0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Переохлаждение в конденсаторах с воздушным охлаждением

Принципы работы холодильной машины

Основные понятия, связанные с работой холодильной машины

Охлаждение в кондиционерах производится за счет поглощения тепла при кипении жидкости. Когда мы говорим о кипящей жидкости, мы, естественно, думаем, что она горячая. Однако это не совсем верно.

Во-первых, температура кипения жидкости зависит от давления окружающей среды. Чем выше давление, тем выше температура кипения, и наоборот: чем ниже давление, тем ниже температура кипения. При нормальном атмосферном давлении, равном 760 мм рт.ст. (1 атм), вода кипит при плюс 100°С, но если давление пониженное, как например в горах на высоте 7000-8000 м, вода начнет кипеть уже при температуре плюс 40-60°С.

Во-вторых, при одинаковых условиях разные жидкости имеют различные температуры кипения.

Например, фреон R-22, широко используемый в холодильной технике, при нормальном атмосферном давлении имеет температуру кипения минус 4°,8°С.

Если жидкий фреон находится в открытом сосуде, то есть при атмосферном давлении и температуре окружающей среды, то он немедленно вскипает, поглощая при этом большое количество тепла из окружающей среды или любого материала, с которым находится в контакте. В холодильной машине фреон кипит не в открытом сосуде, а в специальном теплообменнике, называемом испарителем. При этом кипящий в трубках испарителя фреон активно поглощает тепло от воздушного потока, омывающего наружную, как правило, оребренную поверхность трубок.

Рассмотрим процесс конденсации паров жидкости на примере фреона R-22. Температура конденсации паров фреона, так же, как и температура кипения, зависит от давления окружающей среды. Чем выше давление, тем выше температура конденсации. Так, например, конденсация паров фреона R-22 при давлении 23 атм начинается уже при температуре плюс 55°С. Процесс конденсации фреоновых паров, как и любой другой жидкости, сопровождается выделением большого количества тепла в окружающую среду или, применительно к холодильной машине, передачей этого тепла потоку воздуха или жидкости в специальном теплообменнике, называемом конденсатором.

Естественно, чтобы процесс кипения фреона в испарителе и охлаждения воздуха, а также процесс конденсации и отвод тепла в конденсаторе были непрерывными, необходимо постоянно “подливать” в испаритель жидкий фреон, а в конденсатор постоянно подавать пары фреона. Такой непрерывный процесс (цикл) осуществляется в холодильной машине.

Наиболее обширный класс холодильных машин базируется на компрессионном цикле охлаждения, основными конструктивными элементами которого являются компрессор, испаритель, конденсатор и регулятор потока (капиллярная трубка), соединенные трубопроводами и представляющие собой замкнутую систему, в которой циркуляцию хладагента (фреона) осуществляет компрессор. Кроме обеспечения циркуляции, компрессор поддерживает в конденсаторе (на линии нагнетания) высокое давление порядка 20-23 атм.

Теперь, когда рассмотрены основные понятия, связанные с работой холодильной машины, перейдем к более подробному рассмотрению схемы компрессионного цикла охлаждения, конструктивному исполнению и функциональному назначению отдельных узлов и элементов.

Схема компрессионного цикла охлаждения

Кондиционер – это та же холодильная машина, предназначенная для тепловлажностной обработки воздушного потока. Кроме того, кондиционер обладает существенно большими возможностями, более сложной конструкцией и многочисленными дополнительными опциями. Обработка воздуха предполагает придание ему определенных кондиций, таких как температура и влажность, а также направление движения и подвижность (скорость движения). Остановимся на принципе работы и физических процессах, происходящих в холодильной машине (кондиционере). Охлаждение в кондиционере обеспечивается непрерывной циркуляцией, кипением и конденсацией хладагента в замкнутой системе. Кипение хладагента происходит при низком давлении и низкой температуре, а конденсация – при высоком давлении и высокой температуре. Принципиальная схема компрессионного цикла охлаждения показана на рис. 1.

Начнем рассмотрение работы цикла с выхода испарителя (участок 1-1). Здесь хладагент находится в парообразном состоянии с низким давлением и температурой.

Парообразный хладагент всасывается компрессором, который повышает его давление до 15-25 атм и температуру до плюс 70-90°С (участок 2-2).

Далее в конденсаторе горячий парообразный хладагент охлаждается и конденсируется, то есть переходит в жидкую фазу. Конденсатор может быть либо с воздушным, либо с водяным охлаждением в зависимости от типа холодильной системы.

На выходе из конденсатора (точка 3) хладагент находится в жидком состоянии при высоком давлении. Размеры конденсатора выбираются таким образом, чтобы газ полностью сконденсировался внутри конденсатора. Поэтому температура жидкости на выходе из конденсатора оказывается несколько ниже температуры конденсации. Переохлаждение в конденсаторах с воздушным охлаждением обычно составляет примерно плюс 4-7°С.

При этом температура конденсации примерно на 10-20°С выше температуры атмосферного воздуха.

Затем хладагент в жидкой фазе при высокой температуре и давлении поступает в регулятор потока, где давление смеси резко уменьшается, часть жидкости при этом может испариться, переходя в парообразную фазу. Таким образом, в испаритель попадает смесь пара и жидкости (точка 4).

Жидкость кипит в испарителе, отбирая тепло от окружающего воздуха, и вновь переходит в парообразное состояние.

Размеры испарителя выбираются таким образом, чтобы жидкость полностью испарилась внутри испарителя. Поэтому температура пара на выходе из испарителя оказывается выше температуры кипения, происходит так называемый перегрев хладагента в испарителе. В этом случае даже самые маленькие капельки хладагента испаряются и в компрессор не попадает жидкость. Следует отметить, что в случае попадания жидкого хладагента в компрессор, так называемого “гидравлического удара”, возможны повреждения и поломки клапанов и других деталей компрессора.

Перегретый пар выходит из испарителя (точка 1), и цикл возобновляется.

Таким образом, хладагент постоянно циркулирует по замкнутому контуру, меняя свое агрегатное состояние с жидкого на парообразное и наоборот.

Все компрессионные циклы холодильных машин включают два определенных уровня давления. Граница между ними проходит через нагнетательный клапан на выходе компрессора с одной стороны и выход из регулятора потока (из капиллярной трубки) с другой стороны.

Нагнетательный клапан компрессора и выходное отверстие регулятора потока являются разделительными точками между сторонами высокого и низкого давлений в холодильной машине.

На стороне высокого давления находятся все элементы, работающие при давлении конденсации.

На стороне низкого давления находятся все элементы, работающие при давлении испарения.

Несмотря на то, что существует много типов компрессионных холодильных машин, принципиальная схема цикла в них практически одинакова.

Теоретический и реальный цикл охлаждения.

Цикл охлаждения можно представить графически в виде диаграммы зависимости абсолютного давления и теплосодержания (энтальпии). На диаграмме (рис. 2) представлена характерная кривая отображающая процесс насыщения хладагента.

Левая часть кривой соответствует состоянию насыщенной жидкости, правая часть – состоянию насыщенного пара. Две кривые соединяются в центре в так называемой “критической точке”, где хладагент может находиться как в жидком, так и в парообразном состоянии. Зоны слева и справа от кривой соответствуют переохлажденной жидкости и перегретому пару. Внутри кривой линии помещается зона, соответствующая состоянию смеси жидкости и пара.

Рассмотрим схему теоретического (идеального) цикла охлаждения с тем, чтобы лучше понять действующие факторы (рис. 3).

Рассмотрим наиболее характерные процессы, происходящие в компрессионном цикле охлаждения.

Сжатие пара в компрессоре.

Холодный парообразный насыщенный хладагент поступает в компрессор (точка С`). В процессе сжатия повышаются его давление и температура (точка D). Теплосодержание также повышается на величину, определяемую отрезком НС`-HD, то есть проекцией линии C`-D на горизонтальную ось.

Конденсация.

В конце цикла сжатия (точка D) горячий пар поступает в конденсатор, где начинается его конденсация и переход из состояния горячего пара в состояние горячей жидкости. Этот переход в новое состояние происходит при неизменных давлении и температуре. Следует отметить, что, хотя температура смеси остается практически неизменной, теплосодержание уменьшается за счет отвода тепла от конденсатора и превращения пара в жидкость, поэтому он отображается на диаграмме в виде прямой, параллельной горизонтальной оси.

Процесс в конденсаторе происходит в три стадии: снятие перегрева ( D-E ), собственно конденсация (Е-А) и переохлаждение жидкости (А-А`).

Рассмотрим кратко каждый этап.

Снятие перегрева ( D-E ).

Это первая фаза, происходящая в конденсаторе, и в течение ее температура охлаждаемого пара снижается до температуры насыщения или конденсации. На этом этапе происходит лишь отъем излишнего тепла и не происходит изменение агрегатного состояния хладагента.

Читать еще:  Некоммерческие организации зарегистрированные в минюсте

На этом участке снимается примерно 10-20% общего теплосъема в конденсаторе.

Конденсация (Е-А).

Температура конденсации охлаждаемого пара и образующейся жидкости сохраняется постоянной на протяжении всей этой фазы. Происходит изменение агрегатного состояния хладагента с переходом насыщенного пара в состояние насыщенной жидкости. На этом участке снимается 60-80% теплосъема.

Переохлаждение жидкости (А-А`).

На этой фазе хладагент, находящийся в жидком состоянии, подвергается дальнейшему охлаждению, в результате чего его температура понижается. Получается переохлажденная жидкость (по отношению к состоянию насыщенной жидкости) без изменения агрегатного состояния.

Переохлаждение хладагента дает значительные энергетические преимущества: при нормальном функционировании понижение температуры хладагента на один градус соответствует повышению мощности холодильной машины примерно на 1% при том же уровне энергопотребления.

Количество тепла, выделяемого в конденсаторе.

Участок D-A` соответствует изменению теплосодержания хладагента в конденсаторе и характеризует количество тепла, выделяемого в конденсаторе.

Регулятор потока (А`-B).

Переохлажденная жидкость с параметрами в точке А` поступает на регулятор потока (капиллярную трубку или терморегулирующий расширительный клапан), где происходит резкое снижение давления. Если давление за регулятором потока становится достаточно низким, то кипение хладагента может происходить непосредственно за регулятором, достигая параметров точки В.

Испарение жидкости в испарителе (В-C).

Смесь жидкости и пара (точка В) поступает в испаритель, где она поглощает тепло от окружающей среды (потока воздуха) и переходит полностью в парообразное состояние (точка С). Процесс идет при постоянной температуре, но с увеличением теплосодержания.

Как уже говорилось выше, парообразный хладагент несколько перегревается на выходе испарителя. Главная задача фазы перегрева (С-С`) – обеспечение полного испарения остающихся капель жидкости, чтобы в компрессор поступал только парообразный хладагент. Для этого требуется повышение площади теплообменной поверхности испарителя на 2-3% на каждые 0,5°С перегрева. Поскольку обычно перегрев соответствуют 5-8°С, то увеличение площади поверхности испарителя может составлять около 20%, что безусловно оправдано, так как увеличивает эффективность охлаждения.

Количество тепла, поглощаемого испарителем.

Участок HB-НС` соответствует изменению теплосодержания хладагента в испарителе и характеризует количество тепла, поглощаемого испарителем.

Реальный цикл охлаждения.

В действительности в результате потерь давления, возникающих на линии всасывания и нагнетания, а также в клапанах компрессора, цикл охлаждения отображается на диаграмме несколько иным образом (рис. 4).

Из-за потерь давления на входе (участок C`-L) компрессор должен производить всасывание при давлении ниже давления испарения.

С другой стороны, из-за потерь давления на выходе (участок М-D`), компрессор должен сжимать парообразный хладагент до давлений выше давления конденсации.

Необходимость компенсации потерь увеличивает работу сжатия и снижает эффективность цикла.

Помимо потерь давления в трубопроводах и клапанах, на отклонение реального цикла от теоретического влияют также потери в процессе сжатия.

Во-первых, процесс сжатия в компрессоре отличается от адиабатического, поэтому реальная работа сжатия оказывается выше теоретической, что также ведет к энергетическим потерям.

Во-вторых, в компрессоре имеются чисто механические потери, приводящие к увеличению потребной мощности электродвигателя компрессора и увеличению работы сжатия.

В третьих, из-за того, что давление в цилиндре компрессора в конце цикла всасывания всегда ниже давления пара перед компрессором (давления испарения), также уменьшается производительность компрессора. Кроме того, в компрессоре всегда имеется объем, не участвующий в процессе сжатия, например, объем под головкой цилиндра.

Оценка эффективности цикла охлаждения

Эффективность цикла охлаждения обычно оценивается коэффициентом полезного действия или коэффициентом термической (термодинамической) эффективности.

Коэффициент эффективности может быть вычислен как соотношение изменения теплосодержания хладагента в испарителе (НС-НВ) к изменению теплосодержания хладагента в процессе сжатия (НD-НС).

Фактически он представляет собой соотношение холодильной мощности и электрической мощности, потребляемой компрессором.

Причем он не является показателем производительности холодильной машины, а представляет собой сравнительный параметр при оценке эффективности процесса передачи энергии. Так, например, если холодильная машина имеет коэффициент термической эффективности, равный 2,5, то это означает, что на каждую единицу электроэнергии, потребляемую холодильной машиной, производится 2,5 единицы холода.

ХОЛОДИЛЬНЫЕ (РЕФРИЖЕРАТОРНЫЕ) УСТАНОВКИ НА СУДНЕ. ЧАСТЬ ПЕРВАЯ: КОНДЕНСАТОР.

Посвящается нашему преподавателю судового электрооборудования и средств автоматики:
КОМАРОВОЙ Инессе Петровне.

Каждая холодильная (рефрижераторная) установка содержит четыре основных компонента, такие как: КОНДЕНСАТОР, ТРВ, ИСПАРИТЕЛЬ и КОМПРЕССОР.

В этой статье поговорим о работе КОНДЕНСАТОРА на примере самого обычного конденсатора с воздушным охлаждением. На моем судне конденсаторы охлаждаются забортной водой.

Давайте посмотрим на рисунок ниже:

На нем изображен конденсатор с воздушным охлаждением при нормальной работе в РАЗРЕЗЕ. Допустим, что в системе используется хладагент марки R22.

Точка А: Пары хладагента на выходе из компрессора, перегретые до температуры около 70 градусов Цельсия, покидают нагнетающий патрубок компрессора и попадают в КОНДЕНСАТОР при давлении около 14 бар.

Линия А — В: Перегрев паров снижается при постоянном давлении, так как конденсатор охлаждается воздушным вентилятором.

Точка В: В этой точке появляются первые капли жидкости хладагента R22, так как температура паров упала до около 38 градусов, а давление по прежнему около 14 бар. Так как температура упала, то уменьшилась внутренняя сила Fi (читайте об этом в статье: https://telegra.ph/refrigeration-06-13), что приведет к началу конденсации жидкости.

Линия В — С: Молекулы паров хладагента продолжают конденсироваться. Появляется все больше и больше жидкости, а паров остается все меньше и меньше.

Давление и температура остаются постоянными (14 бар и 38 градусов) в соответствии с соотношением “давление — температура” для R22.

Точка С: Последние молекулы паров хладагента конденсируются при температуре 38 градусов, кроме жидкости в контуре теперь ничего нет. Давление и температура остаются постоянными, составляя около 38 градусов и 14 бар соответственно.

Линия С — D: Весь хладагент СКОНДЕНСИРОВАЛСЯ, и жидкость под действием воздуха от вентилятора ПРОДОЛЖАЕТ охлаждаться.

Точка D: Хладагент R22 на выходе из конденсатора ТОЛЬКО В ЖИДКОЙ фазе, давление по прежнему около 14 бар, НО температура жидкости понизилась примерно до 32 градусов Цельсия.

Изменение фазового состояния хладагента в конденсаторе можно представить следующим образом (см. рис. ниже):

От А до В — Снижение перегрева паров хладагента от 70 до 38 градусов Цельсия (зона А-В является зоной снятия перегрева в конденсаторе).

В точке В — Появляются первые капли жидкости хладагента.

От В до С — Конденсация хладагента при 38 градусах Цельсия и 14 барах (зона В-С является зоной конденсации в конденсаторе).

В точке С — Сконденсировалась последняя молекула пара хладагента.

От С до D — Переохлаждение жидкого хладагента от 38 до 32 градусов Цельсия (зона C-D является зоной переохлаждения жидкого хладагента в конденсаторе).

В течение всего этого процесса давление остается постоянным и равным показанию манометра (в нашем случае 14 бар).

Рассмотрим теперь как ведет себя при этом охлаждающий воздух (см. рис. ниже):

Наружный воздух, который охлаждает конденсатор, поступает на вход с температурой 25 градусов Цельсия, а затем нагревается до 31 градуса, отбирая тепло, выделяемое хладагентом.

Мы можем представить изменения температуры охлаждающего воздуха при его прохождении через конденсатор и температуру конденсатора в виде графика на рисунке ниже:

tae — температура воздуха на входе в конденсатора (25 градусов).

tas — температура воздуха на выходе из конденсатора (31 градус).

tk — температура конденсации по манометру ВД (38 градусов).

В общем случае в конденсаторах с воздушным охлаждением перепад температур воздуха ( tae — tas) имеет значением от 5 до 10 Кельвин, в нашем примере 6 К.

Значение разности между температурой конденсации tk и температурой воздуха на выходе из конденсатора также имеет порядок от 5 до 10 Кельвин, в нашем примере 7 К.

Таким образом полный температурный напор (tk — tae) может составлять от 10 до 20 К, как правило это значение ближе к среднему в 15 К (в нашем примере 13 К).

Понятие полного температурного напора ОЧЕНЬ важно, так как для данного конденсатора эта величина остается почти ПОСТОЯННОЙ.

Читать еще:  Высказывания о женской душе

Например, если температура наружного воздуха на входе в конденсатор повысится до 30 градусов, то температура конденсации tk теперь будет равна:

tae + темп.напор = 30 + 13 = 43 градуса Цельсия.

Что будет соответствовать показанию манометра ВД около 15,5 бар для R22.

Одно из наиболее важных характеристик при работе холодильного контура является степень переохлаждения жидкости на выходе из конденсатора.

Переохлаждением обычно называется РАЗНОСТЬ между температурой конденсации жидкости при данном давлении и температурой самой жидкости при этом же давлении.

Например, температура конденсации питьевой воды при атмосферном давлении равна 100 градусов Цельсия. Следовательно, когда Вы выпиваете стакан воды, имеющий комнатную температуру в 20 градусов, то с позиции теплофизики Вы пьете воду, ПЕРЕОХЛАЖДЕННУЮ на 80 Кельвин.

В конденсаторе переохлаждение определяется как:

Разность между температурой конденсации (считывается по манометру ВД) и температурой жидкости, измеряемой на выходе из конденсатора.

В нашем примере переохлаждение в конденсаторе равно:
П/О = 38–32 = 6 К.

Нормальная величина переохлаждения хладагента в конденсаторе с воздушным охлаждением находится, как правило, в диапазоне от 4 до 7 Кельвин.

Для нашего судового конденсатора, как мне сказали сервисные рефщики, обслуживавшие наши установки в порту, нормальная величина переохлаждения находится в диапазоне от 6 до 10 Кельвин. Однако, после замены масляных фильтров, масла в компрессоре и добавки фреона, они даже не удосужились измерить величину переохлаждения. Что наталкивает меня на мысль об их рукожопстве, если честно. Посмотрим, как это скажется во время эксплуатации в рейсе. Однако, я, для начала, хочу найти реально документированную цифру для нашего конденсатора.

Что же, теперь стоит отметить, что когда величина переохлаждения выходит за пределы обычного диапазона температур, то это часто указывает на АНОМАЛЬНОЕ течение рабочего процесса.

Тем не менее, измерение величины переохлаждения может позволить получить относительно точную картину поведения хладагента внутри контура установки.

Давайте кратко рассмотрим, что же происходит, если величина переохлаждения выходит за пределы нормального диапазона на примере все того же конденсатора с воздушным охлаждением.

А) ПОНИЖЕННОЕ ПЕРЕОХЛАЖДЕНИЕ.

При пониженной величине переохлаждения температура жидкого хладагента на выходе из конденсатора ВЫШЕ, в нашем примере, допустим, она стала 35 градусов Цельсия вместо нормальных 32 градусов. Переохлаждение равно 38–35 = 3 Кельвина, что ниже нормального диапазона в 4–7 Кельвина.

Когда холодильный контур работает нормально, последние молекулы пара должны конденсироваться в точке С. Далее жидкость продолжает охлаждаться и трубопровод по всей длине зоны С — D заполняется ЖИДКОЙ фазой хладагента, что позволяет добиваться нормальной величины переохлаждения, например, в 6 К.

В случае нехватки хладагента в конденсаторе, зона C — D залита жидкостью НЕ ПОЛНОСТЬЮ. Имеется только небольшой участок зоны E — D. И его длины НЕДОСТАТОЧНО, чтобы обеспечить нормальное переохлаждение!

В результате, при измерении переохлаждения в точке D термометром, Вы обязательно получите его значение ниже нормального, в нашем примере всего 3 К. И чем меньше будет хладагента в контуре холодильной установки, тем меньше будет его жидкой фазы на выходе из конденсатора. И тем меньше будет его степень переохлаждения.

Таким образом, недостаточная заправка хладагента всегда приводит к уменьшению переохлаждения.

Перейдем теперь к рассмотрению противоположного явления, то есть слишком большого переохлаждения.

Б) ПОВЫШЕННОЕ ПЕРЕОХЛАЖДЕНИЕ.

Выше мы уже убедились, что недостаток хладагента в контуре приводит к уменьшению переохлаждения. С другой стороны, чрезмерное количество хладагента в холодильном контуре приведет к тому, что он будет накапливаться в нижней части конденсатора.

В этом случае длина зоны конденсатора, полностью залитая жидкостью, увеличивается (см. рис. ниже):

И может занимать весь участок E — D. Количество жидкости, находящееся в контакте с охлаждающим воздухом, возрастает (увеличивается длина трубопровода с жидкой фазой — зона переохлаждения). И величина переохлаждения, следовательно, тоже становится больше. В нашем примере П/О = 9 Кельвин.

Итак, сегодня мы сделали очередной вывод, что слишком малое переохлаждение свидетельствует о недостатке хладагента в конденсаторе, а значит и в холодильном контуре в целом. Повышенное переохлаждение, наоборот, указывает на избыток хладагента в конденсаторе.

В заключение хочется отметить для Вас, друзья, что измерения величины переохлаждения являются повсеместно идеальными для диагностики процесса функционирования холодильных установок.

И сегодня на этом у меня все, продолжение обязательно будет в ближайшее время. Я с Вами не прощаюсь, а говорю Вам: до новых встреч! А также напоминаю, что все статьи будут публиковаться на моем TELEGRAM канале, ссылку на который Вы увидите ниже:

Меня зовут Алишер, и я — не судовод!

Принципы работы холодильной машины

Охлаждение в кондиционерах производится за счет поглощения тепла при кипении жидкости. Когда мы говорим о кипящей жидкости, мы, естественно, думаем, что она горячая. Однако это не совсем верно.

Во-первых, температура кипения жидкости зависит от давления окружающей среды. Чем выше давление, тем выше температура кипения, и наоборот: чем ниже давление, тем ниже температура кипения. При нормальном атмосферном давлении, равном 760 мм рт.ст. (1 атм), вода кипит при плюс 100°С, но если давление пониженное, как например в горах на высоте 7000-8000 м, вода начнет кипеть уже при температуре плюс 40-60°С.

Во-вторых, при одинаковых условиях разные жидкости имеют различные температуры кипения.

Например, фреон R-22, широко используемый в холодильной технике, при нормальном атмосферном давлении имеет температуру кипения минус 4°,8°С.

Если жидкий фреон находится в открытом сосуде, то есть при атмосферном давлении и температуре окружающей среды, то он немедленно вскипает, поглощая при этом большое количество тепла из окружающей среды или любого материала, с которым находится в контакте. В холодильной машине фреон кипит не в открытом сосуде, а в специальном теплообменнике, называемом испарителем. При этом кипящий в трубках испарителя фреон активно поглощает тепло от воздушного потока, омывающего наружную, как правило, оребренную поверхность трубок.

Рассмотрим процесс конденсации паров жидкости на примере фреона R-22. Температура конденсации паров фреона, так же, как и температура кипения, зависит от давления окружающей среды. Чем выше давление, тем выше температура конденсации. Так, например, конденсация паров фреона R-22 при давлении 23 атм начинается уже при температуре плюс 55°С. Процесс конденсации фреоновых паров, как и любой другой жидкости, сопровождается выделением большого количества тепла в окружающую среду или, применительно к холодильной машине, передачей этого тепла потоку воздуха или жидкости в специальном теплообменнике, называемом конденсатором.

Естественно, чтобы процесс кипения фреона в испарителе и охлаждения воздуха, а также процесс конденсации и отвод тепла в конденсаторе были непрерывными, необходимо постоянно «подливать» в испаритель жидкий фреон, а в конденсатор постоянно подавать пары фреона. Такой непрерывный процесс (цикл) осуществляется в холодильной машине.

Наиболее обширный класс холодильных машин базируется на компрессионном цикле охлаждения, основными конструктивными элементами которого являются компрессор, испаритель, конденсатор и регулятор потока (капиллярная трубка), соединенные трубопроводами и представляющие собой замкнутую систему, в которой циркуляцию хладагента (фреона) осуществляет компрессор. Кроме обеспечения циркуляции, компрессор поддерживает в конденсаторе (на линии нагнетания) высокое давление порядка 20-23 атм.

Теперь, когда рассмотрены основные понятия, связанные с работой холодильной машины, перейдем к более подробному рассмотрению схемы компрессионного цикла охлаждения, конструктивному исполнению и функциональному назначению отдельных узлов и элементов.

Схема компрессионного цикла охлаждения

Кондиционер — это та же холодильная машина, предназначенная для тепловлажностной обработки воздушного потока. Кроме того, кондиционер обладает существенно большими возможностями, более сложной конструкцией и многочисленными дополнительными опциями. Обработка воздуха предполагает придание ему определенных кондиций, таких как температура и влажность, а также направление движения и подвижность (скорость движения). Остановимся на принципе работы и физических процессах, происходящих в холодильной машине (кондиционере). Охлаждение в кондиционере обеспечивается непрерывной циркуляцией, кипением и конденсацией хладагента в замкнутой системе. Кипение хладагента происходит при низком давлении и низкой температуре, а конденсация — при высоком давлении и высокой температуре. Принципиальная схема компрессионного цикла охлаждения показана на рис. 1.

Начнем рассмотрение работы цикла с выхода испарителя (участок 1-1). Здесь хладагент находится в парообразном состоянии с низким давлением и температурой.

Читать еще:  Плавание с грудничком в ванне

Парообразный хладагент всасывается компрессором, который повышает его давление до 15-25 атм и температуру до плюс 70-90°С (участок 2-2).

Далее в конденсаторе горячий парообразный хладагент охлаждается и конденсируется, то есть переходит в жидкую фазу. Конденсатор может быть либо с воздушным, либо с водяным охлаждением в зависимости от типа холодильной системы.

На выходе из конденсатора (точка 3) хладагент находится в жидком состоянии при высоком давлении. Размеры конденсатора выбираются таким образом, чтобы газ полностью сконденсировался внутри конденсатора. Поэтому температура жидкости на выходе из конденсатора оказывается несколько ниже температуры конденсации. Переохлаждение в конденсаторах с воздушным охлаждением обычно составляет примерно плюс 4-7°С.

При этом температура конденсации примерно на 10-20°С выше температуры атмосферного воздуха.

Затем хладагент в жидкой фазе при высокой температуре и давлении поступает в регулятор потока, где давление смеси резко уменьшается, часть жидкости при этом может испариться, переходя в парообразную фазу. Таким образом, в испаритель попадает смесь пара и жидкости (точка 4).

Жидкость кипит в испарителе, отбирая тепло от окружающего воздуха, и вновь переходит в парообразное состояние.

Размеры испарителя выбираются таким образом, чтобы жидкость полностью испарилась внутри испарителя. Поэтому температура пара на выходе из испарителя оказывается выше температуры кипения, происходит так называемый перегрев хладагента в испарителе. В этом случае даже самые маленькие капельки хладагента испаряются и в компрессор не попадает жидкость. Следует отметить, что в случае попадания жидкого хладагента в компрессор, так называемого «гидравлического удара», возможны повреждения и поломки клапанов и других деталей компрессора.

Перегретый пар выходит из испарителя (точка 1), и цикл возобновляется.

Таким образом, хладагент постоянно циркулирует по замкнутому контуру, меняя свое агрегатное состояние с жидкого на парообразное и наоборот.

Все компрессионные циклы холодильных машин включают два определенных уровня давления. Граница между ними проходит через нагнетательный клапан на выходе компрессора с одной стороны и выход из регулятора потока (из капиллярной трубки) с другой стороны.

Нагнетательный клапан компрессора и выходное отверстие регулятора потока являются разделительными точками между сторонами высокого и низкого давлений в холодильной машине.

На стороне высокого давления находятся все элементы, работающие при давлении конденсации.

На стороне низкого давления находятся все элементы, работающие при давлении испарения.

Несмотря на то, что существует много типов компрессионных холодильных машин, принципиальная схема цикла в них практически одинакова.

Теоретический и реальный цикл охлаждения

Цикл охлаждения можно представить графически в виде диаграммы зависимости абсолютного давления и теплосодержания (энтальпии). На диаграмме (рис. 2) представлена характерная кривая отображающая процесс насыщения хладагента.

Левая часть кривой соответствует состоянию насыщенной жидкости, правая часть — состоянию насыщенного пара. Две кривые соединяются в центре в так называемой «критической точке», где хладагент может находиться как в жидком, так и в парообразном состоянии. Зоны слева и справа от кривой соответствуют переохлажденной жидкости и перегретому пару. Внутри кривой линии помещается зона, соответствующая состоянию смеси жидкости и пара.

Рассмотрим схему теоретического (идеального) цикла охлаждения с тем, чтобы лучше понять действующие факторы (рис. 3).

Рассмотрим наиболее характерные процессы, происходящие в компрессионном цикле охлаждения.

Сжатие пара в компрессоре

Холодный парообразный насыщенный хладагент поступает в компрессор (точка С`). В процессе сжатия повышаются его давление и температура (точка D). Теплосодержание также повышается на величину, определяемую отрезком НС`-HD, то есть проекцией линии C`-D на горизонтальную ось.

Конденсация

В конце цикла сжатия (точка D) горячий пар поступает в конденсатор, где начинается его конденсация и переход из состояния горячего пара в состояние горячей жидкости. Этот переход в новое состояние происходит при неизменных давлении и температуре. Следует отметить, что, хотя температура смеси остается практически неизменной, теплосодержание уменьшается за счет отвода тепла от конденсатора и превращения пара в жидкость, поэтому он отображается на диаграмме в виде прямой, параллельной горизонтальной оси.

Риc. 2. Диаграмма давления и теплосодержания

Тепловой баланс конденсатора и переохлаждение конденсата

Тепловой баланс поверхностного конденсатора имеет следующее выражение:

где hк — энтальпия пара, поступающего в конденсатор, кДж/кг; hк 1 =свtк — энтальпия конденсата; св=4,19 кДж/(кг× 0 С) – теплоемкость воды; W– расход охлаждающей воды, кг/с; t, t — температура охлаждающей воды на входе и выходе из конденсатора. Расход конденсируемого пара Gк, кг/с и энтальпия hк известны из расчета паровой турбины. Температура конденсата на выходе из конденсатора принимается равной температуре насыщения пара tп, соответствующей его давлению рк с учетом переохлаждения конденсата Dtк: tк= tпDtк.

Переохлаждение конденсата (разность между температурой насыщения пара при давлении в горловине конденсатора и температурой конденсата во всасывающем патрубке конденсатного насоса) является следствием понижения парциального давления и температуры насыщенного пара из-за наличия воздуха и парового сопротивления конденсатора (рис.17.3).

Рис.17.3. Изменение параметров паровоздушной смеси в конденсаторе: а – изменение парциального давления пара pп и давления в конденсаторе pк; б – изменение температуры пара tп и относительного содержания воздуха ε

Применяя закон Дальтона к движущейся в конденсаторе паровоздушной среде, имеем: ркпв, где рп и рв – парциальные давления пара и воздуха в смеси. Зависимость парциального давления пара от давления в конденсаторе и относительного содержания воздуха e=Gв/Gк имеет вид:

(17.2)

При входе в конденсатор относительное содержание воздуха мало и рп»рк. По мере конденсации пара значение e растет и парциальное давление пара падает. В нижней части парциальное давление воздуха наиболее значимо, т.к. оно повышается из-за роста плотности воздуха и значения e. Это приводит к снижению температуры пара и конденсата. Кроме того, имеет место паровое сопротивление конденсатора, определяемое разностью

Обычно Dрк=270-410 Па (определяется эмпирически).

В конденсатор, как правило, поступает влажный пар, температура конденсации которого однозначно определяется парциальным давлением пара: меньшему парциальному давлению пара соответствует меньшая температура насыщения. На рис.17.3, б показаны графики изменения температуры пара tп и относительного содержания воздуха ε в конденсаторе. Таким образом, по мере движения паровоздушной смеси к месту отсоса и конденсации пара температура пара в конденсаторе уменьшается, так как снижается парциальное давление насыщенного пара. Это происходит из-за присутствия воздуха и возрастания его относительного содержания в паровоздушной смеси, а также наличия парового сопротивления конденсатора и снижения общего давления паровоздушной смеси.

В таких условиях формируется переохлаждение конденсата Dtк=tп-tк, которое приводит к потере теплоты с охлаждающей водой и необходимости в дополнительном подогреве конденсата в регенеративной системе турбоустановки. Кроме того – сопровождается возрастанием количества растворенного в конденсате кислорода, вызывающего коррозию трубной системы регенеративного подогрева питательной воды котла.

Переохлаждение может достигать 2-3 0 С. Средством борьбы с ним является установка воздухоохладителей в трубном пучке конденсатора, из которых отсасывается паровоздушная смесь в эжекторные установки. В современных ПТУ переохлаждение допускается не более 1 0 С. Правила технической эксплуатации строго предписывают допустимые присосы воздуха в турбоустановку, которые должны быть меньше 1%. Например, для турбин мощностью NЭ=300 МВт присосы воздуха должны быть не более 30 кг/час, а NЭ=800 МВт – не более 60 кг/час. Современные конденсаторы, обладающие минимальным паровым сопротивлением и рациональной компоновкой трубного пучка, в номинальном режиме эксплуатации турбоустановки практически не имеют переохлаждения.

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Папиллярные узоры пальцев рук — маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector