Холодильная машина. Основные понятия, свя­занные с работой холодиль­ной машины.

Холодильная машина. Основные понятия, свя­занные с работой холодиль­ной машины.

Охлаждение в кондиционе­рах производится за счет погло­щения тепла при кипении жид­кости.

Когда мы говорим о кипящей жидкости, мы, естественно, дума­ем, что она горячая. Однако это не совсем верно.

Во-первых, температура кипе­ния жидкости зависит от давле­ния окружающей среды. Чем выше давление, тем выше темпе­ратура кипения, и наоборот: чем ниже давление, тем ниже темпе­ратура кипения.

При нормальном атмосфер­ном давлении, равном 7б0 мм рт.ст. (1 атм), вода кипит при плюс 100°С, но если давление по­ниженное, как например в горах на высоте 7000-8000 м, вода нач­нет кипеть уже при температуре плюс 40-60°С.

Во-вторых, при одинаковых условиях разные жидкости име­ют различные температуры ки­пения.

Например, фреон R-22, широ­ко используемый в холодильной технике, при нормальном атмос­ферном давлении имеет темпе­ратуру кипения минус 40,8°С.

Если жидкий фреон находит­ся в открытом сосуде, то есть при

атмосферном давлении и темпе­ратуре окружающей среды, то он немедленно вскипает, поглощая при этом большое количество тепла из окружающей среды или любого материала, с которым на­ходится в контакте. В холодиль­ной машине фреон кипит не в открытом сосуде, а в специаль­ном теплообменнике, называе­мом испарителем. При этом ки­пящий в трубках испарителя фреон активно поглощает теп­ло от воздушного потока, омы­вающего наружную, как прави­ло, оребренную поверхность трубок.

Рассмотрим процесс конден­сации паров жидкости на приме­ре фреона R-22. Температура конденсации паров фреона, так же, как и температура кипения, зависит от давления окружаю­щей среды. Чем выше давление, тем выше температура конденса­ции. Так, например, конденсация паров фреона R-22 при давлении 23 атм., начинается уже при тем­пературе плюс 55°С. Процесс конденсации фреоновых паров, как и любой другой жидкости, со­провождается выделением боль­шого количества тепла в окружа­ющую среду или, применительно к холодильной машине, переда­чей этого тепла потоку воздуха или жидкости в специальном теплообменнике, называемом конденсатором.

Естественно, чтобы процесс кипения фреона в испарителе и охлаждения воздуха, а также про­цесс конденсации и отвод тепла в конденсаторе были непрерыв­ными, необходимо постоянно «подливать» в испаритель жид­кий фреон, а в конденсатор по­стоянно подавать пары фреона. Такой непрерывный процесс (цикл) осуществляется в холо­дильной машине.

Наиболее обширный класс холодильных машин базируется на компрессионном цикле ох­лаждения, основными конструк­тивными элементами которого являются компрессор, испари­тель, конденсатор и регулятор потока (капиллярная трубка), соединенные трубопроводами и представляющие собой замк­нутую систему, в которой цир­куляцию хладагента (фреона) осуществляет компрессор. Кро­ме обеспечения циркуляции, компрессор поддерживает в конденсаторе (на линии нагне­тания) высокое давление поряд­ка 20-23 атм.

Теперь, когда рассмотрены ос­новные понятия, связанные с ра­ботой холодильной машины, пе­рейдем к более подробному рассмотрению схемы .компрес­сионного цикла охлаждения, конструктивному исполнению и функциональному назначению отдельных узлов и элементов.

Схема компрессионного цикла охлаждения.

Кондиционер — это та же хо­лодильная машина, предназна­ченная для тепловлажностной

обработки воздушного потока. Кроме того, кондиционер облада­ет существенно большими воз­можностями, более сложной кон­струкцией и многочисленными дополнительными опциями.

Обработка воздуха предпола­гает придание ему определенных кондиций, таких как температура и влажность, а также направле­ние движения и подвижность (скорость движения).

Остановимся на принципе ра­боты и физических процессах, происходящих в холодильной машине (кондиционере).

Охлаждение в кондиционе­ре обеспечивается непрерыв­ной циркуляцией, кипением и конденсацией хладагента в замк­нутой системе. Кипение хлада­гента происходит при низком давлении и низкой температуре, а конденсация — при высоком давлении и высокой температу­ре. Принципиальная схема комп­рессионного цикла охлаждения показана на рис. 1.

Начнем рассмотрение работы цикла с выхода испарителя (уча­сток 1-1). Здесь хладагент на­ходится в парообразном состоя­нии с низким давлением и температурой.

Парообразный хладагент вса­сывается компрессором, кото­рый повышает его давление до 15-25 атм и температуру до плюс 70-90°С (участок 2-2).

Далее в конденсаторе горячий парообразный хладагент охлаж­дается и конденсируется, то есть переходит в жидкую фазу. Кон­денсатор может быть либо с воз­душным, либо с водяным охлаж­дением в зависимости от типа холодильной системы.

На выходе из конденсатора (точка 3) хладагент находится в жидком состоянии при высоком давлении. Размеры конденсатора выбираются таким образом, что­бы газ полностью сконденсиро­вался внутри конденсатора. По­этому температура жидкости на выходе из конденсатора оказыва­ется несколько ниже температу­ры конденсации. Переохлаждение в конденсаторах с воздушным ох­лаждением обычно составляет примерно плюс 4-7°С.

При этом температура кон­денсации примерно на 10-20°С выше температуры атмосферно­го воздуха.

Затем хладагент в жидкой фазе при высокой температуре и дав­лении поступает в регулятор по­тока, где давление смеси резко уменьшается, часть жидкости при этом может испариться, переходя в парообразную фазу. Таким обра­зом, в испаритель попадает смесь пара и жидкости (точка 4).

Жидкость кипит в испарителе, отбирая тепло от окружающего воздуха, и вновь переходит в па-рообразное состояние.

Размеры испарителя выбира­ются таким образом, чтобы жид­кость полностью испарилась внутри испарителя. Поэтому тем­пература пара на выходе из испа­рителя оказывается выше темпе­ратуры кипения, происходит так называемый перегрев хладагента в испарителе. В этом случае даже самые маленькие капельки хлада­гента испаряются, и в компрессор не попадает жидкость. Следует от­метить, что в случае попадания жидкого хладагента в компрессор, так называемого «гидравличес­кого удара», возможны поврежде­ния и поломки клапанов и других деталей компрессора.

Перегретый пар выходит из испарителя (точка 1J), и цикл возобновляется.

Таким образом, хладагент по­стоянно циркулирует по замкну­тому контуру, меняя свое агрегат­ное состояние с жидкого на парообразное и наоборот.

Все компрессионные циклы холодильных машин включают два определенных уровня давле­ния. Граница между ними прохо­дит через нагнетательный кла­пан на выходе компрессора с одной стороны и выход из регу­лятора потока (из капиллярной трубки) с другой стороны.

Нагнетательный клапан комп­рессора и выходное отверстие регулятора потока являются раз­делительными точками между сторонами высокого и низкого давлений в холодильной машине.

На стороне высокого давле­ния находятся все элементы, ра­ботающие при давлении конден­сации.

На стороне низкого давления находятся все элементы, работа­ющие при давлении испарения. Несмотря на то, что существу­ет много типов компрессионных холодильных машин, принципи­альная схема цикла в них практи­чески одинакова.

Теоретический и реаль­ный цикл охлаждения.

Цикл охлаждения можно представить графически в виде диаграммы зависимости абсо­лютного давления и теплосодер­жания (энтальпии). На диаграм­ме (рис. 2) представлена харак­терная кривая, отображающая процесс насыщения хладагента.

Левая часть кривой соответ­ствует состоянию насыщенной жидкости, правая часть — состоя­нию насыщенного пара. Две кри­вые соединяются в центре в так называемой «критической точ­ке», где хладагент может нахо­диться как в жидком, так и в паро­образном состоянии. Зоны слева и справа от кривой соответству­ют переохлажденной жидкости и перегретому пару. Внутри кривой линии помещается зона, соответ­ствующая состоянию смеси жид­кости и пара.

Рассмотрим схему теорети­ческого (идеального) цикла ох­лаждения с тем, чтобы лучше понять действующие факторы (рис. 3).

Рассмотрим наиболее харак­терные процессы, происходящие в компрессионном цикле охлаж­дения.

Сжатие пара в компрессоре.

Холодный парообразный на­сыщенный хладагент поступает в компрессор (точка С'). В процессе сжатия повышаются его давление и температура (точка D). Теплосодержание также повышается на величину, определяемую отрезком НС'-HD, то есть проекцией линии С' -D на горизонтальную ось.

Конденсация.

В конце цикла сжатия (точка D) горячий пар поступает в кон­денсатор, где начинается его конденсация и переход из состо­яния горячего пара в состояние горячей жидкости. Этот переход в новое состояние происходит при неизменных давлении и тем­пературе. Следует отметить, что,

хотя температура смеси остается тактически неизменной, тепло­содержание уменьшается за счет отвода тепла от конденсатора и превращения пара в жидкость, поэтому он отображается на диа­грамме в виде прямой, парал­лельной горизонтальной оси.

Процесс в конденсаторе про­исходит в три стадии: снятие пере­грева (D-E'), собственно конден­сация (Е-А) и переохлаждение жидкости (А-А').

Рассмотрим кратко каждый

этап.

Снятие перегрева (D-E).

Это первая фаза, происходя­щая в конденсаторе, и в течение ее температура охлаждаемого пара снижается до температуры насыщения или конденсации. На этом этапе происходит лишь отъем излишнего тепла и не про­исходит изменение агрегатного состояния хладагента.

На этом участке снимается примерно 10-20% общего теплосъема в конденсаторе.

Конденсация (Е-А).

Температура конденсации ох­лаждаемого пара и образующейся жидкости сохраняется постоян­ной на протяжении всей этой фазы. Происходит изменение аг­регатного состояния хладагента с переходом насыщенного пара в состояние насыщенной жидкос­ти. На этом участке снимается 60-80% теплосъема.

Переохлаждение жидко­сти (А-А').

На этой фазе хладагент, на­ходящийся в жидком состоянии, подвергается дальнейшему ох­лаждению, в результате чего его температура понижается. Полу­чается переохлажденная жид­кость (по отношению к состоя­нию насыщенной жидкости) без изменения агрегатного со­стояния.

Переохлаждение хладагента дает значительные энергетичес­кие преимущества: при нормаль­ном функционировании пони­жение температуры хладагента на один градус соответствует по­вышению мощности холодиль­ной машины примерно на 1% при том же уровне энергопот­ребления.

Количество тепла, выделя­емого в конденсаторе.

Участок D-A' соответствует изменению теплосодержания хладагента в конденсаторе и ха­рактеризует количество тепла, выделяемого в конденсаторе. Регулятор потока (А'-В). Переохлажденная жидкость с параметрами в точкеA' поступает на регулятор потока (капилляр­ную трубку или терморегулирую­щий расширительный клапан), где происходит резкое снижение давления. Если давление за регу­лятором потока становится до­статочно низким, то кипение хла­дагента может происходить непосредственно за регулятором, достигая параметров точки В.

Испарение жидкости в ис­парителе (В-С).

Смесь жидкости и пара (точ­ка В) поступает в испаритель, где она поглощает тепло от окружа­ющей среды (потока воздуха) и переходит полностью в парооб­разное состояние (точка С).

Процесс идет при постоян­ной температуре, но с увеличе­нием теплосодержания.

Как уже говорилось выше, парообразный хладагент не­сколько перегревается на выхо­де испарителя. Главная задача фазы перегрева (С - С') — обес­печение полного испарения ос­тающихся капель жидкости, чтобы в компрессор поступал только парообразный хлада­гент. Для этого требуется повы­шение площади теплообменной поверхности испарителя на 2-3% на каждые 0,5°С пере­грева. Поскольку обычно пере­грев соответствуют 5-8°С, то увеличение площади поверхно­сти испарителя может состав­лять около 20%, что безусловно оправдано, так как увеличивает эффективность охлаждения.

Количество тепла, погло­щаемого испарителем.

Участок НВ-НС' соответству­ет изменению теплосодержания хладагента в испарителе и харак­теризует количество тепла, пог­лощаемого испарителем.

Реальный цикл охлажде­ния.

В действительности в ре­зультате потерь давления, воз­никающих на линии всасыва­ния и нагнетания, а также в клапанах компрессора, цикл охлаждения отображается на диаграмме несколько иным об­разом (рис. 4).

Из-за потерь давления на вхо­де (участок С'-L) компрессор должен производить всасывание при давлении ниже давления ис­парения.

С другой стороны, из-за по­терь давления на выходе (учас­ток М-D'), компрессор должен сжимать парообразный хлада­гент до давлений выше давления конденсации.

Необходимость компенсации потерь увеличивает работу сжа­тия и снижает эффективность цикла.

Помимо потерь давления в трубопроводах и клапанах, на от­клонение реального цикла от те­оретического влияют также по­тери в процессе сжатия.

Во-первых, процесс сжатия в компрессоре отличается от адиа­батического, поэтому реальная работа сжатия оказывается выше теоретической, что также ведет к энергетическим потерям.

Во-вторых, в компрессоре имеются чисто механические по­тери, приводящие к увеличению потребной мощности электро­двигателя компрессора и увели­чению работы сжатия.

В третьих, из-за того, что давление в цилиндре компрес­сора в конце цикла всасывания всегда ниже давления пара пе­ред компрессором (давления испарения), также уменьшается производительность компрес­сора. Кроме того, в компрессо­ре всегда имеется объем, не участвующий в процессе сжа­тия, например, объем под го­ловкой цилиндра.

Оценка эффективности цикла охлаждения.

Эффективность цикла охлаж­дения обычно оценивается коэф­фициентом полезного действия или коэффициентом термичес­кой (термодинамической) эф­фективности.

Коэффициент эффективнос­ти может быть вычислен как со­отношение изменения теплосо­

держания хладагента в испари­теле (НС-НB) к изменению теп­лосодержания хладагента в про­цессе сжатия (HD-HC)

фактически он представляет собой соотношение холодиль­ной мощности и электрической мощности, потребляемой ком­прессором.

Причем он не является пока­зателем производительности холодильной машины, а пред­ставляет собой сравнительный параметр при оценке эффек­тивности процесса передачи энергии. Так, например, если холодильная машина имеет ко­эффициент термической эф­фективности, равный 2,5, то это означает, что на каждую единицу электроэнергии, по­требляемую холодильной ма­шиной, производится 2,5 еди­ницы холода.

Рис. 4. Изображение цикла реального сжатия на диаграмме «Давле­ние-теплосодержание»

C'L: потеря давления при всасывании

MD: потеря давления при выходе

HDHC': теоретический термический эквивалент сжатия

HD 'НС': реальный термический эквивалент сжатия C'D: теоретическое сжатие ^L: LM:реальное сжатие