制冷电路 - 基础知识

制冷电路 - 基础知识

有关制冷回路的运行、所用部件和所涉及零件的基本信息

欢迎阅读 Itieffe 创建的本指南“探索受控冷 - 制冷回路基础知识指南”。 在温度控制对于各种应用至关重要的世界中,本指南将带您踏上制冷回路核心的迷人旅程,揭示这些系统运作背后的秘密,这些系统使我们能够产生和维持低温。

制冷剂回路存在于我们日常生活的许多方面,从家庭到工厂,从超市到科学实验室。 但这些电路内部到底发生了什么,让我们能够冷却物体并将其保持在受控温度? 在本指南中,我们将探讨制冷剂回路的基本原理,揭开使之成为可能的关键概念的神秘面纱。

通过清晰易懂的方法,我们将指导您了解制冷回路运行的热力学原理。 您将了解制冷剂流体如何在压力和温度变化的情况下将热量从一种环境传递到另一种环境,从而使温度低于周围环境。 通过图表、详细解释和实际示例,我们将带您完成制冷循环的各个步骤。

制冷电路 - 基础知识

本指南不需要先进的热力学或工程学知识。 它面向那些希望对制冷回路如何工作以及如何在各种情况下使用有基本了解的人。 无论您是学生、技术人员,还是只是想学习新知识,我们希望本指南能够阐明复杂但迷人的制冷剂回路世界。

我们邀请您加入我们的受控寒冷之旅,其中热力学定律转化为影响我们的舒适度、健康和必需品生产的技术。 当您探索让我们掌握寒冷并利用它为我们带来优势的机制时,愿本指南成为您的指南针。

制冷剂回路

没有机器能够产生冷量,但有些机器能够从流体或物体(空气、水、金属等)中带走热量。

这些机器通常被称为:“冰箱”。

它们根据其类型和用途分为几类,被称为家用冰箱和冰柜(温度 +4 -20°C)、工业和实验室冰箱(温度高达 -140°C)、除湿机、空调和任何类型的冷水机。规模和潜力。

让我们来分析这些机器(在这种情况下,即使所有类别的基础都相同,我们也会考虑小型家用制冷)。

电路连接示意图

制冷电路 - 基础知识

冰箱:标准蒸汽压缩循环

众所周知,热量会从较高温度区域传递到较低温度区域。 这种传热过程在本质上是自发发生的,不需要任何机器的干预。 另一方面,相反的过程,即将热量从温度较低的区域传递到温度较高的区域,不会自发发生,需要使用称为制冷机的特殊机器。

图 1 显示了标准蒸汽压缩制冷回路的系统图。

A = 蒸发器

B = 电容器

C = 压缩机

D = 膨胀阀或毛细管(层压机构)

Q2 = 释放到外部空气(或其他流体)的冷凝热

Q1 = 从环境(或从流体 感兴趣的)

Lc = 压缩功(必要的费用)。

冷却回路改造

制冷机组内的制冷剂流体所进行的转变可以追溯到“卡诺循环”的迹象,我们将其解释参见其他地方:

1_2——低压饱和蒸汽被压缩机吸入,进行可逆绝热压缩(等熵压缩)。压缩机压缩蒸汽,增加其压力和温度,并将其推入冷凝器。

2_3 – 热量 Q2,冷凝热,在恒压冷凝过程中传递到外部空气或其他流体,将蒸汽转化为液体。进行这种变换的交换器称为冷凝器。流体以饱和液体的形式从冷凝器中出来。

3_4 – 膨胀阀(叠片阀)有通道,流体从高压流向低压,产生膨胀现象。正是通过这种状态的变化,热量从环境或流体中被带走。经过膨胀阀后的液体不再被压缩并返回到蒸气状态。

4_1 – 热量 Q1(从环境或涉及的流体中除去的热量)通过称为蒸发器的热交换器在恒压蒸发过程中以较低温度被制冷系统接收,这样循环关闭,制冷剂和准备好执行新的制冷循环。

让我们尝试了解制冷回路的功能

人们可以想象制冷回路的工作原理,就像在罗马的 Grande Raccordo Anulare 等封闭回路中运行的大型卡车一样。

出发时,卡车(图 2)装载了从 GRA 的 Aurelia 出口(在我们的例子中可能是一个装有空调的房间)中吸收的热量。 卡车沿着 GRA 向南行驶,以在 Casilina 出口(在我们的例子中是外部环境)排出热量。 此时,卡车沿着 GRA 的路段向相反方向行驶,返回 Aurelia 出口并装载更多热量。

Aurelia 输出称为蒸发器,而 Casilina 输出称为冷凝器。

 

COP 制冷机

对于制冷机,可以定义一个效率指标:性能系数 (警察F):

缔约方会议F = 利润效应 / 必要费用 = Q1 / L.c

其中有用的效果是在低温下减去的热量以保持寒冷的环境,而必要的费用由压缩功表示。

缔约方会议F 并且与工厂的运行成本成反比:压缩功越高,性能系数越低。

过冷和过热

通常,在标准蒸汽压缩循环中,在进行膨胀(层压)之前对液体进行过冷。 通过这种方式,确保向层压部件提供液体而不是蒸汽(这会使设备无法正常工作)。 进行过热是为了确保向压缩机输送蒸汽并避免流体中含有微量液体。 事实上,在这种情况下可能会发生压缩机压缩一些液体导致其破裂的情况。 因此优选的是,流体在压缩机入口处略微过热。 无论COP有无增减,该操作始终在制冷循环中进行; 通过这种方式,您可以确保压缩器(非常昂贵的风琴)长时间运行良好。

行为示意图

该图显示了一个通用制冷回路的示意图:可以看到与蒸发器 B 接触的空气如何释放来自环境 E 的热量 Q1,而其他外部空气温度更高(但温度始终低于冷凝温度) ) 它通过冷凝器 C 加热,然后被送到外面(热量 Q2)。 电路由滚动体 D 完成。

 

制冷剂回路的组件

压缩机

压缩机是制冷回路的“心脏”。 它是制冷系统的驱动力,因为它提供了进行热力循环所需的功。 它的功能是将蒸发的制冷剂流体从蒸发器压力(低压)带到冷凝器压力(高压),冷凝器压力对应于与外部冷却流体(空气或水)相容的冷凝温度。

制冷压缩机的种类

替代

密闭

半密封的

开放

旋转式

拧紧

单螺杆

双螺杆

螺旋(滚动)

调色板(滑动叶片)

摆动活塞

有不同类型的压缩机,可根据压缩类型和结构类型进行分类:

- 通过能量转换改变流体的流动条件来获得压缩的动力学

- 体积,其中压缩是通过机械减少提供给流体的体积在具有可变几何形状的胶囊中获得的; 它们分为:

往复式容积式压缩机

往复式压缩机主要由气缸构成,活塞在气缸内往复运动。 气缸在上部由一块板封闭,在那里获得两个装有阀门的开口。 它们允许气缸通过吸入管连接到蒸发器,并通过输送管连接到冷凝器。 通过连杆和曲柄机构,活塞连接到曲轴上,曲轴的作用是以另一种方式改变与之相连的发动机(通常是电动机)的旋转运动。

气缸活塞阀系统图

TDC = 上止点

PMI = 下死点

1 = 吸入阀

2 = 输送阀

3 = 活塞

4 = 连杆

在进气阶段,活塞向下移动,进气门打开,使气缸室与回路的低压区连通。 一旦达到有用容积,即发生在下死点 (PMI) 处的容积,活塞就开始减少气缸腔的容积并压缩流体。 进气门关闭,而输送门仅在气缸内的压力等于回路上部的压力时打开。 压缩比(用符号 ρ 表示)是冷凝压力与蒸发压力的比值。

往复式压缩机又可以根据构造方法分为:

密闭:实际的压缩机(活塞、气缸、阀门等)和电动机被封装在一个焊接的外壳中; 外壳仅由进排气管道和电源电缆穿过。 它不需要任何维护,如果单个组件损坏,则需要更换整个压缩机。 这些压缩机用于小型商用制冷、家用冰箱和冰柜、除湿机、小型空调和冷水机(冷水机)。

半密封:对于封闭式压缩机和电动机,它们被封闭在一个外壳中,但可以打开进行维护操作。 在较大的装置中,润滑是通过键装在轴上的泵进行的。 这些压缩机用于中等容量的商用制冷、空调和中型冷水机组。

阿佩蒂:压缩机和发动机是两个完全不同的实体(也可以找到内燃机而不是电动发动机)。 传动轴从压缩机单元出来,电机可以通过皮带轮、皮带或其他方式连接到该传动轴上。 可以对电机和压缩机组进行全面检查。 这些压缩机用于中型和大型冷却能力。

 

旋转涡旋压缩机

在涡旋压缩机中,也称为“轨道螺旋”,由于两个渐开线螺旋耦合在一起的共同作用而发生气体压缩。 第一个螺旋保持固定,而第二个螺旋进行轨道运动(不是旋转),由于这种配置,在向内移动、收缩和压缩的线圈之间形成了气穴。 获得的压缩非常均匀,从而避免了往复式压缩机的经典“脉动”特性。

吸 - 气体被吸入两个大的直径相对的外部口袋。

压缩 - 气穴首先逐渐关闭,然后向螺旋中心滑动,从而减小体积并压缩气体。

我卸载—— 当袋子到达螺旋中心时,气体已达到输送压力,并通过固定螺旋中获得的中心口排放到外部。

双旋转压缩机

与旋转涡旋压缩机相关的最常见问题涉及启动时的正确润滑(存在卡死风险)、回路中存在大量油且恢复周期相对频繁,以及最终由于容量限制而导致部分负载时的效率损失。在低频时。 为了解决这些问题,设计了一种新型双旋转压缩机,其中有两个叶片。

由于它们的反相旋转,作用在旋转轴上的相反离心力保证了低转速下更高的稳定性。 与传统旋转机器相比,“双转子”可在压缩操作过程中实现更高的旋转均匀性并减少摩擦。 叶片完全浸没在油中,显着降低了产生的噪音和传递到制冷回路的振动,始终保持良好的润滑。 由于没有回收润滑剂的抑制阶段,引入制冷回路的油量比涡旋压缩机低得多。

尤其是:

1 = 吸力

2 = 压缩

3 = 排水

电气部件压缩机

通过访问下面的链接,可以根据电源的各种类型的连接图来描述适应各种需求的制冷压缩机的电气部件的构造。 描述了启动和运行压缩机所需的各种电气元件,主要有:继电器、热保护器(clicson)、电解电容器等。

参见:“压缩机电气零件图”

 

换热器

热交换器(在这种情况下是冷凝器和蒸发器)是允许在不同温度的两种流体之间进行热交换的设备。 在热交换器中,两种流体不会相互混合:通过两种流体中的对流和通过它们之间的分离介质传导来交换热量。

冷凝器

制冷剂回路中的冷凝器的功能是通过流体(可以是水或空气)散发制冷剂吸收的热量。 由于压缩机的压缩,流体在过热蒸汽条件下到达冷凝器,在那里冷却和冷凝,将热量传递给冷却流体,然后以液体条件离开冷凝器。

制冷剂在过热状态下进入冷凝器。 经过短暂的延伸后,制冷剂达到饱和状态,从这里开始受相变影响的延伸,通常占据交换器的很大一部分。 即使在相变中,由于制冷剂所承受的压力下降,温度也会下降。 一旦完全冷凝,液态制冷剂就会过冷,直到离开冷凝器。 吸收冷凝热的传热流体通常是单相的,因此其温度在交换器内部沿途升高。 冷凝器的分类通常根据所使用的传热流体进行:

风冷

水冷

蒸发器

蒸发器执行从要处理的流体(空气或水)中减去不需要的热量以将其传递到回路的功能。 制冷剂以约 10% 的滴度进入蒸发器,由于相变期间的压降,制冷剂即使吸收热量也会降低其温度,直到达到干燥的饱和蒸汽条件。 制冷剂在离开蒸发器之前处于过热状态,然后被压缩机再次吸入。 有通风蒸发器通过风扇提高效率,而静态蒸发器则不使用该设备。 静态蒸发器在用于食品的冷藏室中具有多项优势,因为与通风式蒸发器相比,它们从环境中去除的湿气更少。

冷藏柜蒸发器

分体式蒸发器(独立空调)

 

热流体

释放蒸发热的传热流体通常是单相的(通常是空气或水),因此它的温度会在交换器内沿途下降。 在空气的情况下,有时被风扇推动,它接触蒸发器管道,为制冷剂提供热量(蒸发潜热),使其蒸发。 当制冷剂蒸发时,它会从周围吸收热量。 空气被冷却,然后被送回房间。 为了促进制冷剂的蒸发,使用了导热系数高的铜管。 铜管插入一系列薄翅片中,增加了与空气接触面积的表面积。

制冷剂

制冷剂流体是在制冷回路的各个部分中进行热传递的手段。 第一种用于蒸汽压缩制冷机的制冷剂是乙醚,大约在上世纪中叶,Perkins 和 Harrison 选择并使用了乙醚,因为它具有易燃性和毒性,而且随着时间的推移,密封系统的可靠性越来越低,因此被放弃了。 。 800世纪下半叶,引入了其他制冷剂,如二氧化碳、氨和氯甲烷; 这些制冷剂的使用无疑促进了蒸汽压缩制冷机的发展。

然而,由于几乎所有列出的制冷剂都具有毒性和易燃性,安全问题一直持续到 30 世纪 11 年代引入 R113、R21、R22、R717 等合成制冷剂为止。 由甲烷和乙烷通过用氯、氟和有时是溴的氢原子全部或部分取代而获得。 由于其优异的热物理特性以及稳定性和安全性要求,氯氟烃 (CFC) 已成为取代以前使用的主要制冷剂,其中实际上只有氨 (RXNUMX) 仍用于工业应用。

但是环境问题,就臭氧破坏和温室效应造成的全球变暖而言,在过去的五十年中,部分地使所谓的 CFC 所发挥的作用失去了合法性; 因此需要用其他流体代替 CFCs,这促使技术界设想和研究各种可能性,但同时也提出了“Retrofit”的问题,即所有现有系统及其适应新的制冷剂。

新制冷剂

从 70 年代后期开始,化学工业开始致力于确定适用于制冷系统的新物质,以取代 CFC 以及后来造成许多环境问题(如平流层臭氧减少)的 HCFC。 已确定的物质属于 HFC 氢氟烃类,已从毒理学角度(国际 PAFT 联盟)和环境角度(AFEAS 国际联盟)进行了评估。 新型制冷剂的特点是化学稳定性高,这使得它们几乎适用于制冷和空调系统中可能遇到的所有运行条件。 这些新流体是各种化合物的混合物,根据它们的行为,它们被定义为:

- 共沸物:它们是不改变其体积组成或温度的混合物 蒸发过程中的饱和度(没有滑动效应); 因此,状态的变化发生在 恒定的压力和温度。

- 几乎共沸物:它们在状态转换期间呈现轻微的温度变化(小滑移效应),但不会影响系统的性能和操作。

- 共沸物:它们具有明显的“滑动”效应,即状态的传递发生在恒定压力下而不是恒定温度下。 在设计机械时,如果您打算使用共沸流体,则必须考虑这种特殊性。 这种混合物由更易挥发和更不易挥发的部分组成,万一发生泄漏,较轻的组分将很容易泄漏。 这样,只有较重的组件会留在电路中,通常冷却特性很差。 因此,在发生故障时,系统必须首先完全排空,并通过补充丢失的组件来“重建”混合物,最后在修复泄漏后重新填充电路。

主要的HFC制冷剂:

- R134A

- R407C

- R410A

欲知更多详情,请参阅以下连结:

制冷剂气体

制冷剂卡

制冷剂温度压力比

应用程序

典型的制冷剂气体应用中会标明流体的类型,R编号,它要替代的产品,成分和制造商。

查看完整版“典型的制冷剂气体应用”

层压器官

从纯热力学观点来看,层压构件用于降低反向蒸汽压缩循环的两个热交换器之间的压力和温度。 在实践中,它的主要功能是调节制冷剂流体从冷凝器到蒸发器的流量,使其始终与系统必须保证的制冷量相匹配。 不同滚动体之间的分类基于使其几何形状适应不同负载条件的能力(所需冷却能力的变化)。

毛细管

它是小型和超小型制冷机和空调中最常见的层压机构。 液态制冷剂被迫通过这个极窄的管子。 通过毛细管时损失的能量使制冷剂从高压状态变为极低压状态。 在这些情况下,与标称条件不同的运行条件会随着效率的降低而自发地建立起来。

恒温膨胀阀

恒温膨胀阀控制液体制冷剂注入蒸发器并保护压缩机电机免受液体制冷剂的影响。 

恒温膨胀阀允许在制冷系统负载变化的情况下保持过热(或制冷剂水平)恒定,以节省能源。

恒温阀和插入蒸发器

电子层压阀

它的作用类似于恒温阀,不同之处在于它不会通过阀门中产生的压力系统自动启动。 它是一个真正的电子操作的电子控制系统。

使几何形状适应负载的滚动元件:

  • 恒温膨胀阀
  • 电子膨胀阀

不能根据载荷调整其几何形状的滚动元件:

  • 毛细管
  • 恒压阀

 

主要配件

油分离器

它位于压缩机的下游:油收集在分离器的下部,并通过自动排放装置重新引入曲轴箱。

液体分离器

它允许将液体部分与蒸汽部分分开; 通过这种方式,您肯定只能从蒸汽顶部钓鱼。

冷凝风机

为了增加冷凝器中的热量散发,使用了一种称为冷凝的风扇。 这种布置允许在单位时间内更多的空气通过冷凝器,从而显着提高设备的冷凝能力。

干燥过滤器

为了去除电路中的水分和小碎片,在线路中插入了一个称为脱水器的过滤器。 与它一起,在带有阀门(无毛细管)的回路的情况下,添加了液体通道指示器(也称为“Specula”)

液体视镜

液体通过指示器(也称为“Specula”)也可作为湿度指示器(放置在视镜中的环的颜色变化)

温控器

设置所用仪器的温度,使用的是恒温器,它只不过是一个由温度控制的开关。

 

其他类型的恒温器

古代(常绿)

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