STOSOWANIE I OSADZENIE PRZYRZĄDÓW POMIAROWYCH NA APARATACH I RUROCIĄGACH
Amoniakalne urządzenia chłodnicze należą do tej grupy urządzeń przemysłowych, które potrzebują do swojej obsługi odpowiednich przyrządów pomiarowych.
W rozdz. 4.7.1 tomu I poradnika omówiono ogólne zasady ruchu urządzeń chłodniczych. Nawiązując do wymienionych tam podstawowych parametrów pracy urządzenia chłodniczego, których znajomość konieczna jest do jego właściwej obsługi, należy przypomnieæ, że parametry te, to przede wszystkim ciśnienie, temperatura oraz poziom cieczy, które należy zmierzyć poprzez:
• zastosowanie odpowiednich przyrządów pomiarowych,
• zamontowanie tych przyrządów w odpowiednich miejscach na przewodach lub aparatach zgodnie z zasadami techniki pomiarowej.
Przyrządy pomiarowe są także wymagane ze względu na bezpieczeństwo. Ten ostatni wymóg dotyczy przede wszystkim zbiorników ciśnieniowych, które - zgodnie z odpowiednimi przepisami - powinny być wyposażone w manometry i poziomowskazy.
Pod pojęciem odpowiedniego przyrządu rozumie się przyrząd o:
• właściwym zakresie pomiarowym; zakres ten musi być odpowiednio większy od zakresu występujących zmian  mierzonego parametru;
• odpowiedniej podziałce skali, ustalonej podczas cechowania przyrządu w legalnych jednostkach miary;
• właściwej dla danego celu, poświadczonej dokładności  pomiaru;
• wykonaniu bezpiecznym i wygodnym do odczytu.
Przyrządy pomiarowe dzielą się ogólnie na nieelektryczne i elektryczne. Wraz z rozwojem automatyzacji urządzeń chłodniczych, rozpowszechniają się przyrządy elektryczne. Poniżej omówiono krótko najczęściej stosowane przyrządy pomiarowe, podkreślając głównie ich cechy mające wpływ na działanie urządzenia chłodniczego i na ich osadzenie na rurociągach. Bardziej dokładne omówienie tematyki przyrządów pomiarowych i pomiarów wychodzi -jako temat specjalistyczny poza zakres niniejszego poradnika.

1    Przyrządy do wskazywania oraz pomiaru poziomu cieczy

Wszystkie zbiorniki zawierające masę ciekłego amoniaku większą od 25 kg, które mogą być odcięte zaworami, powinny byæ wyposażone w przyrząd do wskazywania poziomu, przy czym jako minimum wymagane jest wskazywanie najniższego i najwyższego możliwego poziomu. Poziomy te powinny byæ na przyrządzie wyraźnie oznaczone.
Jest to potrzebne dla bezpiecznej i prawidłowej eksploatacji urządzenia chłodniczego.

Rys. 1 Przykłady poziomowskazów: a) przeziernik, b) poziomowskaz bezpośredni i c) poziomowskaz pośredni (olejowy), d) zestaw; 1 - kolektor cieczowy, 2 - poziomowskaz pośredni, 3 - pływakowy regulator roboczego poziomu cieczy w parowniku, 4 - kółka zaworów szybko-zamykających, 5 - oprawy ze szkłami refleksyjnymi, 6 -zbiorniczki z olejem
 

auto-klima
Wzierniki i poziomowskazy bezpośrednie

Do wskazywania poziomu ciekłego amoniaku nie wolno stosowaæ rurek szklanych. W związku z tym stosuje się:
• wzierniki lub przezierniki z płaskimi kolistymi szkłami wziernymi (rys. 1a),
• poziomowskazy ze szkłami wziernymi płaskimi (rys.1b), o kształcie płaskiego prostopadłościanu.
Najczęściej stosowane są specjalne borowe szkła refleksyjne, osadzone w oprawach metalowych. Szkło refleksyjne ma tak załamywać światło, aby zaabsorbowaæ to światło, które pada na ciecz, która wówczas wydaje się ciemniejsza od przestrzeni zajętej przez parę, od której światło odbija sie w całości.
Poziomowskazy bezpośrednie napełnione są czynnikiem chłodniczym i działają na zasadzie naczyń połączonych. Są one stosowane w zasadzie do cieczy o temperaturach dodatnich, ale znane są również wykonania umożliwiające ich wskazywanie poziomu cieczy o temperaturze poniżej zera, jednak na ogół nie niżej jak do -10 OC. Jest to możliwe dzięki stosowaniu specjalnych nakładek ze szkła akrylowego, zapobiegających namarzaniu szronu. Stosowane są też (zwłaszcza do niższych temperatur) podwójne warstwy szkła, z pośrednią warstwą izolacyjną, a nawet z warstwa ogrzewaną.
Poziomowskazy bezpośrednie szklane powinny posiadać na przyłączach zawory odcinające szybkozamykające. Są to precyzyjne zawory iglicowe z gwintem umożliwiającym szczelne zamknięcie zaworu możliwie jednym ruchem kółka zaworowego (np. przy kącie obrotu kółka do 135^O). Ponadto dodatkowo wymaga się zastosowania kulkowych zaworów zwrotnych umieszczonych pomiędzy szkłem wziernym a zaworem odcinającym. Zadaniem ich jest odcięcie wypływu cieczy w przypadku uszkodzenia szkła, jeżeli niemożliwa jest ingerencja personelu obsługi.
Do przybliżonego wskazania poziomu cieczy w aparatach pracujących w temperaturach poniżej 0 ^OC stosuje się często prosty poziomowskaz bezpośredni (naczynie połączone), wykonany z rury stalowej. Do tego celu stosowane są rury ze stali nierdzewnej o średnicy ok. 50 mm. Poziom cieczy uwidacznia się poprzez poziom szronu, który narasta po zewnętrznej stronie rury (nieizolowanej), napełnionej „zimnym" ciekłym czynnikiem. Jest to sposób wskazania mało dokładny i działający z dużym opóźnieniem, jednak w praktyce wystarczający dla przybliżonej oceny poziomu cieczy w zbiornikach o niskich temperaturach np. w oddzielaczach cieczy stosowanych w obiegach pompowych.

Poziomowskaz pośredni (olejowy)

Odróżnia się on od poziomowskazu poprzedniego tym, że w dolnej i górnej części posiada zbiorniczki. Dolny wypełniony jest olejem chłodniczym, a górny parami amoniaku. Olej znajdujący się pod ciśnieniem słupa cieczy amoniaku ze zbiornika w którym mierzony jest poziom, podnosi się w korpusie ze szkłem wziernym do poziomu wynikającego ze słupa ciekłego amoniaku (patrz rys. 1 c, d). Poziom oleju w szkle w sposób pośredni służy więc do pomiaru poziomu amoniaku. Stosowanie oleju w tym przypadku jest możliwe dzięki temu, że jego gęstość jest większa od gęstości ciekłego amoniaku. Dzięki temu poziom oleju widoczny w poziomowskazie będzie zawsze niższy od poziomu ciekłego amoniaku w zbiorniku. Poziom ciekłego amoniaku w zbiorniku wyznacza się ze wzoru:

gdzie: H   [m] - wysokość słupa ciekłego amoniaku w zbiorniku,
h [m] - wysokość słupa oleju w poziomowskazie,
P_am [kg/m³] - gęstość amoniaku, 
P_ol [kg/m³] - gęstość oleju.
Wzór (1) powinien służyć do wycechowania poziomowskazu.

Przykład 1 Wyznaczyæ poziom ciekłego amoniaku w parowniku płaszczowo-rurowym pracującym przy temperaturze parowania t_o=-34 ^OC, jeżeli poziom oleju w szkle wziernikowym wynosi 300 mm.
Gęstość oleju wynosi P_ol =0,92 kg/dm3, a gęstość ciekłego amoniaku przy t_o=-34 ^OC wynosi P_am =0,68 kg/dm³.

Dzięki temu, że poziomowskaz pośredni nie pokrywa się szronem, służy on do wskazania poziomu cieczy o temperaturach nawet do -40 ^OC.

Sondy pojemnościowe do pomiaru poziomu cieczy
Stosowane sanie tylko do pomiaru, ale często również do zadań regulacyjnych. Sondy umieszcza się bezpośrednio w zbiorniku lub w odpowiednim kolektorze pionowym stanowiącym naczynie połączone ze zbiornikiem.

Zasady podłączania poziomowskazów
Przy podłączaniu przyrządów do pomiaru poziomu cieczy należy zawsze zwracać uwagę na przestrzeganie następujących zasad:
• górny króciec poziomowskazu (lub kolektora poziomowskazowego) powinien być umieszczony powyżej górnego dopuszczalnego poziomu cieczy w zbiorniku;
powinno być zapewnione swobodne odprowadzenie pary z górnej jego części;
• dolny króciec poziomowskazu powinien być umieszczony poniżej dopuszczalnego dolnego poziomu cieczy, nie jest to jednak zawsze konieczne; zawsze powinien być zapewniony swobodny dopływ cieczy do dolnej jego części;
• dolne podłączenie poziomowskazu powinno być ukształtowane tak, aby nie wpływał do niego olej wydzielający się w dolnej części zbiornika; olej w poziomowskazie wpływa na zafałszowanie wskazania poziomu.

Rys. 2 Termometr - podstawowy - obok manometru - przyrząd pomiarowy w chłodnictwie: a) termometr szklany, z napełnieniem spirytusowym, w oprawie metalowej; b) zalecane osadzenie termometru w przewodzie izolowanym z czynnikiem chłodniczym; 1 - przewód rurowy, 2 - tuleja termometrowa z denkiem, wspawana do przewodu oraz napełniona olejem chłodniczym 3 - izolacja przewodu

2    Przyrządy do pomiaru temperatury

Termometry cieczowe rozszerzalnościowe
Są to głównie termometry cieczowe szklane, które ze względu na bezpieczeństwo posiadają odpowiednie obudowy metalowe (rys. 2a). Jako ciecz pomiarowa w termometrach nie powinna być stosowana rtęć, gdyż w powiązaniu z amoniakiem może ona tworzyć związki wybuchowe. Alkohol nadaje się do zakresu temperatur od -110 ^OC do 50 ^OC. Stosowanie tych termometrów ograniczone jest do bezpośredniego miejsca pomiaru.

Termometry elektryczne oporowe
Działanie ich opiera się na wykorzystaniu proporcjonalnej zależności oporu opornika elektrycznego od jego temperatury. Czujniki wykonane są z drutu oporowego platynowego (zakres od -200 ^OC do 800 ^OC) lub niklowego (zakres temperatur od -60 ^OC do 150 ^OC).

Termometry termoelektryczne
Metoda pomiaru polega na wykorzystaniu termopary. Jeżeli na jej spoinie pomiarowej w obwodzie elektrycznym utworzonym z dwóch różnych metali zostanie podwyższona (lub obniżona ) temperatura, to wówczas na przeciwległych krańcach przewodników metalowych powstaje różnica napięć, proporcjonalna do różnicy temperatur panującej między zmienną temperaturą przy spoinie pomiarowej a stałą temperaturą odniesienia. Jako pary materiału przyjmuje się na ogół zestaw żelazo - konstantan. Obsługiwany przez te termometry zakres temperatur sięga -200 do kilku tysięcy ^OC.
Instalowanie termometrów szklanych oraz czujników termometrów elektrycznych w rurociągach
Duże znaczenie dla poprawnego wyniku pomiaru ma prawidłowe wbudowanie czujnika termometru w miejsca, w których ma być mierzona temperatura. W urządzeniach chłodniczych większość pomiarów temperatury odbywa się w określonych miejscach w rurociągach, np. przed i za sprężarkami, na wylocie ze zbiornika cieczy i z parownika. Ze względu na konieczność zabezpieczenia czujnika oraz wymaganą szczelność urządzeń chłodniczych, czujniki zawsze są wbudowane do odpowiednich tulei pomiarowych (2b), wspawanych do rurociągu i napełnionych olejem chłodniczym. Czujnik termometru wraz z tuleją powinien być tak wbudowany do przewodu, aby zapewniæ najbardziej skuteczną wymianę ciepła z przepływającym czynnikiem. Czujnik powinien być możliwie głęboko zanurzony w czynniku. Najbardziej korzystne ze względu na wymianę ciepła jest wbudowanie czujnika w zakrzywionych częściach rurociągu (na łukach) w kierunku przepływu „pod prąd". Na odcinkach prostych czujniki powinno się umieszczać pod kątem, również „pod prąd". Przed i za tuleją z czujnikiem nie powinny się znajdować zawory lub inne elementy zaburzające pole temperatury oraz strumień czynnika, którego temperaturę mierzymy. Wystające z „zimnych" rurociągów części termometrów powinny być odpowiednio zaizolowane.

3   Przyrządy do pomiaru ciśnienia

Wszystkie zbiorniki zawierające masę ciekłego amoniaku większą od 25 kg i które mogą byæ odcięte zaworami, powinny byæ wyposażone w przyrząd do wskazywania ciśnienia.
Mimo, że do obliczeń termodynamicznych używa się ciśnienia bezwzględnego - występującego wewnątrz urządzenia chłodniczego, to wszelkie pomiary ciśnienia dokonywane w urządzeniach chłodniczych dotyczą nadciśnienia lub podciśnienia. Nadciśnienie jest to dodatnia różnica między ciśnieniem bezwzględnym (absolutnym), panującym wewnątrz urządzenia chłodniczego, a ciśnieniem atmosferycznym panującym w jego otoczeniu. Jeżeli ciśnienie bezwzględne panujące w urządzeniu chłodniczym jest niższe od ciśnienia atmosferycznego, to wówczas mówimy o podciśnieniu (lub o ujemnym nadciśnieniu). Wielkości te nazywa się również ciśnieniami manometrycznymi. Tak więc:


P_abs [bar]  ciśnienie absolutne (bezwzględne), 
P_man [bar] ciśnienie manometryczne (nadciśnienie - dodatnie lub podciśnienie - ujemne),
P_atm [bar] ciśnienie atmosferyczne (lub barometryczne).



Rys. 3 Manowakumetr Bourdona - podstawowy przyrząd do pomiaru nad- i podciśnienia oraz temperatury nasycenia czynnika chłodniczego w urządzeniu chłodniczym: a) zasada działania, b) widok; 1 - rurka Bourdona połączona podczas mierzenia ciśnienia z wnętrzem urządzenia chłodniczego, 2 - trzon manometru z mechanizmem przekładniowym, 3 - denko rurki Bourdona z zaczepem mechanizmu przekładniowego, 4 - obudowa połączona z trzonem

Przyrządy do pomiaru ciśnień są podstawowymi instrumentami pomiarowymi w każdym urządzeniu chłodniczym. Ponieważ pomiar ciśnienia odbywa się względem ciśnienia atmosferycznego, rozróżnia się:
• manometry - nadciśnieniomierze posiadają zakres pomiaru leżący powyżej umownego (normalnego) ciśnienia atmosferycznego oznaczonego jako 0 MPa,
• wakumetry (stosowane jest również określenie wakuometry) - podciśnieniomierze,   posiadają zakres pomiaru leżący poniżej 0 MPa,
• manowakumetry posiadają zakres pomiaru leżący poniżej i powyżej 0 MPa, są one najczęściej stosowane do urządzeń chłodniczych.
Stosowane są również manometry różnicowe, mierzące ciśnienie w dwóch miejscach o różnych ciśnieniach i wskazujących ich różnicę. Mogą one być stosowane do pomiaru nadciśnienia oleju nad ciśnieniem parowania (lub tłoczenia), spadku ciśnienia na filtrach, itp.
Oprócz manometrów opartych na zasadzie rurki Bour-dona (rys. 3), do pomiaru ciśnień stosuje się układy pomiarowe z czujnikami piezoelektrycznymi. Wykorzystuje się w nich zjawisko ładowania się elektrycznego proporcjonalnie do ciśnienia, płytek kwarcu.
Manometry oraz czujniki przyrządów do pomiaru ciśnienia przyłącza się do aparatów i rurociągów poprzez odpowiednie przewody pomiarowe. Powinny one byæ wykonane z rurek ze stali nierdzewnej o średnicy we¬wnętrznej nie mniejszej od 6 mm. W przewodach tych powinien byæ umieszczony odpowiedni zawór manometrowy wykonany ze stali nierdzewnej. Zawory te powinny umożliwić ochronę elementu pomiarowego przed ewentualnymi niepożądanymi obciążeniami np. nagłymi spiętrzeniami ciśnienia oraz przed krótkotrwałymi jego zmianami. Zawory takie powinny posiadaæ odpowiednio ukształtowany przelot (gardziel) oraz element dławiący (iglica).
Manometry powinny posiadać odpowiednio mocną obudowę, która umożliwia ich prawidłowe zamocowanie, ochronę przed uszkodzeniami mechanicznymi oraz przed szkodliwym wpływem otoczenia.
Manometry oraz inne przyrządy wskazujące, analogowe i cyfrowe powinny być instalowane w miejscach dobrze widocznych i dostępnych. Dobrą praktyką stosowaną w większych urządzeniach chłodniczych jest zgromadzenie ich na odpowiednich tablicach lub pulpitach pomiarowych. Przewody pomiarowe w takich przypadkach mogą posiadaæ znaczną długość, co wymaga starannego ich prowadzenia, tak aby nie było możliwości ich uszkodzenia ani też zatkania (zanieczyszczeniami, skraplającą się cieczą, wydzielającym się olejem itp.). Przyłącza manometrów powinny też przewidywać możliwości odpowietrzenia lub odolejenia przewodów pomiarowych. Przewody pomiarowe podlegają wszystkim zasadom wykonania i próbom ci śnieniowym jak i inne przewody urządzenia chłodniczego.

Wpływ wysokości na pomiar ciśnienia i temperatury nasycenia
Jeżeli pomiar ciśnienia dokonywany jest manometrem w zbiorniku, w którym występują równocześnie ciecz i pary nasycone czynnika, to suma zmierzonego w zbiorniku nadciśnienia oraz ciśnienia atmosferycznego jest ciśnieniem bezwzględnym, panującym nad poziomem ciekłego czynnika w tym zbiorniku. Wielkość ta jest równocześnie ciśnieniem nasycenia, któremu odpowiada określona wartość temperatury nasycenia. Temperaturę tę posiadają równocześnie para i ciecz. W sensie ścisłym temperaturę i ciśnienie nasycenia, para i ciecz posiadająjedynie bezpośrednio przy swojej wspólnej powierzchni styku, tj. na poziomie cieczy. Para czynnika w górnej części zbiornika wskutek wymiany ciepła może już wykazywać niewielkie przegrzanie (temperaturę wyższą od temperatury nasycenia), a ciecz w swoich dolnych partiach będzie wskutek działania ciśnienia hydrostatycznego posiadała pewne przechłodzenie.
Pomiar ścisłej wartości ciśnienia i temperatury nasycenia jest więc możliwy przy pomocy manometru lub termometru oraz dodatkowego pomiaru ciśnienia atmosferycznego, a również wymaga skorzystania z tablic lub wzorów przeliczeniowych. Pomiar temperatury nasycenia przy pomocy termometru wymaga dokładnego zlokalizowania miejsca, w którym zarówno ciecz, jak i para znajdują się w stanie nasycenia (ciecz - nie przechłodzona, para - nie przegrzana!).
Dla celów technicznych stosuje się pewne uproszczenia:
• zakłada się, że ciśnienie atmosferyczne wynosi 1 bar;
• manometry do czynników chłodniczych wyposaża się w tarczę z naniesioną skalą temperatury nasycenia.

Uproszczenie to wystarcza wszędzie tam, gdzie urządzenia chłodnicze nie są położone zbyt wysoko nad poziomem morza. Jeżeli urządzenie chłodnicze położone jest odpowiednio wysoko, np. na wysokości ponad 1000 m, w górach, w samolocie, itp., to przy takim założeniu powstaną zbyt duże błędy. Konieczne jest wówczas obliczenie poprawki wynikającej z wpływu wysokości położenia na ciśnienie bezwzględne czynnika chłodniczego.
Z wystarczającą dla obliczeń dokładnością można przyjąć, że ciśnienie atmosferyczne obniża się na każde 1000 m wysokości o ok. 11312 Pa (= 0,11312 bar).

Przykład 2 Obliczyć różnicę ciśnień między wskazaniami na manometrze ssawnym i tłocznym sprężarki dla urządzeń chłodniczych, ustawionych w porcie (na poziomie morza) oraz w górach na wysokości 2500 m npm.. Temperatury parowania i skraplania obu urządzeń są sobie równe i wynoszą t_o =-10 ^OC oraz t_k=35 ^OC.
Ciśnienia bezwzględne parowania i skraplania będą niezależne od wysokości położenia urządzenia chłodniczego i według odczytu z tablic wynoszą:



Ciśnienie manometryczne zgodnie ze wzorem (2) wynosi:
W urządzeniu portowym, przy założeniu ciśnienia atmosferycznego P_atm=1bar, manometr wskaże:

Warunki dla urządzenia chłodniczego w górach, na wysokości 2500 m:
Przybliżone ciśnienie atmosferyczne na wysokości 2500 m będzie w stosunku do ciśnienia atmosferycznego na poziomie morza o:


niższe, a więc będzie wynosiło:


W urządzeniu tym manometr wskaże wartości wyższe od urządzenia ustawionego na poziomie morza:


Wyższym wskazaniom ciśnień towarzyszą wyższe wartości na skalach temperatur, a są to odpowiednio:


Są to więc już różnice mające znaczenie dla prawidłowej pracy urządzenia chłodniczego.