Холодильный контур - основы

Холодильный контур - основы

Основная информация о работе холодильного контура, используемых компонентах и ​​задействованных деталях.

Добро пожаловать в это руководство, созданное Itieffe «Изучение управляемого холода — руководство по основам холодильного контура». В мире, где контроль температуры необходим для широкого спектра применений, это руководство отправит вас в увлекательное путешествие в самое сердце холодильных контуров, раскрывая секреты функционирования этих систем, которые позволяют нам генерировать и поддерживать холод.

Контуры хладагента присутствуют во многих аспектах нашей повседневной жизни: от домов до промышленных предприятий, от супермаркетов до научных лабораторий. Но что на самом деле происходит внутри этих цепей, которые позволяют нам охлаждать и поддерживать контролируемую температуру? В этом руководстве мы рассмотрим фундаментальные основы холодильных контуров, раскрывая тайны ключевых концепций, которые делают их возможными.

Используя ясный и доступный подход, мы познакомим вас с термодинамическими принципами, лежащими в основе работы холодильного контура. Вы узнаете, как хладагент, подверженный изменениям давления и температуры, может передавать тепло из одной среды в другую, позволяя достигать температур ниже, чем в окружающей среде. С помощью диаграмм, подробных пояснений и практических примеров мы познакомим вас с этапами, из которых состоит холодильный цикл.

Холодильный контур - основы

Это руководство не требует углубленных знаний в области термодинамики или инженерии. Он предназначен для тех, кто хочет иметь общее представление о том, как работают холодильные контуры и как они используются в различных контекстах. Являетесь ли вы студентом, техническим специалистом или просто хотите узнать что-то новое, мы надеемся, что это руководство прольет свет на сложный, но увлекательный мир холодильных контуров.

Мы приглашаем вас присоединиться к нам в этом путешествии по контролируемому холоду, где законы термодинамики воплощаются в технологии, которые влияют на наш комфорт, наше здоровье и производство товаров первой необходимости. Пусть это руководство станет вашим компасом, когда вы будете исследовать механизмы, позволяющие нам справиться с холодом и использовать его в своих интересах.

КОНТУР ХЛАДАГЕНТА

Нет машин, способных производить холод, но есть машины, способные отводить тепло от жидкостей или тел (воздух, вода, металлы и т. д.).

Эти машины обычно называются «холодильники».

Они делятся на категории в зависимости от их типа и использования и называются бытовыми холодильниками и морозильниками (температура +4-20 ° C), промышленными и лабораторными холодильниками (температура до -140 ° C), осушителями, кондиционерами и охладителями воды любого вида. размер и потенциал.

Давайте проанализируем эти машины (в данном случае мы примем во внимание малое бытовое охлаждение, даже если основы одинаковы для всех категорий).

Холодильный контур - основы

ХОЛОДИЛЬНИК: СТАНДАРТНЫЙ ЦИКЛ СЖАТИЯ ПАРА

Известно, что тепло передается из областей с более высокой температурой в области с более низкой температурой. Этот процесс теплопередачи происходит самопроизвольно, не требуя вмешательства какой-либо машины. С другой стороны, обратный процесс, то есть передача тепла от участков с более низкой температурой к участкам с более высокой температурой, не происходит спонтанно и требует использования специальных машин, называемых холодильными машинами.

На рисунке 1 показана системная схема стандартного парокомпрессионного холодильного контура.

Преобразования контура охлаждения

Преобразования, выполняемые хладагентом внутри холодильной установки, можно проследить до указаний «цикла Карно», объяснение которого мы отсылаем к другим местам:

1_2 – Насыщенный пар низкого давления всасывается компрессором и подвергается обратимому адиабатическому сжатию (изоэнтропическому сжатию). Компрессор сжимает пар, повышая его давление и температуру и выталкивая его в конденсатор.

2_3 – Тепло Q2, теплота конденсации, передается внешнему воздуху или другим жидкостям в процессе конденсации при постоянном давлении, превращая пар в жидкость. Обменник, осуществляющий преобразование, называется конденсатором. Жидкость выходит из конденсатора в виде насыщенной жидкости.

3_4 – Имеется проход через расширительный клапан (ламинирующий клапан), при котором жидкость переходит от более высокого давления к более низкому давлению, вызывая явление расширения. Именно при таком изменении состояния происходит отвод тепла от окружающей среды или жидкости. Жидкость после расширительного клапана больше не сжимается и возвращается в парообразное состояние.

4_1 – Тепло Q1 (тепло, отводимое от окружающей среды или задействованной жидкости) поступает в холодильную систему при более низкой температуре в процессе испарения при постоянном давлении через теплообменник, называемый испарителем. Таким образом, цикл замыкается, а хладагент и готов выполнить новый цикл охлаждения.

 

ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ COP

Для холодильных машин можно определить показатель эффективности: коэффициент производительности. (КС_F):

COP_F = эффект прибыли / необходимые расходы = Q1 / L_c

где полезный эффект - это тепло, отнимаемое при низкой температуре для поддержания холодной окружающей среды, в то время как необходимые затраты представлены работой сжатия.

КС_F и обратно пропорционально эксплуатационным расходам установки: чем выше работа сжатия, тем ниже коэффициент полезного действия.

ПЕРЕОХЛАЖДЕНИЕ И ПЕРЕГРЕВ

Обычно в стандартных циклах сжатия пара перед расширением (ламинированием) выполняется переохлаждение жидкости. Таким образом, в ламинирующий элемент обязательно подается жидкость, а не пар (что может привести к плохой работе устройства). Перегрев делается для того, чтобы в компрессор подавался пар и чтобы жидкость не содержала следов жидкости. Фактически, в этом случае может случиться так, что компрессор сжимает некоторую жидкость, что приводит к ее поломке. Поэтому предпочтительно, чтобы жидкость на входе в компрессор была немного перегретой. Эта операция всегда выполняется в холодильном цикле независимо от того, происходит увеличение или уменьшение COP; Таким образом можно быть уверенным, что компрессор (очень дорогой орган) работает хорошо и долго.

СХЕМАТИЗАЦИЯ ПОВЕДЕНИЯ

На рисунке показана схема типового холодильного контура: можно увидеть, как воздух, контактирующий с испарителем B, выделяет тепло Q1, поступающее из окружающей среды E, в то время как другой внешний воздух более теплый (но всегда с более низкой температурой, чем температура конденсации. ) он нагревается, проходя через конденсатор C, а затем выводится наружу (тепло Q2). Контур замыкается телом качения D.

 

КОМПОНЕНТЫ КОНТУРА ХЛАДАГЕНТА

КОМПРЕССОР

Компрессор - это «сердце» холодильного контура. Это движущая сила холодильной системы, поскольку она обеспечивает работу, необходимую для выполнения термодинамического цикла. Его функция состоит в том, чтобы довести испаренный хладагент от давления испарителя (низкое давление) до давления конденсатора (высокое давление), которое соответствует температуре конденсации, совместимой с температурой внешней охлаждающей жидкости (воздуха или воды).

Типы холодильных компрессоров

альтернатива	герметичный
	полугерметичный
	открытым
вращающийся	винт
	одиночный винт
	двойной винт
	спираль (свиток)
	палитра (шиберная)
	поворотный поршень

Существуют различные типы компрессоров, которые можно классифицировать по типу сжатия и типу конструкции:

- динамика, в которой сжатие достигается за счет изменения условий течения жидкости с преобразованием энергии

- объемный, в котором сжатие достигается за счет механического уменьшения объема, предлагаемого жидкости в капсуле с изменяемой геометрией; они делятся на:

Поршневые объемные компрессоры

Поршневой компрессор по существу состоит из цилиндра, внутри которого движется поршень с возвратно-поступательным движением. Цилиндр закрыт в верхней части пластиной, на которой получены два отверстия с клапанами. Они позволяют альтернативно подсоединять баллон через всасывающий канал к испарителю и через нагнетательный канал к конденсатору. С помощью шатуна и кривошипно-шатунного механизма поршень соединяется с коленчатым валом, который выполняет функцию альтернативного преобразования вращательного движения двигателя, с которым он соединен (обычно электродвигателя).

Схема системы поршневых клапанов цилиндра

Во время фазы впуска поршень движется вниз, впускные клапаны открываются, сообщая камеру цилиндра с областью низкого давления контура. По достижении полезного объема, который возникает в нижней мертвой точке (PMI), поршень начинает уменьшать объем камеры цилиндра и сжимать жидкость. Впускные клапаны закрываются, а нагнетательные клапаны открываются только тогда, когда давление внутри цилиндра равно давлению в верхней части контура. Степень сжатия (и обозначен символ ρ) - это соотношение между давлением конденсации и давлением испарения.

Поршневые компрессоры, в свою очередь, можно классифицировать по способу изготовления на:

 

Ротационные спиральные компрессоры

В спиральных компрессорах, также называемых «вращающейся спиралью», сжатие газа происходит благодаря комбинированному действию двух эвольвентных спиралей, соединенных вместе. Первая спираль остается неподвижной, а вторая совершает орбитальное движение (не вращение), благодаря этой конфигурации между витками образуются газовые карманы, которые движутся внутрь, сжимаясь и сжимаясь. Получаемое сжатие чрезвычайно равномерное, что позволяет избежать классических «пульсаций», характерных для поршневых компрессоров.

Двойные роторные компрессоры

Наиболее распространенные проблемы, связанные с ротационными спиральными компрессорами, связаны с неправильной смазкой при запуске с риском заклинивания, наличием большого количества масла в контуре с относительно частыми циклами восстановления и, наконец, потерей эффективности при частичных нагрузках из-за ограничения производительности. на низких частотах. Для решения этих проблем был разработан новый компрессор Twin Rotary, в котором имеются две лопатки.

Благодаря противофазному вращению противодействующие центробежные силы, воздействующие на вал вращения, гарантируют большую стабильность на низких оборотах. «Двойной ротор» обеспечивает большую равномерность вращения во время операций сжатия и снижение трения по сравнению с классическими ротационными машинами. Лопасти полностью погружены в масло, что значительно снижает производимый шум и вибрации, передаваемые в холодильный контур, всегда сохраняя отличную смазку. Не имея депрессивной фазы для отзыва смазки, количество масла, которое вводится в холодильный контур, намного меньше, чем в спиральном компрессоре.

В частности:

1 = всасывание

2 = сжатие

3 = слив

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЧАСТИ КОМПРЕССОРЫ

Соответствие электрических частей холодильных компрессоров, адаптированных к каждой индивидуальной потребности в соответствии с различными типами схем подключения источников электропитания, описано по ссылке ниже. Описываются различные электрические компоненты, необходимые для запуска и работы компрессора, а именно: реле, термозащитные устройства (clicson), электролитические конденсаторы и т. Д.

См .: «Схемы электрических частей компрессора»

 

ТЕПЛООБМЕННИКИ

Теплообменники (в данном случае конденсаторы и испарители) - это устройства, которые обеспечивают обмен теплом между двумя жидкостями при разных температурах. В теплообменниках две жидкости не смешиваются друг с другом: тепло передается за счет конвекции в обеих жидкостях и за счет теплопроводности через разделяющую среду между ними.

Конденсатор

Конденсатор в контуре хладагента выполняет функцию рассеивания тепла, поглощенного хладагентом, через жидкость, которой может быть вода или воздух. Благодаря сжатию, создаваемому компрессором, жидкость достигает конденсатора в условиях перегретого пара, где охлаждается и конденсируется, передавая свое тепло охлаждающей жидкости, после чего покидает конденсатор в жидком состоянии.

Хладагент поступает в конденсатор в перегретом состоянии. После короткого растяжения хладагент достигает состояния насыщения, и отсюда начинается участок, на который влияет фазовый переход, который обычно занимает большую часть теплообменника. Даже если при смене фаз происходит падение температуры из-за падения давления хладагента. После полной конденсации жидкий хладагент переохлаждается до тех пор, пока не выйдет из конденсатора. Жидкий теплоноситель, поглощающий тепло конденсации, обычно является однофазным, поэтому его температура повышается по мере продвижения внутри теплообменника. Классификация конденсаторов обычно осуществляется на основе используемого теплоносителя:

Испаритель

Испаритель выполняет функцию отвода нежелательного тепла от обрабатываемой жидкости (воздуха или воды) для передачи его в контур. Хладагент входит в испаритель с титром около 10%, из-за падения давления во время фазового перехода хладагент снижает свою температуру, даже если он поглощает тепло, пока не достигнет состояния сухого насыщенного пара. Хладагент перегревается до выхода из испарителя и снова всасывается компрессором. Есть вентилируемые испарители, которые повышают свою эффективность с помощью вентилятора, и статические испарители, которые не прибегают к этому устройству. Статические испарители обладают рядом преимуществ для холодильных камер, используемых для пищевых продуктов, поскольку они удаляют меньше влаги из окружающей среды, чем вентилируемые.

 

ТЕРМИЧЕСКАЯ ЖИДКОСТЬ

Жидкий теплоноситель, который выделяет тепло испарения, обычно однофазный (обычно воздух или вода), и поэтому его температура снижается по мере продвижения внутри теплообменника. В случае воздуха, иногда выталкиваемого вентилятором, он касается труб испарителя, отдавая тепло хладагенту (скрытая теплота испарения), заставляя его испаряться. Когда хладагент испаряется, он поглощает тепло из окружающей среды. Воздух охлаждается, а затем отправляется обратно в комнату. Для облегчения испарения хладагента используются медные трубы с высоким коэффициентом теплопроводности. Медные трубы вставлены в серию тонких ребер, которые увеличивают площадь контакта с воздухом.

ХЛАДАГЕНТЫ

Жидкие хладагенты являются средством, с помощью которого происходит теплопередача в различных частях холодильного контура. Первым хладагентом, использованным в парокомпрессионных холодильных машинах, был этиловый эфир, выбранный и использованный примерно в середине прошлого века Перкинсом и Харрисоном из-за его воспламеняемости и токсичности, а также из-за недостаточной надежности систем уплотнений, со временем от его использования отказались. . Во второй половине 800 века были введены другие хладагенты, такие как двуокись углерода, аммиак и хлористый метил; использование этих хладагентов, несомненно, способствовало развитию парокомпрессионных холодильных машин.

Однако проблема безопасности из-за токсичности и воспламеняемости почти всех перечисленных хладагентов сохранялась до тех пор, пока в 30-х годах не были внедрены синтетические хладагенты, такие как R11, R113, R21, R22 и т. д. получают из метана и этана путем полной или частичной замены атомов водорода на атомы хлора, фтора и иногда брома. Благодаря своим превосходным теплофизическим характеристикам, а также требованиям к стабильности и безопасности, хлорфторуглероды (ХФУ) зарекомендовали себя как преобладающие хладагенты для замены ранее использовавшихся, среди которых практически остался только аммиак (R717) для промышленного применения.

Но экологическая проблема, с точки зрения разрушения озона и глобального потепления из-за парникового эффекта, частично лишила легитимности роль так называемых ХФУ за последние пятьдесят лет; отсюда необходимость замены CFC другими жидкостями, что побудило технический мир предусмотреть и изучить различные возможности, но в то же время поставило проблему «ретро-подгонки», то есть преобразования всех существующих систем и их адаптация к новым хладагентам.

Новые хладагенты

Начиная с конца 70-х годов, химическая промышленность начала работать над поиском новых веществ, подходящих для использования в холодильных системах, заменяя ХФУ, а позже и ГХФУ, которые создавали множество экологических проблем, таких как уменьшение содержания стратосферного озона. Идентифицированные вещества, относящиеся к классу гидрофторуглеродов HFC, были оценены как с токсикологической точки зрения (Международный консорциум PAFT), так и с точки зрения окружающей среды (Международный консорциум AFEAS). Новые хладагенты характеризуются высокой химической стабильностью, что делает их пригодными для использования практически во всех рабочих условиях, которые могут встречаться в системах охлаждения и кондиционирования воздуха. Эти новые жидкости представляют собой смеси различных соединений, и в зависимости от их поведения они определяются:

- Азеотропы: это смеси, не меняющие ни объемный состав, ни температуру насыщение при испарении (отсутствие эффекта скольжения); следовательно, изменения состояния происходят постоянное давление и температура.

- Почти азеотропы: они представляют собой небольшое изменение температуры во время перехода из одного состояния в другое (небольшой эффект скольжения), что, однако, не влияет на производительность и работу системы.

- Зеотропы: они обладают заметным эффектом «скольжения», то есть переход состояний происходит при постоянном давлении, но не при постоянных температурах. При проектировании оборудования необходимо учитывать эту особенность, если вы собираетесь использовать зеотропную жидкость. Эта смесь состоит из более летучей и менее летучей части, поэтому в случае утечки более легкий компонент легко вытечет. Таким образом, в контуре останется только более тяжелый компонент, часто с плохими характеристиками охлаждения. Следовательно, в случае неисправности сначала необходимо полностью опорожнить систему и «воссоздать» смесь путем пополнения утерянного компонента, и, наконец, после устранения утечки необходимо повторно заполнить контур.

Основные хладагенты HFC:

- R134A

- R407C

- R410A

Для получения дополнительной информации перейдите по следующим ссылкам:

Хладагентный газ

Карты газа хладагента

Коэффициент давления температуры хладагента

Типичные приложения

Типичные области применения хладагента с указанием типа жидкости, числа R, продукта, который она заменяет, состава и производителя.

См. Полную версию «Типовые области применения хладагента».

ЛАМИНИРУЮЩИЙ ОРГАН

С чисто термодинамической точки зрения ламинирующий элемент служит для понижения давления и температуры между двумя теплообменниками цикла обратного сжатия пара. На практике его основная функция заключается в регулировании потока хладагента из конденсатора в испаритель так, чтобы он всегда был соизмерим с холодопроизводительностью, которую должна гарантировать система. Классификация различных тел качения основана на способности адаптировать их геометрию к различным условиям нагрузки (изменение требуемой холодопроизводительности).

Капиллярная трубка

Это самый распространенный ламинатор в небольших и очень маленьких холодильных машинах и кондиционерах. Жидкий хладагент проходит через эту чрезвычайно узкую трубку. Энергия, теряемая при прохождении через капилляр, переводит хладагент из состояния высокого давления в состояние очень низкого давления. в этих случаях условия эксплуатации, отличные от номинальных, устанавливаются самопроизвольно с уменьшением КПД.

Термостатический расширительный клапан

Термостатические расширительные клапаны регулируют впрыск жидкого хладагента в испарители и защищают двигатель компрессора от жидкого хладагента. 

Термостатический расширительный клапан позволяет поддерживать постоянный перегрев (или уровень хладагента) в ситуациях переменной нагрузки в холодильной системе с целью экономии энергии.

Электронный клапан ламинирования

Он действует как термостатический клапан, за исключением того, что он не активируется автоматически с помощью системы давления, создаваемой в клапане. Это настоящая электронная система управления с электронным управлением.

Элементы качения, адаптирующие свою геометрию к нагрузке:

• термостатический расширительный клапан
• электронный расширительный клапан

Элементы качения, НЕ адаптирующие свою геометрию к нагрузке:

• капиллярная трубка
• клапан постоянного давления

 

ОСНОВНЫЕ ПРИНАДЛЕЖНОСТИ

 

Другие типы термостата

Античность (вечнозеленый)

• Охлаждение

◄ Назад