Logo holodilshchik
интернет-выпуск № 12(24), декабрь, 2006 г.
ПЕРВАЯ В РОССИИ ИНТЕРНЕТ-ГАЗЕТА ПО ХОЛОДИЛЬНОЙ И БЛИЗКОЙ ЕЙ ТЕМАТИКЕ

ООО 'АВИСАНКО' предлагает холодильные камеры любого объема под ваши требования...
Грамотно преподнести себя через рекламу - тоже искусство!
ЛУЧШАЯ СТАТЬЯ ВЫПУСКА 12(24)!
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПАРОВОЙ КОМПРЕССИОННОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ МАШИНЫ И
ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ. ПРОСТАЯ ХОЛОДИЛЬНАЯ МАШИНА


В качестве Лучшей статьи выпуска публикуем материал, который считаем очень важным и необходимым для "неспециалистов", несмотря на то, что существуют аналогичные материалы, однако эти материлы в большей степени с "заумной теорией" - здесь же, на наш взгляд, все доступно.

Материал может быть полезен также некоторым "специалистам", так как их "витание в облаках", в части понимания, например, процессов фазовых превращений в холодильной машине, наводит на определенные мысли. "Ну, как же, - говорят они, - и так все понятно". Хорошо, понятно. Тогда нарисуйте и объясните. Ан нет, не очень-то и получается!..

При желании познакомиться с представленным материалом, вначале предлагаем внимательно посмотреть на Схему простейшей паровой холодильной машины (см. рис. 1) и только потом читать текст.

Детально разобрав представленную простейшую схему вы можете делать следующие шаги: браться за изучение реальной холодильной машины, схема которой включает в себя дополнительные составляющие (фильтр-осушитель, смотровое стекло, ручные запорные вентили, электроклапан, реле температуры, обратный клапан, регулятор давления испарения, дифференциальное реле, регулятор давления конденсации и др.) и затем за специальные холодильные машины (многоступенчатые и каскадные холодильные машины).

Желаем приятного чтения. Думаем, вы не зря потратите время.


Если капнуть на ладонь немного эфира, то мы сразу почувствуем холод: для своего испарения эфир черпает тепло из внешней среды, в частности, от кожи. Переход вещества из жидкого состояния в газообразное осуществляется, следовательно, путем поглощения тепла из внешней среды.

В холодильной машине извлекают пользу из этого явления, заставляя циркулировать в устройстве, называемом испарителем (однако было бы более точно назвать его парообразователем), жидкость, которая превращается в пар при температуре на несколько кельвинов (Δt=10 К) ниже температуры, которую требуется поддерживать в охлаждаемой камере. И для превращения в пар эта жидкость (называемая хладагентом в случае паровой компрессионной холодильной машины) должна поглощать тепло из камеры, в которой находится испаритель с циркулирующей жидкостью, тем самым поддерживая низкую температуру в этой камере.

В примере, изображенном на рис. 1 заданная температура в холодильной камере равна -5 °С и температура парообразования должна быть примерно на 10 К ниже. Выберем ее равной -15 °С.

Пример термодинамических характеристик хладагента на линии насыщения для Forane 22 (R22)... увеличить

Температура парообразования зависит от давления насыщенных паров этой жидкости, которое равно давлению на ее поверхности. Следовательно, подбирая это давление, мы можем сделать так, чтобы хладагент превращался в пар при любой температуре (хотя она должна быть заключена в некоторых пределах, зависящих от используемого хладагента). Давление, которое нужно поддерживать (следовательно, давление насыщенных паров) легко определить, если задана температура: давление приведено либо в таблице для данного хладагента, либо на диаграмме энтальпия-давление для этого хладагента. В примере, изображенном на рис. 1, выбранным хладагентом является монохлоридфторметан (R22), и соответствующая таблица 1 или диаграмма указывает, что давление насыщенных паров, отвечающее температуре -15 °С, равно 2.9 бар. Запомним это значение, мы к нему позже еще вернемся.

Как только жидкий хладагент превратится в пар, он будет обладать некоторым количеством тепла. Чтобы хладагент мог продолжать извлекать тепло из охлаждаемого объема, необходимо, чтобы он поступал в испаритель не имея запаса тепла, следовательно, он должен быть жидким. Эту проблему можно решить двумя способами: или выбросить во внешнюю среду газообразный хладагент с запасенным теплом и направить в испаритель свежий хладагент из резервуара, или создать устройство, чтобы попытаться вновь использовать газообразный хладагент, а для этого необходимо изъять у него накопленное тепло, значит, перевести его из газообразного состояния в жидкое. Так как первое решение слишком неудобное (особенно с точки зрения защиты окружающей среды и стоимости сырья), то выбирают второе решение. Когда хладагент находится в газообразном состоянии, его направляют в устройство, называемое конденсатором, в котором он отдает тепло охлаждающей среде (это может быть вода, но может быть и воздух) и конденсируется, переходя снова из газообразного состояния в жидкое.

Легко догадаться, что для того, чтобы произошло охлаждение, температура охлаждающей среды должна быть на несколько кельвинов ниже температуры конденсации. Другими словами, температура охлаждающей воды или воздуха зависит чаще всего от параметров, значения которых нельзя выбирать по своему желанию. Чтобы привести конкретные числа, предположим, что мы располагаем водой для охлаждения, имеющей температуру +15 °С. Так как мы оценили, что разность между температурой конденсации и начальной температурой охлаждающей среды должна быть примерно 15 К, то это означает, что температура конденсации должна быть 15+15=30 °С. Это значение мы приняли в случае, изображенном на рис. 1. Поскольку выбранным хладагентом является R22, то таблица или диаграмма энтальпия-давление для этого хладагента дает нам значение давления насыщенных ларов, соответствующего этой температуре, равное 11,9 бар. Это число означает, что если в конденсаторе будет давление 11,9 бар, то конденсация произойдет при температуре 30 °С. Выходя из конденсатора, хладагент, опять ставший жидкостью, готов снова превратиться в пар, поглощая тепло во время прохождения через испаритель, и цикл повторяется вновь.

Схема простейшей паровой компрессионной холодильной машины ... увеличить

Рис. 1. Схема простейшей паровой компрессионной холодильной машины и фазовые превращения на упрощенном примере (в частности, без учета потерь давления в трубопроводах) изменения давлений и температуры хладагента R22

Для того чтобы этот цикл мог осуществляться, требуется предусмотреть два других, совершенно необходимых устройства: во-первых, компрессор, позволяющий перейти от давления 2,9 бар в контуре низкого давления к 11,9 бар в контуре высокого давления, во-вторых, регулирующий вентиль, позволяющий перейти от давления 11,9 бар в контуре высокого давления к 2,9 бар в контуре низкого давления. Границы этих двух контуров уточнены на рис. 1.

Чтобы в деталях узнать принцип действия холодильной машины, проследим на рис. 1 путь хладагента, начиная с точки 1 перед компрессором.

Для того чтобы этот цикл мог осуществляться, требуется предусмотреть два других, совершенно необходимых устройства: во-первых, компрессор, позволяющий перейти от давления 2,9 бар в контуре низкого давления к 11,9 бар в контуре высокого давления, во-вторых, регулирующий вентиль, позволяющий перейти от давления 11,9 бар в контуре высокого давления к 2,9 бар в контуре низкого давления. Границы этих двух контуров уточнены на рис. 1.

Чтобы в деталях узнать принцип действия холодильной машины, проследим на рис. 1 путь хладагента, начиная с точки 1 перед компрессором.

Точка 1. Рис. 1 показывает, что в точке 1 хладагент является на 100% газообразным, его давление равно давлению в испарителе, или 2,9 бар (в действительности из-за потерь в трубопроводе давление немного ниже этого значения, но мы этого не будем принимать в расчет), и его температура равна 0 °С. Заметим, что на участке между точкой 10, которая отмечает выход из испарителя (следовательно, температура в ней равна -15 °С) и точкой 1 температура возросла на 0-(-15)=15 К. Это возрастание произошло из-за перегрева хладагента на участке между испарителем и компрессором. Перегрев происходит в два этапа. Между точкой 1 и точкой 11 легко представить себе часть трубопровода, идущего от выхода из испарителя до стенки камеры. Эта часть трубопровода находится, следовательно, в контакте с воздухом, имеющим температуру камеры, или -5 °С, который будет повышать на несколько кельвинов температуру хладагента, например от -15 °С до -9 °С. Заметим, что отрезок трубопровода 10-11 вносит вклад, хотя и небольшой, в производство холода, поскольку температура хладагента там возрастает.

Что касается отрезка трубопровода 11-1, расположенного за пределами охлаждаемой камеры, то воздух, с которым этот трубопровод контактирует, имеет, как правило, температуру окружающей среды и поступление тепла от окружающего воздуха к хладагенту будет более значительным, поскольку, с одной стороны, температура окружающего воздуха выше, и, с другой стороны, расстояние между точками 11 и 1 больше.

В нашем примере возрастание температуры между точками 11 и 1 равно 9 К, тогда температура хладагента в точке 1 непосредственно перед входом в компрессор равна -9+9=0 °С. Вполне естественно спросить, почему бы не изолировать отрезок трубопровода 11-1. Однако опыт показывает, что такая теплоизоляция не будет эффективной для трубопроводов малого диаметра, что имеет место в нашем примере. Поэтому трубопровод чаще всего не изолируют, кроме некоторых случаев, когда опасаются последствий конденсации влаги на его наружной поверхности.

Несмотря на возрастание температуры между точками 10 и 1, давление не изменяется (лишь немного уменьшается за счет потерь напора в трубопроводе).

Точка 2. Хладагент в ней находится в газообразном состоянии, его давление равно 11,9 бар и температура равна +68 °С. Следовательно, при прохождении через компрессор хладагент остается в газообразном состоянии, давление возрастает от 2,9 до 11,9 бар и температура изменяется от 0 до +68 °С. Согласно второму началу термодинамики переход хладагента с низкого уровня температуры (0 °С) на уровень повышенной температуры (+68 °С) может произойти только с помощью работы W, совершаемой компрессором. Однако это повышение температуры не является нашей целью, так как, прежде всего, нам нужно, чтобы компрессор поднял давление паров хладагента до такой величины (11,9 бар), чтобы их конденсация произошла при выбранной температуре (30 °С).

Точка 3. Можно утверждать, судя по рис. 1, что хладагент, не поступив еще в конденсатор, находится в газообразном состоянии. Между точками 2 и 3 хладагент движется по трубопроводу, находясь в контакте с окружающим воздухом, температура которого, допустим, +15 °С. Температура хладагента, следовательно, немного уменьшается в зависимости от перепада температур окружающей среды и хладагента, а также от длины трубопровода. В нашем примере падение температуры порядка 10 К, так что в точке 3 хладагент будет находиться при температуре 68-10=58 °С. Это падение температуры называется "начальным снятием перегрева", потому что оно сменится "дополнительным снятием перегрева", которое происходит внутри конденсатора между точками 3 и 4.

Точка 4. На первом участке конденсатора, т.е. между точками 3 и 4, хладагент уже начинает отдавать тепло охлаждающей среде (в примере на рис. 1 речь идет о воде), но конденсация, собственно говоря, еще не наступила. Между точками 3 и 4 теплообмен относительно велик, поскольку температура хладагента уменьшилась от +58 до +30 °С, давление остается равным 11,9 бар (без учета потерь напора). Полное охлаждение хладагента осуществляется между пунктами 2 и 4, где температура уменьшается от +68 °С на выходе из компрессора до +30 °С на входе в участок конденсатора, в котором, собственно, и происходит конденсация.

Точка 5. Она отмечает выход из той части конденсатора, в которой происходила собственно конденсация. Действительно, между точками 4 и 5 происходит конденсация хладагента при постоянной температуре 30 °С. Температура конденсации обычно обозначается tc, следовательно, имеем tc=+30 °C. Что касается соответствующего давления, мы уже видели, что оно равно 11,9 бар. Во время конденсации хладагент отдает охлаждающей среде количество тепла Qс, равное сумме количества тепла Q0, поглощенного в испарителе, и теплового эквивалента работы сжатия W (принцип эквивалентности применительно к холодильной машине). Получим отсюда

Qс= Q0+ W.

В точке 5 хладагент, отдав охлаждающей воде количество тепла Qс, переходит из 100%-го газообразного состояния в 100%-е жидкое. Постольку в ходе конденсации температура остается постоянной, то температура в точке 5 по-прежнему равна 30 °С и давление также остается постоянным (11,9 бар).

Точка 6. Она соответствует выходу из конденсатора, хотя между точками 5 и 6 конденсация хладагента больше не происходит. На самом деле этот третий участок конденсатора нужен для "начального переохлаждения" хладагента, которое позволяет увеличить производство холода. В примере, приведенном на рис. 1, переохлаждение на третьем участке конденсатора снижает температуру хладагента примерно на 7 К при сохранении давления постоянным. Следовательно, на выходе из конденсатора, т.е. в точке 6, хладагент полностью жидкий, его давление равно 11,9 бар и его температура равна 30-7=23 °С. Заметим, что если нужно получить более глубокое переохлаждение, то предусматривают после конденсатора или переохладитель, или теплообменник.

Точка 7. Хладагент поступает на вход регулирующего вентиля. Так как между точками 6 и 7 температура хладагента только на несколько Кельвинов выше температуры воздуха, в котором находится трубопровод, то температура хладагента снижается лишь ненамного, в нашем случае мы предположим, что на 3 К. Следовательно, в точке 7 температура хладагента равна 23-3=20 °С. По-прежнему пренебрегаем небольшим уменьшением давления за счет потерь напора на участке трубопровода 6-7, тогда давление в точке 7 равно 11,9 бар. Итак, можно сказать, что хладагент на участке между точками 6 и 7 переохладился на 10 К.

Точка 8. Мы уже говорили, что температура парообразования определяет давление парообразования. Поскольку оно равно в нашем частном случае 2,9 бар, то роль репетирующего вентиля заключается в обеспечении снижения давления хладагента с 11,9 бар в контуре высокого давления до 2,9 бар в контуре низкого давления. Это падение давления, или расширение, сопровождается частичным парообразованием жидкого хладагента, при этом тепло, необходимое для обеспечения этого парообразования, не поступает от внешней среды, а берется от самого хладагента. Это приводит к снижению его температуры. Вот почему в нашем примере прохождение хладагента через регулирующий вентиль приводит к двум следствиям:

  • прежде всего, падает его давление от 11,9 до 2,9 бар;
  • затем температура уменьшается от +20 до -15 °С.

Мы отметили на рис. 1, что на выходе из регулирующего вентиля хладагент представляет собой на 81% жидкость и на 19% газ. Эти значения, очевидно, различны для разных установок в зависимости от хладагента и т.д. Указанные выше проценты взяты с диаграммы энтальпия-давление рассматриваемого хладагента, в нашем случае с диаграммы для R22 (термодинамические диаграммы i-lgP - скачать файл zip (4 007 КБ)).

Точка 9. Регулирующий вентиль всегда находится непосредственно перед испарителем, длина трубопровода между точками 8 и 9 очень мала, отсюда следует, что в точке 9 давление и температура те же, что и в точке 8, а именно давление 2,9 бар и температура -15 °С. Что касается хладагента, его фазовый состав непосредственно перед входом в испаритель тот же самый: 81% жидкой и 19% газообразной фазы.

Точка 10. Между точками 9 и 10 мы имеем дело с испарителем: 81% хладагента, жидкого на входе в испаритель, полностью переходит в газообразное состояние, поглощая во время этого изменения количество тепла Q0, поступающее из камеры, поддерживаемой при температуре -5 °С. Между точками 9 и 10 давление остается постоянным и равным давлению испарения, обычно обозначаемому p0, равному, следовательно, в нашем примере 2,9 бар. Температура также остается постоянной, и, поскольку она обычно обозначается t0, получаем t0=-15 °С. На рис. 1 мы изобразили испаритель, охлаждающий воздух, но можно было бы также говорить об испарителе, охлаждающем жидкость. В этом случаю испаритель погружен в полость, содержащую охлаждаемую жидкость (например, молоко). В некоторых случаях испаритель может быть помещен в коаксиальную трубу большего диаметра, в которой протекает вода, рассол и т.д. Эти жидкости охлаждаются хладагентом и затем могут поступать, например, в батареи для охлаждения воздуха, расположенные достаточно далеко (это пример установок для кондиционирования воздуха).

Точка 11. Между точками 10 и 11 хладагент перегревается, о чем мы уже говорили, точно так же, как между точками 11 и 1. Когда хладагент придет в точку 1, он снова поступает в компрессор и цикл повторяется.

Примечание 1.

Численные значения для холодильной машины, работающей на R22 и изображенной на рис. 1 существенно упрошены для облегчения понимания принципа ее работы.

Примечание 2.

Для контура, который идет от регулирующего вентиля до компрессора через испаритель, используется название "контур низкого давления", потому что давление (2,9 бар) в нем ниже давления в контуре высокого давления (11,9 бар). На самом деле давление 2,9 бар не является таким уж низким по абсолютной величине и в нашем примере оно выше атмосферного давления. Это означает, что контур низкого давления находится при избыточном давлении, и он должен быть совершенно герметичным (очевидно, это относится и к контуру высокого давления) во избежание утечки хладагента из внутренних систем установки во внешнюю среду (атмосферу). Любая потеря хладагента не только уменьшает производительность установки, но, кроме того, если утечка значительна, может создать опасную атмосферу в помещении, где произошла утечка (в случае аммиака такая атмосфера взрывоопасна и уже через 30 минут не пригодна для дыхания), и, во всяком случае, приводит к недопустимому загрязнению окружающей среды. Отметим, что в некоторых установках давление в контуре низкого давления может быть ниже атмосферного. Если в нашем примере температура внутри камеры была бы не -5, а -25 °С, пришлось бы выбрать температуру парообразования, например, равную -50 °С, которой для R22 соответствует давление 0,64 бар. В этом случае в контуре низкого давления создается разрежение и его герметичность должна препятствовать проникновению воздуха, влага в котором разрушает контур, не говоря о множестве других неприятностей.

Примечание 3.

Холодильная машина может поставляться заводом в готовом к использованию виде: таков, например, оконный кондиционер. Однако часто заказывают отдельно, с одной стороны, компрессор и конденсатор (они составляют группу сжатие-конденсация) и, с другой стороны, один или несколько испарителей (вместе с регулирующими вентилями) - так поступают, например, в случае холодильных складов. Иногда все элементы заказываются отдельно, тогда искусство техника-холодильщика состоит в сборке этих элементов на месте с целью создания "холодильной установки" (в отличие от "холодильной машины"), при этом расчет установки, т.е. определение характеристик компрессора, конденсатора и т.д., расчет трубопроводов и других параметров входит в обязанности конструкторского бюро.

Источник: В. Мааке, Г.-Ю. Эккерт, Дан-Луи Кошпен/ ПОЛЬМАНН. Учебник по холодильной технике. ОСНОВЫ-КОМПЛЕКТУЮЩИЕ-РАСЧЕТЫ. Монтаж, эксплуатация и техническое обслуживание холодильных установок // Перевод с франц. под ред. д.т.н. В.Б. Сапожникова - М.: МГУ, 1998. - с. 211-216.





Приглашаем ученых и инженеров, аспирантов и студентов, а также,
заинтересованные институты, фирмы, организации и частных лиц, принять участие в размещении
информации в интернет-газете, посвященной холодильной и близкой ей тематике.

Учредитель и издатель интернет-газеты: ООО "АВИСАНКО" (Москва).
Адрес редакции: Россия, 115551, Москва, Шипиловский проезд, д.47/1, офис 67-А.
Тел./факс: +7 (495) 343-43-71, тел.: +7 (495) 343-43-48, 223-60-50 доб. 132.

Головной сайт: www.avisanco.ru

E-mail: info@holodilshchik.ru

Первый выпуск первой в России интернет-газеты по холодильной и
близкой ей тематике - "Холодильщик.RU" - вышел в свет в январе 2005 г.
Руководитель проекта и Главный редактор: Маргарян С.М. (АВИСАНКО, ООО)
За содержание рекламных материалов редакция ответственности не несет.
При перепечатке статей, ссылки на их авторов и интернет-газету обязательны.
Разместите на своем сайте нашу кнопку... Rambler's Top100 Многоязыковая поисковая система...


Авторские права © 2005-2017 // MARGARY@N

Партнеры: