Каждый из нас ежедневно пользуется десятками хитро устроенных машин и приборов: здесь вам и обыкновенный будильник, и микроволновая печь, и компьютер, и автомобиль и ещё множество самой разношёрстной электронной и механической братии, без которой наша жизнь, кажется, уже немыслима. Но задумайтесь, много ли мы знаем об этих молчаливых помощниках (про будильник этого не скажешь), как они устроены, как работают? Да ровным счётом ничего! Работает и ладно, за чем лишний раз напрягать извилины!
На мой взгляд, очень печально, что за повседневной суетой цивилизации мы перестали замечать невероятное, а иногда и просто гениальное расположение некоторых привычных вещей. Конечно, пытаться понять принцип работы компьютера или даже обычного калькулятора бессмысленно (калькулятор нельзя понять, в него можно только верить), но вот осилить устройство холодильника вполне по силам каждому.
2. Принципы работы холодильной машины
Охлаждение в кондиционерах происходит 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 разные точки кипения.
Например, фреон R-22, широко используемый в холодильной технике, при нормальном атмосферном давлении имеет температуру кипения минус 4°,8°С.
Фрео ?ны (хладоны) — фторсодержащие производные насыщенных углеводородов (главным образом метана и этана), используемые как хладагенты в холодильных машинах. Помимо атомов фтора, молекулы фреона обычно содержат атомы хлора, реже атомы брома. Известно более 40 различных фреонов; большинство из них выпускается промышленностью.
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. В то же время фреон, кипящий в трубках испарителя, активно поглощает тепло из воздушного потока, омывающего внешнюю, обычно ребристую, поверхность труб.
Кипение жидкостей, пересыщенный пар, перегретая жидкость
... точка кипения зависит от внешнего давления - с ростом внешнего давления растет и точка кипения. Уменьшение температуры кипения жидкости может играть и полезную роль. Так, например, при нормальном атмосферном давлении жидкий фреон кипит ...
холодильник охлаждение компрессор фреон
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.
Рассматривая основные концепции, связанные с работой холодильной установки, перейдем к более детальному рассмотрению схемы компрессионного холодильного цикла, конструкции и функционального назначения отдельных агрегатов и элементов.
2.1 Схема компрессионного цикла охлаждения
Кондиционер — это такой же чиллер, предназначенный для тепло- и гигрометрической обработки воздушного потока. Кроме того, кондиционер имеет значительно большую мощность, более сложную конструкцию и множество дополнительных опций. 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 за счет непрерывной циркуляции, кипения и конденсации хладагента в замкнутой системе. Хладагент кипит при низком давлении и низкой температуре, а конденсация происходит при высоком давлении и высокой температуре. Принципиальная схема компрессионного цикла охлаждения показана на рис. 1.
Рис. 1. Схема компрессионного цикла охлаждения
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 иметь воздушное или водяное охлаждение в зависимости от типа холодильной системы.
На выходе из конденсатора (точка 3) хладагент находится в жидком состоянии при высоком давлении. Конденсатор имеет такие размеры, что газ полностью конденсируется внутри конденсатора. Следовательно, температура жидкости, выходящей из конденсатора, немного ниже температуры конденсации. Переохлаждение в конденсаторах с воздушным охлаждением обычно составляет примерно плюс 4-7°С.
В этом случае температура конденсации примерно на 10-20 ° C выше температуры окружающего воздуха.
Затем хладагент в жидкой фазе при высокой температуре и давлении попадает в регулятор потока, где давление смеси резко падает, при этом часть жидкости может испаряться, переходя в паровую фазу. Таким образом, в испаритель попадает смесь пара и жидкости (точка 4).
Поршневые компрессоры
... поршневом компрессоре Компрессор - это машина, которая повышает давление газа и затем поставляет его для использования в различных областях применения, включая те, которые связаны со сгоранием, пневматикой, охлаждением ... составляют полный цикл работы компрессора. Компрессор описанной выше конструкции называется одноступенчатым компрессором простого действия. Недостатком такого компрессора является ...
Жидкость закипает в испарителе, поглощая тепло из окружающего воздуха, и снова переходит в парообразное состояние.
Испаритель рассчитан таким образом, чтобы жидкость полностью испарялась внутри испарителя. Таким образом, температура пара на выходе из испарителя оказывается выше точки кипения, происходит так называемый перегрев хладагента в испарителе. В этом случае испаряются даже мельчайшие капли хладагента, и жидкость не попадает в компрессор. Следует отметить, что при попадании жидкого хладагента в компрессор возможен так называемый «гидравлический удар», повреждение и поломка клапанов и других деталей компрессора.
Перегретый пар выходит из испарителя (точка 1), и цикл возобновляется.
Следовательно, хладагент постоянно циркулирует в замкнутом контуре, изменяя свое агрегатное состояние с жидкого на парообразное и наоборот.
Все циклы сжатия чиллера имеют два конкретных 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.
Выпускной клапан компрессора и выпускное отверстие регулятора потока являются точками разделения между сторонами высокого и низкого давления чиллера.
Сторона высокого давления содержит все элементы, работающие при давлении конденсации.
Сторона низкого давления содержит все элементы, работающие при давлении испарения.
Несмотря на то, что существует множество типов компрессионных холодильных машин, принципиальная схема цикла в них практически одинакова.
.2 Теоретический и реальный цикл охлаждения
Цикл охлаждения можно представить графически в виде диаграммы зависимости абсолютного давления и теплосодержания (энтальпии).
Левая часть кривой соответствует состоянию насыщенной жидкости, правая часть — состоянию насыщенного пара. Две кривые пересекаются в центре в так называемой «точке перелома», когда хладагент может находиться как в жидком, так и в парообразном состоянии. Области слева и справа от кривой соответствуют переохлажденной жидкости и перегретому пару. Внутри изогнутой линии находится область, соответствующая состоянию смеси жидкости и пара.
Рассмотрим схему теоретического (идеального) цикла охлаждения с тем, чтобы лучше понять действующие факторы. Рассмотрим наиболее типичные процессы, происходящие в цикле компрессионного охлаждения.
.3 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.
.4 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 постоянном 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.
По физике (дисциплина «Термодинамика и теплопередача») ...
... давлений сжатия, определяемое как отношение давления рабочего тела за компрессором к давлению рабочего тела перед компрессором, и их подачу. Под подачей принято понимать секундное или часовое количество газа или пара, ... при расширении газа температура не понижалась, к газу в течение изотермического процесса необходимо подводить количество теплоты, эквивалентное внешней работе расширения. Адиабатным ...
Риc. 2. Диаграмма давления и теплосодержания
Рис. 3. Изображение теоретического цикла сжатия на диаграмме «Давление и теплосодержание»
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, которая возникает в конденсаторе, и во время этой фазы температура охлажденного пара падает до температуры насыщения или конденсации. На этом этапе удаляется только избыточное тепло, а агрегатное состояние хладагента не изменяется.
На этом участке снимается примерно 10-20% общего теплосъема в конденсаторе.
Конденсация (Е-А).
Температура конденсации охлажденного пара и образующейся жидкости остается постоянной в течение этой фазы. Происходит изменение агрегатного состояния теплоносителя с переходом насыщенного пара в насыщенное жидкое состояние. На этом участке снимается 60-80% теплосъема.
Переохлаждение жидкости (А-А`).
На этом этапе жидкий теплоноситель подвергается дальнейшему охлаждению, в результате чего его температура снижается. Получается переохлажденная жидкость (по отношению к состоянию насыщенной жидкости) без изменения агрегатного состояния.
Переохлаждение хладагента имеет значительные энергетические преимущества: при нормальной работе снижение температуры хладагента на один градус соответствует увеличению производительности чиллера примерно на 1% при том же потреблении энергии.
Количество тепла, выделяемого в конденсаторе.
Участок DA` 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 протекает при постоянной температуре, но с увеличением теплосодержания.
Как упоминалось выше, парообразный хладагент немного перегревается на выходе из испарителя. Главная задача фазы перегрева (С-С`) — обеспечение полного испарения остающихся капель жидкости, чтобы в компрессор поступал только парообразный хладагент. Это требует увеличения площади поверхности теплообмена испарителя на 2-3% на каждые 0,5 ° C перегрева. Поскольку перегрев обычно соответствует 5-8 ° C, увеличение поверхности испарителя может составить около 20%, что, безусловно, оправдано, поскольку увеличивает эффективность охлаждения.
Неисправности и ремонт поршневых компрессоров
... Компрессоры поршневого типа позволяют осуществлять сжатие газов до больших давлений. Классификация поршневых компрессорных машин. Современные вспомогательные компрессоры ... компрессоры применяют в случае выхода из строя основных компрессоров. Рефрижераторные компрессоры применяют в холодильных установках для сжатия парогазовой смеси хладагента ... время работы. Давление воздуха таких компрессоров ...
Количество тепла, поглощаемого испарителем.
Секция HB-HC` 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 перепадов давления в трубопроводах и клапанах, на отклонение реального цикла от теоретического также влияют потери в процессе сжатия.
Рис. 4. Изображение цикла реального сжатия на диаграмме «Давление-теплосодержание»`L: потеря давления при всасывании: потеря давления при выходе`: теоретический термический эквивалент сжатия`HC`: реальный термический эквивалент сжатия`D: теоретическое сжатие: реальное сжатие
Во-первых, процесс сжатия в компрессоре отличается от адиабатического, поэтому реальная работа сжатия оказывается выше теоретической, что также приводит к потерям энергии.
Во-вторых, в компрессоре есть чисто механические потери, которые приводят к увеличению необходимой 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 есть объем, который не участвует в процессе сжатия, например объем под головкой.
3. 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 это соотношение между холодопроизводительностью и электрической мощностью, потребляемой компрессором.
Кроме того, это не показатель производительности холодильной машины, а сравнительный параметр при оценке эффективности процесса передачи энергии. Так, например, если чиллер имеет коэффициент теплового КПД 2,5, это означает, что на каждую единицу электроэнергии, потребляемой чиллером, производится 2,5 единицы холода.
Холодильники и холодильное оборудование: устройство и эксплуатация
... холодильники так же, как и производственные, оснащены мощными холодильными установками. Они являются первым звеном непрерывной холодильной цепи. Распределительные холодильники. Холодильники предназначены для равномерного снабжения населения продуктами питания в течение всего года. Их ...
4. Схемы холодильников
.1 Паровая компрессорная установка
В простейших схемах холодильных установок передача теплоты осуществляется дважды: сначала в испарителе, где холодильный агент, имеющий низкую температуру, отбирая теплоту от охлаждаемой среды, снижает ее температуру, затем в конденсаторе, где холодильный агент охлаждается, отдавая теплоту воздуху или воде. В наиболее распространенных схемах морских рефрижераторных установок (рис. 1) осуществляется паровой компрессионный цикл. В компрессоре давление пара хладагента увеличивается, и его температура соответственно увеличивается.
Рис. 1. Схема паровой компрессорной холодильной установки:
— испаритель;
— термочувствительный баллон;
— компрессор;
— маслоотделитель;
— конденсатор;
— осушитель;
— трубопровод для масла;
— регулирующий вентиль;
— терморегулирующий вентиль.
.2 Электрическая схема холодильника
При подаче напряжения электрический ток проходит через замкнутые контакты терморегулятора (3), кнопки размораживания (10), реле тепловой защиты (11), катушку пускового реле (контакты пускового реле12.2 пока разомкнуты) и рабочую обмотку электродвигателя мотор-компрессора.
Поскольку двигатель пока не вращается, ток протекающий через рабочую обмотку мотор-компрессора в несколько раз превышает номинальный, пусковое реле (12) устроено таким образом, что при превышении номинального значения тока замыкаются контакты (12.2), к цепи подключается пусковая обмотка электродвигателя. Двигатель начинает вращаться, ток в рабочей обмотке уменьшается, контакты реле стартера размыкаются, и двигатель продолжает работать в штатном режиме.
Когда стенки испарителя охладятся до установленного на терморегуляторе значения, контакты (3) разомкнуться и электродвигатель мотор-компрессора остановиться.
Со временем температура внутри холодильника повышается, контакты термостата замыкаются, и весь цикл повторяется снова.
Реле защиты предназначено для отключения двигателя в случае опасного увеличения силы тока. С одной стороны, он защищает двигатель от перегрева и повреждений, а с другой — вашу квартиру от пожара.
Реле состоит из биметаллической пластины (11.1), которая при повышении температуры изгибается и размыкает контакты (11.2), после остывания биметаллической пластины контакты снова замыкаются.
Рис. 1. Электрическая схема холодильника
— электродвигатель мотор-компрессора
.1 — рабочая обмотка
Бытовой холодильник
... компрессор. 1.2 Принцип работы бытового двухкамерного холодильника с электр Двухкамерный холодильник отличается от однокамерного наличием собственного испарителя для холодильной и морозильной камер. Принцип работы двухкамерного холодильника следующий: жидкий фреон, накачиваемый мотором-компрессором, ... мнению, что ремонт электромеханической системы обходится дешевле ремонта электронной, в некоторых ...
.2 — пусковая обмотка
— контакты терморегулятора
— кнопка размораживания
— реле защиты
.1 — биметаллическая пластина
.2 — контакты реле
— пусковое реле
.1 — катушка реле
.2 — контакты реле
.3 Схема классического холодильника
Классический холодильник, работает следующим образом:
Мотор — компрессор (1), засасывает газообразный фреон из испарителя, сжимает его, и через фильтр (6) выталкивает в конденсатор (7).
В конденсаторе нагретый фреон за счет сжатия остывает до комнатной температуры и окончательно переходит в жидкое состояние.
Жидкий фреон, находящийся под давлением, через отверстие капиляра (8) попадает во внутреннюю полость испарителя (5), переходит в газообразное состояние, в результате чего, отнимает тепло от стенок испарителя, а испаритель, в свою очередь, охлаждает внутреннее пространство холодильника.
Этот процесс повторяется до достижения заданной терморегулятором (3) температуры стенок испарителя.
При достижении необходимой температуры термостат размыкает электрическую цепь и компрессор останавливается. Через некоторое время, температура в холодильнике (за счет воздействия внешних факторов) начинает повышаться, контакты терморегулятора замыкаются, с помощью защитно-пускового реле (2) запускается электродвигатель мотор — компрессора и весь цикл повторяется сначала.
Рис. 1. Схема классического холодильника
Мотор-компрессор
Защитно-пусковое реле
Терморегулятор
Внутренняя лампа освещения холодильника
Испаритель
Фильтр-осушитель
Конденсатор
Капиляр
Включатель лампы
Литература
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/tsikl-vozdushnoy-kompressornoy-holodilnika/
http://www.gmbm.ru/ustrhol.html ://www.holodok.info/article/30/://acm.com.ua/articles/folder/1.html ://ru.wikipedia.org/wiki/Холодильник://www.netharbour.ru/mehanik/sudovye-holodiljnye-ustanovki/printsip-raboty.html ://www.krasland.ru/lib/index.php?id=show&aid=742&ses=f81fac5f3be5da3edbaf522ea3205c56
