Физические принципы работы холодильной машины

Повышенная темпера­тура конденсации ухудшает работу холодильной установки и сни­жает ее технико-экономические показатели. При повышенной тем­пературе конденсации (по сравнению с оптимальной) понижается холодопроизводительность компрессора в связи с увеличением степени сжатия; при этом также увеличивается удельный расход энергии и повышается температура пара в конце процесса сжатия в компрессоре. Как видно из приводимых на рис. 14^7 характе­ристик компрессора П220-7, повышение температуры конденса­ции на Г С вызывает увеличение удельного расхода электроэнер­гии примерно "на 2,0-2,5% при режиме работы компрессора, близком к стандартным условиям и одновременном снижении его холодопроизводите^ш-юсти. Повышенная температура конденса­ции t K (что особенно часто проявляется в летний период) препят­ствует достижению необходимых для технологического процесса низких температур из-за значительного уменьшения холодопро-изводительности компрессора и чрезмерного повышения темпера­туры пара после сжатия.

На рис. 14.8 в координатах t K - Q показано самоустановление температуры конденсации в зависимости от холодопроизводитель-ности компрессора Q Uk и количества тепла, которое может отво­дить конденсатор, Q K .

Характеристики конденсатора Q K = cp (t ) изображены пря­мыми, выходящими под различным углом в зависимости от эф­фективности конденсатора из точки на оси абсцисс, соответст­вующей средней температуре охлаждающей воды. Холодопроизводительность компрессора при постоянных температурах кипе-" ния to и to изображена кривыми Qo K и Qok

Самоустанавливающаяся температура конденсации t K на­ходится в точке А пересечения прямой Q K с кривой Q 0 K . Повышен- ная температура конденсации t " K (Д^ к действительная выше Д^к. опт) может являться результатом снижения эффективности конденсатора (рабочая точка Л") или же увеличения тепловой на­грузки на конденсатор (рабочая точка А").

Снижение эффективности конденсатора, т. е. произведения kF , может произойти из-за изменения коэффициента теплопередачи k и поверхности F или из-за одновременного изменения этих двух величин.

Повышение температуры теплоотводящей среды или уменьше­ние ее расхода является также причиной повышения температуры конденсации, а следовательно, и давления конденсации. При обо­ротном водоснабжении повышение температуры воды может быть вызвано нарушением режима работы" атмосферного охладителя. Уменьшение расхода теплоотводящей среды выявляется по увели­ченному (против оптимального) нагреву воды или воздуха в кон­денсаторе.

Причинами недостаточной подачи воды или воздуха на кон­денсатор являются:

    недостаточная производительность включенных в работу циркуляционных водяных насосов (для воздушных конденсаторов - вентиляторов) или недостаточное открытие задвижек (вентилей) на водяном трубопроводе;

    уменьшение производительности циркуляционных водяных насосов (или вентиляторов при воздушном охлаждении), на что в первую очередь может указать пониженное давление на нагнетательной стороне насоса;

    засорение водяных магистралей, труб конденсатора, водо распределительных устройств, что вызывает возрастание гидравлического сопротивления, которое обнаруживается по повышению давления в нагнетательной водяной линии.

Повышенная температура конденсации может установиться и вследствие того, что поверхность включенных в работу конден­саторов не соответствует производительности работающих,ком­прессоров. Температура конденсации может быть в этом случае понижена включением дополнительных конденсаторов или отклю­чением части работающих компрессоров, когда давление конден­сации приближается к предельному значению. Однако и при до­статочной поверхности конденсаторов давление конденсации мо­жет повышаться из-за существенного уменьшения их активной поверхности.

Причинами этого могут быть:

    заполнение части объема конденсатора жидким агентом;

    неравномерное орошение поверхностей оросительного или испарительного конденсаторов из-за нарушения нормальной работы распределителей воды и засорения форсунок;

    выключение при ремонте негерметичных труб конденсатора путем их заглушения вместо замены.

Возможными причинами понижения коэффициента теплопере­дачи конденсатора могут быть:

    загрязнение поверхности труб водяным камнем, илом, водорослями; образование водяного камня интенсивно происходит при входе пара в конденсатор, где хладагент имеет наиболее высокую температуру;

    образование масляной пленки на поверхности, соприкасающейся с рабочим телом, если масло ограниченно растворяется в нем; также повышение концентрации масла в рабочем теле при неограниченной растворимости масла (что увеличивает вязкость рабочего тела);

    наличие воздуха в конденсаторе.

Для эффективной работы холодильной установки необходимо устранять причины, вызывающие образование загрязнений в кон­денсаторах. На холодильных установках нефтехимической про­мышленности загрязнения конденсаторов происходят вследствие попадания в воду большого количества углеводородов из гических цехав-j под влиянием которых в воде происходит быстрый рост микроорганизмов, загрязняющих воду.

Наиболее опасным является осаждение солей в рубашках компрессоров, поэтому свежую воду (менее насыщенную солями) добавляют в систему через рубашки компрессоров. Сбрасывают воду через переливную трубу из бассейна под градирней. Предельные допустимые значения показателей качества воды, ис­пользуемой в системах оборотного охлаждения, установлены следующие:

Методы очистки и подготовки воды относятся к компетенции службы водоснабжения. Они могут включать; фильтрацию, умягчение добавкой различных реактивов, обработку в магнитном поле; в последнем случае растворенные соли теряют способность кристаллизироваться на поверхности тепло-обменных аппаратов. Следует отметить, что в настоящее время водоподготовка для холодильных установок не получила должного распро­странения.

Совмещение системы оборотного охлаждения воды, идущей к технологическим аппаратам, с системой оборотного охлаждения воды холодильной установки, не должно допускаться как вслед­ствие загрязнения воды органическими веществами в технологи­ческих аппаратах, что ведет к росту микроорганизмов, загрязняю­щих поверхность конденсаторов, так и вследствие того, что вода & системе аппаратов циркулирует при более высокой темпе­ратуре, чем в конденсаторах холодильной установки.

Охлаждение оборотной воды происходит в градирнях за счет частичного ее испарения, которое должно восполняться добавле­нием в систему свежей воды. Если добавка будет только возме­щать убыль, то концентрация солей, содержащихся в воде, будет непрерывно увеличиваться. Для того чтобы концентрация раство­ренных солей не превышала допустимой, количество-добавляемой свежей воды должно быть больше испаряющегося. Некоторая часть воды из системы должна при этом сбрасываться. Зависи­мость между добавкой, испарением и сбросом определяется коли­чественным балансом согласно схеме, -показанной на рис. 14.9, г Д е £ Д 1 ёс g « -часовое количество добавляемой, сливаемой, испаряющейся воды; k a и k c - концентрация солей в добавляемой и сбрасываемой воде.

* При установившемся равновесии количество вводимой с водой соли должно равняться количеству сбрасываемой, т. е.

где отношение k c / k R показывает, во сколько раз концентрация солей в сбрасываемой воде (то же, что и циркулирующей) больше, чем в добавляемой. Испарение воды в системах оборотного охлаждения составляет около 0,5% от количества циркулирующей. Концентрация солей на основании приведенной формулы при различном соотношении добавляемой и испаряющейся воды будет:

Таким образом, если, напримр, испаряется 0,5%, добав­ляется 1,5% (сверх того, что идет на компенсацию уноса), то конт центраци^ солей в циркулирующей воде будет в- 1,5 раза выше, чем в добавляемой.

Наличие воздуха в конденсаторе повышает в нем давление п является поэтому одной из распространенных причин работы установки при повышенном давлении конденсации. Давление кон­денсации должно измеряться манометром, непосредственно при­соединенным к конденсатору. Значительное отклонение давления нагнетания, измеренного возле компрессора, от давления, при ко­тором происходит конденсация, указывает на повышенное сопро^ тивление нагнетательного трубопровода. Оно может быть резуль­татом проектных или монтажных ошибок, а также следствием за­сорения трубопровода или появления дефектов в запорной арматуре, в частности в обратном клапане.

О «плавающем» давлении конденсации.

При проектировании парокомпрессорной установки важным является вопрос регулирования давления конденсации . Для повышения энергоэффективности холодильных систем ступенчатое регулирование прессостатами заменяется плавным с применением преобразователей частоты (ПЧ). Это возможно для температур конденсации выше 20 0 С (все выкладки приводятся для R404A), так как эта температура является минимально допустимой для большинства компрессоров. Но длительная работа на границе применения недопустима, поэтому в расчётах будем использовать значение 25 0 С.

Необходимость поддерживать минимальное давление конденсации при низких температурах окружающей среды (для преодоления гидравлического сопротивления системы) приводит к обязательному применению в природных условиях России «комплекта зимнего регулирования» давления конденсации , например KVR+NRDили ICSфирмы Danfoss, совместно с ПЧ.

Существует два метода плавного регулирования давления конденсации при помощи ПЧ:

  • С фиксированной уставкой (используется один датчик на линии высокого давления);
  • С плавающей уставкой (один датчик на линии высокого давления, второй измеряет температуру окружающей среды).

Основное различие этих методов заключается в том, что в первом случае отслеживается установленное значение температуры конденсации, а во втором – разность температур.

Регулирование с фиксированной уставкой, настраиваемой, как правило, на расчётное значение температуры конденсации (например, 45 0 С), обычно применяется для уменьшения энергопотребления вентиляторами конденсатора. Но одновременно такая уставка температуры конденсации ведёт к росту энергопотребления компрессором из-за увеличения разности давления нагнетания и всасывания. При этом повышение энергопотребления компрессором, как правило, больше уменьшения энергопотребления вентиляторами.

Эту проблему решает плавающая уставка давления конденсации , при которой ПЧ стремится поддерживать заданную разность между показаниями датчиков температуры окружающей среды (преобразуется в давление) и давление конденсации.

Для сравнения эффективности двух описанных методов был проведён расчёт агрегата на базе компрессора ВОСК HGX34e/380-4Sс использованием программы PackColculationIIv3.06. Разность температур для метода с плавающей уставкой принималась, исходя из рекомендаций, 15К; для метода с фиксированной уставкой значение уставки температуры конденсации было принято 25 0 С. Такая минимизация уставки позволяет уменьшить степень сжатия в компрессоре, но приводит к перерасходу энергии, потребляемой вентиляторами конденсатора, так как большую часть времени вентиляторы работают с номинальной частотой вращения. При превышении уставки вентиляторы конденсатора продолжают вращаться на номинальной частоте.

Результаты расчёта сведены в таблицу, из которой следует, что система с плавающей уставкой давления конденсации потребляет при заданных условиях на 141 кВт.ч (0.5 % от общего энергосбережения) больше, чем система с фиксированной минимальной уставкой. Соответственно с точки зрения энергоэффективности в данном случае целесообразно применять именно метод регулирования с фиксированной минимальной уставкой (значение уставки должно быть минимально возможным). Такой вывод объяснимакой вывод объясним: при минимальной уставке разность между температурой конденсации и температурой воздуха на входе в конденсатор определяется характеристиками конденсатора, который подбирается с коэффициентом запаса. При плавающем значении уставки эта же разность задаётся вручную, исходя из рекомендаций, без учёта реальных характеристик подобранного конденсатора, что приводит к росту давления конденсации, большей степени сжатия в компрессоре и в конечном итоге к перерасходу энергии системой в целом.

Снижение уставки температуры конденсации на преобразователе частоты с 45 до 25 0 С (или ниже, если это возможно) позволяет достичь значительной экономии электроэнергии, превосходящей экономию от перехода на плавающую уставку давления конденсации. При правильном проектировании системы с ПЧ применение плавающей уставки давления конденсации нецелесообразно.

Чиллер представляет собой холодильную установку, состоящую из замкнутого контура хладагента (включающего компрессор/ы, конденсатор, терморегулирующий вентиль, испаритель, фильтр-осушитель, соединяющие их патрубки и набор контрольно-управляющих элементов) и водяного контура (включающего шаровые краны, испаритель, накопительный бак и водяную помпу), присоединяемого к трубопроводам, которые обеспечивают транспортировку воды от потребителей и обратно. Испаритель является общим элементом для обоих контуров. Как раз, проходя испаритель, вода и охлаждается (пока работает компрессор).

Температура кипения

Температура кипения жидкости зависит от давления окружающей среды. Чем ниже это давление, тем ниже температура кипения. Например, общеизвестно, что вода закипает при температуре 100C. Но это происходит лишь при нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст.). При повышении давления температура кипения возрастет, а при его понижении (например, высоко в горах) вода закипит при температуре гораздо ниже 100C. В среднем, при изменении давления на 27 мм.рт. ст. температура кипения изменится на 1С.
Различные жидкости кипят при разных температурах даже при одинаковом внешнем давлении. Например, жидкий азот кипит при температуре около -77C, а фреон R-22, который применяется в холодильной технике - при температуре -40.8C (при нормальном атмосферном давлении).

Теплота парообразования

При испарении жидкости теплота поглощается из окружающей среды. При конденсации пара тепло, напротив, выделяется. Теплота парообразования жидкостей очень велика. Например, энергия, нужная для испарения 1 г воды при температуре 100C (539 калорий/г), значительно больше энергии, необходимой для нагревания этой воды от 0Сo до 100C (100 калорий/г)! Если жидкий фреон поместить в открытый сосуд (с атмосферным давлением и комнатной температурой), то он сразу же вскипит, поглощая при этом большое количество теплоты из окружающей среды. Это явление и используется в холодильной машине. Только в ней фреон превращается в пар в специальном отделении - испарителе. Трубки испарителя обдуваются потоком воздуха. Кипящий фреон поглощает тепло из этого воздушного потока, охлаждая его. Но в холодильной машине невозможно только испарять фреон, поглощая тепло. Ведь тогда в ней образуется большое количество паров и потребуется подводить все новый и новый жидкий фреон постоянно. Поэтому в холодильной машине производится и обратный процесс конденсации - превращения из пара в жидкость. При конденсации любой жидкости выделяется теплота, которая поступает затем в окружающую среду. Температура конденсации, как и температура кипения, зависит от внешнего давления. При повышенном давлении конденсация может происходить при весьма высоких температурах. К примеру, фреон R-22 начинает конденсироваться при +55C, если находится под давлением 23 атмосферы (около 17,5 тыс. мм рт. ст.).

Холодильная машина

В холодильной машине фреон конденсируется в специальном отделении - конденсаторе. Тепло, выделившееся при конденсации, удаляется потоком охлаждающей жидкости или воздуха. Поскольку холодильная машина должна работать непрерывно, то в испаритель должен постоянно поступать жидкий фреон, а в конденсатор - его пары. Этот процесс - циклический, ограниченное количество фреона циркулирует по холодильной машине, испаряясь и конденсируясь.
Один из основных компонентов холодильной машины - это конденсатор, служащий для переноса тепловой энергии от хладагента в окружающую среду. Чаще всего тепло передается воде или воздуху. Тепло, которое выделяется в конденсаторе, примерно на 30% превышает холодопроизводительность холодильной машины. Например, если холодопроизводительность машины равна 20 кВт, то конденсатор выделяет 25-27 кВт тепла.

Схема холодильной машины
Компрессионный цикл охлаждения состоит из четырех основных элементов:
1. компрессора
2. испарителя
3. конденсатора
4. регулятора потока.

Эти основные элементы соединены трубопроводами в замкнутую систему, по которой циркулирует хладагент (обычно это фреон). Циркуляцию хладагента по контуру производит компрессор холодильной машины.

Компрессионный цикл охлаждения

На выходе из испарителя хладагент - это пар при низкой температуре и низком давлении. Затем компрессор всасывает хладагент, давление повышается до примерно 20 атм., а температура достигает 70 - 90С. После этого горячий пар хладагента попадает в конденсатор, где он охлаждается и конденсируется. Для охлаждения используется вода или воздух. На выходе из конденсатора хладагент представляет собой жидкость под высоким давлением. Внутри конденсатора пар должен полностью перейти в жидкое состояние. Для этого температура жидкости, выходящей из конденсатора, на несколько градусов (обычно 4-6С) ниже температуры конденсации при данном давлении. Затем хладагент (имеющий в этот момент жидкое агрегатное состояние при высоких давлении и температуре) поступает в регулятор потока. Здесь давление резко падает, и происходит частичное испарение.
На вход испарителя попадает смесь пара и жидкости. В испарителе жидкость должна полностью перейти в парообразное состояние. Поэтому температура пара на выходе из испарителя немного выше температуры кипения при данном давлении (обычно на 5-8С0). Это необходимо, чтобы в компрессор не попали даже мелкие капли жидкого хладагента, иначе компрессор может быть поврежден. Образовавшийся в испарителе перегретый пар выходит из него, и цикл возобновляется сначала.
Итак, ограниченное количество хладагента постоянно циркулирует в холодильной машине, меняя агрегатное состояние при периодически изменяющихся температуре и давлении.
В каждом цикле имеется два определенных уровня давления. На стороне высокого давления происходит конденсация хладагента и находится конденсатор. На стороне низкого давления находится испаритель, и жидкий хладагент превращается в пар. Граница между областями высокого и низкого давления проходит в двух точках - на выходе из компрессора (нагнетательный клапан) и на выходе из регулятора потока.

Энтальпия хладагента

Происходящий в холодильной машине цикл охлаждения удобно изображать графически. На диаграмме показано соотношение давления и теплосодержания (энтальпии) хладагента. Энтальпия - это функция состояния, приращение которой при процессе с постоянным давлением равно теплоте, полученной системой.



На диаграмме показана кривая насыщения хладагента.
  • Левая ветвь кривой соответствует насыщенной жидкости
  • Правая часть соответствует насыщенному пару.
  • В критической точке ветви кривой соединяются, и вещество может находиться и в жидком, и в газообразном состоянии.
  • Внутри кривой - зона, соответствующая смеси пара и жидкости.
  • Слева от кривой (в области меньшей энтальпии) - переохлажденная жидкость.
  • Справа от кривой (в области большей энтальпии) - перегретый пар.
Теоретический цикл охлаждения несколько отличается от реального. В действительности происходят потери давления на разных этапах перекачки хладагента, снижающие эффективность охлаждения. Это не учитывается в идеальном цикле

Теоретический цикл охлаждения



В компрессоре

Холодный насыщенный пар хладагента поступает в компрессор холодильной машины (точка С1). В процессе сжатия его давление и температура повышаются (точка D). Энтальпия тоже повышается на величину, равную проекции линии С1-D. На схеме это отрезок НС1-НD.

Конденсация

В конце цикла сжатия хладагента горячий пар попадает в конденсатор. Здесь при постоянных температуре и давлении происходит конденсация, и горячий пар превращается в горячую жидкость. Хотя температура практически постоянна, энтальпия уменьшается при фазовом переходе, а выделившееся тепло отводится от конденсатора. Этот процесс отображается на диаграмме в виде отрезка, параллельного горизонтальной оси (давление постоянно).

Процесс в конденсаторе холодильной машины происходит в три этапа: снятие перегрева (D-Е), конденсация (Е-А) и переохлаждение жидкости (А-А1). Участок диаграммы D-А1 соответствует изменению энтальпии хладагента в конденсаторе и показывает, какое количество тепла выделяется в ходе данного процесса.

Снятие перегрева.

В этом процессе температура пара снижается до температуры насыщения. Излишнее тепло отводится, но изменения агрегатного состояния не происходит. На этом этапе снимается около 10 - 20% тепла.

Конденсация

На этом этапе происходит изменение агрегатного состояния хладагента. Температура при этом остается постоянной. На этом этапе снимается около 60 - 80% тепла.

Переохлаждение жидкости

В этом процессе жидкий хладагент охлаждается, при этом получается переохлажденная жидкость. Агрегатное состояние не изменяется. Переохлаждение жидкости на этом этапе позволяет повысить производительность холодильной машины. При постоянном уровне энергопотребления понижение температуры на 1 градус повышает производительность холодильной машины на 1%.

Регулятор потока

Переохлажденная жидкость с параметрами точки А2 поступает на регулятор холодильной машины. Он представляет собой капиллярную трубку или терморегулирующий расширительный клапан. В регуляторе происходит резкое снижение давления. Непосредственно за регулятором начинается кипение хладагента. Параметры получившейся смеси пара и жидкости соответствуют точке В.

В испарителе

Смесь пара и жидкости (точка В) попадает в испаритель холодильной машины, где поглощает тепло от окружающей среды и полностью переходит в пар (точка С1). Этот процесс происходит при постоянной температуре, но энтальпия при этом увеличивается. На выходе испарителя парообразный хладагент немного перегревается (отрезок С1-С2), чтобы капли жидкости испарились полностью. Для этого приходится увеличивать площадь теплообменной поверхности испарителя (на 4-6% на каждый градус перегрева). Обычно перегрев составляет 5-8 градусов, и увеличение площади теплообмена достигает 20%. В испарителе холодильной машины энтальпия хладагента изменяется на величину НВ-НС2, равную проекции кривой испарения на горизонтальную ось.

Реальный цикл охлаждения



Реальный цикл охлаждения имеет некоторые отличия от идеального. Это происходит за счет потерь давления, возникающих на линии всасывания и нагнетания холодильной машины, а также в клапанах компрессора. Поэтому отображение реального цикла на диаграмме связи давления и энтальпии несколько иное.

Из-за потерь давления на входе в компрессор всасывание должно проходить при давлении, которое ниже давления испарения (отрезок C1-L). Кроме того, из-за потерь давления на выходе компрессору приходится сжимать пар хладагента до давления, которое выше давления конденсации (M-D1). Таким образом, работа сжатия увеличивается. Такая компенсация потерь давления в реальной холодильной машине снижает эффективность цикла.

Кроме потерь давления в трубопроводе, есть и другие отклонения от идеального цикла. Во-первых, реальное сжатие хладагента в компрессоре не может быть строго адиабатическим (без подвода и отвода тепла). Поэтому работа сжатия оказывается выше теоретически рассчитанной. Во-вторых, в компрессоре холодильной машины имеются механические потери энергии, что приводит к увеличению необходимой мощности электродвигателя.

Эффективность цикла охлаждения холодильной машины

Отображение на диаграмме:
C1-L - потеря давления при всасывании
M-D1 - потеря давления при выходе
HD-HC1 - теоретическое изменение энтальпии (теплосодержания) при сжатии
HD1-HC1 - реальное изменение энтальпии (теплосодержания) при сжатии
C1D - теоретическое сжатие
LM - реальное сжатие

Для выбора лучшего из циклов охлаждения необходимо оценивать их эффективность. Обычно показателем эффективности цикла холодильной машины служит КПД или коэффициент термической (термодинамической) эффективности.

Коэффициент термической эффективности - это: отношение изменения энтальпии хладагента в испарителе (НС-НВ) к изменению энтальпии в процессе сжатия (HD-HC).
или: соотношение мощности охлаждения и электрической мощности, которую потребляет компрессор холодильной машины.
Например, если коэффициент термической эффективности какой-либо холодильной машины равен 2, то на каждый кВт потребляемой электроэнергии эта машина производит 2 кВт холода.

Конденсатор. Принцип работы.

Конденсаторы с воздушным охлаждением


1 медные трубки
2 ребра охлаждения

Конденсаторы с воздушным охлаждением наиболее распространены.
Конденсатор с воздушным охлаждением состоит из вентиляторного блока с электродвигателем и теплообменника. По трубкам протекает хладагент, а вентилятор обдувает трубки потоком воздуха. Обычно скорость потока составляет 1 - 3.5 м/с.
Чаще всего теплообменник состоит из оребренных медных трубок диаметром 6 - 20 мм с расстоянием между ребрами 1-3 мм. Медь используется потому, что ее легко обрабатывать, она не окисляется и имеет высокую теплопроводность. Оребрение обычно выполняется из алюминия.
Выбор диаметра трубок зависит от многих факторов: потерь давления, легкости обработки материала и т.д.

Тип оребрения может быть различным и значительно влияет на тепловые и гидравлические параметры теплообменника в целом. Например, сложный профиль оребрения с многочисленными выступами и просечками создает турбулентность (завихрения) воздуха, омывающего теплообменник. В результате эффективность теплопередачи от хладагента к воздуху увеличивается, и повышается холодопроизводительность холодильной машины.


Применяют два типа соединения трубок с ребрами:
Отверстия в ребрах, куда непосредственно вставляют трубки теплообменника. Этот способ более прост, но уменьшает теплопередачу из-за неплотности контакта. К тому же, в загрязненной среде по контуру прилегания может появиться коррозия, дополнительно снижающая производительность теплообмена.
Воротнички (буртики) в местах подсоединения трубок теплообменника. Этот способ дороже и сложнее, зато обеспечивает увеличение поверхности теплообмена.

Дополнительно теплоотдачу хладагента повышают путем рифления внутренней поверхности трубок теплообменника. Это создает турбулентность течения хладагента.
Обычно в конденсаторе имеется от одного до четырех рядов трубок, расположенных по направлению потока хладагента. Часто трубки располагают в шахматном порядке для повышения эффективности теплопередачи.
Интенсивность теплообмена неодинакова на протяжении движения хладагента по трубкам. Горячий хладагент поступает в обменник сверху и перемещается вниз.
На начальном этапе (5% поверхности) охлаждение наиболее интенсивно, поскольку максимальна разница температур между хладагентом и охлаждающим воздухом и высока скорость движения хладагента.
Основной участок теплообменника составляет около 85% поверхности. На этом участке хладагент конденсируется при постоянной температуре.
Остальные 10% поверхности теплообменника служат для дополнительного охлаждения жидкого хладагента.
Температура конденсации хладагента (фреона) выше температуры окружающего воздуха на 10 - 20 градусов, и составляет обычно 42-55С. Выходящий из теплообменника нагретый воздух всего на 3-5 градусов холоднее температуры конденсации.

Конденсаторы с водяным охлаждением

Существует три типа конструкции конденсаторов с водяным охлаждением:
  • Кожухотрубные
  • Типа "труба в трубе"
  • Пластинчатые.

Кожухотрубные конденсаторы


В процессе теплообмена участвует не весь воздух, подаваемый в испаритель, поскольку его часть проходит по периферии мимо теплообменника. Часть воздуха (в процентах), которая проходит мимо испарителя и сохраняет свои параметры, называют коэффициентом просачивания. Следует стремиться к понижению коэффициента просачивания воздуха.

Конденсатор типа "труба в трубе" - система из двух спиральных трубок, одна расположена внутри другой. По одной из трубок (внешней или внутренней) перемещается хладагент, а по другой - вода.

Внутренняя трубка делается из меди, а внешняя - из меди или стали. Поверхности трубок могут иметь оребрение, которое повышает эффективность теплообмена. Жидкости движутся встречными потоками, при этом вода поступает снизу и вытекает сверху, а хладагент - наоборот. Конденсаторы типа "труба в трубе" используют в автономных установках кондиционирования и маломощных установках охлаждения. Недостаток конденсаторов этого типа состоит в том, что конструкция неразъемная, и возможна только химическая очистка трубки.

Пластинчатые конденсаторы

Пластинчатые конденсаторы состоят из рядов стальных пластин, расположенных "елочкой". Внутри теплообменника хладагент и вода движутся навстречу друг другу по независимым контурам циркуляции.
  • Преимущества этого типа конденсаторов:
  • очень высокой эффективности теплообмена.
  • компактность и небольшая масса
  • небольшие перепады температур между хладагентом и охлаждающей водой.

Поэтому они широко применяются в холодильных машинах небольшой и средней мощности.
Если температура воды на входе в конденсатор составляет 16 градусов, то температура конденсации равна 32-36 градусов. При температуре воды +24С хладагент конденсируется при 38-40С.
Максимально допустимое давление в рабочем режиме со стороны контура хладагента составляет 2,45 МПа, а со стороны водяного контура - 1 МПа.

Испаритель

Один из основных компонентов холодильной машины - это испаритель, служащий для охлаждения рабочей среды. В качестве рабочей среды холодильной машины используется либо воздух, либо вода или жидкости, содержащие антифриз. Для охлаждения разных видов рабочих сред предназначены различные типы испарителей:
  • Кожухотрубные
  • Пластинчатые

Кожухотрубные испарители

Кожухотрубный испаритель представляет собой стальной цилиндр, с обоих концов цилиндра установлены стальные решетки, к которым крепятся головки с патрубками для подключения к системе водяного охлаждения. В эти решетки запрессованы медные трубки, по которым протекает вода. Трубки чаще всего делаются из меди и имеют диаметр 20 мм и 25 мм. Снаружи они оребрены для повышения теплообмена.

Хладагент циркулирует по трубкам, поступая из нижней части испарителя и постепенно поднимаясь по трубкам вверх. С внешней стороны трубки омываются водой, которая охлаждается в процессе теплообмена с холодным хладагентом.

Вода в кожухотрубном испарителе циркулирует перпендикулярно трубкам и имеет скорость от 0.5 до 3 м/с благодаря разделительным перегородкам, расположенным внутри кожуха испарителя.

Кожухотрубные испарители подходят для работы с различными хладагентами. Мощность этих испарителей варьируется от 7 до 200-250 кВт.

Пластинчатые испарители

Пластинчатые испарители состоят из рядов стальных пластин, расположенных "елочкой". Внутри теплообменника хладагент и вода движутся навстречу друг другу по независимым контурам циркуляции.
Преимущества:
  • очень высокая эффективность теплообмена.
  • компактность и небольшая массу.
  • более устойчивы к замораживанию в случае поломки, чем другие типы испарителей.

Испарители для охлаждения воздуха

Воздушные испарители - это теплообменники с одним или несколькими (4-6) рядами трубок. Внутри трубок протекает хладагент, а между ребрами испарителя (вне трубок) - охлаждаемый воздух.

Чаще всего испаритель для охлаждения воздуха состоит из оребренных медных трубок диаметром 8 - 13 мм (5/16", 3/8" и 1/2") с расстоянием между ребрами 1.4 - 1.8 мм. Медь используется потому, что ее легко обрабатывать, она не окисляется и имеет высокую теплопроводность. Оребрение обычно выполняется из алюминия.

Если мощность холодильной машины достаточно велика, то воздушные испарители делаются с двумя или несколькими контурами охлаждения. Каждый контур имеет независимый подвод хладагента с помощью распределителя, соединенного с ним тонкими трубками. Все контуры заполняются равными количествами хладагента. Поток воздуха равномерно распределяется по теплообменнику, исключая обледенение отдельных участков испарителя.

Чтобы достичь наилучшего качества и стабильности работы испарителя холодильной машины, мощность должна составлять 3-7 кВт на каждый контур теплообмена (при использовании наиболее распространенного хладагента R-22).

От объема охлаждаемого воздуха зависит размер испарителя. Объем воздуха составляет около 195 куб.м./час на каждый кВт холодопроизводительности установки. Общая холодопроизводительность испарителя определяется температурой испарения хладагента (постоянной, заданной при проектировании холодильной машины), и температурой поступающего воздуха (зависит от условий работы).

Скорость потока воздуха, поступающего в испаритель, обычно 2-3 м/с. Если скорость будет выше, то капли конденсата могут проскакивать на выходе теплообменника. В испарителе, как и в других элементах холодильной машины, возникают потери давления. Они зависят от диаметра трубок испарителя, конфигурации ребер, скорости воздушного потока и количества конденсата на оребрении.

Коэффициент просачивания (Bypass)

Преимущества низкого коэффициента просачивания:

  • Увеличивается температура испарения и производительность холодильной машины
  • Можно уменьшить размеры компрессора
  • Можно ограничиться меньшей площадью поверхности теплообменника. Понадобится меньше трубок теплообменника.

Компрессор

Один из главных элементов любой холодильной машины - это компрессор.

Компрессор всасывает пар хладагента, имеющий низкие температуру и давление, затем сжимает его, повышая температуру (до 70 - 90С) и давление (до 15 - 25 атм.), а затем направляет парообразный хладагент к конденсатору.

Основные характеристики компрессора - степень компрессии (сжатия) и объем хладагента, который он может нагнетать. Степень сжатия - это отношение максимального выходного давления паров хладагента к максимальному входному.
В холодильных машинах используют компрессоры двух типов:
Поршневые - с возвратно-поступательным движением поршней в цилиндрах
Ротационные, винтовые и спиральные - с вращательным движением рабочих частей

1. Поршневые компрессоры
2. Ротационные компрессоры вращения
3. Спиральные компрессоры SCROLL
4. Винтовые компрессоры

Поршневые компрессоры




Поршневые компрессоры используются чаще всего. Принцип их работы показана на схеме.
При движении поршня (3) вверх по цилиндру компрессора (4) хладагент сжимается. Поршень перемещается электродвигателем через коленчатый вал (6) и шатун (5).

Под действием давления пара открываются и закрываются всасывающие и выпускные клапаны компрессора холодильной машины.

На схеме 1 показана фаза всасывания хладагента в компрессор. Поршень начинает опускаться вниз от верхней точки, при этом в камере компрессора создается разрежение и открывается впускной клапан (12). Парообразный хладагент низкой температуры и низкого давления попадает в рабочее пространство компрессора.

На схеме 2 показана фаза сжатия пара и его выхода из компрессора. Поршень поднимается вверх и сжимает пар. При этом открывается выпускной клапан компрессора (1) и пар под высоким давлением выходит из компрессора.

Основные модификации поршневых компрессоров (отличаются конструкцией, типом двигателя и назначением):

  • Герметичные компрессоры
  • Полугерметичные компрессоры
  • Открытые компрессоры

Герметичные компрессоры

Используются в холодильных машинах небольшой мощности (1.5 - 35 кВт). Электродвигатель расположен внутри герметичного корпуса компрессора. Охлаждение электродвигателя производится самим всасываемым хладагентом.

Полугерметичные компрессоры

Используются в холодильных машинах средней мощности (30 - 300 кВт). В полугерметичных компрессорах электродвигатель и компрессор соединены напрямую и размещены в одном разборном контейнере. Преимущество этого типа компрессоров в том, что при повреждениях можно вынуть двигатель, чтобы ремонтировать клапаны, поршень и др. части компрессора. Охлаждение электродвигателя производится самим всасываемым хладагентом.

Открытые компрессоры

Имеют внешний электродвигатель, выведенный за пределы корпуса, и соединенный с компрессором напрямую или через трансмиссию. Мощность многих холодильных установок может плавно регулироваться с помощью инверторов - специальных устройств, изменяющих скорость вращения компрессора. В полугерметичных компрессорах возможен и другой способ регулировки мощности - перепуском пара с выхода на вход либо закрытием части всасывающих клапанов.

Основные недостатки поршневых компрессоров:

Пульсации давления паров хладагента на выходе, приводящие к высокому уровню шума.
Большие нагрузки при пуске, требующие большого запаса мощности и приводящие к износу компрессора.

Ротационные компрессоры вращения

Принцип работы ротационных компрессоров вращения основан на всасывании и сжатии газа при вращении пластин.
Их преимущество перед поршневыми компрессорами состоит в низких пульсациях давления и уменьшении тока при запуске.
Существует две модификации ротационных компрессоров:
  • Со стационарными пластинами
  • С вращающимися пластинами

Компрессор со стационарными пластинами




В компрессоре со стационарными пластинами хладагент сжимается при помощи эксцентрика, установленного на ротор двигателя. При вращении ротора эксцентрик катится по внутренней поверхности цилиндра компрессора, и находящийся перед ним пар хладагента сжимается, а затем выталкивается через выпускной клапан компрессора. Пластины разделяют области высокого и низкого давления паров хладагента внутри цилиндра компрессора.


Сжатие и всасывание продолжается
Сжатие завершено, пар окончательно заполнил пространство внутри цилиндра компрессора.

Компрессор с вращающимися пластинами




В компрессоре с вращающимися пластинами хладагент сжимается при помощи пластин, закрепленных на вращающемся роторе. Ось ротора смещена относительно оси цилиндра компрессора. Края пластин плотно прилегают к поверхности цилиндра, разделяя области высокого и низкого давления. На схеме показан цикл всасывания и сжатия пара.
Пар заполняет имеющееся пространство
Начинается сжатие пара внутри компрессора и всасывание новой порции хладагента
Сжатие и всасывание завершается.
Начинается новый цикл всасывания и сжатия.

Спиральные компрессоры SCROLL






Спиральные компрессоры применяются в холодильных машинах малой и средней мощности.

Такой компрессор состоит из двух стальных спиралей. Они вставлены одна в другую и расширяются от центра к краю цилиндра компрессора. Внутренняя спираль неподвижно закреплена, а внешняя вращается вокруг нее.

Спирали имеют особый профиль (эвольвента), позволяющий перекатываться без проскальзывания. Подвижная спираль компрессора установлена на эксцентрике и перекатывается по внутренней поверхности другой спирали. При этом точка касания спиралей постепенно перемещается от края к центру. Пары хладагента, находящиеся перед линией касания, сжимаются, и выталкиваются в центральное отверстие в крышке компрессора. Точки касания расположены на каждом витке внутренней спирали, поэтому пары сжимаются более плавно, меньшими порциями, чем в других типах компрессоров. В результате нагрузка на электродвигатель компрессора снижается, особенно в момент пуска компрессора.

Пары хладагента поступают через входное отверстие в цилиндрической части корпуса, охлаждают двигатель, затем сжимаются между спиралей и выходят через выпускное отверстие в верхней части корпуса компрессора.

Недостатки спиральных компрессоров:

  • Сложность изготовления.
  • Необходимо очень точное прилегание спиралей и герметичность по их торцам
Винтовые компрессоры

Винтовые компрессоры применяются в холодильных машинах большой мощности (150 - 3500 кВт). Существуют две модификации этого типа:

  • С одинарным винтом
  • С двойным винтом

Винтовой компрессор с одинарным винтом

Модели с одинарным винтом имеют одну или две шестерни-сателлита, подсоединенные к ротору с боков.
Сжатие паров хладагента происходит с помощью вращающихся в разные стороны роторов. Их вращение обеспечивает центральный ротор в виде винта. Пары хладагента поступают через входное отверстие компрессора, охлаждают двигатель, затем попадают во внешний сектор вращающихся шестеренок роторов, сжимаются и выходят через скользящий клапан в выпускное отверстие.

Винты компрессора должны прилегать герметично, поэтому используется смазывающее масло. Впоследствии масло отделяется от хладагента в специальном сепараторе компрессора.
Винтовой компрессор с двойным винтом
Модели с двойным винтом отличаются использованием двух роторов - основного и приводного.
Винтовые компрессоры не имеют впускных и выпускных клапанов. Всасывание хладагента постоянно происходит с одной стороны компрессора, а его выпускание - с другой стороны. При таком способе сжатия паров уровень шума гораздо ниже, чем у поршневых компрессоров.

Винтовые компрессоры позволяют плавно регулировать мощность холодильной машины с помощью изменения частоты оборотов двигателя.

Регулятор потока

1. Капиллярная трубка
2. Терморегулирующий вентиль

Капиллярная трубка
Жидкий хладагент, перетекающий от конденсатора к испарителю, нужно дозировать. Это реализуется с помощью регулятора потока.
Наиболее простой вариант регулятора - капиллярная трубка диаметром около 1 мм. Они применяются в кондиционерах сплит-систем небольшой мощности.
Преимущества капиллярных трубок:

  • Низкая стоимость
  • Простота и надежность в эксплуатации, как при постоянной нагрузке, так и в переходных режимах.
Недостаток капиллярных трубок:
Расход хладагента через капиллярную трубку зависит только от перепада давлений на концах трубки. Если давление нагнетания компрессора и нагрузка испарителя непостоянны, то поступление хладагента по капиллярной трубке может стать недостаточным или, наоборот, избыточным.
Если тепловая нагрузка на испаритель уменьшится, то жидкий хладагент не полностью превратится в пар, и может повредить компрессор при попадании в него. Это называется гидравлическим ударом.
Если же из-за понижения окружающей температуры снизится давление конденсации, то поток хладагента уменьшится, и заполнение конденсатора станет недостаточным. При этом снизится холодопроизводительность установки, что, конечно, нежелательно.

Терморегулирующий вентиль

Для мощных установок кондиционирования используют терморегулирующий вентиль (ТРВ). Он регулирует подачу хладагента от конденсатора к испарителю так, чтобы при изменении условий работы давление испарения и перегрев в испарителе холодильной машине оставались постоянными.

Существует два типа терморегулирующих вентилей:

1. С внутренним уравниванием - для машин малой и средней мощности
2. С внешним уравниванием - для машин большой мощности




ТРВ с внутренним уравниванием
Скорость перетекания хладагента через терморегулирующий вентиль зависит от положения клапана. Это положение определяется соотношением сил, действующих на мембрану регулятора.
  • На закрытие клапана направлены давление испарения и сила натяжения пружины.
  • На открытие клапана направлено давление термобаллона, определяемое перегревом хладагента в испарителе.
Если температура внешнего воздуха понижается, то кипение хладагента ослабляется, перегрев уменьшается, и температура термобаллона снижается. При этом понижение давления в термобаллоне воздействует на мембрану регулятора, уменьшая подачу хладагента в испаритель. В результате равновесие восстанавливается.
Аналогично действие регулятора при увеличении температуры наружного воздуха.

В зависимости от длины и жесткости пружины, закрывающей клапан терморегулирующего вентиля, давление испарения и перегрев можно установить на нужные значения



Это один из самых важных моментов в работе любого кондиционера. Мы предлагаем Вам ознакомиться с основными моментами, которые касаются температуры конденсации фреона. Большая нагрузка на всю конструкцию кондиционера располагается именно в конденсаторе, потому что он отвечает за охлаждение воздуха. Эта функция главным образом предотвращает возможность переохлаждения системы.

Конденсация воды на теплообменнике никогда не начнётся, до момента пока не будет достигнута температура конденсации фреона. На это влияет прежде всего давление нагнетаемое компрессором самого кондиционера. Для того, чтобы понимать, когда начинает происходить процесс теплообмена надо обратить внимание на то, когда давление доходит до критического момента в конденсаторе. Как только она достигнута, то происходит кипение газа фреона (температура конденсации фреона при этом достигает своего уровня) и фреон преобразуется в жидкое состояние.

Функция

Основная функция конденсатора: за счет изменения давления изменять температуру фреона до его температуры конденсации. Если мы рассматриваем случай работы кондиционера в режиме обогрева, то нужно кипение фреона. Если охлаждения, то нужно превращение фреона из жидкого в газообразное состояние.

Для своего испарения (перехода) в газообразное состояние фреон поглощает тепло воздуха, и тем самым его охлаждает. Ваше помещение при этом осушается, так как на на теплообменнике образовывается конденсат, который выводится через дренажные трубки в виде воды.

После одного цикла превращения фреона, процесс повторяется и как только достигается температура конденсации фреона, он снова охлаждает комнату, а Вы наслаждаетесь прохладой.

Последние отзывы

Oasis Comfort CL-9
Анжелика
27.06.2016

Купили Оазис еще в прошлом году. Кухня в 20 м2 имеет перегородку, поэтому нам посоветовали взять 9-ку. Теперь по самому кондиционеру: 1. Плюсы Самый главный плюс - цена. Имеет весь стандартный набор функций и фильтров (когда не слишком душно, ставлю в режим вентиляции и этого достаточно). Обогрев реально работает (правда не знаю на сколько это экономно, мне приходилось включать несколько раз за зиму). Пластик достаточно дешевый но смотрится приемлимо. 2. Минусы Мне не очень понравился пульт, хотя им часто и не пользуешься. Шумноват.

...

Oasis Comfort CL-7
Ирина Блудова
19.05.2016

В продолжение темы:
Отопление в нежилых помещениях

В наши дни ландшафтный дизайн, как направление, развивается стремительными темпами. Дизайнеры и архитекторы занимаются оформлением участков и территорий в разнообразных...

Новые статьи
/
Популярные