02. fejezet – Hőtani alapok és a hűtőkörfolyamat

A szerelő a munkája nagy részében két számot néz: egy nyomást a manométeren és egy hőmérsékletet a hőmérőn. Ebből a két számból kell megmondania, hogy a berendezés jól működik-e, van-e benne elég hűtőközeg, és nem fenyegeti-e a kompresszort folyadékütés. Ehhez nem kell termodinamikusnak lenned – de azt a néhány összefüggést, amelyre ez a fejezet épül, biztosan kell tudnod.

A fejezet első része (2.1–2.2) a képzés bemeneti tudását ismétli: a nyomással és a hőmérséklettel összefüggő egyszerű számításokat. Ha ezek mennek, nyugodtan haladj gyorsan. A 2.3 ponttól kezdődik az, ami már a szakma sajátja.

2.1 Nyomás: abszolút nyomás, túlnyomás, vákuum – mit mutat a manométer?

Mi a nyomás?

Az átváltások, amelyeket fejből kell tudnod:

1 bar  = 100 000 Pa = 100 kPa = 0,1 MPa
1 mbar = 100 Pa

A folyadékokban és a gázokban a nyomás minden irányban egyformán terjed (Pascal törvénye). Ezért mindegy, hogy a hűtőkör egy adott szakaszán hová csatlakoztatod a manométert: ugyanazon a szakaszon – az áramlási veszteségektől eltekintve – ugyanazt a nyomást méred.

Abszolút nyomás és túlnyomás

A légkör levegőoszlopa a talajszinten is nyomást fejt ki: ez a légköri (más néven barometrikus) nyomás, p_b. Értéke tengerszint közelében kb. 1,013 bar, de a helytől és az időjárástól függően változik.

A szerviz-manométer légköri nyomáson 0-t mutat, hiszen a referenciája maga a légkör. A vákuumot is mérni képes, mínusz tartományú skálájú műszert manovákuumméternek nevezik.

Mennyit vegyél a légköri nyomásnak? A hatósági tananyag szerint kisebb pontossági igényű méréseknél – például szervizmunka közben –, a tengerszint felett 50–150 m magasságú helyeken a légköri nyomás állandó 1 bar-nak vehető. Ilyenkor:

p_abs = p_t + 1 bar          (szervizmunka, síkvidék)
p_t   = p_abs − 1 bar        (visszafelé)

Hogyan jelöljük, melyik nyomásról van szó?

A „bar” egység önmagában nem mondja meg, hogy abszolút nyomásról vagy túlnyomásról van szó. A két forrásunk kétféle, egymást kiegészítő megoldást ír le:

• a hatósági tananyag szerint megállapodás alapján a puszta „bar” abszolút nyomást jelent, túlnyomásnál ezt külön jelezni kell;
• a mestervizsga-jegyzet az angol eredetű toldalékokat ajánlja: bara (abszolút) és barg (gauge, túlnyomás).

A gyakorlatban mindkettővel találkozol: a gőztáblázatok és a log p–h diagramok abszolút, a manométerek és sok szervizalkalmazás túlnyomás-értéket adnak. Ezért minden leírt nyomásnál jelöld, melyikről van szó – a jegyzőkönyvben is.

Nyomásmérők a szakmában

A szerviz- és üzemi manométerek legelterjedtebb fajtája a Bourdon-csöves manométer: egy ív alakúra hajlított, lapított cső, amely túlnyomás hatására „kiegyenesedni” igyekszik; a cső végének elmozdulását fogaskerék-áttétel viszi a mutatóra. Hasonló tulajdonságú a csőmembrános kivitel, amely kevésbé érzékeny a túlterhelésre.

Ebből következik, hogy a túl nagy méréshatárú műszer kis nyomásoknál pontatlan, a túl kicsi pedig túlterhelődik. A hatósági tananyag szerint akkor a legpontosabb a leolvasás, ha a mért érték a végkitérés kb. 2/3–3/4-e körül van.

Az elektronikus nyomásmérők piezoelektromos vagy piezorezisztív érzékelővel dolgoznak. A piezorezisztív érzékelő egy kis membrán; ha a membrán mögötti referenciatér vákuum, az érzékelő abszolút nyomást mér, ha a referenciatér a légkörre nyílik, túlnyomást. Hogy a te műszered melyiket mutatja, és milyen légköri nyomással számol, azt a gyártói leírásból kell megállapítanod.

2.2 Hőmérséklet és hőmérséklet-különbség; érzékelhető és rejtett hő

Celsius-fok és kelvin

A hőmérséklet SI-alapegysége a kelvin (K), a gyakorlatban a Celsius-fokot (°C) is használjuk. A kelvinben mért hőmérsékletet abszolút hőmérsékletnek is nevezik.

T [K] = t [°C] + 273,15      (a gyakorlatban: + 273)
20 °C = 273 + 20 = 293 K

Hő, belső energia, munka

Az energia egysége a gyakorlatban gyakran a kilowattóra: 1 kWh = 3600 kJ. A teljesítmény (hőteljesítmény, villamos teljesítmény) az időegység alatt átadott energia, egysége a kW (= kJ/s).

Érzékelhető hő: amikor a hőmérséklet változik

Ha egy anyag hőt vesz fel vagy ad le, és közben nem változik a halmazállapota, a hőmérséklete változik. Ezt a hőt érzékelhető (szenzibilis) hőnek nevezzük, mert hőmérővel követhető.

Két érték, amelyet a szakmában gyakran használsz:

2.1. táblázat. Gyakran használt fajhőértékek ([K] I/1.3, [RP]).

Rejtett hő: amikor a halmazállapot változik

Tegyél egy darab jeget egy melegebb helyiségbe: hőt vesz fel, olvadni kezd – de amíg van belőle, a hőmérséklete nem változik. A felvett hő a halmazállapot megváltoztatására fordítódik. Ugyanez történik forrásnál és lecsapódásnál is.

A hűtőgép lényege éppen ez: az elpárologtatóban a hűtőközeg elforr, és közben nagy rejtett hőt vesz fel a hűtött közegtől – állandó, alacsony hőmérsékleten. A kondenzátorban lecsapódik, és a felvett hőt magasabb hőmérsékleten adja le.

Hogy mekkora a különbség, azt jól mutatja a hatósági tananyag egyik példája: a szén-dioxid párolgáshője −5 °C-on 245 kJ/kg. Ugyanennyi hőt egy 30 %-os propilénglikol-oldatból (c = 3,8 kJ/(kg·K)) csak 10,7 kg vesz fel, ha 6 K-nel melegszik (számítás a 2.f mintapéldában). Halmazállapot-változással tehát egy nagyságrenddel kevesebb anyagot kell keringtetni ugyanahhoz a hőszállításhoz.

Gázok zárt térben: nyomás és hőmérséklet együtt változik

A nitrogénpalack tartalma, a nyomáspróbához nitrogénnel feltöltött csővezeték vagy a rendszerben maradt levegő gáz: nem forr és nem csapódik le, a nyomása és a hőmérséklete közötti kapcsolatot az ideális gáz állapotegyenlete írja le:

p · V = m · R · T
p  nyomás, Pa (ABSZOLÚT)        V  térfogat, m³
m  tömeg, kg                    T  hőmérséklet, K (ABSZOLÚT)
R  fajlagos gázállandó, J/(kg·K): nitrogén 296,8 · levegő 287

Ha a gáz zárt, merev térben van (a térfogat és a tömeg nem változik), az egyenletből az következik, hogy a nyomás az abszolút hőmérséklettel arányos:

p₂ = p₁ · T₂ / T₁        (abszolút nyomással és abszolút hőmérséklettel!)

Ezt a képletet a hatósági tananyag a nyomáspróba kiértékeléséhez adja meg: ha a próba alatt változik a hőmérséklet, a nyomásesés nem feltétlenül szivárgás (2.h mintapélda, a nyomáspróba menete a 15.8 pontban).

2.3 A telítési nyomás–hőmérséklet összefüggés – a szakma kulcsa

Miért forr a hűtőközeg –40 °C-on?

A víz a konyhában 100 °C-on forr, egy magashegyi táborban alacsonyabb hőmérsékleten. A forráspont tehát a nyomástól függ: a folyadék forráspontját a felszíne feletti gőz nyomása határozza meg. A hűtőközegeket éppen azért választják, mert a szokásos nyomásokon nagyon alacsony a forráspontjuk – ha a nyomást megválasztjuk, a forráspontot is megválasztjuk.

Ebből következik a szerelő legfontosabb mérési fogása: a nyomás megmérésével megállapítod a telítési hőmérsékletet. Ezen alapul a túlhevítés és az utóhűtés mérése, vagyis a beüzemelés és a hibakeresés jelentős része.

A telítési görbe

Minden hűtőközegnek saját telítési görbéje van: nagyobb nyomáshoz magasabb telítési hőmérséklet tartozik. A 2.3. ábrán négy gyakori közeg görbéje látható.

A görbéről három fontos dolgot olvasol le:

1. Ugyanahhoz a hőmérséklethez közegenként más nyomás tartozik. 5 °C-os elpárolgáshoz R-32-vel kb. 9,5 bar, R-134a-val kb. 3,5 bar abszolút nyomás kell. A manométer önmagában tehát semmit nem mond – csak a közeg ismeretében.
2. A görbe felfelé gyorsul. Magasabb hőmérsékleten 1 K-hez nagyobb nyomásváltozás tartozik, mint alacsonyabbon.
3. Telítés csak a görbén van. Ha a közeg tisztán gőz (túlhevített) vagy tisztán folyadék (utóhűtött), a hőmérséklete eltérhet a nyomáshoz tartozó telítési hőmérséklettől – ezt az eltérést méri a túlhevítés és az utóhűtés (2.4 pont).

A telítési táblázat (gőztáblázat)

A telítési adatokat gőztáblázatból, gőzlécből (tolótáblázatból), a közeg log p–h diagramjából vagy szervizszoftverből olvasod ki. A 2.2. táblázat négy közeg néhány értékét mutatja – ezzel dolgoznak a fejezet mintapéldái.

2.2. táblázat. Telítési nyomás, bar abszolút. Számított, tájékoztató értékek (CoolProp 8.0.0); két pontjuk egyezik a szakmai forrásokkal: R-134a 0 °C-on 2,93 bar ([T], [R1]), R-32 55 °C-on 34,19 bar túlnyomás ([K]). Munkához mindig a közeg gyártói táblázata vagy a műszer adatbázisa a mérvadó.

A kritikus pont

A telítési görbe nem tart a végtelenségig: a kritikus pontban véget ér. A kritikus nyomásnál nagyobb nyomáson a folyadék és a gőz között nincs különbség, a közeg lecsapódással nem cseppfolyósítható – ilyenkor gáznak nevezzük.

A legtöbb hűtőközeg kritikus hőmérséklete jóval a kondenzációs hőmérsékletek felett van. Kivétel a szén-dioxid (R-744): kritikus hőmérséklete kb. 31 °C, kritikus nyomása kb. 74 bar. Meleg környezetben ezért a CO₂-s hűtőkör hőleadó oldala a kritikus nyomás felett, kondenzáció nélkül üzemel – ezt transzkritikus körfolyamatnak nevezik, és rendkívül nagy nyomásokkal jár (14. fejezet).

2.4 Túlhevítés és utóhűtés – fogalom és mérés

Mit jelent a két fogalom?

Az elpárologtatóban a hűtőközeg a hűtött közegtől felvett hő hatására elforr. Amíg folyadék is van a csőben, a hőmérséklete a telítési hőmérséklet (t₀). Amikor az utolsó csepp is elpárolgott, a száraz gőz tovább melegszik: túlhevül.

A kondenzátorban fordított a sorrend: a kompresszorból érkező forró, túlhevített gőz először a telítési hőmérsékletre hűl, majd lecsapódik, végül a már tiszta folyadék a kondenzációs hőmérséklet alá hűl: utóhűl.

Figyeld meg a kivonás irányát: túlhevítésnél a mért érték a nagyobb (a gőz melegebb a telítésinél), utóhűtésnél a telítési (a folyadék hidegebb nála). Mindkét érték pozitív szám.

Hogyan méred?

A mérés mindkét esetben két adatból áll:

1. Nyomásmérés a vizsgált szakaszon (túlhevítéshez a szívóoldalon,
   utóhűtéshez a nagynyomású folyadékoldalon).
2. Átváltás abszolút nyomásra: p_abs = p_t + 1 bar (ha a műszer túlnyomást mér).
3. A telítési hőmérséklet kikeresése a közeg táblázatából (vagy a műszer
   kijelzi). Zeotrop keveréknél: túlhevítéshez HARMATPONT, utóhűtéshez
   BUBORÉKPONT.
4. Csőhőmérséklet mérése tapintó- vagy felületi hőmérővel, a nyomásmérés
   helyének közelében, jó hőkontaktussal.
5. Kivonás a helyes irányban (lásd a két definíciót).

A precíz hőmérsékletmérésnek itt különösen nagy a szerepe: néhány kelvines különbségeket mérsz, ezért a rosszul felfekvő vagy a környezeti levegőt is érzékelő szonda jelentős hibát okozhat. A mérőműszereket és a mérés gyakorlatát a 11.5–11.6 pont tárgyalja.

Zeotrop keverékek: harmatpont és buborékpont

Zeotrop keveréknél egy adott nyomáshoz két telítési hőmérséklet tartozik: a buborékpont (bubble point, a forrás kezdete, telített folyadék) és a harmatpont (dew point, a forrás vége, telített gőz). A kettő különbsége a hőmérséklet-csúszás, amely a keveréktől függően 1…6 K, esetleg több is lehet.

Mi történik, ha rossz ponthoz mérsz? A 2.6. ábra példájában a buborékponthoz számolt „túlhevítés” 11 K lenne. Ez nagynak tűnik, ezért a szerelő növelné a szelep áteresztését – több folyadék jutna az elpárologtatóba, amely ott már nem párologna el teljesen, és a kompresszor folyadékütést kaphatna.

Miért kell túlhevítés?

A túlhevítéssel kapcsolatban két ellentétes követelmény ütközik:

2.3. táblázat. A túlhevítés két oldala ([K] I/2.2, [T] 3.4.4.7).

Ezért a gyakorlatban egy optimális, „nem túl nagy és nem túl kicsi” túlhevítést tartanak, amelyet az expanziós szelep szabályoz. Fontos tudni: az expanziós szelep a beadagolt folyadék mennyiségét és ezzel a túlhevítést szabályozza – az elpárolgási hőmérsékletet nem. Az elpárolgási nyomást (és vele a hőmérsékletet) az határozza meg, hogy a kompresszor mennyi gőzt szív el az elpárologtatóból.

Mekkora a „helyes” túlhevítés? – a források eltérnek

Erre a kérdésre nincs egyetlen szám. A forrásaink mást-mást mondanak, mert más szeleptípusról és más alkalmazásról beszélnek:

2.4. táblázat. Túlhevítési értékek a forrásokban – mindegyik egy adott szeleptípusra vagy alkalmazásra érvényes.

Mire jó az utóhűtés?

Az utóhűtésnek három haszna van:

1. Gőzmentes folyadék érkezik az adagolóhoz. A folyadékvezetékben nyomásesés lép fel, felfelé haladó szakaszon a folyadékoszlop statikus nyomása is csökkenti a nyomást. Ha nincs elég utóhűtés, a nyomáscsökkenés miatt a folyadék egy része már a szelep előtt elgőzölög – ez zavarja a szelep működését (látszólagos hűtőközeghiány).
2. Nő a fajlagos hőelvonás. Hidegebb folyadékból fojtás után kevesebb gőz keletkezik, több folyadék forr el az elpárologtatóban (2.6 pont, 2.7. táblázat).
3. Javul a jóságfok, mert ugyanakkora kompresszormunkával több hőt szállít a gép.

Az utóhűtést növelni lehet belső hőcserélővel is, amelyben a szívott hideg gőz ellenáramban hűti a kondenzátorból érkező meleg folyadékot. Ilyenkor a szívott gőz kissé felmelegszik, ami magasabb nyomógáz-hőmérsékletet okoz. A mestervizsga-jegyzet szerint a nagyobb utóhűtés hűtőteljesítmény-növelő hatása ennél sokkal nagyobb előnyt ad. A belső hőcserélőt a 8.6 pont tárgyalja.

2.5 A hűtőgép mint hőszállító gép; a négy állapotváltozás

Hideget nem lehet gyártani

A köznyelvben „hideget állítunk elő”, fizikailag azonban hidegséget nem lehet adni semminek: csak hőt lehet elvonni. A hidegebb állapot az elvont hővel csökkentett melegebb állapot. A hűtőgép tehát olyan berendezés, amely egy anyagból hőt von el – és azt valahová el is kell vinnie.

A termodinamika két főtétele megmondja, mennyibe kerül ez:

A hűtőgép pontosan a II. főtétel „ellenkező irányát” valósítja meg: a hideg térből hőt szállít a meleg környezetbe, és ehhez energiát (a kompresszor hajtását) fogyaszt. Ezt hőszivattyúzásnak is nevezik – a hűtőgép és a hőszivattyú ugyanaz a gép, csak másik oldalát használjuk (20. fejezet).

A négy fő elem

A kompresszoros hűtőkör négy fő eleme (2.7. ábra):

• Elpárologtató: hőcserélő, amelyben a közeg kis nyomáson, alacsony hőmérsékleten elforr, és hőt von el a hűtött közegtől (7. fejezet).
• Kompresszor: elszívja a gőzt, összesűríti, és nagy nyomáson a kondenzátorba szállítja; a befektetett mechanikai energia nagy része hővé és nyomási energiává alakul (4. fejezet).
• Kondenzátor: hőcserélő, amelyben a közeg nagy nyomáson, magas hőmérsékleten leadja a hőt a levegőnek vagy a víznek, és lecsapódik (5. fejezet).
• Adagoló (expanziós szelep, fojtószerv): lecsökkenti a folyadék nyomását és ezzel a hőmérsékletét, és szabályozza az elpárologtatóba jutó közeg mennyiségét (6. fejezet).

A négy állapotváltozás

Kövessük a közeget a jegyzetben végig használt számozással:

2.5. táblázat. A gőzkompressziós hűtőkörfolyamat négy állapotváltozása.

Ki határozza meg a két nyomást?

• Kisnyomású oldal: az elpárolgási hőmérsékletnek alacsonyabbnak kell lennie a hűtött közegénél, különben a hő nem áramlik a közeg felé. A nyomást (és vele t₀-t) a kompresszor tartja: ha annyi gőzt szív el, amennyi keletkezik, a nyomás állandó.
• Nagynyomású oldal: a kondenzációs hőmérsékletnek magasabbnak kell lennie a hőt átvevő levegőnél vagy víznél. A közeg addig melegszik (és nő a nyomása), amíg a leadott hő el tud távozni – a nagynyomású oldal nyomását tehát a környezet hőmérséklete határozza meg, a kompresszor ezt nem szabályozza.

Energiamérleg

A kondenzátorban a közeg mindazt az energiát leadja, amit az elpárologtatóban hőként és a kompresszorban munkaként felvett. Teljesítményekkel, veszteségmentes gépet feltételezve:

Q_k = Q₀ + P
Q_k  kondenzátorban leadott hőteljesítmény, kW
Q₀   hűtőteljesítmény, kW
P    a kompresszor felvett teljesítménye, kW

Egy 3 kW hűtőteljesítményű, 1 kW-ot felvevő klímaberendezés kondenzátora tehát kb. 4 kW hőt ad le (2.g mintapélda).

2.6 A log p–h diagram olvasása; fajlagos hűtőteljesítmény, kompresszormunka, COP

Miért éppen ez a diagram?

A hűtőközeg állapotát és az állapotváltozások energiáját egyetlen ábrán a log p–h diagram mutatja. A p–h diagramot Bánki Donát javasolta, a logaritmikus nyomásskálás formája Mollier javaslatára terjedt el (ezért Mollier-diagramnak is nevezik).

• Függőleges tengely: nyomás (abszolút, bar), logaritmikus osztással – így a hűtéstechnikában fontos nyomástartomány rövidebb szakaszon elfér, és a telítési hőmérsékletek egyenletesebben követik egymást.
• Vízszintes tengely: fajlagos entalpia, h (kJ/kg), lineáris osztással.

Mivel csak a különbség számít, a nullpont helye megegyezés kérdése. A legtöbb diagram és gőztáblázat a 0 °C-os telített folyadékhoz h′ = 200 kJ/kg-ot rendel, így a gyakorlatban előforduló állapotok entalpiája pozitív. Ebből következik egy fontos szabály: egy közeghez csak azonos alappontú táblázatot és diagramot használj, különben az entalpiakülönbségek hibásak lesznek.

A diagram felépítése

A diagramot két határgörbe osztja mezőkre; a két görbe a kritikus pontban találkozik:

2.6. táblázat. A log p–h diagram mezői.

Az izotermák (t = állandó vonalak) jellegzetes alakúak:

• a folyadékmezőben gyakorlatilag függőlegesek (a folyadék entalpiája szinte csak a hőmérséklettől függ);
• a nedvesgőz-mezőben vízszintesek, egybeesnek az izobárokkal – tiszta közegnél itt egy nyomáshoz egy hőmérséklet tartozik;
• a túlhevített mezőben lefelé hajlanak, távol a határgörbétől újra a függőleges felé közelítenek.

Zeotrop keveréknél az izotermák a nedvesgőz-mezőben ferdék – ez a hőmérséklet-csúszás képe a diagramon.

A diagramon további görbeseregek is vannak: az izentrópák (s = állandó) a veszteségmentes sűrítés vonalai, ezek a túlhevített mezőben fontosak, és a fajtérfogat (v = állandó) vonalai, amelyekből a kompresszor által szívott gőz fajtérfogatát olvasod le.

A körfolyamat a diagramon

A 2.9. ábrán a kör négy pontja:

• 1 – a kompresszor szívócsonkja: kissé túlhevített gőz, p₀ nyomáson;
• 2 – a kompresszor nyomócsonkja: forró, túlhevített gőz, p_c nyomáson;
• 3 – a kondenzátor kimenete: utóhűtött folyadék, p_c nyomáson;
• 4 – az elpárologtató bemenete: nedves gőz, p₀ nyomáson. A fojtás függőleges vonal, ezért h₄ = h₃.

Mivel minden mennyiség 1 kg közegre vonatkozik, a diagramból fajlagos értékeket kapsz – a jelölésük kisbetű:

A kompresszormunka itt a gőz átszállításához szükséges teljes (technikai) munka a p₀ nyomású térből a p_c nyomású térbe – nem csak az összenyomásé (2.7 pont).

Jóságfok: EER és COP

Tömegáram és teljesítmény

A fajlagos értékekből a tényleges teljesítményt a tömegáram (ṁ, kg/s) adja:

Q₀ = ṁ · q₀          P = ṁ · w          Q_k = ṁ · q_k
ṁ  = V / v₁          (V: a kompresszor szívott térfogatárama, m³/s;
                      v₁: a szívott gőz fajtérfogata, m³/kg)

p₀ = 9,51 bar (abs)     p_c = 27,95 bar (abs)     p_c / p₀ = 2,94
1: h₁ = 522,4 kJ/kg  (10 °C-os túlhevített gőz)
2: h₂ = 567,1 kJ/kg  (t₂ ≈ 80 °C)
3: h₃ = 279,6 kJ/kg  (42 °C-os folyadék)     4: h₄ = h₃,  x₄ ≈ 0,23

q₀  = h₁ − h₄ = 522,4 − 279,6 = 242,8 kJ/kg
w   = h₂ − h₁ = 567,1 − 522,4 =  44,7 kJ/kg
q_k = h₂ − h₃ = 567,1 − 279,6 = 287,5 kJ/kg   (ellenőrzés: 242,8 + 44,7)
ε   = q₀ / w   = 242,8 / 44,7 = 5,43
COP = q_k / w  = 287,5 / 44,7 = 6,43         (= ε + 1)
ṁ   = Q₀ / q₀  = 3,5 / 242,8  = 0,0144 kg/s ≈ 51,9 kg/h
P   = ṁ · w    = 0,0144 · 44,7 ≈ 0,64 kW     (veszteségmentes kompresszor)

Hogyan hat az üzemállapot a körfolyamatra?

A szerelő számára a log p–h diagram legnagyobb haszna, hogy megérted belőle, mit okoz egy-egy üzemállapot-változás. A 2.7. táblázat ugyanazt a gépet mutatja (azonos szívott térfogatáram), mindig egyetlen jellemzőt változtatva.

2.7. táblázat. Az R-32-es mintakör jellemzői egy-egy üzemi paraméter változásakor, azonos szívott térfogatáram mellett (számítás: CoolProp 8.0.0, veszteségmentes sűrítés; az irányok a [K] I/3.1 leírásával egyeznek). A változtatott sorok a kerekítetlen entalpiákból számítottak, ezért a második tizedesjegyben eltérhetnek a táblázat kerekített értékeiből számolttól.

A táblázat tanulságai – ezeket a hibakeresésnél is használod:

• Ha t₀ csökken (például eljegesedett elpárologtató miatt), csökken a szívónyomás, a kompresszor ritkább gőzt szív, kisebb a tömegáram és a hűtőteljesítmény, a jóságfok romlik, a nyomógáz melegebb.
• Ha t_c nő (szennyezett kondenzátor, meleg környezet), csökken a fajlagos hőelvonás, nő a kompresszormunka és a nyomógáz-hőmérséklet.
• Az utóhűtés növelése változatlan kompresszormunka mellett növeli a fajlagos hőelvonást és a jóságfokot: a fojtás után kevesebb gőz keletkezik (x₄ csökken).

2.7 A kompresszió a p–V diagramon (izoterm, adiabatikus, politropikus) – szemléletesen

A log p–h diagram a hűtőközeg szempontjából írja le a sűrítést. A p–V diagram (nyomás–térfogat) a kompresszor szemszögéből mutatja ugyanezt: mi történik a hengerbe zárt gázzal, és mekkora munkát kell befektetni. A dugattyús kompresszor működését (szelepek, káros tér, indikátordiagram) a 4.2 pont tárgyalja; itt csak a szemléletes képet építjük fel – levegőn bemutatva, mert arra egyszerű képletek érvényesek.

Az állapotváltozások fajtái

2.8. táblázat. Gázok állapotváltozásai ([KOMP] 1., [EMG] 3.2. táblázat).

Miért melegszik a gáz sűrítéskor?

A sűrítés munkát visz a gázba. Ha ezt a munkát hőként nem vezetjük el, a gáz belső energiája – és vele a hőmérséklete – nő. A két határeset:

• Izoterm sűrítés: a fejlődő hőt teljesen elvezetjük, a hőmérséklet nem változik. Szokványos kompresszorban ez nem valósítható meg, de érdemes megközelíteni.
• Adiabatikus sűrítés: semennyi hőt nem vezetünk el, a hőmérséklet a legjobban nő.

A 2.10. ábra példájában a levegő 1 bar-ról 4 bar-ra sűrítve izoterm esetben 20 °C-os marad, adiabatikus sűrítésnél kb. 163 °C-ra melegszik (2.9. táblázat).

izoterm:      T₂ = T₁
adiabatikus:  T₂ = T₁ · (p₂ / p₁)^((κ − 1)/κ)
politropikus: T₂ = T₁ · (p₂ / p₁)^((n − 1)/n)

2.9. táblázat. A 2.10. ábra számértékei ([EMG] 3.2. táblázat képleteivel számolva). A munka oszlopból csak az arányt kell látnod: az izoterm sűrítés igényli a legkevesebb munkát.

A kompresszormunka mint terület

Egy ütem három szakaszból áll (2.11. ábra): szívás állandó p₁ nyomáson (a szívószelep nyitva), sűrítés zárt szelepekkel p₂-ig, majd kitolás állandó p₂ nyomáson (a nyomószelep nyitva). A kompresszor teljes – technikai – munkája a három szakasz által bezárt terület: ez több, mint a puszta összenyomás munkája, mert a gáz beszívását és kitolását is tartalmazza.

A 2.9. táblázat utolsó oszlopából látszik a két forrásunk közös tanulsága: az izoterm sűrítés igényli a legkevesebb munkát, a valós folyamat ettől mindig elmarad. A szívott gáz hőmérsékletének csökkentése a sűrítési munkát és a véghőmérsékletet is csökkenti – ezt a forrás légkompresszorokra mondja ki.

2.8 Hőterjedés: vezetés, áramlás, sugárzás – ahol a szerelő találkozik velük

A hő magától mindig a melegebb helyről a hidegebb felé áramlik. Az útja háromféle lehet (2.12. ábra).

Hőátbocsátás: a három együtt

A valóságban egy falon vagy csőfalon át a hő a három módon egyszerre halad: a meleg oldalon hőátadással jut a felületre, a falban hővezetéssel halad, a hideg oldalon ismét hőátadással távozik. Ezt a gyakorlatban egyetlen tényezővel írjuk le.

Hol találkozol vele a munkád során?

• Hőcserélők: az elpárologtatóban és a kondenzátorban a hűtőközeg oldalán forrás, illetve lecsapódás közben jó a hőátadás, a levegő oldalán viszont gyenge. Ezért kap a levegős hőcserélő bordázatot (lamellákat): a nagyobb felület pótolja a kis hőátadási tényezőt (5. és 7. fejezet).
• Szennyeződés: a kondenzátor felületén lerakódó szennyeződés hővezetési ellenállása megközelíti a gyengébb szigetelőanyagokét. Már vékony réteg is nagyobb hőmérséklet-különbséget, vagyis nagyobb kondenzációs nyomást okoz. A dér az elpárologtatón hasonlóan rontja a hőátadást.
• Szigetelés: a csővezeték szigetelése a hőátbocsátást csökkenti; a szigetelés anyagait és a harmatpont kérdését a 15.6 pont tárgyalja.
• Sugárzás: ha a folyadékvezetéket nagy hősugárzás éri, a felvett hő a folyadék egy részét elgőzölögtetheti – ez is látszólagos hűtőközeghiányt okozhat (2.4 pont).
• Hűtött tér: a hűtőkamra falán át beáramló hő a hűtőteljesítmény-igény egyik része (2.j mintapélda).

2.9 Mintapéldák: nyomásátváltás, manométerről telítési hőmérséklet, túlhevítés, COP

Az alábbi példák az írásbeli vizsga számításos feladattípusait követik. Dolgozd végig őket papíron is: a vizsgán a levezetés is pontot ér. A telítési hőmérsékleteket a 2.2. táblázatból olvasd ki.

a) p_abs = p_t + p_b = 2 + 1 = 3 bar
   p_abs = −0,4 + 1 = 0,6 bar     (a manométer vákuumot jelez)
b) 9,5 bar = 9,5 · 100 kPa = 950 kPa = 0,95 MPa

1. p_abs = 8,5 + 1 = 9,5 bar
2. 2.2. táblázat, R-32: 5 °C-hoz 9,51 bar tartozik  →  t₀ ≈ 5 °C
3. Δt_th = t_mért − t₀ = 11 − 5 = 6 K

1. p_abs = 27 + 1 = 28 bar
2. 2.2. táblázat, R-32: 45 °C-hoz 27,95 bar tartozik  →  t_c ≈ 45 °C
3. Δt_uh = t_c − t_mért = 45 − 41 = 4 K

Q = c · m · Δt = 4,2 · 150 · (56 − 16) = 25 200 kJ
t = 3 h = 3 · 3600 s = 10 800 s
P = Q / t = 25 200 / 10 800 = 2,33 kW
Ellenőrzés kWh-ban: 25 200 / 3600 = 7 kWh;  7 kWh / 3 h = 2,33 kW

Q (1 kg CO₂ elpárolog) = m · r = 1 · 245 = 245 kJ
m_glikol = Q / (c · Δt) = 245 / (3,8 · 6) = 10,7 kg

ε (EER) = Q₀ / P = 3 / 1 = 3
Q_k     = Q₀ + P = 3 + 1 = 4 kW
COP     = Q_k / P = 4 / 1 = 4      (= ε + 1)

p₁ = 25 + 1 = 26 bar (abs)       T₁ = 25 + 273 = 298 K
                                 T₂ = 15 + 273 = 288 K
p₂ = p₁ · T₂ / T₁ = 26 · 288 / 298 = 25,13 bar (abs)
p₂ (manométer) = 25,13 − 1 = 24,13 bar

m = p · V / (R · T) = 20 000 000 · 0,1 / (296,8 · 293) ≈ 23 kg

Δt = 25 − 0 = 25 K
Q̇  = k · A · Δt = 0,4 · 30 · 25 = 300 W = 0,3 kW
Q  = Q̇ · t = 0,3 kW · 24 h = 7,2 kWh

Gyakorlatok

Összefoglalás

• A manométerek többsége túlnyomást mutat; a gőztáblázatok és a log p–h diagramok abszolút nyomással dolgoznak: p_abs = p_t + p_b, szervizmunkánál p_b ≈ 1 bar. Vákuumot csak abszolút nyomásmérővel lehet jól mérni.
• A hőmérséklet-különbséget kelvinben adjuk meg; szorzásnál és osztásnál (gáztörvény) abszolút hőmérséklettel és abszolút nyomással kell számolni.
• Érzékelhető hő: Q = c · m · Δt; rejtett hő: Q = m · r. A hűtőgép a rejtett hőt használja: forrással vesz fel, lecsapódással ad le sok hőt.
• Telítésben a nyomás és a hőmérséklet egyértelműen összefügg – a nyomásból a közeg táblázata alapján kiolvasod a telítési hőmérsékletet.
• Túlhevítés = mért − telítési (szívóoldal), utóhűtés = telítési − mért (folyadékoldal). Zeotrop keveréknél a túlhevítést a harmatponthoz, az utóhűtést a buborékponthoz mérjük.
• „Helyes” túlhevítési érték csak az adott szeleptípusra és a gyártói előírás szerint létezik; a források 1–2 K-től (elektronikus szelep) 7–8 K-ig adnak értékeket.
• A hűtőgép hőszállító gép: négy elem, négy állapotváltozás; Q_k = Q₀ + P.
• A log p–h diagramon: q₀ = h₁ − h₄, w = h₂ − h₁, q_k = h₂ − h₃, ε = q₀ / w, COP = ε + 1. Alacsonyabb t₀ vagy magasabb t_c rontja, nagyobb utóhűtés javítja a jóságfokot.

Ellenőrző kérdések

1. Miért kell a manométerről leolvasott nyomáshoz 1 bar-t hozzáadni, mielőtt a gőztáblázatot használod? Mikor nem elég ez a közelítés?
2. Mi a különbség az érzékelhető és a rejtett hő között? Melyiket használja ki a hűtőgép, és miért?
3. Mit jelent, hogy telítésben a nyomás és a hőmérséklet „egyértelműen összefügg”? Mikor nem alkalmazható ez az összefüggés?
4. Hogyan méred a túlhevítést és az utóhűtést? Melyik kivonás melyik irányú?
5. Miért kell zeotrop keveréknél külön harmatponti és buborékponti hőmérsékletet használni? Mi történik, ha a túlhevítést a buborékponthoz számolod?
6. Miért nem lehet egyetlen „helyes” túlhevítési értéket megadni? Mihez hasonlítod a mért értéket?
7. Rajzold fel a hűtőkör négy fő elemét és a négy állapotváltozást! Mi határozza meg a kis- és a nagynyomású oldal nyomását?
8. Olvasd le egy log p–h diagramról a q₀, w és q_k értékét, és magyarázd el, miért javítja az utóhűtés a jóságfokot!

Tudáspróba

1. A szívóoldali manométer 4,2 bar-t mutat. Mekkora az abszolút nyomás (p_b = 1 bar)?

• a) 3,2 bar
• b) 4,2 bar
• c) 5,2 bar
• d) 42 bar

2. Melyik állítás igaz a manométerre szerelt hőfokskálára?

• a) Csak a feltüntetett közegre és 1 bar légköri nyomás mellett pontos.
• b) Minden hűtőközegre egyformán használható, mert a telítési görbék azonosak.
• c) Vákuum mérésére is pontos, mert abszolút nyomást mutat.
• d) Zeotrop keveréknél pontosabb, mint tiszta közegnél.

3. Egy zeotrop keveréknél a mért elpárolgási nyomáshoz 0 °C buborékponti és 5 °C harmatponti hőmérséklet tartozik, a szívócső hőmérséklete 12 °C. Mekkora a túlhevítés?

• a) 12 K
• b) 9,5 K
• c) 5 K
• d) 7 K

4. Mit szabályoz a termosztatikus expanziós szelep?

• a) Az elpárolgási hőmérsékletet, a szelep nyitásának mértékével.
• b) A túlhevítést, a beadagolt folyadék mennyiségén keresztül.
• c) A kondenzációs nyomást, a folyadék torlasztásával.
• d) A kompresszor fordulatszámát, a szívónyomás alapján.

5. Egy hűtőkörben h₁ = 400 kJ/kg, h₂ = 440 kJ/kg, h₃ = h₄ = 240 kJ/kg. Mekkora a hűtési jóságfok?

• a) 4,0
• b) 5,0
• c) 6,0
• d) 3,5

6. Hogyan változik a hűtési jóságfok, ha – változatlan elpárolgási hőmérséklet mellett – a kondenzációs hőmérséklet nő?

• a) Nő, mert nagyobb a hőmérséklet-különbség.
• b) Nem változik, mert a kompresszor ugyanaz.
• c) Csökken, mert kisebb a fajlagos hőelvonás és nagyobb a munka.
• d) Csak a fűtési jóságfok változik, a hűtési jóságfok változatlan marad.

7. Melyik állapotváltozás igényli a legkevesebb kompresszormunkát ugyanazon nyomásviszony mellett?

• a) adiabatikus
• b) izoterm
• c) politropikus, n = 1,2
• d) mindhárom ugyanannyit

8. Egy nitrogénnel töltött zárt csőszakasz nyomása 20 °C-on 19 bar túlnyomás. Mekkora túlnyomást mutat a manométer 30 °C-on, ha a csőszakasz tömör (T = t + 273, p_b = 1 bar)?

• a) 28,5 bar
• b) 19,0 bar
• c) 18,4 bar
• d) 19,7 bar

(Megoldások: B. függelék.)

A fejezet forrásai