冷凍回路-基本

冷凍回路-基本

冷凍回路の動作、使用される部品および関連部品に関する基本情報

Itieffe が作成したこのガイド「制御された冷気の探索 - 冷凍回路の基本ガイド」へようこそ。 温度制御が幅広い用途に不可欠な世界において、このガイドは冷凍回路の中心部への魅力的な旅へと導き、冷気を生成し維持することを可能にするこれらのシステムの機能の背後にある秘密を明らかにします。

冷媒回路は、家庭から工場、スーパーマーケットから科学研究所に至るまで、私たちの日常生活のさまざまな場面に存在します。 しかし、物を冷却し、制御された温度に保つことを可能にするこれらの回路の内部では実際に何が起こっているのでしょうか? このガイドでは、冷媒回路の基本的な基礎を探り、それを可能にする主要な概念をわかりやすく説明します。

明確でわかりやすいアプローチを通じて、冷凍回路の動作の基礎となる熱力学原理をご案内します。 圧力と温度の変化にさらされた冷媒流体がどのように熱をある環境から別の環境に伝達し、周囲の環境よりも低い温度に到達できるかを学びます。 図、詳細な説明、実践例を通じて、冷凍サイクルを構成する手順を説明します。

冷凍回路-基本

このガイドでは、熱力学や工学に関する高度な知識は必要ありません。 冷凍回路がどのように機能し、さまざまな状況でどのように使用されるかについて基本的な理解を深めたい人を対象としています。 あなたが学生であれ、技術者であれ、あるいは単に何か新しいことを学びたいと思っているだけであれ、このガイドが冷媒回路の複雑だが魅力的な世界に光を当てることを願っています。

熱力学の法則が私たちの快適さ、健康、必需品の生産に影響を与えるテクノロジーに変換される、制御された寒さの中を旅するこの旅にぜひご参加ください。 このガイドが、私たちが寒さを克服し、それを有利に利用できるメカニズムを探求する際の羅針盤となりますように。

冷媒回路

冷気を発生させることができる機械はありませんが、流体や物体 (空気、水、金属など) から熱を差し引くことができる機械はあります。

これらの機械は一般的に「冷蔵庫」と呼ばれます。

それらはタイプと用途に基づいてカテゴリーに分類され、家庭用冷蔵庫と冷凍庫(温度+ 4-20°C)、産業用および実験用冷蔵庫(温度-140°Cまで)、除湿機、エアコン、および任意の水冷装置と呼ばれます。サイズと可能性。

これらのマシンを分析してみましょう(この場合、ベースがすべてのカテゴリで同じであっても、小規模な家庭用冷凍を考慮に入れます)。

回路接続の概略図

冷凍回路-基本

冷蔵庫:標準的な蒸気圧縮サイクル

熱は高温領域から低温領域に移動することが知られています。 この熱伝達プロセスは、機械の介入を必要とせずに、自然界で自発的に発生します。 一方、逆のプロセス、つまり低温の領域から高温の​​領域への熱の移動は自発的には発生せず、冷凍機と呼ばれる特別な機械を使用する必要があります。

図1に、標準的な蒸気圧縮冷凍回路のシステム図を示します。

A =蒸発器

B =コンデンサ

C =コンプレッサー

D =膨張弁または毛細管(ラミネーション器官)

Q2 =外気(または他の流体)に放出される凝縮熱

Q1 =環境(または流体)から除去された熱 興味がある)

Lc =圧縮作業(必要な費用)。

冷却回路の変革

冷凍ユニット内の冷媒流体によって実行される変換は、他の場所への説明を参照する「カルノーサイクル」の表示にまでさかのぼることができます。

1_2 – 低圧飽和蒸気は圧縮機によって吸入され、可逆断熱圧縮 (等エントロピー圧縮) を受けます。コンプレッサーは蒸気を圧縮し、その圧力と温度を上昇させて凝縮器に押し込みます。

2_3 – 熱 Q2、つまり凝縮熱は、一定圧力での凝縮プロセスで外気または他の流体に伝達され、蒸気が液体に変わります。変換を実行する交換器はコンデンサーと呼ばれます。流体は飽和液体の形で凝縮器から出てきます。

3_4 – 膨張バルブ (積層バルブ) を通過する通路があり、そこで流体が高圧から低圧へ通過し、膨張現象が発生します。この状態変化により、環境または流体から熱が奪われます。液体は膨張弁を通過すると圧縮されなくなり、蒸気の状態に戻ります。

4_1 – 熱 Q1 (環境または関係する流体から除去された熱) は、蒸発器と呼ばれる熱交換器を通した一定圧力での蒸発プロセスで、より低い温度で冷凍システムによって受け取られます。このようにして、サイクルが閉じ、冷媒と新しい冷凍サイクルを実行する準備ができています。

冷凍回路の機能を理解してみましょう

ローマのGrandeRaccordoAnulareのような閉回路内を走る大型トラックのような冷凍回路の動作原理を想像することができます。

出発時に、トラック(図2)には、GRAのAurelia出口(この場合は空調が必要な部屋)から取られた熱が負荷されます。 トラックはGRAに沿って南に移動し、カシリーナ出口(この場合は外部環境)で熱を放出します。 この時点で、トラックはGRAのストレッチに沿って反対方向に走行し、Aurelia出口に戻り、より多くの熱を負荷します。

Aureliaの出力は蒸発器と呼ばれ、Casilinaの出力は凝縮器と呼ばれます。

 

COP冷凍機

冷凍機の場合、効率指標を定義することができます:成績係数 (COPF):

COPF =利益効果/必要費用= Q1 / Lc

ここで、有用な効果は、低温環境を維持するために低温で差し引かれる熱であり、必要な費用は圧縮作業によって表されます。

COPF プラントの運用コストに反比例します。圧縮作業が高ければ高いほど、成績係数は低くなります。

過冷却と過熱

一般的な慣行では、標準的な蒸気圧縮サイクルでは、膨張(ラミネーション)を実行する前に液体の過冷却が実行されます。 このようにして、ラミネーションメンバーに蒸気ではなく液体を確実に供給します(これにより、デバイスが正常に機能しなくなります)。 過熱は、コンプレッサーに蒸気を確実に供給し、流体に微量の液体が含まれないようにするために行われます。 実際、この場合、コンプレッサーが液体を圧縮して破損させる可能性があります。 したがって、流体はコンプレッサー入口でわずかに過熱されることが好ましい。 この操作は、COPの増加または減少に関係なく、常に冷凍サイクルで実行されます。 このようにして、コンプレッサー(非常に高価なオルガン)がうまく機能し、長期間使用できることを確認できます。

行動のスキーマ化

この図は、一般的な冷凍回路の図を示しています。蒸発器Bと接触している空気が、環境Eからの熱Q1を放出し、他の外気はより暖かい(ただし、常に凝縮温度よりも低い温度である)ことがわかります。 )凝縮器Cを通過して加熱され、外部に送られます(熱Q2)。 回路は転動体Dによって完成します。

 

冷媒回路の構成要素

コンプレッサー

コンプレッサーは冷凍回路の「心臓部」です。 それは熱力学的サイクルを実行するために必要な仕事を提供するので、それは冷凍システムの原動力です。 その機能は、気化した冷媒流体を蒸発器圧力(低圧)から外部冷却流体(空気または水)の凝縮温度と互換性のある凝縮温度に対応する凝縮器圧力(高圧)に移動させることです。

冷凍コンプレッサーの種類

選択肢

気密

半密閉

オープン

ロータリー

スクリュー

単ネジ

二重ネジ

スパイラル(スクロール)

パレット(スライディングベーン)

スイングピストン

圧縮のタイプと構造のタイプによって分類できるコンプレッサーにはさまざまなタイプがあります。

- エネルギー変換により流体の流れ条件を変化させることによって圧縮が得られるダイナミクス

- 可変形状のカプセル構造で流体に提供される容積の機械的減少によって圧縮が得られる容積測定。 それらは次のように分類されます。

レシプロボリュームコンプレッサー

レシプロコンプレッサーは、基本的に、ピストンが交互に動くシリンダーで構成されています。 シリンダーは、バルブを備えたXNUMXつの開口部が得られるプレートによって上部が閉じられています。 それらは、シリンダーを、吸引ダクトを介して蒸発器に、そして供給ダクトを介して凝縮器に交互に接続することを可能にする。 コネクティングロッドとクランク機構により、ピストンはクランクシャフトに接続されます。クランクシャフトは、ピストンが接続されているエンジン(通常は電気モーター)の回転運動を変換する機能を備えています。

シリンダーピストンバルブシステムの図

TDC =上死点

PMI =下死点

1 =吸引バルブ

2 =デリバリーバルブ

3 =ピストン

4 =コネクティングロッド

吸気段階では、ピストンが下向きに動き、吸気バルブが開き、シリンダーチャンバーが回路の低圧領域と連絡します。 下死点(PMI)で発生する有用な容量に達すると、ピストンはシリンダーチャンバーの容量を減らし、流体を圧縮し始めます。 吸気バルブは閉じますが、吐出バルブは、シリンダー内の圧力が回路の上部にある圧力と等しい場合にのみ開きます。 圧縮比(および記号ρが示されている)は、凝縮圧力と蒸発圧力の比率です。

レシプロコンプレッサーは、次のような工法に従って分類できます。

ハーメチック:実際のコンプレッサー(ピストン、シリンダー、バルブなど)と電気モーターは単一の溶接ケーシングに封入されています。 ケーシングは、吸気ダクトと排気ダクト、および電源ケーブルによってのみ交差します。 メンテナンスは不要です。XNUMXつのコンポーネントが破損した場合は、コンプレッサー全体を交換する必要があります。 これらのコンプレッサーは、小型の業務用冷凍機、家庭用冷蔵庫および冷凍庫、除湿機、小型エアコンおよびチラー(ウォーターチラー)で使用されています。

セミハーメチック:密閉型コンプレッサーと電気モーターはXNUMXつのケーシングに収められていますが、メンテナンス作業のために開くことができます。 より大きなユニットでは、潤滑はシャフトに固定されたポンプによって実行されます。 これらのコンプレッサーは、中容量、業務用冷凍、エアコン、中型チラーに使用されます。

アペルティ:コンプレッサーとエンジンはXNUMXつの完全に別個のエンティティです(電気エンジンの代わりに内燃エンジンを見つけることも可能です)。 トランスミッションシャフトは、プーリーやベルトなどを使用してモーターを接続できるコンプレッサーユニットから出ています。 モーターとコンプレッサーユニットの両方を完全に検査することができます。 これらのコンプレッサーは、中規模および大規模の冷却能力に使用されます。

 

ロータリースクロ​​ールコンプレッサー

「オービティングスパイラル」とも呼ばれるスクロールコンプレッサーでは、XNUMXつのインボリュートスパイラルが結合された複合作用のおかげでガス圧縮が発生します。 最初のスパイラルは固定されたままですが、XNUMX番目のスパイラルは(回転ではなく)軌道運動を実行します。この構成のおかげで、内側に移動して収縮および圧縮するコイル間にガスポケットが作成されます。 得られる圧縮は非常に均一であるため、レシプロコンプレッサーの古典的な「脈動」特性を回避します。

吸引- ガスは、正反対のXNUMXつの大きな外部ポケットに吸い込まれます。

圧縮- ポケットは最初に徐々に閉じ、次にスパイラルの中心に向かってスライドし、その体積を減らしてガスを圧縮します。

アンロードします- バッグがスパイラルの中心に到達すると、ガスは供給圧力に達し、固定スパイラルで得られた中央ポートを介して外部に排出されます。

ツインロータリーコンプレッサー

ロータリー スクロール コンプレッサーに関連する最も一般的な問題は、焼き付きの危険性を伴う始動時の適切な潤滑、比較的頻繁な回復サイクルによる回路内の大量のオイルの存在、そして最終的には容量制限による部分負荷での効率の低下に関するものです。低周波で。 これらの問題を解決するために、XNUMX つのベーンを備えた新しいツイン ロータリー コンプレッサーが設計されました。

逆位相回転のおかげで、回転シャフトに作用する反対の遠心力により、低回転域での安定性が向上します。 「ダブルローター」により、従来の回転機械と比較して、圧縮動作中の回転の均一性が向上し、摩擦が低減されます。 ベーンがオイルに完全に浸漬されているため、冷凍回路に伝わる騒音や振動が大幅に低減され、常に良好な潤滑状態が保たれます。 潤滑剤を呼び戻すための減圧段階がないため、冷凍回路に導入されるオイルの量はスクロール コンプレッサーよりもはるかに少なくなります。

特に:

1 =吸引

2 =圧縮

3 =排水

電気部品コンプレッサー

以下のリンクにアクセスして、電源のさまざまなタイプの接続図に従って、あらゆるニーズに適合した冷凍コンプレッサーの電気部品の構造を説明します。 コンプレッサーの始動と運転に必要なさまざまな電気部品について説明します。これらは基本的に、リレー、サーマルプロテクター(クリクソン)、電解コンデンサーなどです。

参照:「コンプレッサーの電気部品図」

 

熱交換器

熱交換器(この場合は凝縮器と蒸発器)は、異なる温度のXNUMXつの流体間で熱を交換できるようにするデバイスです。 熱交換器では、XNUMXつの流体は互いに混合しません。熱は、両方の流体の対流と、それらの間の分離媒体を介した伝導によって交換されます。

コンデンサー

冷媒回路内の凝縮器は、冷媒によって吸収された熱を、水または空気などの流体を通じて放散する機能を実行します。 コンプレッサーによる圧縮により、流体は過熱蒸気状態で凝縮器に到達し、そこで冷却されて凝縮し、その熱が冷却流体に伝達され、その後液体状態で凝縮器から出ます。

冷媒は過熱状態でコンデンサーに入ります。 短い伸びの後、冷媒は飽和状態に達し、ここから相変化による影響を受ける伸びが始まります。相変化は通常、熱交換器の大部分を占めます。 たとえ相変化においても、冷媒による圧力降下により温度が低下します。 液体冷媒は完全に凝縮すると、凝縮器を出るまで過冷却されます。 凝縮熱を吸収する熱伝達流体は通常単相であるため、熱交換器内の温度は途中で上昇します。 凝縮器の分類は通常、使用される熱媒体に基づいて行われます。

空冷式の

水冷

エバポレーター

蒸発器は、処理される流体(空気または水)から不要な熱を除去して回路に伝達する機能を実行します。 冷媒は、相変化中の圧力降下により、熱を吸収しても乾燥飽和蒸気状態に達するまで温度が低下するため、約10%の力価で蒸発器に入ります。 冷媒は蒸発器を出るまで過熱され、圧縮機に再び吸い込まれます。 ファンを使用して効果を高める換気式蒸発器と、この装置に頼らない静的蒸発器があります。 静的蒸発器は、換気されたものよりも環境からより少ない湿度を除去するため、食品に使用される冷蔵セルにいくつかの利点を提供します。

冷蔵キャビネット蒸発器

スプリットエバポレーター(独立型エアコン)

 

熱流体

蒸発熱を放出する熱伝達流体は通常、単相(通常は空気または水)であるため、その温度は交換器内の途中で低下します。 空気の場合、ファンによって押されることもあり、蒸発器のパイプに接触して冷媒に熱(蒸発潜熱)を与え、蒸発させます。 冷媒が蒸発すると、周囲から熱を吸収します。 空気は冷却されてから部屋に戻されます。 冷媒の蒸発を促進するために、熱伝導率の高い銅管が使用されています。 銅パイプは、空気との接触領域の表面積を増やす一連の薄いフィンに挿入されます。

冷媒

冷媒流体は、冷凍回路のさまざまな部分で熱伝達が行われる手段です。 蒸気圧縮式冷凍機で最初に使用された冷媒はエチルエーテルで、可燃性と毒性があり、時間の経過とともにシールシステムの信頼性が乏しくなったため、前世紀半ばにパーキンスとハリソンによって選択され使用されましたが、その使用は放棄されました。 。 800 世紀後半には、二酸化炭素、アンモニア、塩化メチルなどの他の冷媒が導入されました。 これらの冷媒の使用が蒸気圧縮式冷凍機の開発に貢献したことは間違いありません。

しかし、リストされているほぼすべての冷媒の毒性と可燃性のため、安全性の問題は、R30、R11、R113、R21 などの合成冷媒が 22 年代に導入されるまで残っていました。 メタンとエタンから、水素原子を塩素、フッ素、場合によっては臭素で全体または部分的に置換することによって得られます。 クロロフルオロカーボン (CFC) は、その優れた熱物理的特性と安定性および安全性要件のおかげで、以前に使用されていた冷媒に代わる主要な冷媒としての地位を確立しましたが、その中で産業用途に使用できるのは事実上アンモニア (R717) だけでした。

しかし、温室効果によるオゾン破壊と地球温暖化の観点からの環境問題は、過去XNUMX年間にいわゆるCFCが果たした役割を部分的に非合法化しました。 したがって、CFCを他の流体に置き換える必要があり、技術界はさまざまな可能性を構想して検討するようになりましたが、同時に「レトロフィット」の問題、つまり既存のすべてのシステムの変換とそれらの新しい冷媒。

新しい冷媒

70年代後半から、化学産業は、成層圏オゾンの減少などの多くの環境問題を引き起こしていたCFCや、後にHCFCに取って代わり、冷凍システムでの使用に適した新しい物質の特定に取り組み始めました。 同定され、HFCハイドロフルオロカーボンのクラスに属する物質は、毒物学的観点(国際PAFTコンソーシアム)と環境的観点(AFEAS国際コンソーシアム)の両方から評価されています。 新しい冷媒は、化学的安定性が高いという特徴があり、冷凍および空調システムで発生する可能性のあるほぼすべての動作条件での使用に適しています。 これらの新しい流体はさまざまな化合物の混合物であり、それらの動作に応じて次のように定義されます。

-共沸混合物:それらは、それらの体積組成またはそれらの温度を変化させない混合物である 蒸発中の飽和(グライド効果の欠如); したがって、状態変化が発生します 一定の圧力と温度。

-ほぼ共沸混合物:状態の遷移中に温度がわずかに変化します(小さなグライド効果)が、システムのパフォーマンスと動作を損なうことはありません。

-ゼオトロープ:顕著な「グライド」効果があります。つまり、状態の通過は一定の圧力で発生しますが、一定の温度では発生しません。 共沸流体を使用する場合は、機械を設計する際にこの特殊性を考慮に入れる必要があります。 この混合物は、より揮発性の高い部分とより揮発性の低い部分によって形成され、漏れが発生した場合、軽い成分が簡単に漏れます。 このようにして、より重いコンポーネントのみが回路に残り、多くの場合、冷却特性が低下します。 したがって、障害が発生した場合は、最初にシステムを完全に空にし、失われたコンポーネントを補充して混合物を「再作成」し、最後にリークを修復した後、回路を補充する必要があります。

主なHFC冷媒:

-R134A

-R407C

-R410A

詳細については、次のリンクを参照してください。

冷媒ガス

冷媒ガスカード

冷媒温度圧力比

代表的なアプリケーション

流体のタイプ、R番号、交換する製品、組成、製造元を示す典型的な冷媒ガス用途。

フルバージョン「一般的な冷媒ガスの用途」を参照してください

ラミネートオルガン

純粋に熱力学的観点から、積層部材は、逆蒸気圧縮サイクルの2つの熱交換器間の圧力および温度を下げるのに役立つ。 実際には、その主な機能は、凝縮器から蒸発器への冷媒流体の流れを調整して、システムが保証しなければならない冷凍能力に常に釣り合うようにすることです。 異なる転動体間の分類は、それらの形状を異なる負荷条件(必要な冷却能力の変動)に適合させる能力に基づいています。

キャピラリーチューブ

これは、小型および非常に小型の冷凍機やエアコンで最も一般的なラミネーションオルガンです。 液体冷媒は、この非常に細いチューブを強制的に通過します。 キャピラリーを通過する際に失われるエネルギーにより、冷媒は高圧状態から非常に低圧状態になります。 これらの場合、公称条件とは異なる動作条件が自発的に確立され、効率が低下します。

サーモスタット膨張弁

サーモスタット膨張弁は、蒸発器への液体冷媒の噴射を制御し、圧縮機モーターを液体冷媒から保護します。 

サーモスタット膨張弁は、エネルギーを節約するために、冷凍システムの負荷が変動する状況で過熱度(または冷媒レベル)を一定に保つことを可能にします。

サーモスタットバルブとエバポレーターへの挿入

電子ラミネーションバルブ

サーモスタットバルブのように機能しますが、バルブに作成された圧力システムによって自己作動しない点が異なります。 それは真の電子操作電子制御システムです。

形状を荷重に適合させる転動体:

  • サーモスタット膨張弁
  • 電子膨張弁

形状を荷重に適合させない転動体:

  • 毛細管
  • 定圧バルブ

 

主な付属品

油分離器

コンプレッサーの下流に配置されています。オイルはセパレーターの下部に集まり、自動ドレンによってクランクケースに再導入されます。

液体分離器

液体部分を蒸気部分から分離することができます。 このようにして、あなたはあなたが蒸気の上からだけ釣りをしていることを確信することができます。

コンデンシングファン

凝縮器での熱の放散を増やすために、凝縮と呼ばれるファンが適用されます。 この配置により、単位時間内の空気が凝縮器をより多く通過できるようになり、装置の凝縮力が大幅に向上します。

フィルタードライヤー

回路から水分や小さな破片を取り除くために、脱水機と呼ばれるフィルターがラインに挿入されています。 それと一緒に、バルブ付き(キャピラリーなし)の回路の場合、液体通過インジケーターが追加されます(「スペキュラ」とも呼ばれます)

液体サイトグラス

液体通過インジケーター(「スペキュラ」とも呼ばれます)は、湿度インジケーター(サイトグラスに配置されたリングの色の変化)としても機能します。

サーモスタット

使用する装置の温度を設定するために、サーモスタットが使用されます。これは、温度によって制御されるスイッチにすぎません。

 

他のタイプのサーモスタット

古代(常緑)

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