Холодильний контур - основи

Холодильний контур - основи

Основні відомості про функціонування холодильного контуру, використовувані компоненти та задіяні частини

Ласкаво просимо до цього посібника, створеного Itieffe «Дослідження контрольованого холоду – посібник з основ холодильного контуру». У світі, де контроль температури необхідний для широкого спектру застосувань, цей посібник перенесе вас у захоплюючу подорож у серце холодильних контурів, розкриваючи секрети функціонування цих систем, які дозволяють нам генерувати та підтримувати холод.

Контури холодоагенту присутні в багатьох аспектах нашого повсякденного життя, від будинків до промислових підприємств, від супермаркетів до наукових лабораторій. Але що насправді відбувається всередині цих схем, які дозволяють нам охолоджувати та підтримувати речі при контрольованих температурах? У цьому посібнику ми досліджуємо фундаментальні основи контурів холодоагенту, демістифікуючи ключові концепції, які роблять їх можливими.

Завдяки чіткому та доступному підходу ми розповімо вам про термодинамічні принципи, які лежать в основі роботи холодильного контуру. Ви дізнаєтесь, як холодоагентна рідина, що піддається коливанням тиску та температури, може передавати тепло від одного середовища до іншого, дозволяючи досягати температур, нижчих, ніж у навколишньому середовищі. За допомогою схем, детальних пояснень і практичних прикладів ми розповімо вам про кроки, з яких складається цикл охолодження.

Холодильний контур - основи

Для цього посібника не потрібні глибокі знання термодинаміки чи техніки. Він призначений для тих, хто хоче мати базове розуміння того, як працюють холодильні контури та як вони використовуються в різних контекстах. Незалежно від того, чи ви студент, чи технік, чи вам просто цікаво дізнатися щось нове, ми сподіваємося, що цей посібник проллє світло на складний, але захоплюючий світ контурів холодоагенту.

Ми запрошуємо вас приєднатися до нас у цій подорожі через контрольований холод, де закони термодинаміки перетворюються на технології, які впливають на наш комфорт, наше здоров’я та виробництво необхідних товарів. Нехай цей посібник стане вашим компасом, коли ви досліджуєте механізми, які дозволяють нам керувати холодом і використовувати його на нашу користь.

ХОЛОДИЛЬНИЙ СХЕМ

Немає машин, які здатні виробляти холод, але є машини, які здатні відбирати тепло від рідин або тіл (повітря, води, металів тощо).

Загально ці машини називають «холодильниками».

Вони поділяються на категорії залежно від їх типу та використання і називаються побутовими холодильниками та морозильними камерами (температури +4-20 ° C), промисловими та лабораторними холодильниками (температури до -140 ° C), осушувачами повітря, кондиціонерами та охолоджувачами води будь -якого типу. розмір і потенціал.

Давайте проаналізуємо ці машини (у цьому випадку ми візьмемо до уваги невелике побутове холодильне обладнання, навіть якщо бази однакові для всіх категорій).

Холодильний контур - основи

ХОЛОДИЛЬНИК: СТАНДАРТНИЙ ЦИКЛ КОМПРЕССУВАННЯ ПАРОЮ

Відомо, що тепло передається з областей з більш високими температурами в області з нижчою температурою. Цей процес теплообміну відбувається спонтанно в природі, не вимагаючи втручання будь -якої машини. Зворотний процес, з іншого боку, тобто передача тепла з областей з нижчою температурою до областей з більш високою температурою, не відбувається спонтанно і вимагає використання спеціальних машин, які називаються холодильними машинами.

На малюнку 1 показана схема системи стандартного холодильного контуру стиснення парів.

Перетворення контуру охолодження

Перетворення, що здійснюються хладагентом всередині холодильної установки, можна простежити до ознак "циклу Карно", пояснення якого ми передаємо в інші місця:

1_2 – Насичена пара низького тиску всмоктується компресором і зазнає оборотного адіабатичного стиснення (ізоентропічне стиснення). Компресор стискає пару, підвищуючи її тиск і температуру і штовхаючи її в конденсатор.

2_3 – Тепло Q2, тепло конденсації, передається зовнішньому повітрю або іншим рідинам у процесі конденсації при постійному тиску, перетворюючи пару на рідину. Обмінник, який здійснює перетворення, називається конденсатором. З конденсатора виходить рідина у вигляді насиченої рідини.

3_4 – Існує прохід через розширювальний клапан (клапан ламінування), в якому рідина переходить від вищого тиску до нижчого, викликаючи явище розширення. Саме з цією зміною стану тепло відводиться від середовища або рідини. Рідина після розширювального клапана більше не стискається і повертається в пароподібний стан.

4_1 – Тепло Q1 (тепло, що виділяється з навколишнього середовища або залученої рідини) отримується системою охолодження при нижчій температурі в процесі випаровування при постійному тиску через теплообмінник, який називається випарником, таким чином цикл замикається, а холодоагент і готовий до виконання нового циклу охолодження.

 

ХОЛОДИЛЬНІ МАШИНИ КС

Для холодильних машин можна визначити показник ефективності: коефіцієнт продуктивності (КС_F):

КС_F = ефект прибутку / необхідні витрати = Q1 / Л_c

де корисним ефектом є теплота, що віднімається при низькій температурі для підтримки холодного середовища, тоді як необхідні витрати представлені роботою стиснення.

КС_F і обернено пропорційна експлуатаційним витратам установки: чим вища компресійна робота, тим нижчий коефіцієнт продуктивності.

ПОДОХЛАДЖЕННЯ І ПЕРЕГРІВ

У звичайній практиці в стандартних циклах стиснення парів перед охолодженням (ламінуванням) проводиться переохолодження рідини. Таким чином, ви обов’язково будете подавати ламінуючий елемент рідиною, а не парою (що призведе до поганої роботи пристрою). Перегрів робиться для того, щоб забезпечити компресор подачею пари і щоб уникнути того, що рідина містить сліди рідини. Насправді в цьому випадку може статися так, що компресор стискає деяку рідину, викликаючи її розрив. Тому бажано, щоб рідина була трохи перегріта на вході компресора. Ця операція завжди виконується в циклі охолодження незалежно від того, чи є збільшення або зниження КС; таким чином ви можете бути впевнені, що компресор (дуже дорогий орган) працює добре і протягом тривалого часу.

СХЕМАТИЗАЦІЯ ПОВЕДІНКИ

На малюнку показана діаграма загального холодильного контуру: можна побачити, як повітря, що контактує з випарником В, виділяє тепло Q1, що надходить із навколишнього середовища Е, тоді як інше зовнішнє повітря тепліше (але завжди при температурі нижче конденсації) ) він нагрівається, проходячи через конденсатор С, а потім направляється назовні (тепло Q2). Схема завершується елементом кочення D.

 

КОМПОНЕНТИ ХОЛОДИЛЬНОГО СХЕМИ

КОМПРЕССОР

Компресор є «серцем» холодильного контуру. Це рушійна сила холодильної системи, оскільки вона забезпечує роботу, необхідну для виконання термодинамічного циклу. Його функція полягає в тому, щоб довести випарену рідину холодоагенту від тиску випарника (низький тиск) до тиску конденсатора (високий тиск), що відповідає температурі конденсації, сумісній з температурою зовнішньої охолоджуючої рідини (повітря або вода).

Види холодильних компресорів

альтернатива	герметичний
	напівгерметичний
	відчинено
поворотний	гвинт
	одиночний гвинт
	подвійний гвинт
	спіраль (прокручування)
	палітра (розсувна лопатка)
	поворотний поршень

Існують різні типи компресорів, які можна класифікувати за типом стиснення та типом конструкції:

- динаміка, в якій стиснення досягається зміною умов течії рідини з перетворенням енергії

- об'ємний, у якому стиснення досягається механічним зменшенням об'єму рідини в капсулізмі зі змінною геометрією; вони поділяються на:

Поршневі об'ємні компресори

Поршневий компресор по суті складається з циліндра, всередині якого рухається поршень, із змінним рухом. Циліндр закритий у верхній частині пластиною, де виходять два отвори, обладнані клапанами. Вони дозволяють альтернативно підключати циліндр через всмоктуючий канал до випарника та через повітропровід до конденсатора. За допомогою шатуна та кривошипно -шатунного механізму поршень з'єднаний з колінчастим валом, який виконує функцію альтернативного перетворення обертового руху двигуна, до якого він підключений (зазвичай це електродвигун).

Схема системи поршневих клапанів циліндрів

Під час фази всмоктування поршень рухається вниз, відкриваються впускні клапани, забезпечуючи зв'язок камери циліндра з зоною низького тиску контуру. Після того, як корисний об’єм, досягнутий у нижній мертвій точці (PMI), поршень починає зменшувати об’єм камери циліндра та стискати рідину. Впускні клапани закриваються, тоді як клапани подачі відкриваються лише тоді, коли тиск всередині балона дорівнює значенню у верхній частині контуру. Коефіцієнт стиснення (і позначений символ ρ) - це відношення між тиском конденсації та тиском випаровування.

Поршневі компресори, у свою чергу, можна класифікувати відповідно до методу побудови у:

 

Роторні прокручувальні компресори

У компресорах Scroll, які також називають «орбітальною спіраллю», стиснення газу відбувається завдяки поєднаній дії двох евольвентних спіралей, з'єднаних разом. Перша спіраль залишається нерухомою, а друга виконує орбітальний рух (а не обертання), завдяки цій конфігурації між котушками створюються газові кишені, які рухаються всередину, зменшуючись і стискаючись. Отримане стиснення надзвичайно рівномірне, що дозволяє уникнути класичних «пульсацій», характерних для поршневих компресорів.

Подвійні ротаційні компресори

Найпоширеніші проблеми, пов’язані зі спіральними компресорами, стосуються правильного змащування на початку з ризиком заклинювання, наявності великої кількості масла в контурі з відносно частими циклами відновлення та, нарешті, втрати ефективності при часткових навантаженнях через обмеження потужності. на низьких частотах. Для вирішення цих проблем був розроблений новий компресор Twin Rotary, в якому дві лопаті.

Завдяки протифазному обертанню протилежні відцентрові сили, що діють на обертовий вал, гарантують більшу стабільність на низьких обертах. «Подвійний ротор» забезпечує більшу рівномірність обертання під час операцій стиснення та зменшення тертя порівняно з класичними роторними машинами. Лопаті повністю занурені в масло, що значно знижує шум, що створюється, і вібрацію, що передається на контур охолодження, завжди зберігаючи відмінне змащення. Через відсутність депресивної фази для відкликання мастила кількість масла, яке вводиться в холодильний контур, набагато менше, ніж у спірального компресора.

Зокрема:

1 = всмоктування

2 = стиснення

3 = злив

ЕЛЕКТРОЧАСТИНИ КОМПРЕССОРИ

Конформації електричних частин холодильних компресорів, адаптовані до кожної окремої потреби відповідно до різних типів схем підключення електроживлення, описані, перейшовши за посиланням нижче. Описуються різні електричні компоненти, необхідні для запуску та роботи компресора: це реле, термозахисні пристрої (клісон), електролітичні конденсатори тощо.

Див .: "Схеми електричних деталей компресора"

 

ТЕПЛООБМЕННИКИ

Теплообмінники (в даному випадку конденсатори та випарники) - це пристрої, які дозволяють здійснювати обмін теплом між двома рідинами при різних температурах. У теплообмінниках дві рідини не змішуються між собою: тепло обмінюється конвекцією в обох рідинах та провідником через розділове середовище між ними.

Конденсатор

Конденсатор у контурі холодоагенту виконує функцію розсіювання тепла, поглиненого холодоагентом, через рідину, якою може бути вода або повітря. Завдяки стисненню компресором рідина досягає конденсатора в умовах перегрітої пари, де вона охолоджується та конденсується, передаючи своє тепло охолоджувальній рідині, після чого залишає конденсатор у рідких умовах.

Холодоагент надходить у конденсатор у перегрітому стані. Після короткого періоду холодоагент досягає умов насичення, і звідси починається період, на який впливає зміна фази, яка зазвичай займає більшу частину теплообмінника. Навіть якщо під час зміни фази відбувається падіння температури через падіння тиску холодоагенту. Після повної конденсації рідкий холодоагент переохолоджується до виходу з конденсатора. Теплоносій, який поглинає тепло конденсації, як правило, є однофазним, тому його температура зростає по дорозі в теплообміннику. Класифікація конденсаторів зазвичай здійснюється на основі використовуваного теплоносія:

Випарник

Випарник виконує функцію видалення небажаного тепла з рідини, що підлягає обробці (повітря або вода), щоб передати її в контур. Холодоагент надходить у випарник з титром близько 10%, через падіння тиску під час зміни фази холодоагент знижує свою температуру, навіть якщо він поглинає тепло до тих пір, поки не досягне сухого стану насиченої пари. Холодоагент перегрівається, поки він не вийде з випарника, і знову всмоктується компресором. Існують вентильовані випарники, які підвищують свою ефективність за допомогою вентилятора та статичних випарників, які не вдаються до цього пристрою. Статичні випарники мають ряд переваг у холодильних камерах, що використовуються для харчових продуктів, оскільки вони видаляють меншу кількість вологи з навколишнього середовища, ніж вентильовані.

 

ТЕПЛОВА РІДИНА

Теплообмінна рідина, що виділяє тепло випаровування, зазвичай є однофазною (зазвичай повітря або вода), і тому її температура знижується по ходу всередині теплообмінника. У разі потрапляння повітря, яке іноді натискається вентилятором, воно торкається труб випарника, віддаючи тепло холодоагенту (прихована теплота випаровування), змушуючи його випаровуватися. Випаровуючись, холодоагент поглинає тепло з навколишнього середовища. Повітря охолоджується, а потім направляється назад у приміщення. Для полегшення випаровування холодоагенту використовуються мідні труби з високим коефіцієнтом теплопровідності. Мідні труби вставлені в ряд тонких плавників, які збільшують площу поверхні контакту з повітрям.

ХОЛОДИЖНИКИ

Холодоагенти — це засоби, за допомогою яких відбувається передача тепла в різних частинах холодильного контуру. Першим холодоагентом, який використовувався в парокомпресійних холодильних машинах, був етиловий ефір, обраний і застосований приблизно в середині минулого століття Перкінсом і Гаррісоном через його займистість і токсичність, а через низьку надійність систем ущільнення з часом його використання було припинено. . У другій половині 800 століття з'явилися інші холодоагенти, такі як вуглекислий газ, аміак і метилхлорид; використання цих холодоагентів, безсумнівно, сприяло розвитку парокомпресійних холодильних машин.

Однак проблема безпеки через токсичність і займистість майже всіх перерахованих холодоагентів залишалася до тих пір, поки в 30-х роках не були представлені синтетичні холодоагенти, такі як R11, R113, R21, R22 тощо. одержують з метану та етану повним або частковим заміщенням атомів водню на атоми хлору, фтору та іноді брому. Завдяки своїм чудовим теплофізичним характеристикам і вимогам до стабільності та безпеки хлорфторвуглеці (CFC) зарекомендували себе як переважаючі холодоагенти, які замінили раніше використовувані холодоагенти, серед яких практично лише аміак (R717) залишився для промислового застосування.

Але екологічна проблема з точки зору руйнування озону та глобального потепління через парниковий ефект частково скасувала роль так званих фреонів за останні п’ятдесят років; звідси випливає необхідність заміни фреонів на інші рідини, що спонукало світ техніки розглянути та вивчити різні можливості, але водночас поставило проблему "ретрофіту", тобто перетворення всіх існуючих систем та їх адаптація до нових холодоагентів.

Нові холодоагенти

Починаючи з кінця 70 -х років хімічна промисловість почала працювати над виявленням нових речовин, придатних для використання в холодильних системах, замінивши фреони, а пізніше також фреони, які створювали багато екологічних проблем, таких як зменшення стратосферного озону. Речовини, які були ідентифіковані та належать до класу фторуглеводнів ГФУ, були оцінені як з токсикологічної точки зору (Міжнародний консорціум PAFT), так і з екологічної точки зору (Міжнародний консорціум AFEAS). Нові холодоагенти характеризуються високою хімічною стабільністю, що робить їх придатними для використання практично у всіх робочих умовах, з якими можна зіткнутися в системах охолодження та кондиціонування повітря. Ці нові рідини є сумішами різних сполук, і залежно від їх поведінки вони визначаються:

- Азеотропи: це суміші, які не змінюють ні їх об'ємного складу, ні температури насичення під час випаровування (відсутність ефекту ковзання); тому відбуваються зміни стану a постійний тиск і температура.

- Майже азеотропи: вони мають незначні зміни температури під час переходу стану (ефект малого ковзання), що, однак, не погіршує продуктивність та роботу системи.

- Зеотропи: вони мають помітний ефект "ковзання", тобто проходження станів відбувається при постійному тиску, але не при постійній температурі. При проектуванні техніки цю особливість слід враховувати, якщо ви маєте намір використовувати зеотропну рідину. Ця суміш утворена більш летючою та менш летючою частиною, у разі протікання легший компонент легко просочиться. Таким чином, у ланцюзі залишиться лише більш важкий компонент, часто з поганими характеристиками охолодження. Тому, у разі несправності, систему слід спочатку спорожнити, а суміш “відтворити” шляхом поповнення втраченого компонента, і, нарешті, після усунення витоку, ланцюг необхідно наповнити.

Основні холодоагенти з ГФУ:

- R134A

- R407C

- R410A

Для отримання більш детальної інформації перейдіть за наступними посиланнями:

Холодильний газ

Картки на холодоагент

Коефіцієнт тиску температури холодоагенту

Типові застосування

Типові застосунки для холодоагенту із зазначенням типу рідини, номером R, який продукт він замінює, складом та виробником.

Див. Повну версію "Типові застосування холодоагенту"

ЛАМІНУЮЧИЙ ОРГАН

З чисто термодинамічної точки зору елемент ламінування служить для зниження тиску та температури між двома теплообмінниками циклу стиснення зворотного випару. На практиці його основна функція полягає в регулюванні потоку холодоагенту від конденсатора до випарника таким чином, щоб він завжди відповідав холодопродуктивності, яку система повинна гарантувати. Класифікація між різними елементами кочення базується на здатності адаптувати їх геометрію до різних умов навантаження (зміна необхідної охолоджуючої здатності).

Капілярна трубка

Це найпоширеніший орган ламінування в маленьких і дуже маленьких холодильних машинах та кондиціонерах. Рідкий холодоагент змушений проходити через цю надзвичайно вузьку трубку. Енергія, втрачена при проходженні через капіляр, переводить холодоагент із стану високого тиску в стан дуже низького тиску. у цих випадках умови роботи, що відрізняються від номінальних, спонтанно встановлюються зі зменшенням ККД.

Термостатичний розширювальний клапан

Термостатичні розширювальні клапани контролюють нагнітання рідкого холодоагенту у випарники та захищають двигун компресора від рідкого холодоагенту. 

Термостатичний розширювальний клапан дозволяє утримувати перегрів (або рівень холодоагенту) постійним у ситуаціях змінного навантаження в холодильній системі, з метою економії енергії.

Електронний клапан ламінування

Він діє як термостатичний клапан, за винятком того, що він не активується самостійно за допомогою системи тиску, створеної в клапані. Це справжня електронна система управління з електронним управлінням.

Елементи кочення, які пристосовують свою геометрію до навантаження:

• термостатичний розширювальний клапан
• електронний розширювальний клапан

Елементи кочення, які НЕ пристосовують свою геометрію до навантаження:

• капілярна трубка
• клапан постійного тиску

 

ОСНОВНІ АКСЕСУАРИ

 

Інші типи термостатів

Античність (вічнозелений)

• Охолодження

◄ Назад