechłodzony, trafia do parownika, gdzie jest wprowadzany w bardzo niskich temperaturach.

Zalety układu kaskadowego

Układ kaskadowy oferuje określone korzyści w porównaniu z innymi metodami chłodzenia. Gdy używany jest układ kaskadowy, współczynnik kompresji każdego układu spada. Wydajność wolumetryczna jest zatem zwiększana na każdym etapie, a dzięki temu sam układ jako całość staje się znacznie bardziej wydajny. Jednocześnie należy zauważyć, że kaskadowy układ chłodzenia wymaga sprężarki o mniejszej pojemności.

Ponadto temperatura tłoczenia w układzie kaskadowym jest niższa niż w układzie jednostopniowym; efekt ten jest korzystny dla smarowania i temperatury oleju. Wreszcie należy zauważyć, że w kaskadowym układzie chłodniczym stosowane są również wysokociśnieniowe czynniki chłodnicze. Ten typ czynnika chłodniczego powoduje, że ciśnienie ssania osiąga wartości dodatnie. Oznacza to, że ten typ układu nie musi pracować w próżni, nawet w przypadkach, gdy temperatura nasycenia na ssaniu jest dość niska.

Środki ostrożności związane z pracą układu kaskadowego

Podczas korzystania z układu kaskadowego należy podjąć szereg środków ostrożności. Po pierwsze: należy pamiętać, że jest to układ, który ma pewne ograniczenia w zakresie stosowania, a zatem ważne jest monitorowanie stanu jego smarowania. Należy również sprawdzić, czy do układu nie jest zasysana ciecz.

W przypadku układów niskotemperaturowych należy upewnić się, że temperatura gazu powrotnego nie spada poniżej -60°C. Jest to ważne, aby nie uszkodzić żeliwnej sprężarki. Zaleca się również monitorowanie temperatury oleju, aby zapewnić, że jego poziom lepkości jest prawidłowy; dzięki temu będzie prawidłowo wykonywał swoje funkcje i zapobiegnie to cofaniu się oleju. Jeśli chodzi o olej, należy również zastosować wysokowydajny i dobrze dobrany separator oleju. Należy zauważyć, że jeśli olej nie powraca, bardzo prawdopodobne jest, że konieczne będzie cykliczne usuwanie oblodzenia w celu zwiększenia ciśnienia ssania i przepływu masowego. Jest to sposób na zmniejszenie lepkości oleju poprzez zwiększenie jego temperatury i spowodowanie jego powrotu do sprężarki.

Temperatura powrotu gazu poruszającego się w kierunku sprężarki musi być wysoka. W niektórych przypadkach do chłodzenia oleju można wykorzystać inne gazy sprężarkowe, w tym butan. Jednak czynność ta powinna być zawsze wykonywana przy użyciu tylko kilku gramów czynnika chłodniczego.

Ostatnią istotną kwestią związaną ze środkami ostrożności, jakie należy podjąć w przypadku kaskadowych układów chłodzenia, są rurociągi i ich izolacja. Ponieważ pracują one w bardzo niskich temperaturach, konieczne jest, aby izolacja tych komponentów i wszystkich odsłoniętych części zapewniała temperaturę niższą niż punkt rosy. Jest to szczególnie ważne w obszarach, w których temperatura spada poniżej 0°C. Zapobiegnie to kondensacji i zamarzaniu wilgoci obecnej w powietrzu.

Areacademy, zwycięzca nagrody Inicjatywa Przemysłowa Roku przyznanej przez ACR News Awards.