Tulistus ja alijäähdytys

Kolme aluetta Log p-h -kaaviossa

Kylmäaine voi olla nestettä, nesteen ja höyryn seosta tai höyryä

Kylmälaitoksessa kylmäaine esiintyy laitoksen eri osissa eri olomuodoissa. Kylmäprosessissa faasimuutos tehdään tarkoituksella kahteen kertaan: kylmäaine höyrystyy ja ottaa lämpöenergiaa jäähdytettävästä kohteesta, minkä jälkeen se lauhtuu ja luovuttaa energian muualla. Energia voidaan siirtää esimerkiksi ulkoilmaan, rakennuksen lämmitykseen tai käyttöveden lämmitykseen.

Jotta kylmälaitoksen toimintaa voidaan ymmärtää, täytyy ensin hahmottaa milloin kylmäaine on nestettä, milloin se höyrystyy tai lauhtuu ja milloin se on kokonaan höyryä. Samalla paineen, kyllästymislämpötilan, tulistuksen ja alijäähdytyksen merkitys alkaa muuttua mitattavista numeroista ymmärrettäväksi prosessiksi.

Kun nämä perusasiat ovat selvät, laitoksen toiminnan ymmärtäminen ja vianhaku helpottuvat huomattavasti. Ilman niitä on vaikea päätellä, toimiiko laitos oikein, onko kylmäainetäytös sopiva tai voidaanko järjestelmää säätää energiatehokkaaksi, luotettavaksi ja kestäväksi.

Log p-h -kaavio, jossa alijäähtyneen nesteen alue kuvun vasemmalla puolella on korostettu

1 · Yksifaasialue

Alijäähtynyt neste

Kylmäaine on kokonaan nestettä. Kun nesteen lämpötila on samalla paineella kyllästymislämpötilaa alempi, neste on alijäähtynyttä.

Alijäähdytys = T_kyllästys − T_neste

Esimerkiksi jos paineesta saadaan kyllästymislämpötilaksi +35 °C ja nestelinja mitataan +30 °C:ksi, alijäähdytys on 5 K.

Log p-h -kaavio, jossa nesteen ja höyryn kaksifaasialue kyllästyskupun sisällä on korostettu

2 · Kaksifaasialue

Neste + höyry

Kyllästyskupun sisällä nestettä ja höyryä esiintyy yhtä aikaa. Täällä tapahtuvat kylmätekniikan tärkeimmät faasimuutokset: höyrystyminen ja lauhtuminen.

Puhtaalla kylmäaineella kuten R290:llä lämpötila pysyy tietyssä paineessa faasimuutoksen ajan käytännössä vakiona, vaikka suuri määrä energiaa siirtyy.

Kyllästynyt tila = neste ja höyry ovat tasapainossa

Log p-h -kaavio, jossa tulistuneen höyryn alue kuvun oikealla puolella on korostettu

3 · Yksifaasialue

Tulistunut höyry

Kaikki neste on jo höyrystynyt. Kun höyryn lämpötila on samalla paineella kyllästymislämpötilaa korkeampi, höyry on tulistunutta.

Tulistus = T_höyry − T_kyllästys

Jos imupaine vastaa −10 °C kyllästymislämpötilaa ja imuputkesta mitataan −4 °C, tulistus on 6 K.

Kylmäaineita on puhtaita aineita sekä atseotrooppisia ja tseotrooppisia seoksia. Puhdas kylmäaine, kuten R290, höyrystyy ja lauhtuu tietyssä paineessa yhdessä kyllästymislämpötilassa. Atseotrooppinen seos käyttäytyy faasimuutoksessa lähes puhtaan aineen tavoin. Tseotrooppisella seoksella lämpötila muuttuu höyrystymisen ja lauhtumisen aikana, eli sillä on lämpötilaliukuma; silloin käytetään kupla- ja kastepistettä. Nämä kylmäainetyypit käsitellään tarkemmin kylmäaineita käsittelevässä osiossa.

R290 — bar(abs)

Kylläinen kaksifaasitila

Kun tiedämme lämpötilan, tiedämme paineen

Kun R290-pullossa on yhtä aikaa nestettä ja höyryä, kylmäaine on kylläisessä tilassa. Silloin lämpötila ja paine ovat sidoksissa toisiinsa: jokaisella lämpötilalla on oma kyllästyspaineensa. Vastaavasti mitatusta paineesta voidaan päätellä kyllästymislämpötila. Säädä pullon lämpötilaa ja seuraa, miten paine muuttuu.

Kyllästymislämpötila+10 °C

Vastaava kyllästyspaine— bar(abs)

TilaNESTE + HÖYRY · KYLLÄINEN TILA

Pullon lämpötila+10 °C

−20 °C 0 °C
huurre alkaa +50 °C

Muista tämä Kaksifaasitilassa paine ja lämpötila kuuluvat yhteen.

Tulistus alkaa vasta, kun kaikki neste on höyrystynyt. Alijäähdytys alkaa vasta, kun kaikki höyry on lauhtunut nesteeksi.

Mitä tulistus ja alijäähdytys kertovat?

Nyt vertaamme kyllästymislämpötilaa putken todelliseen lämpötilaan

Tulistus = höyryn lämpötila − kyllästymislämpötila. Alijäähdytys = kyllästymislämpötila − nesteen lämpötila.

Tulistus kertoo, että höyrystyminen on päättynyt ennen kompressoria. Sopiva tulistus suojaa kompressoria nestepalautukselta ja auttaa hyödyntämään höyrystimen pinta-alaa tehokkaasti.

Alijäähdytys kertoo, että kylmäaine on varmasti nestettä ennen paisuntalaitetta. Se vähentää höyrystymisen riskiä nestelinjassa ja voi kasvattaa höyrystimellä käytettävissä olevaa entalpiaeroa.

Alla oleva simulaatio näyttää nämä kaksi erotusta samassa R290-prosessissa.

1 · Mittaa alijäähdytys

Näin alijäähdytys mitataan

Tarvitaan kaksi arvoa: paineesta saatava kyllästymislämpötila ja nestelinjasta mitattu todellinen lämpötila.

1 · Lauhtumislämpötila +45 °C Korkeapaineesta saatu R290:n kyllästymislämpötila.

SC = 45 − 40 = 5 K

2 · Nestelinjan lämpötila +40 °C Mittaa putken pintalämpötila juuri ennen paisuntalaitetta.

Alijäähdytys = lauhtumislämpötila − nestelinjan lämpötila. Esimerkiksi +45 °C − +40 °C = 5 K.

Varaajallisen laitoksen alijäähdytyksen mittausperiaate

2 · Varaajallinen laitos

Mittaus nestelinjasta varaajan jälkeen

Lauhduttimen loppupäässä voi syntyä alijäähdytystä, mutta varaajassa se häviää viimeistään, koska kylmäaine on siellä kaksifaasitilassa (neste + höyry).

Varsinainen alijäähdytys syntyy varaajan ja paisuntalaitteen välisessä täydessä nestefaasissa. Nestelinja voi jäähtyä ympäristöön tai erillisessä lämmönvaihtimessa. Sopiva alijäähdytys parantaa nestesyöttöä ja auttaa estämään höyrykuplia.

Kapillaarisyöttöisen laitoksen alijäähdytyksen mittausperiaate

3 · Kapillaarisyöttöinen laitos

Mittaus lauhduttimen loppupäästä

Kapillaarisyöttöisessä laitoksessa ei käytetä nestesäiliötä eli varaajaa. Mahdollinen alijäähdytys syntyy pääasiassa lauhduttimen loppupäässä ennen kapillaaria.

Liian suuri kylmäainetäytös voi kasvattaa alijäähdytystä ja täyttää osan lauhduttimesta nesteellä. Tällöin hyödyllinen lämmönsiirtopinta-ala voi pienentyä.

Höyrystimen tulistuksen mittaus

1. Mittaa imupaine ja muuta se R290:n höyrystymislämpötilaksi.

2. Mittaa imuputken pintalämpötila heti höyrystimen jälkeen. Tämä kertoo höyrystimessä syntyneen tulistuksen.

Höyrystimen tulistus = imuputki heti höyrystimen jälkeen − höyrystymislämpötila

Kokonaistulistuksen mittaus

1. Mittaa imupaine ja muuta se R290:n höyrystymislämpötilaksi.

2. Mittaa imuputken pintalämpötila juuri ennen kompressoria. Tämä arvo sisältää höyrystimessä syntyneen tulistuksen lisäksi imulinjassa tapahtuneen tulistumisen.

Kokonaistulistuksen ja höyrystimen tulistuksen välinen ero antaa viitteitä imulinjan lämpökuormasta ja siten myös imulinjan eristyksen toimivuudesta.

Kokonaistulistus = imuputki ennen kompressoria − höyrystymislämpötila

Lauhtumislämpötila Tc 45 °C · 15.35 bar(abs)

Alijäähdytys 5 K neste − lämpö

Höyrystymislämpötila T₀ −10 °C · 3.45 bar(abs)

Höyrystimen tulistus 5 K paisuntaventtiilin säätö

Imuputken tulistus 3 K lämpökuorma imuputkessa

Tavoite: höyrystyminen tapahtuu höyrystimessä.

Kylmäaineen pitäisi ottaa mahdollisimman suuri osa hyödynnettävästä energiasta vastaan höyrystimen kaksifaasialueella. Imuputkessa tapahtuva lisätulistus ei kasvata jäähdytettävästä kohteesta saatua kylmätehoa.

Höyrystimessä — K Imuputkessa — K

Siksi imuputki eristetään huolellisesti. Se on usein myös ympäristön kastepisteen alapuolella, jolloin eristämättömään tai puutteellisesti eristettyyn putkeen muodostuu kondenssivettä. Imuputkeen sitoutunut lämpö on jäähdytyslaitoksessa hyödytöntä, jos sitä ei oteta muualla talteen, mutta kompressorin on silti käsiteltävä tämä lisäenergia.

Säätöjen vaikutus Log p-h -kaaviossa

Tulistus siirtää pistettä 1 oikealle. Alijäähdytys siirtää pistettä 3 vasemmalle ja paisunta alkaa alemmasta entalpiasta.

Säätöarvot ja tulokset

Venttiilin tulistus ja imuputkessa syntyvä lisätulistus erotetaan toisistaan. Kompressorin imulla näkyy niiden summa.

Lauhtumislämpötila—

Alijäähdytys—

Höyrystimen tulistus—

Imuputken tulistus—

Kokonaistulistus—

Kompressorin imulämpötila—

Lauhdutuspaine, kompensoitu—

Kuumakaasun lämpötila, piste 2—

Kokonaistulistus
—

Kompressorin imulämpötila
—

Miksi imuputken tulistus halutaan pitää pienenä?
Hyödyllinen höyrystyminen pyritään tekemään höyrystimessä, jossa kaksifaasialueen suuri entalpiamuutos ottaa energiaa jäähdytettävästä kohteesta. Imuputkeen ympäristöstä siirtyvä lämpö ei jäähdytä kohdetta, mutta nostaa imukaasun entalpiaa, kasvattaa kompressorin käsiteltävää lämpökuormaa ja vaikuttaa kompressorin mitoitukseen. Hyvä imuputken eristys vähentää tätä lämpökuormaa ja estää myös kondenssiveden muodostumista, kun putken pintalämpötila on kastepisteen alapuolella.

Miksi COP ei romahda, vaikka tulistus on aivan liian suuri?
COP on kylmätehon ja kompressorin tarvitseman työn suhde. Tulistuksen kasvaessa kylmäaineeseen siirtyy lisää lämpöenergiaa höyrystimen loppuosassa ja erityisesti imuputkessa. Tämä lisäenergia kasvattaa imukaasun entalpiaa ja näkyy siksi myös laskennallisessa kiertoprosessissa — vaikka kaikki tuo energia ei ole jäähdytyskäytössä hyödyllistä kylmätehoa.

Jäähdytyskäytössä imuputken lisätulistus on käytännössä hyödytöntä energiaa. Se ei ole poistettu jäähdytettävästä kohteesta, vaan lämpö on siirtynyt kylmäaineeseen höyrystimen jälkeen tai sen loppuosassa. Samalla EEV kuristuu, imupaine ja kylmäaineen massavirta laskevat, todellinen hyödyllinen kylmäteho pienenee ja kompressorin puristuslämpötila nousee. Siksi COP-luku voi näyttää yllättävän hyvältä, vaikka laitoksen toiminta on jo selvästi väärä.

Lämmityskäytössä sama lisälämpö voidaan periaatteessa hyödyntää lauhduttimella, mutta erittäin suuri tulistus nostaa puristuslämpötilaa ja kuormittaa kompressoria voimakkaasti. Lämmitystehoa ei siis kannata hankkia kompressorin kestävyyden kustannuksella.

Hyvä COP ei yksin tarkoita, että kylmälaite toimii oikein.