Основні поняття, пов'язані з роботою холодильної машини
Охолодження в кондиціонерах проводиться за рахунок поглинання тепла при кипінні рідини. Коли ми говоримо про киплячій рідини, ми, природно, думаємо, що вона гаряча. Однак це не зовсім вірно.
По-перше, температура кипіння рідини залежить від тиску навколишнього середовища. Чим вище тиск, тим вище температура кипіння, і навпаки: чим нижче тиск, тим нижче температура кипіння. При нормальному атмосферному тиску, рівному 760 мм рт.ст. (1 атм), вода кипить при плюс 100 ° С, але якщо тиск знижений, як наприклад в горах на висоті 7000-8000 м, вода почне кипіти вже при температурі плюс 40-60 ° С.
По-друге, при однакових умовах різні рідини мають різні температури кипіння.
Наприклад, фреон R-22, широко використовуваний в холодильній техніці, при нормальному атмосферному тиску має температуру кипіння мінус 4 °, 8 ° С.
Якщо рідкий фреон знаходиться у відкритому посуді, тобто при атмосферному тиску і температурі навколишнього середовища, то він негайно скипає, поглинаючи при цьому велику кількість тепла з навколишнього середовища або будь-якого матеріалу, з яким перебуває в контакті. У холодильній машині фреон кипить не у відкритій посудині, а в спеціальному теплообміннику, званому випарником. При цьому киплячий в трубках випарника фреон активно поглинає тепло від повітряного потоку, що омиває зовнішню, як правило, обребрена поверхню трубок.
Розглянемо процес конденсації пари рідини на прикладі фреону R-22. Температура конденсації пари фреону, так само, як і температура кипіння, залежить від тиску навколишнього середовища. Чим вище тиск, тим вище температура конденсації. Так, наприклад, конденсація парів фреону R-22 при тиску 23 атм починається вже при температурі плюс 55 ° С. Процес конденсації фреонових парів, як і будь-який інший рідини, супроводжується виділенням великої кількості тепла в навколишнє середовище, або у випадку холодильної машині, передачею цього тепла потоку повітря або рідини в спеціальному теплообміннику, званому конденсатором.
Природно, щоб процес кипіння фреону в випарнику і охолодження повітря, а також процес конденсації і відведення тепла в конденсаторі були безперервними, необхідно постійно "підливати" в випарник рідкий фреон, а в конденсатор постійно подавати пари фреону. Такий безперервний процес (цикл) здійснюється в холодильній машині.
Найбільш великий клас холодильних машин базується на компресійному циклі охолодження, основними конструктивними елементами якого є компресор, випарник, конденсатор і регулятор потоку (капілярна трубка), з'єднані трубопроводами і представляють собою замкнуту систему, в якій циркуляцію хладагента (фреону) здійснює компресор. Крім забезпечення циркуляції, компресор підтримує в конденсаторі (на лінії нагнітання) високий тиск порядку 20-23 атм.
Тепер, коли розглянуті основні поняття, пов'язані з роботою холодильної машини, перейдемо до більш докладного розгляду схеми компресійного циклу охолодження, конструктивним виконанням і функціональному призначенню окремих вузлів і елементів.
Схема компресійного циклу охолодження
Кондиціонер - це та ж холодильна машина, призначена для обробки їх повітряного потоку. Крім того, кондиціонер володіє значно більшими можливостями, більше складною конструкцією і численними додатковими опціями. Обробка повітря передбачає надання йому певних кондицій, таких як температура і вологість, а також напрямок руху і рухливість (швидкість руху). Зупинимося на принципі роботи і фізичні процеси, що відбуваються в холодильній машині (кондиціонері). Охолодження в кондиціонері забезпечується безперервною циркуляцією, кипінням і конденсацією холодоагенту в замкнутій системі. Кипіння хладагента відбувається при низькому тиску і низькій температурі, а конденсація - при високому тиску і високій температурі. Принципова схема компресійного циклу охолодження показана на рис. 1.
Мал. 1. Схема компресійного циклу охолодження
Почнемо розгляд роботи циклу з виходу випарника (ділянка 1-1). Тут холодоагент знаходиться в пароподібному стані з низьким тиском і температурою.
Пароподібний холодоагент всмоктується компресором, який підвищує його тиск до 15-25 атм і температуру до плюс 70-90 ° С (ділянка 2-2).
Далі в конденсаторі гарячий пароподібний холодоагент охолоджується і конденсується, тобто переходить в рідку фазу. Конденсатор може бути або з повітряним, або з водяним охолодженням в залежності від типу холодильної системи.
На виході з конденсатора (точка 3) холодоагент знаходиться в рідкому стані при високому тиску. Розміри конденсатора вибираються таким чином, щоб газ повністю Сконденсована всередині конденсатора. Тому температура рідини на виході з конденсатора виявляється трохи нижче температури конденсації. Переохолодження в конденсаторах з повітряним охолодженням зазвичай становить приблизно плюс 4-7 ° С.
При цьому температура конденсації приблизно на 10-20 ° С вище температури атмосферного повітря.
Потім холодоагент в рідкій фазі при високій температурі і тиску надходить в регулятор потоку, де тиск суміші різко зменшується, частина рідини при цьому може випаруватися, переходячи в пароподібну фазу. Таким чином, в випарник потрапляє суміш пари і рідини (точка 4).
Рідина кипить у випарнику, відбираючи тепло від навколишнього повітря, і знову переходить в пароподібний стан.
Розміри випарника вибираються таким чином, щоб рідина повністю випарувалася всередині випарника. Тому температура пари на виході з випарника буде вищою температури кипіння, відбувається так званий перегрів хладагента у випарнику. У цьому випадку навіть найменші крапельки холодоагенту випаровуються і в компресор не потрапляє рідина. Слід зазначити, що в разі потрапляння рідкого холодоагенту в компресор, так званого "гідравлічного удару", можливі пошкодження і поломки клапанів і інших деталей компресора.
Перегріта пара виходить з випарника (точка 1), і цикл відновлюється.
Таким чином, холодоагент постійно циркулює по замкнутому контуру, змінюючи свій агрегатний стан з рідкого на парообразное і навпаки.
Всі компресійні цикли холодильних машин включають два певних рівня тиску. Кордон між ними проходить через нагнітальний клапан на виході компресора з одного боку і вихід з регулятора потоку (з капілярної трубки) з іншого боку.
Нагнітальний клапан компресора і вихідний отвір регулятора потоку є розділовими точками між сторонами високого і низького тисків в холодильній машині.
На стороні високого тиску знаходяться всі елементи, що працюють при тиску конденсації.
На стороні низького тиску знаходяться всі елементи, що працюють при тиску випаровування.
Незважаючи на те, що існує багато типів компресійних холодильних машин, принципова схема циклу в них практично однакова.
Теоретичні та фактичні цикл охолодження.
Цикл охолодження можна представити графічно у вигляді діаграми залежності абсолютного тиску і теплосодержания (ентальпії). На діаграмі (рис. 2) представлена характерна крива відображає процес насичення холодоагенту.
Ліва частина кривої відповідає стану насиченою рідини, права частина - станом насиченого пара. Дві криві з'єднуються в центрі в так званій "критичної точки", де холодоагент може перебувати як в рідкому, так і в пароподібному стані. Зони зліва і праворуч від кривої відповідають переохолодженої рідини і перегрітого пару. Усередині кривої лінії поміщається зона, відповідна стану суміші рідини і пара.
Розглянемо схему теоретичного (ідеального) циклу охолодження з тим, щоб краще зрозуміти діючі фактори (рис. 3).
Розглянемо найбільш характерні процеси, що відбуваються в компресійному циклі охолодження.
Стиснення пара в компресорі.
Процес в конденсаторі відбувається в три стадії: зняття перегріву (D-E), власне конденсація (Е-А) і переохолодження рідини (А-А`).
Розглянемо коротко кожен етап.
Це перша фаза, яка відбувається в конденсаторі, і протягом її температура охолоджуваного пара знижується до температури насичення або конденсації. На цьому етапі відбувається лише відбирання зайвого тепла і не відбувається зміна агрегатного стану холодоагенту.
На цій ділянці знімається приблизно 10-20% загального теплос'ема в конденсаторі.
Температура конденсації охлаждаемого пара і утворюється рідини зберігається незмінною протягом всієї цієї фази. Відбувається зміна агрегатного стану холодоагенту з переходом насиченого пара в стан насиченої рідини. На цій ділянці знімається 60-80% теплос'ема.
Переохолодження рідини (А-А`).
На цій фазі холодоагент, що знаходиться в рідкому стані, піддається подальшому охолодженню, в результаті чого його температура знижується. Виходить переохолоджена рідина (по відношенню до стану насиченою рідини) без зміни агрегатного стану.
Переохолодження хладагента дає значні енергетичні переваги: при нормальному функціонуванні зниження температури холодоагенту на один градус відповідає підвищенню потужності холодильної машини приблизно на 1% при тому ж рівні енергоспоживання.
Кількість тепла, що виділяється в конденсаторі.
Ділянка D-A` відповідає зміні теплосодержания холодоагенту в конденсаторі і характеризує кількість тепла, що виділяється в конденсаторі.
Переохолоджена рідина з параметрами в точці А 'надходить на регулятор потоку (капілярну трубку або терморегулювальний розширювальний клапан), де відбувається різке зниження тиску. Якщо тиск за регулятором потоку стає досить низьким, то кипіння холодоагенту може відбуватися безпосередньо за регулятором, досягаючи параметрів точки В.
Випаровування рідини в випарнику (В-C).
Суміш рідини і пара (точка В) надходить у випарник, де вона поглинає тепло від навколишнього середовища (потоку повітря) і переходить повністю в пароподібний стан (точка С). Процес йде при постійній температурі, але зі збільшенням теплосодержания.
Як вже говорилося вище, пароподібний холодоагент кілька перегрівається на виході випарника. Головне завдання фази перегріву (С-С `) - забезпечення повного випаровування залишаються крапель рідини, щоб в компресор надходив тільки пароподібний холодоагент. Для цього потрібно підвищення площі теплообмінної поверхні випарника на 2-3% на кожні 05 ° С перегріву. Оскільки зазвичай перегрів відповідають 5-8 ° С, то збільшення площі поверхні випарника може становити близько 20%, що безумовно виправдано, так як збільшує ефективність охолодження.
Кількість тепла, що поглинається випарником.
Ділянка HB-НС` відповідає зміні теплосодержания холодоагенту у випарнику і характеризує кількість тепла, що поглинається випарником.
Реальний цикл охолодження.
Насправді в результаті втрат тиску, що виникають на лінії всмоктування і нагнітання, а також в клапанах компресора, цикл охолодження відображається на діаграмі дещо в інший спосіб (рис. 4).
Через втрат тиску на вході (ділянка C`-L) компресор повинен виробляти всмоктування при тиску нижче тиску випаровування.
З іншого боку, через втрати тиску на виході (ділянка М-D`), компресор повинен стискати пароподібний холодоагент до тисків вище тиску конденсації.
Необхідність компенсації втрат збільшує роботу стиснення і знижує ефективність циклу.
Крім втрат тиску в трубопроводах і клапанах, на відхилення реального циклу від теоретичного впливають також втрати в процесі стиснення.
По-перше, процес стиснення в компресорі відрізняється від адіабатичного, тому реальна робота стиснення буде вищою теоретичної, що також веде до енергетичних втрат.
По-друге, в компресорі є чисто механічні втрати, що призводять до збільшення потрібної потужності електродвигуна компресора і збільшення роботи стиснення.
По-третє, через те, що тиск в циліндрі компресора в кінці циклу всмоктування завжди нижче тиску пара перед компресором (тиску випаровування), також зменшується продуктивність компресора. Крім того, в компресорі завжди є обсяг, який не бере участі в процесі стиснення, наприклад, обсяг під головкою циліндра.
Оцінка ефективності циклу охолодження
Ефективність циклу охолодження зазвичай оцінюється коефіцієнтом корисної дії або коефіцієнтом термічної (термодинамічної) ефективності.
Коефіцієнт ефективності може бути обчислений як співвідношення зміни теплосодержания холодоагенту у випарнику (НС-НВ) до зміни теплосодержания холодоагенту в процесі стиснення (НD-НС).
Фактично він представляє собою співвідношення холодильної потужності і електричної потужності, споживаної компресором.
Причому він не є показником продуктивності холодильної машини, а являє собою порівняльний параметр при оцінці ефективності процесу передачі енергії. Так, наприклад, якщо холодильна машина має коефіцієнт термічної ефективності, що дорівнює 2,5, то це означає, що на кожну одиницю електроенергії, яка споживається холодильною машиною, виробляється 2,5 одиниці холоду.