Парокомпрессионное охлаждение

Парокомпрессионная холодильная или парокомпрессионная холодильная система ( VCRS ) ^[1], в которой хладагент претерпевает фазовые изменения , является одним из многих холодильных циклов и наиболее широко используемым методом кондиционирования воздуха в зданиях и автомобилях. Он также используется в бытовых и коммерческих холодильниках, крупных складах для охлажденных или замороженных продуктов и мяса, в грузовых автомобилях-рефрижераторах и железнодорожных вагонах, а также во множестве других коммерческих и промышленных услуг. Нефтеперерабатывающие , нефтехимические и химические заводы, а такжеЗаводы по переработке природного газа относятся к числу многих типов промышленных предприятий, которые часто используют большие парокомпрессионные холодильные системы. Каскадные холодильные системы также могут быть реализованы с использованием 2 компрессоров.

Охлаждение можно определить как снижение температуры замкнутого пространства за счет отвода тепла из этого помещения и передачи его в другое место. Устройство, которое выполняет эту функцию, также может называться кондиционером , холодильником , тепловым насосом с источником воздуха , геотермальным тепловым насосом или чиллером ( тепловым насосом ).

Описание парокомпрессионной холодильной системы [ править ]

Рисунок 1: Парокомпрессионное охлаждение

Компрессия пара использует циркулирующий жидкий хладагент в качестве среды, которая поглощает и отводит тепло из охлаждаемого пространства, а затем отбрасывает это тепло в другом месте. На рисунке 1 изображена типичная одноступенчатая парокомпрессионная система. Все такие системы состоят из четырех компонентов: компрессора , конденсатора , теплового расширительного клапана (также называемого дроссельной заслонкой или дозирующим устройством) и испарителя. Циркулирующий хладагент входит в компрессор в термодинамическом состоянии, известном как насыщенный пар ^[2]и сжимается до более высокого давления, что также приводит к более высокой температуре. Горячий сжатый пар находится в термодинамическом состоянии, известном как перегретый пар, и имеет температуру и давление, при которых он может конденсироваться либо охлаждающей водой, либо охлаждающим воздухом, текущим через змеевик или трубы. Здесь циркулирующий хладагент отводит тепло от системы, а отводимое тепло уносится либо водой, либо воздухом (в зависимости от того, что может быть).

Конденсированный жидкий хладагент в термодинамическом состоянии, известном как насыщенная жидкость , затем направляется через расширительный клапан, где он подвергается резкому снижению давления. Это снижение давления приводит к адиабатическому мгновенному испарению части жидкого хладагента. Эффект автоохлаждения адиабатического мгновенного испарения снижает температуру смеси жидкого и парообразного хладагента до уровня, который ниже температуры замкнутого пространства, подлежащего охлаждению.

Затем холодная смесь проходит через змеевик или трубы испарителя. Вентилятор обеспечивает циркуляцию теплого воздуха в замкнутом пространстве по змеевику или трубам, по которым проходит смесь холодного хладагента и пара. Этот теплый воздух испаряет жидкую часть холодной смеси хладагентов. В то же время циркулирующий воздух охлаждается и, таким образом, снижает температуру замкнутого пространства до желаемой температуры. Испаритель - это место, где циркулирующий хладагент поглощает и отводит тепло, которое впоследствии отводится в конденсаторе и переносится в другое место водой или воздухом, используемыми в конденсаторе.

Для завершения цикла охлаждения пар хладагента из испарителя снова является насыщенным паром и направляется обратно в компрессор. Со временем испаритель может собирать лед или воду из-за влажности окружающей среды . Лед тает путем размораживания . Затем вода из растаявшего льда или испарителя капает в поддон, и вода уносится самотеком или насосом.

Хладагенты [ править ]

Выбор из рабочей среды оказывает существенное влияние на производительности циклов охлаждения и , как таковые , он играет ключевую роль , когда речь идет о проектировании или просто выбрать идеальную машину для выполнения определенной задачи. Один из самых распространенных хладагентов - « Фреон ». Фреон - это торговое название семейства галогеналкановых хладагентов, производимых DuPont и другими компаниями. Эти хладагенты широко использовались из-за их превосходной стабильности и свойств безопасности: они не горючие при комнатной температуре и атмосферном давлении и не были явно токсичными, как жидкости, которые они заменяли, такие как диоксид серы.. Галоалканы также на порядок дороже, чем горючие алканы, полученные из нефти, с аналогичными или лучшими охлаждающими характеристиками.

К сожалению, хлорсодержащие и фторсодержащие хладагенты при выходе достигают верхних слоев атмосферы. В стратосфере такие вещества, как CFC и HCFC, распадаются под воздействием УФ- излучения, высвобождая свободные радикалы хлора. Эти свободные радикалы хлора действуют как катализаторы разложения озона посредством цепных реакций. Одна молекула CFC может вызвать разрушение тысяч молекул озона. Это вызывает серьезное повреждение озонового слоя.который защищает поверхность Земли от сильного УФ-излучения Солнца и, как было показано, приводит к увеличению заболеваемости раком кожи. Хлор будет оставаться активным в качестве катализатора до тех пор, пока он не свяжется с другой частицей, образуя стабильную молекулу. Хладагенты CFC являются обычными, но реже используются, включают R-11 и R-12 .

Новые хладагенты с уменьшенным эффектом разрушения озонового слоя, такие как ГХФУ ( R-22 , используется сегодня в большинстве домов) и HFC ( R-134a , используется в большинстве автомобилей), заменили большую часть использования CFC. В свою очередь, ГХФУ постепенно выводятся из обращения в соответствии с Монреальским протоколом и заменяются гидрофторуглеродами (ГФУ), которые не содержат атомов хлора . Небольшой пример широко используемых в настоящее время ГФУ: R-410A (который сам является смесью других ГФУ: R-32 и R-125 ); предназначен для замены R-22 в существующих установках и R-404A (смесь ГФУ:R-125 , R-134a и R-143a , и был разработан как заменитель хладагента для R-502 и R-22 ). Однако все ХФУ, ГХФУ и ГФУ обладают очень большим потенциалом глобального потепления (ПГП).

Более щадящие хладагенты в настоящее время являются предметом исследований, такие как сверхкритический диоксид углерода , известный как R-744 . ^[3] Они обладают аналогичной эффективностью ^{[ необходима ссылка ]} по сравнению с существующими соединениями на основе CFC и HFC и имеют на много порядков меньший потенциал глобального потепления. Промышленность и руководящие органы в целом стремятся к тому, чтобы хладагенты были более безопасными для ПГП. В промышленных условиях аммиак , а также такие газы, как этилен , пропан , изобутан и другие углеводороды.обычно используются (и имеют собственные стандартные номера Rx) в зависимости от требуемых температур и давлений. К сожалению, многие из этих газов легковоспламеняющиеся, взрывоопасные или токсичные; ограничение их использования (т.е. хорошо контролируемая среда квалифицированным персоналом или очень небольшое количество используемого хладагента). HFO, которые можно рассматривать как HFC с некоторыми углерод-углеродными связями, являющимися двойными связями, действительно обещают очень низкое снижение GWP, чтобы больше не беспокоить. Тем временем используются различные смеси существующих хладагентов для достижения требуемых свойств и эффективности при разумных затратах и ​​более низком GWP.

Термодинамический анализ системы [ править ]

В термодинамика цикла сжатия паров может быть проанализирован на зависимости температуры от энтропии диаграммы , как показано на рисунке 2. В точке 1 на диаграмме, циркулирующий хладагент поступает в компрессоре в качестве насыщенного пара. От точки 1 до точки 2 пар изоэнтропически сжимается (сжимается с постоянной энтропией) и выходит из компрессора в виде перегретого пара . Перегрев - это количество тепла, добавляемого выше точки кипения.

Из точки 2 в точку 3 пар проходит через часть конденсатора, который устраняет перегрев путем охлаждения пара. Между точкой 3 и точкой 4 пар проходит через остальную часть конденсатора и конденсируется в насыщенную жидкость. Процесс конденсации происходит практически при постоянном давлении.

Между точками 4 и 5 насыщенный жидкий хладагент проходит через расширительный клапан и подвергается резкому снижению давления. Этот процесс приводит к адиабатическому мгновенному испарению и автоохлаждению части жидкости (обычно менее половины жидкости). Процесс адиабатического мгновенного испарения является изэнтальпическим (происходит при постоянной энтальпии ).

Между точками 5 и 1 холодный и частично испарившийся хладагент проходит через змеевик или трубы в испарителе, где он полностью испаряется теплым воздухом (из охлаждаемого пространства), который вентилятор циркулирует по змеевику или трубам в испарителе. Испаритель работает практически при постоянном давлении и выпаривает всю имеющуюся жидкость после добавления 4-8 кельвинов перегрева к хладагенту, чтобы убедиться, что жидкость полностью испарилась. Это гарантия для компрессора, поскольку он не может перекачивать жидкость. Образующийся пар хладагента возвращается на вход компрессора в точке 1 для завершения термодинамического цикла.

Вышеупомянутое обсуждение основано на идеальном парокомпрессионном холодильном цикле, который не принимает во внимание реальные факторы, такие как падение давления на трение в системе, небольшая внутренняя необратимость во время сжатия пара хладагента или неидеальное поведение газа (если таковое имеется ).

Типы газовых компрессоров [ править ]

Наиболее распространенными компрессорами, используемыми в холодильной технике, являются поршневые и спиральные компрессоры , но в крупных холодильных машинах или промышленных циклах могут использоваться роторно-винтовые или центробежные компрессоры. Каждое приложение предпочитает одно или другое из-за размера, шума, эффективности и давления. Компрессоры часто описываются как открытые, герметичные или полугерметичные, чтобы описать, как компрессор и / или двигатель расположены по отношению к сжимаемому хладагенту. Различия в типах двигателей / компрессоров могут привести к следующим конфигурациям:

• Герметичный мотор, герметичный компрессор
• Герметичный мотор, полугерметичный компрессор
• Открытый двигатель (с ременным приводом или с моноблочной муфтой), герметичный компрессор
• Открытый двигатель (с ременным приводом или с моноблочной муфтой), полугерметичный компрессор

Обычно в герметичных и большинстве полугерметичных компрессоров (иногда называемых доступными герметичными компрессорами) компрессор и двигатель, приводящий компрессор, объединены и работают в системе хладагента. Двигатель герметичен и предназначен для работы и охлаждения сжимаемым хладагентом. Очевидным недостатком герметичных мотор-компрессоров является то, что моторный привод нельзя обслуживать на месте, и весь компрессор должен быть удален в случае отказа мотора. Еще один недостаток состоит в том, что сгоревшие обмотки могут загрязнить всю холодопроизводительную систему, что требует полной откачки системы и замены хладагента.

Открытый компрессор имеет моторный привод, который находится за пределами холодильной системы и обеспечивает привод компрессора с помощью входного вала с подходящими сальниками. Двигатели открытого компрессора обычно имеют воздушное охлаждение и могут быть довольно легко заменены или отремонтированы без дегазации холодильной системы. Недостатком компрессора этого типа является выход из строя уплотнений вала, приводящий к потере хладагента.

Компрессоры с открытым двигателем, как правило, легче охлаждать (используя окружающий воздух), поэтому они проще по конструкции и более надежны, особенно в системах с высоким давлением, где температура сжатого газа может быть очень высокой. Однако использование впрыска жидкости для дополнительного охлаждения обычно позволяет решить эту проблему в большинстве герметичных мотор-компрессоров.

Поршневые компрессоры [ править ]

Поршневые компрессоры представляют собой поршневые компрессоры прямого вытеснения.

Винтовые компрессоры [ править ]

Винтовые компрессоры также являются компрессорами прямого вытеснения. Два зацепляющихся винта-ротора вращаются в противоположных направлениях, улавливая пары хладагента и уменьшая объем хладагента вдоль роторов до точки слива.

Небольшие агрегаты непрактичны из-за обратной утечки, но большие агрегаты обладают очень высокой эффективностью и пропускной способностью.

Центробежные компрессоры [ править ]

Центробежные компрессоры - это динамические компрессоры. Эти компрессоры повышают давление хладагента, сообщая скорость или динамическую энергию, используя вращающееся рабочее колесо и преобразовывая ее в энергию давления.

Центробежный компрессор, помпаж [ править ]

Чиллеры с центробежными компрессорами имеют «карту центробежных компрессоров», которая показывает «линию помпажа» и «линию дросселирования». Для тех же номиналов производительности и более широкого диапазона рабочих условий чиллеры с низкоскоростным компрессором большего диаметра имеют более широкую «карту центробежных компрессоров» и меньше подвержены помпажам, чем чиллеры с меньшим диаметром, менее дорогими и высокоскоростными компрессорами. . Компрессоры меньшего диаметра с более высокой скоростью вращения имеют более пологую кривую., ^{[4] [5] [6]}

По мере уменьшения расхода хладагента некоторые компрессоры изменяют зазор между рабочим колесом и улиткой, чтобы поддерживать правильную скорость во избежание помпажа. ^[7]

Спиральные компрессоры [ править ]

Спиральные компрессоры также являются компрессорами прямого вытеснения. Хладагент сжимается, когда одна спираль вращается вокруг второй неподвижной спирали, создавая все меньшие и меньшие карманы и более высокое давление. К моменту слива хладагента он полностью находится под давлением.

Другое [ править ]

• Диафрагменный насос

• Осевой компрессор реактивного двигателя

• Жидкое кольцо

• Воздуходувка корней

Смазка компрессора [ править ]

Для смазки движущихся частей компрессора масло добавляется в хладагент во время установки или ввода в эксплуатацию. Тип масла может быть минеральным или синтетическим в зависимости от типа компрессора, а также выбирается таким образом, чтобы не вступать в реакцию с типом хладагента и другими компонентами системы. В небольших холодильных системах масло может циркулировать по всему контуру, но необходимо тщательно спроектировать трубопроводы и компоненты таким образом, чтобы масло могло стекать обратно в компрессор под действием силы тяжести. В более крупных распределенных системах, особенно в холодильных установках для розничной торговли, масло обычно улавливается маслоотделителем сразу после компрессора и, в свою очередь, повторно доставляется системой управления уровнем масла обратно в компрессор (ы).Маслоотделители не являются 100% эффективными, поэтому трубопроводная система системы должна быть спроектирована так, чтобы масло могло стекать обратно в маслоотделитель или компрессор под действием силы тяжести.

Некоторые новейшие компрессорные технологии используют магнитные подшипники или воздушные подшипники и не требуют смазки, например центробежные компрессоры Danfoss Turbocor. Отсутствие необходимости в масляной смазке и связанных с ней требований к конструкции и вспомогательных приспособлений упрощает конструкцию системы хладагента, увеличивает коэффициент теплопередачи в испарителях и конденсаторах, устраняет риск загрязнения хладагента маслом и снижает требования к техническому обслуживанию. ^[8]

Контроль [ править ]

В простых коммерческих холодильных системах компрессор обычно управляется простым реле давления, а расширение осуществляется с помощью капиллярной трубки или простого термостатического расширительного клапана. В более сложных системах, включая установки с несколькими компрессорами, обычно используется электронное управление с регулируемыми уставками для управления давлением, при котором компрессоры включаются и выключаются, а также контроль температуры с помощью электронных расширительных клапанов.

В дополнение к операционным средствам управления, отдельные реле высокого и низкого давления обычно используются для обеспечения вторичной защиты компрессоров и других компонентов системы от работы за пределами безопасных параметров.

В более совершенных электронных системах управления, использующих давление плавающего напора и упреждающее давление всасывания, процедуры управления позволяют регулировать работу компрессора для точного удовлетворения различных потребностей в охлаждении при одновременном снижении потребления энергии.

Другие особенности и интересные факты [ править ]

Принципиальная схема одноступенчатой ​​холодильной системы, показанная на Рисунке 1, не включает другое оборудование, которое могло бы быть предусмотрено в большой коммерческой или промышленной парокомпрессионной холодильной системе, например:

• Горизонтальный или вертикальный сосуд высокого давления , оборудованный внутри туманоуловителем , между испарителем и входом компрессора для улавливания и удаления остаточной увлеченной жидкости в парах хладагента, поскольку жидкость может повредить компрессор. Такие парожидкостные сепараторы чаще всего называют «накопителями на линии всасывания». (В других производственных процессах их называют «всасывающими барабанами компрессора» или «выталкивающими баками».)
• Большие коммерческие или промышленные холодильные системы могут иметь несколько расширительных клапанов и несколько испарителей для охлаждения нескольких замкнутых пространств или комнат. В таких системах конденсированный жидкий хладагент может быть направлен в сосуд высокого давления, называемый ресивером, из которого жидкий хладагент извлекается и направляется по множеству трубопроводов к множеству расширительных клапанов и испарителей.
• Фильтры-осушители, устанавливаемые перед компрессорами для улавливания влаги или загрязнений в системе и, таким образом, защиты компрессоров от внутренних повреждений.
• Некоторые холодильные установки могут иметь несколько ступеней, что требует использования нескольких компрессоров в различных схемах. ^[9]

В большинстве стран мира холодопроизводительность холодильных систем измеряется в ваттах . Обычные бытовые кондиционеры имеют мощность от 3,5 до 18 киловатт . В некоторых странах он измеряется в тоннах холода , а в обычных бытовых кондиционерах - от 1 до 5 тонн холода.

Приложения [ править ]

Экономический анализ [ править ]

Преимущества [ править ]

• Очень зрелая технология.
• Относительно недорогой.
• Может приводиться в движение непосредственно с использованием механической энергии (вода, двигатель автомобиля или грузовика) или электроэнергии.
• Эффективность до 60% от теоретического предела Карно (согласно оценке в условиях испытаний ASHRAE : температура испарения -23,3 ° C, температура конденсации 54,4 ° C и температура окружающей среды 32 ° C) ^{[ необходима цитата ]} на основе некоторых из лучших коммерчески доступные компрессоры, производимые производителями Danfoss , Matsushita , Copeland , Embraco , Bristol и Tecumseh . Однако во многих холодильных системах используются компрессоры с более низким КПД от 40 до 55%, поскольку компрессоры с КПД 60% стоят почти в два раза дороже, чем компрессоры с более низким КПД.

Недостатки [ править ]

Во многих системах до сих пор используются хладагенты на основе ГХФУ , которые способствуют разрушению озонового слоя Земли . В странах, присоединившихся к Монреальскому протоколу , ГХФУ подлежат поэтапному отказу от ГХФУ и в значительной степени заменяются безопасными для озона ГФУ . Однако системы, использующие хладагенты HFC, как правило, несколько менее эффективны, чем системы, использующие ГХФУ. ГФУ также обладают чрезвычайно большим потенциалом глобального потепления , потому что они остаются в атмосфере в течение многих лет и удерживают тепло более эффективно, чем углекислый газ .

Поскольку окончательный отказ от ГХФУ уже очевиден, становятся все популярнее альтернативные негалогеналкановые хладагенты. В частности, ранее использованные хладагенты, такие как углеводороды ( например, бутан ) и CO ₂ , возвращаются в более широкое использование. Например, в торговых автоматах Coca-Cola на чемпионате мира по футболу 2006 года в Германии использовалось охлаждение с использованием CO ₂ . ^[11] Аммиак (NH ₃ ) - один из старейших хладагентов с отличными характеристиками и практически без проблем с загрязнением. Однако у аммиака есть два недостатка: он токсичен и несовместим с медными трубками.^[12]

История [ править ]

В 1805 году американский изобретатель Оливер Эванс описал замкнутый парокомпрессионный холодильный цикл для производства льда из эфира в вакууме. Тепло будет отводиться из окружающей среды путем рециркуляции испаренного хладагента, где он будет проходить через компрессор и конденсатор и в конечном итоге обратится в жидкую форму, чтобы снова повторить процесс охлаждения. Однако такой холодильный агрегат Эванс не построил. ^[13]

В 1834 году американский эмигрант в Великобританию Джейкоб Перкинс построил первую в мире работающую парокомпрессионную систему охлаждения. ^[14] Это был замкнутый цикл, который мог работать непрерывно, как он описал в своем патенте:

Я могу использовать летучие жидкости для охлаждения или замораживания жидкостей и в то же время постоянно конденсировать такие летучие жидкости и снова вводить их в эксплуатацию без потерь.

Его прототип системы работал, хотя коммерческого успеха не имел. ^[15]

Подобная попытка была сделана в 1842 году, американским врачом Джоном Gorrie , ^[16] , который построил работающий прототип, но это был коммерческий провал. Американский инженер Александр Твининг получил в 1850 году британский патент на систему сжатия пара, в которой использовался эфир.

Первая практическая система охлаждения с компрессией пара была построена Джеймсом Харрисоном , британским журналистом, эмигрировавшим в Австралию . ^[17] Его патент 1856 года был на систему сжатия пара с использованием эфира, спирта или аммиака. Он построил механическую машину для производства льда в 1851 году на берегу реки Барвон в Роки-Пойнт в Джилонге , штат Виктория , а его первая коммерческая машина для производства льда последовала в 1854 году. Харрисон также представил коммерческое парокомпрессионное охлаждение для пивоварен и мясоперерабатывающих заводов. домов, а к 1861 году дюжина его систем работала в Австралии и Англии.

Первая газовая абсорбционная холодильная система, использующая газообразный аммиак, растворенный в воде (называемый «водным аммиаком»), была разработана Фердинандом Карре из Франции в 1859 году и запатентована в 1860 году. Карл фон Линде , профессор инженерных наук Технологического университета Мюнхена в Германии, запатентовал улучшенный метод сжижения газов в 1876 году. Его новый процесс сделал возможным использование таких газов, как аммиак , диоксид серы SO
2, и хлористый метил (CH ₃ Cl) в качестве хладагентов, и они широко использовались для этой цели до конца 1920-х годов.

См. Также [ править ]

• Абсорбционный холодильник
  • Эйнштейн холодильник
• Кондиционер
• Мгновенное испарение
• Тепловой насос
• Отопление, вентиляция и кондиционирование (HVAC)
• Магнитное охлаждение
• Хладагент
• Холодильное оборудование
• Холодильный цикл
• Рабочая жидкость

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• Юнус А. Ценгель и Майкл А. Болес (2008). Термодинамика: инженерный подход (6-е изд.). Макгроу-Хилл. ISBN 978-0-07-352921-9.

Внешние ссылки [ править ]

• «Идеальный парокомпрессионный холодильный цикл», Университет Невады (США)
• «Холодильный цикл: центральный кондиционер для домовладельцев»
• «Цикл охлаждения», от HowStuffWorks
• Научные статьи о тепловых насосах CO 2 и охлаждении