Jäähdytyspiiri - perusasiat

Jäähdytyspiiri - perusasiat

Perustiedot jäähdytyspiirin toiminnasta, käytetyistä komponenteista ja niihin liittyvistä osista

Tervetuloa tähän Itieffen luomaan oppaaseen "Hallitun kylmän tutkiminen - opas jäähdytyspiirin perusteisiin". Maailmassa, jossa lämpötilan hallinta on välttämätöntä monenlaisille sovelluksille, tämä opas vie sinut kiehtovalle matkalle jäähdytyspiirien sydämeen ja paljastaa näiden järjestelmien toiminnan salaisuudet, joiden avulla voimme tuottaa ja ylläpitää kylmää.

Kylmäainepiirit ovat läsnä monilla jokapäiväisen elämämme osa-alueilla kodeista teollisuuslaitoksiin, supermarketeista tieteellisiin laboratorioihin. Mutta mitä itse asiassa tapahtuu näissä piireissä, joiden avulla voimme jäähtyä ja pitää asiat kontrolloiduissa lämpötiloissa? Tässä oppaassa tutkimme kylmäainepiirien perusperustoja ja selvitämme tärkeimmät käsitteet, jotka mahdollistavat ne.

Selkeän ja helposti lähestyttävän lähestymistavan avulla opastamme sinut termodynaamisten periaatteiden läpi, jotka ovat jäähdytyspiirin toiminnan taustalla. Opit kuinka paine- ja lämpötilavaihteluille alttiina oleva kylmäaineneste voi siirtää lämpöä ympäristöstä toiseen, jolloin lämpötilat ovat alhaisemmat kuin ympäröivässä ympäristössä. Kaavioiden, yksityiskohtaisten selitysten ja käytännön esimerkkien avulla opastamme sinut läpi vaiheet, jotka muodostavat jäähdytyssyklin.

Jäähdytyspiiri - perusasiat

Tämä opas ei edellytä korkeatasoista tietoa termodynamiikasta tai tekniikasta. Se on tarkoitettu niille, jotka haluavat saada perustiedot jäähdytyspiirien toiminnasta ja niiden käytöstä erilaisissa yhteyksissä. Oletpa sitten opiskelija, teknikko tai vain utelias oppimaan jotain uutta, toivomme tämän oppaan valaisevan kylmäainepiirien monimutkaista mutta kiehtovaa maailmaa.

Kutsumme sinut mukaan tälle matkalle läpi hallitun kylmän, jossa termodynamiikan lait muuttuvat teknologioiksi, jotka vaikuttavat mukavuuteen, terveyteemme ja välttämättömien tavaroiden tuotantoon. Olkoon tämä opas kompassi, kun tutkit mekanismeja, joiden avulla voimme hallita kylmää ja käyttää sitä hyödyksemme.

KYLMÄKYTKIN

Ei ole olemassa koneita, jotka pystyvät tuottamaan kylmää, mutta on koneita, jotka pystyvät poistamaan lämpöä nesteistä tai ruumiista (ilma, vesi, metallit jne.).

Näitä koneita kutsutaan yleisesti: "jääkaapit".

Ne on jaettu luokkiin tyypin ja käytön mukaan, ja niitä kutsutaan kotitalouksien jääkaappeiksi ja pakastimiksi (lämpötilat +4-20 ° C), teollisuus- ja laboratoriojääkaappeihin (lämpötilat -140 ° C asti), ilmankuivaimiin, ilmastointilaitteisiin ja vedenjäähdyttimiin. koko ja potentiaali.

Analysoidaan näitä koneita (tässä tapauksessa otamme huomioon pienen kotitalouksien jäähdytyksen, vaikka perustat olisivat samat kaikissa luokissa).

Jäähdytyspiiri - perusasiat

JÄÄHDYTIN: VAKIOHÖYRYN KOMPRESSIOSYKLI

Lämmön tiedetään siirtyvän korkeamman lämpötilan alueilta matalamman lämpötilan alueille. Tämä lämmönsiirtoprosessi tapahtuu luonnossa spontaanisti ilman minkään koneen väliintuloa. Käänteinen prosessi, toisin sanoen lämmön siirtäminen alhaisemman lämpötilan alueilta korkeamman lämpötilan alueille, ei tapahdu spontaanisti ja edellyttää erityisten jäähdytyskoneiksi kutsuttujen koneiden käyttöä.

Kuva 1 esittää vakiohöyrypuristusjäähdytyspiirin järjestelmäkaaviota.

Jäähdytyspiirin muunnokset

Muutokset, jotka kylmäaine suorittaa kylmälaitteen sisällä, voidaan jäljittää "Carnot -syklin" merkintöihin, joiden selitykset viitataan muihin paikkoihin:

1_2 – Kompressori imee sisäänsä matalapaineisen kylläisen höyryn ja se käy läpi palautuvan adiabaattisen puristuksen (isoentrooppinen puristus). Kompressori puristaa höyryn nostaen sen painetta ja lämpötilaa ja työntää sen lauhduttimeen.

2_3 – Lämpö Q2, kondensaatiolämpö, ​​siirtyy ulkoilmaan tai muihin nesteisiin kondensaatioprosessissa vakiopaineessa, jolloin höyry muuttuu nesteeksi. Vaihdinta, joka suorittaa muunnoksen, kutsutaan lauhduttimeksi. Lauhduttimesta tulee nestettä kylläisen nesteen muodossa.

3_4 – Paisuntaventtiilin (laminointiventtiilin) ​​läpi kulkee kulku, jossa neste siirtyy korkeammasta paineesta alempaan paineeseen aiheuttaen laajenemisilmiön. Tämän tilanmuutoksen myötä lämpö poistuu ympäristöstä tai nesteestä. Neste ei enää puristu paisuntaventtiilin jälkeen ja palaa höyrytilaan.

4_1 – Lämpö Q1 (ympäristöstä tai mukana olevasta nesteestä poistunut lämpö) vastaanotetaan jäähdytysjärjestelmässä alemmassa lämpötilassa haihdutusprosessissa vakiopaineessa höyrystimeksi kutsutun lämmönvaihtimen kautta, jolloin kierto sulkeutuu ja kylmäaine ja valmis suorittamaan uuden jäähdytyssyklin.

 

COP -KYLMÄKONEET

Jäähdytyskoneille voidaan määrittää tehokkuusindikaattori: suorituskykykerroin (POLIISI_F):

COP_F = tulosvaikutus / tarvittavat kulut = Q1 / THE_c

jossa hyödyllinen vaikutus on lämpö, ​​joka on vähennetty alhaisessa lämpötilassa kylmän ympäristön ylläpitämiseksi, kun taas tarvittava kustannus on puristustyö.

COP_F ja kääntäen verrannollinen laitoksen käyttökustannuksiin: mitä korkeampi puristustyö, sitä pienempi suorituskykykerroin.

ALIJÄÄHDYTYS JA YLIKUUMENEMINEN

Tavallisessa käytännössä normaaleissa höyrynpuristusjaksoissa nesteen alijäähdytys suoritetaan ennen laajentamista (laminointi). Tällä tavalla laminointiosa syötetään varmasti nesteellä eikä höyryllä (mikä saa laitteen toimimaan huonosti). Ylikuumeneminen tehdään varmistaakseen, että kompressori syötetään höyryllä ja vältetään nesteen jääminen nesteeseen. Itse asiassa voi tapahtua, että kompressori puristaa jonkin verran nestettä ja aiheuttaa sen rikkoutumisen. Siksi on edullista, että neste ylikuumenee hieman kompressorin tuloaukossa. Tämä toimenpide suoritetaan aina jäähdytysjakson aikana riippumatta siitä, onko COP lisääntynyt vai vähentynyt; tällä tavalla voit olla varma, että kompressori (erittäin kallis urut) toimii hyvin ja pitkään.

KÄYTTÄYTYKSEN SCHEMATIZATION

Kuvassa on kaavio yleisestä jäähdytyspiiristä: voidaan nähdä, kuinka höyrystimen B kanssa kosketuksissa oleva ilma vapauttaa lämpöä Q1, joka tulee ympäristöstä E, kun taas muu ulkoinen ilma on lämpimämpää (mutta aina alhaisemmassa lämpötilassa kuin lauhdutuslämpötila) ) se kuumenee lauhduttimen C läpi ja lähetetään sitten ulos (lämpö Q2). Kierron täydentää vierintäelementti D.

 

KYLMÄKYTKYPIIRIN KOMPONENTIT

KOMPRESSORI

Kompressori on jäähdytyspiirin "sydän". Se on jäähdytysjärjestelmän liikkeellepaneva voima, koska se tarjoaa tarvittavan työn termodynaamisen syklin suorittamiseksi. Sen tehtävänä on tuoda höyrystynyt kylmäaine neste höyrystimen paineesta (matala paine) lauhduttimen paineeseen (korkea paine), joka vastaa lauhdutuslämpötilaa, joka on yhteensopiva ulkoisen jäähdytysnesteen (ilma tai vesi) kanssa.

Kylmäkompressorien tyypit

vaihtoehto	hermeettinen
	osittain hermeettinen
	avata
pyörivä	ruuvi
	yksi ruuvi
	kaksoisruuvi
	kierre (vieritys)
	paletti (liukuva siipi)
	kääntömäntä

On olemassa erilaisia ​​kompressoreita, jotka voidaan luokitella puristustyypin ja rakennetyypin mukaan:

- dynamiikka, jossa puristus saadaan vaihtelemalla nesteen virtausolosuhteita energian muuntamisella

- Volumetrinen, jossa puristus saadaan aikaan mekaanisella pienentämisellä nesteelle tarjottua tilavuutta vaihtelevan geometrian kapselissa; ne on jaettu:

Edestakaiset volumetriset kompressorit

Edestakaisin toimiva kompressori koostuu pääasiassa sylinteristä, jonka sisällä mäntä kulkee edestakaisin. Sylinteri on suljettu yläosasta levyllä, jossa on kaksi venttiileillä varustettua aukkoa. Ne mahdollistavat sylinterin liittämisen vaihtoehtoisesti imukanavan kautta höyrystimeen ja syöttökanavan kautta lauhduttimeen. Kiertokangen ja kampimekanismin avulla mäntä on kytketty kampiakseliin, jonka tehtävänä on vaihtoehtoisesti muuttaa sen moottorin pyörimisliike, johon se on kytketty (yleensä sähkömoottori).

Kaavio sylinterin männän venttiilijärjestelmästä

Imuvaiheen aikana mäntä liikkuu alaspäin, imuventtiilit avautuvat, jolloin sylinterikammio on yhteydessä piirin matalapainealueeseen. Kun käyttökelpoinen tilavuus on saavutettu, alemmassa kuolleessa keskuksessa (PMI), mäntä alkaa pienentää sylinterikammion tilavuutta ja puristaa nestettä. Imuventtiilit sulkeutuvat, kun taas syöttöventtiilit avautuvat vasta, kun paine sylinterin sisällä on sama kuin piirin yläosassa. Puristussuhde (ja symboli ρ näytetään) on kondensoitumispaineen ja haihtumispaineen välinen suhde.

Mäntäkompressorit voidaan puolestaan ​​luokitella rakennusmenetelmän mukaan seuraavasti:

 

Pyörivät vierityskompressorit

Scroll -kompressoreissa, joita kutsutaan myös "kiertäviksi spiraaleiksi", kaasun puristuminen tapahtuu kahden toisiinsa kytketyn involuuttisen spiraalin yhteisvaikutuksen ansiosta. Ensimmäinen kierre pysyy kiinteänä, kun toinen suorittaa kiertoradan liikkeen (ei pyörimistä), tämän kokoonpanon ansiosta sisäänpäin liikkuvien, kutistuvien ja puristuvien kelojen väliin muodostuu kaasutaskuja. Saatu puristus on erittäin tasaista, jolloin vältetään klassiset "pulssit", jotka ovat ominaisia ​​edestakaisin liikkuville kompressoreille.

Kaksoispyörivät kompressorit

Yleisimmät pyöriviin rullakompressoreihin liittyvät ongelmat liittyvät oikeaan voiteluun alussa, johon liittyy tarttumisriski, suurien öljymäärien läsnäolo piirissä suhteellisen tiheillä palautusjaksoilla ja lopuksi tehon menetys osakuormituksessa kapasiteetin rajoituksen vuoksi. matalilla taajuuksilla. Näiden ongelmien ratkaisemiseksi suunniteltiin uusi Twin Rotary -kompressori, jossa on kaksi siipeä.

Vastavaiheisen pyörimisen ansiosta pyörimisakseliin vaikuttavat vastakkaiset keskipakovoimat takaavat paremman vakauden alhaisilla kierroksilla. "Kaksoisroottori" mahdollistaa tasaisemman pyörimisen puristustoimintojen aikana ja kitkan vähentämisen perinteisiin pyöriviin koneisiin verrattuna. Siivet ovat täysin upotettuina öljyyn, mikä vähentää merkittävästi syntyvää melua ja tärinää, joka välittyy kylmäainepiiriin, ja säilyttää aina erinomaisen voitelun. Koska masennusvaiheessa ei ole voiteluaineen palauttamista, jäähdytyspiiriin syötettävä öljymäärä on paljon pienempi kuin Scroll-kompressorilla.

Erityisesti:

1 = imu

2 = puristus

3 = tyhjennys

SÄHKÖOSIEN KOMPRESSORIT

Jäähdytyskompressorien sähköosien kokoonpanot, jotka on sovitettu jokaiseen tarpeeseen sähkölaitteiden erityyppisten kytkentäkaavioiden mukaisesti, kuvataan alla olevan linkin kautta. Kompressorin käynnistämiseen ja käynnistämiseen tarvittavat erilaiset sähkökomponentit on kuvattu, ja ne ovat olennaisesti releitä, lämpösuojaimia (clickson), elektrolyyttikondensaattoreita jne.

Katso: "Kompressorin sähköosien kaaviot"

 

LÄMMÖNVAIHDIMET

Lämmönvaihtimet (tässä tapauksessa lauhduttimet ja höyrystimet) ovat laitteita, jotka mahdollistavat lämmönvaihdon kahden nesteen välillä eri lämpötiloissa. Lämmönvaihtimissa kaksi nestettä eivät sekoitu keskenään: lämpö vaihdetaan konvektiolla molemmissa nesteissä ja johtamalla niiden välissä olevan erotusvälineen läpi.

Lauhdutin

Kylmäainepiirin lauhduttimen tehtävänä on haihduttaa kylmäaineen absorboima lämpö nesteen kautta, joka voi olla vettä tai ilmaa. Kompressorin antaman puristuksen ansiosta neste saavuttaa tulistettuina höyrynä lauhduttimen, jossa se jäähtyy ja tiivistyy siirtäen lämpönsä jäähdytysnesteeseen, minkä jälkeen se poistuu lauhduttimesta nestemäisissä olosuhteissa.

Kylmäaine tulee lauhduttimeen ylikuumenneena. Lyhyen venytyksen jälkeen kylmäaine saavuttaa kyllästysolosuhteet ja tästä alkaa vaihemuutoksen vaikuttava venytys, joka yleensä vie suuren osan vaihtimesta. Vaikka vaihemuutoksessa lämpötila laskee kylmäaineen kärsimän paineen laskun vuoksi. Kun nestemäinen kylmäaine on täysin tiivistynyt, sitä alijäähdytetään, kunnes se poistuu lauhduttimesta. Kondensaatiolämpöä absorboiva lämmönsiirtoneste on yleensä yksivaiheinen ja siksi sen lämpötila nousee matkan varrella vaihtimen sisällä. Lauhduttimien luokitus tehdään yleensä käytetyn lämmönsiirtonesteen perusteella:

Höyrystin

Höyrystin poistaa tehtävän, joka poistaa ei -toivotun lämmön käsiteltävästä nesteestä (ilma tai vesi) siirtääkseen sen piiriin. Kylmäaine tulee höyrystimeen noin 10%: n tiitterillä, koska paineen lasku vaihevaihdon aikana kylmäaine alentaa lämpötilaa, vaikka se absorboi lämpöä, kunnes se saavuttaa kuivat tyydyttyneet höyryolosuhteet. Kylmäainetta kuumennetaan, kunnes se poistuu höyrystimestä, jotta kompressori imee sen uudelleen sisään. On olemassa tuuletettuja höyrystimiä, jotka lisäävät tehokkuuttaan tuulettimen ja staattisten höyrystimien avulla, jotka eivät turvaudu tähän laitteeseen. Staattisilla höyrystimillä on useita etuja elintarvikkeissa käytettävissä jäähdytyskennoissa, koska ne poistavat ympäristöstä vähemmän kosteutta kuin tuuletetut.

 

LÄMPÖNESTE

Haihdutuslämpöä vapauttava lämmönsiirtoneste on yleensä yksivaiheista (normaalisti ilmaa tai vettä) ja siksi sen lämpötila laskee matkan aikana. Jos ilmaa, jota joskus puhallin työntää, se koskettaa höyrystimen putkia ja antaa lämpöä kylmäaineelle (latentti haihtumislämpö), jolloin se haihtuu. Kun kylmäaine haihtuu, se imee lämpöä ympäristöstään. Ilma jäähdytetään ja lähetetään sitten takaisin huoneeseen. Kylmäaineen haihtumisen helpottamiseksi käytetään kupariputkia, joilla on korkea lämmönjohtavuuskerroin. Kupariputket työnnetään sarjaan ohuita eviä, jotka lisäävät kosketusalueen pinta -alaa ilman kanssa.

KYLMÄT

Kylmäainenesteet ovat välineitä, joilla lämmönsiirto tapahtuu jäähdytyspiirin eri osissa. Ensimmäinen höyrypuristusjäähdytyskoneissa käytetty kylmäaine oli etyylieetteri, jonka Perkins ja Harrison valitsivat ja käyttivät viime vuosisadan puolivälissä sen syttyvyyden ja myrkyllisyyden vuoksi sekä tiivistysjärjestelmien niukan luotettavuuden vuoksi sen käytöstä luovuttiin. . 800-luvun jälkipuoliskolla otettiin käyttöön muita kylmäaineita, kuten hiilidioksidia, ammoniakkia ja metyylikloridia; näiden kylmäaineiden käyttö vaikutti epäilemättä höyrykompressiojäähdytyskoneiden kehittämiseen.

Kuitenkin turvallisuusongelma, joka johtuu lähes kaikkien lueteltujen kylmäaineiden myrkyllisyydestä ja syttyvyydestä, säilyi, kunnes synteettiset kylmäaineet, kuten R30, R11, R113, R21 jne., otettiin käyttöön 22-luvulla. saadaan metaanista ja etaanista korvaamalla vetyatomit kokonaan tai osittain kloorin, fluorin ja joskus bromin atomeilla. Erinomaisten lämpöfysikaalisten ominaisuuksiensa sekä stabiilisuus- ja turvallisuusvaatimustensa ansiosta kloorifluorihiilivedyt (CFC) vakiintuivat vallitseviksi kylmäaineiksi korvaamaan aiemmin käytetyt kylmäaineet, joista käytännössä vain ammoniakkia (R717) jäi teollisiin sovelluksiin.

Ympäristöongelma, otsonin tuhoaminen ja kasvihuoneilmiöstä johtuva ilmaston lämpeneminen, on kuitenkin osittain laillistanut niin kutsuttujen CFC-yhdisteiden roolin viimeisten XNUMX vuoden aikana; tästä syystä tarve korvata CFC -yhdisteet muilla nesteillä, mikä on saanut teknisen maailman suunnittelemaan ja tutkimaan erilaisia ​​mahdollisuuksia, mutta samalla aiheuttanut "jälkikäteen" ongelman, toisin sanoen kaikkien olemassa olevien järjestelmien ja niiden sopeutuminen uusiin kylmäaineisiin.

Uudet kylmäaineet

Kemianteollisuus alkoi 70 -luvun lopulta lähtien etsiä uusia jäähdytysjärjestelmiin soveltuvia aineita korvaamalla CFC -yhdisteitä ja myöhemmin myös HCFC -yhdisteitä, jotka aiheuttivat monia ympäristöongelmia, kuten stratosfäärin otsonin vähenemistä. Tunnistetut aineet, jotka kuuluvat HFC -fluorihiilivetyluokkaan, on arvioitu sekä toksikologiselta kannalta (International PAFT Consortium) että ympäristön kannalta (AFEAS International Consortium). Uusille kylmäaineille on ominaista korkea kemiallinen stabiilisuus, minkä vuoksi ne soveltuvat käytettäväksi lähes kaikissa käyttöolosuhteissa, joita jäähdytys- ja ilmastointijärjestelmissä voi esiintyä. Nämä uudet nesteet ovat eri yhdisteiden seoksia ja niiden käyttäytymisen mukaan ne määritellään:

- atseotroopit: ne ovat seoksia, jotka eivät muuta niiden tilavuuskoostumusta tai lämpötilaa kyllästyminen haihtumisen aikana (liukuvaikutuksen puuttuminen); siksi tilamuutoksia tapahtuu a vakio paine ja lämpötila.

- Lähes atseotroopit: niiden lämpötila vaihtelee hieman tilan siirtymisen aikana (pieni liukuvaikutus), joka ei kuitenkaan vaaranna järjestelmän suorituskykyä ja toimintaa.

- Zeotroopit: niillä on voimakas liukuvaikutus, toisin sanoen tilojen kulku tapahtuu vakio paineessa, mutta ei vakioissa lämpötiloissa. Koneita suunniteltaessa tämä ominaisuus on otettava huomioon, jos aiot käyttää zeotrooppista nestettä. Tämä seos muodostuu haihtuvammasta ja vähemmän haihtuvasta osasta, vuotojen sattuessa kevyempi komponentti vuotaa helposti. Tällä tavoin vain raskaampi komponentti jää piiriin, ja usein jäähdytysominaisuudet ovat huonot. Siksi vian sattuessa järjestelmä on ensin tyhjennettävä kokonaan ja seos "luotava" uudelleen täyttämällä kadonnut komponentti ja lopuksi, kun vuoto on korjattu, piiri on täytettävä uudelleen.

Tärkeimmät HFC -kylmäaineet:

- R134A

- R407C

- R410A

Katso lisätietoja seuraavista linkeistä:

Kylmäainekaasu

Kylmäainekaasukortit

Kylmäaineen paineen ja lämpötilan suhde

Tyypillisiä sovelluksia

Tyypillisiä käyttökohteita kylmäainekaasu, ilmoitetaan nestetyyppi, R-numero, minkä tuotteen se korvaa, koostumus ja valmistaja.

Katso täysversio "Tyypilliset kylmäainekaasusovellukset"

LAMINOIVA ORGANI

Puhtaasti termodynaamisesta näkökulmasta laminointielin alentaa painetta ja lämpötilaa kahden käänteisen höyrynpuristusjakson lämmönvaihtimen välillä. Käytännössä sen päätehtävänä on säätää kylmäaineen virtausta lauhduttimesta höyrystimeen niin, että se on aina oikeassa suhteessa järjestelmän jäähdytystehoon. Eri vierintäelementtien luokittelu perustuu kykyyn mukauttaa niiden geometria eri kuormitusolosuhteisiin (vaaditun jäähdytystehon vaihtelu).

Kapillaariputki

Se on yleisin laminointielin pienissä ja hyvin pienissä jäähdytyskoneissa ja ilmastointilaitteissa. Nestemäinen kylmäaine pakotetaan kulkemaan tämän erittäin kapean putken läpi. Kapillaarin läpi kulkeva energia vie kylmäaineen korkeapaineesta erittäin matalaan paineeseen. näissä tapauksissa nimellisolosuhteista poikkeavat toimintaolosuhteet muodostuvat spontaanisti tehokkuuden laskiessa.

Termostaattinen paisuntaventtiili

Termostaattiset paisuntaventtiilit ohjaavat nestemäisen kylmäaineen ruiskutusta höyrystimiin ja suojaavat kompressorin moottoria nestemäiseltä kylmäaineelta. 

Termostaattinen paisuntaventtiili mahdollistaa ylikuumenemisen (tai kylmäaineen tason) pitämisen vakiona jäähdytysjärjestelmän vaihtelevan kuormituksen tilanteissa energian säästämiseksi.

Elektroninen laminointiventtiili

Se toimii kuin termostaattinen venttiili, paitsi että se ei aktivoidu itsestään venttiiliin luodun painejärjestelmän avulla. Se on todellinen elektronisesti ohjattu elektroninen ohjausjärjestelmä.

Rullaavat elementit, jotka mukauttavat geometriansa kuormitukseen:

• termostaattinen paisuntaventtiili
• elektroninen paisuntaventtiili

Rullaavat elementit, jotka EIVÄT sovita geometriaansa kuorman mukaan:

• kapillaariputki
• vakiopaineventtiili

 

PÄÄLISÄVARUSTEET

 

Muuntyyppiset termostaatit

Antiikki (ikivihreä)

• Jäähdytys

◄ Takaisin