Рефрижерация - это процесс, при котором температура помещения снижается ниже температуры наружного воздуха.

Кондиционирование воздуха - это регулирование температуры и влажности в помещении с одновременным осуществлением фильтрации воздуха, циркуляции и частичной его замены в помещении.

Вентиляция - это циркуляция и замена воздуха в помещении без изменения его температуры. За исключением специальных процессов, таких как замораживание рыбы, воздух обычно используется как промежуточное рабочее тело, передающее теплоту. Поэтому для осуществления рефрижерации, кондиционирования и вентиляции применяют вентиляторы и воздухопроводы. Три названные выше процесса тесно связаны между собой и совместно обеспечивают заданный микроклимат для людей, машин и груза.

Для снижения температуры в грузовых трюмах и в провизионных кладовых при рефрижерации применяют систему охлаждения работа которой обеспечивается холодильной машиной. Отобранная теплота передается другому телу - холодильному агенту при низкой температуре. Охлаждение воздуха при кондиционировании представляет собой аналогичный процесс.

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 холодильного агента повышается и соответственно повышается его температура.

Рис. 1. Схема паровой компрессорной холодильной установки: 1 - испаритель; 2 - термочувствительный баллон; 3 - компрессор; 4 - маслоотделитель; 5 - конденсатор; 6 - осушитель; 7 - трубопровод для масла; 8 - регулирующий вентиль; 9 - терморегулирующий вентиль.

Этот горячий пар, имеющий повышенное давление, нагнетается в конденсатор, где в зависимости от условий применения установки пар охлаждается воздухом или водой. Ввиду того что этот процесс осуществляется при повышенном давлении, пар полностью конденсируется. Жидкий холодильный агент направляется по трубопроводу к регулирующему вентилю, который регулирует подачу жидкого холодительного агента в испаритель, где поддерживается низкое давление. Воздух из охлаждаемого помещения или кондиционируемый воздух проходит через испаритель, вызывает кипение жидкого холодильного агента и сам, отдавая теплоту, при этом охлаждается. Подача холодильного агента в испаритель должна быть отрегулирована так, чтобы в испарителе весь жидкий холодильный агент выкипел, а пар слегка перегрелся перед тем, как он снова поступит при низком давлении в компрессор для последующего сжатия. Таким образом, теплота, которая была передана отвоздуха к испарителю, переносится холодильным агентом по системе до тех пор, пока не достигнет конденсатора, где она будет передана наружному воздуху или воде. В установках, где применяется конденсатор с воздушным охлаждением, как, например, в малой провизионной холодильной установке, должна быть предусмотрена вентиляция для отвода теплоты, выделенной в конденсаторе. Конденсаторы с водяным охлаждением с этой целью прокачивают пресной или забортной водой. Пресная вода применяется в тех случаях, когда и другие механизмы машинного отделения охлаждаются пресной водой, которая затем охлаждается забортной водой в централизованном водоохладителе. В этом случае из-за более высокой температуры воды, охлаждающей конденсатор, температура выходящей из конденсатора воды будет выше, чем при охлаждении конденсатора непосредственно забортной водой.

Холодильные агенты и хладоносители. Охлаждающие рабочие тела делятся в основном на первичные - холодильные агенты и вторичные - хладоносители.

Холодильный агент под воздействием компрессора циркулирует через конденсатор и испарительную систему. Холодильный агент должен обладать определенными свойствами, отвечающими предъявленным требованиям, например кипеть при низкой температуре и избыточном давлении и конденсироваться при температуре, близкой к температуре забортной воды, и умеренном давлении. Холодильный агент также должен быть нетоксичен, взрывобезопасен, негорюч, не вызывать коррозии. Некоторые холодильные агенты имеют низкую критическую температуру, т. е. температуру, выше которой пар холодильного агента не конденсируется. Это один из недостатков холодильных агентов, в частности углекислоты, которая применялась много лет на судах. Вследствие низкой критической температуры углекислоты значительно затруднялась эксплуатация судов с углекислотными холодильными установками в широтах с высокими температурами забортной воды и из-за этого приходилось использовать дополнительные охлаждающие конденсатор системы. Кроме того, к недостаткам углекислоты относится очень высокое давление, при котором система работает, что в свою очередь приводит к увеличению массы машины в целом. После углекислоты в качестве холодильных агентов определенное распространение имели хлористый метил и аммиак. В настоящее время хлористый метил на судах не применяется из-за его взрывоопасности. Аммиак имеет некоторое применение до сих пор, но ввиду высокой токсичности при его использовании необходимы специальные вентиляционные системы. Современные холодильные агенты - это соединения фторированного углеводорода, имеющие различные формулы, за исключением холодильного агента R502 (всоответствии с международным стандартом (MС) НСО 817 - для обозначения холодильных агентов применяется условное обозначение холодильного агента, которое состоит из символа R (refrigerant) и определяющего числа. В связи с этим при переводе введено обозначение холодильных агентов R.) , который представляет собой азеотропную (с фиксированной точкой кипения) смесь (специфическая смесь различных веществ, обладающая свойствами, отличными от свойств каждого вещества в отдельности. ) холодильных агентов R22 и R115. Эти холодильные агенты известны под названием фреоны (Согласно ГОСТ 19212 - 73 (изменение 1) для фреона установлено название хладон ), а каждый из них имеет определяющее число.

Холодильный агент R11 имеет очень низкое рабочее давление, для получения значительного охлаждающего эффекта необходима интенсивная циркуляция агента в системе. Преимущество этого агента особенно проявляется при использовании в установках кондиционирования воздуха, поскольку для воздуха требуются относительно малые затраты мощности.

Первым из фреонов, после того как они были открыты и стали доступны, получил широкое практическое применение фреон R12. К его недостаткам относится низкое (ниже атмосферного) давление кипения, в результате чего из-за любых неплотностей в системе появляется подсос в систему воздуха и влаги.

В настоящее время наиболее распространенным холодильным агентом является R22, благодаря которому обеспечивается охлаждение на достаточно низком температурном уровне при избыточном давлении кипения. Это позволяет получить некоторый выигрыш в объеме цилиндров компрессора установки и другие преимущества. Объем, описываемый поршнем компрессора, работающего на фреоне R22, составляет примерно 60% по сравнению с описываемым объемом поршня компрессора, работающего на фреоне R12 при тех же условиях.

Примерно такой же выигрыш получается при применении фреона R502. Кроме того, из-за более низкой температуры нагнетания компрессора уменьшается вероятность коксования смазочного масла и поломки нагнетательных клапанов.

Все названные холодильные агенты не вызывают коррозии и могут применяться в герметических и бессальниковых компрессорах. В меньшей степени воздействует на лаки и пластические материалы применяемый в электродвигателях и компрессорах холодильный агент R502. В настоящее время этот перспективный холодильный агент стоит еще достаточно дорого и поэтому не получил широкого применения.

Хладоносители применяются в крупных установках кондиционирования воздуха и в холодильных установках, охлаждающих грузы. В этом случае через испаритель циркулирует хладоноситель, который затем направляется в помещение, подлежащее охлаждению. Хладоноситель применяется тогда, когда установка велика и разветвлена, для того чтобы исключить необходимость в циркуляции в системе большого количества дорогостоящего холодильного агента, который имеет очень высокую проникающую способность, т. е. может проникать через малейшие неплотности, поэтому очень существенно свести к минимуму число соединений трубопроводов в системе. Для установок кондиционирования воздуха обычным хладоносителем является пресная вода, которая может иметь добавку раствора гликоля.

Наиболее распространенным хладоносителем в больших рефрижераторных установках является рассол - водный раствор хлористого кальция, к которому для уменьшения коррозии добавляют ингибиторы.

Принцип действия холодильной установки

Для получения искусственного холода в технике используется свойство жидкости изменять свою температуру кипения в зависимости от давления.

Чтобы превратить жидкость в пар, к ней необходимо подвести некоторое количество тепла. Наоборот, превращение пара в жидкость (процесс конденсации) совершается при отнятии тепла от пара.

Холодильная установка состоит из четырех основных частей: компрессора, конденсатора, регулирующего вентиля и воздухоохладителя (испарителя), соединенных последовательно между собой трубопроводами.

В этой схеме по замкнутому контуру циркулирует холодильный агент - вещество, способное кипеть при низких температурах, зависящих от давления паров в воздухоохладителе. Чем ниже это давление, тем ниже и температура кипения. Процесс-кипения холодильного агента сопровождается отнятием тепла от окружающей среды, в которой находится воздухоохладитель, вследствие чего эта среда охлаждается.

Образующиеся в воздухоохладителе пары холодильного агента отсасываются компрессором, сжимаются в нем и нагнетаются в конденсатор. В процессе сжатия давление и температура паров холодильного агента повышается. Таким образом, компрессор создает, с одной стороны, пониженное давление в воздухоохладителе, необходимое для кипения холодильного агента при низкой температуре, и, с другой, повышенное давление нагнетания, при котором возможен переход холодильного агента из компрессора в конденсатор.

В конденсаторе происходит конденсация горячих паров холодильного агента, т. е. превращение их в жидкость. Конденсация паров осуществляется в результате отнятия от них тепла воздухом, охлаждающим конденсатор.

Для получения холода необходимо, чтобы температура кипения (испарения) холодильного агента была ниже температуры охлаждаемой среды.

Холодильная установка АР-3 представляет собой единый агрегат, смонтированный на каркасе с теплоизоляционной стенкой, отделяющей испарительную часть (воздухоохладитель) oт остального оборудования. Испарительная часть входит-в проем, сделанный в передней стенке грузового помещения. Наружный воздух засасывается через конденсатор осевым вентилятором внутрь машинного отделения.

На одном валу с вентилятором конденсатора расположен-вентилятор воздухоохладителя, осуществляющий циркуляцию-воздуха в грузовом помещении.

Таким образом, в холодильной установке АР-3 имеются две-независимые воздушные системы:
— система циркуляции охлажденного воздуха в грузовом помещении (воздух с пола грузового помещения через направляющий воздуховод засасывается осевым вентилятором в воздухоохладитель, охлаждается и выбрасывается под потолок-грузового помещения);
— система охлаждения конденсатора.

Осевым вентилятором, расположенным внутри машинного отделения, воздух засасывается из окружающей среды через-жалюзи лобовой панели кузова, поступает на конденсатор, охлаждает его и выбрасывается наружу через жалюзи, установленные на боковых дверях машинного отделения.

Для охлаждения карбюраторного двигателя воздух забирается через специальное окно в передней стенке кузова и> выбрасывается внутрь -машинного отделения. Нагретый воздух из машинного отделения выходит наружу через жалюзи боковых дверей.

Щит управления и все приборы автоматики, а также измерительные приборы расположены с левой (по ходу автомобиля) стороны холодильной установки и имеют свободный доступ.

Топливо к карбюраторному двигателю подается из бака, укрепленного в верхней части установки.

Холодильная установка представляет собой замкнутую герметическую систему, состоящую из четырех основных частей: воздухоохладителя, фреонового компрессора, конденсатора и-терморегулирующего вентиля, последовательно соединенных трубопроводами. Эта система заполнена холодильным агентом фреоном-12, который непрерывно циркулирует в ней, переходя1 из одной части в другую.

Компрессор засасывает из воздухоохладителя 8 образовавшиеся при кипении пары фреона, сжимает их до давления конденсации. Одновременно с повышением давления па«-ров повышается и их температура до 70-80 °С. Нагретые пары фреона из компрессора нагнетаются по трубопроводу в конденсатор. В конденсаторе происходит конденсация паров фреона, т. е. превращение их в жидкость. Конденсация паров осуществляется в результате отнятия от них. тепла воздухом, обдувающим наружную поверхность конденсатора.

Жидкий фреон из конденсатора поступает в ресивер (запасную емкость). Из ресивера жидкий фреон направляется в теплообменник, где, проходя по змеевикам, переохлаждается за счет теплообмена с холодными парами фреона, движущимися навстречу из воздухоохладителя. Затем жидкий фреон попадает в фильтр-осушитель, где очищается от влаги и загрязнений влагопоглощающим веществом - силикагелем.

Рис. 2. Холодильная
1 - щит управления; 2 - щит приборов; 3 - блок вентиляторов; 4 - конден 5 - фильтр-осушитель; 9- теплообменник; 10- теплоизоляционная стенка; 1ый двигатель УД-2; 15 - реле-регулятор РР24-Г; 16 - терморегулирующий прессор ФВ-6; 19 - электродвигатель А-51-2;

Из фильтра-осушителя жидкий фреон направляется в тер-морегулирующий вентиль, который служит для регулирования количества фреона, поступающего в воздухоохладитель (испаритель).

В терморегулирующем вентиле, проходя через отверстие малого диаметра, фреон дросселируется, т. е. резко понижает свое давление. При этом давление его понижается от давления конденсации до давления испарения.

Понижение давления приводит к понижению температуры фреона. Фреон в виде парожидкостной смеси поступает через распределитель жидкости в воздухоохладитель, и цикл повторяется.

Фреон, протекая по трубкам воздухоохладителя при низком давлении, интенсивно кипит и, испаряясь, переходит из жидкого состояния в парообразное.

Тепло, необходимое для испарения (скрытая теплота парообразования), воспринимается фреоном через стенки воздухо-охладителя от воздуха грузового помещения, продуваемого вентилятором через ребристую поверхность воздухоохладителя.

Рис. 3. Схема потоков воздуха в холодильной установке: А-поток воздуха для охлаждения конденсатора; Б - поток воздуха для охлаждения карбюраторного двигателя

При этих условиях температура воздуха грузового помещения понижается и продукты, находящиеся в грузовом помещении, передавая свое тепло более холодному воздуху, охлаждаются.

Терморегулирующий вентиль разделяет фреоновую систему на две части: магистраль высокого давления (давление нагнетания или конденсации) - от нагнетательной полости компрессора до терморегулирующего вентиля и магистраль низкого давления (давление всасывания или испарения) - от терморегулирующего вентиля до всасывающей полости компрессора.

Из воздухоохладителя пары фреона по всасывающему трубопроводу отсасываются компрессором и подаются в теплообменник, где они, проходя через межтрубное пространство, перегреваются жидким фреоном, проходящим по змеевику. Затем пары фреона попадают в компрессор, и далее описанный процесс циркуляции фреона в холодильной установке происходит по замкнутому циклу.

В конденсаторе фреон, превращаясь из пара в жидкость, отдает тепло продуваемому воздуху из окружающей атмосферы, а в воздухоохладителе, превращаясь из жидкости в пар, поглощает тепло воздуха грузового помещения, понижая тем самым температуру в грузовом помещении.

Таким образом, в холодильной установке совершается циркуляция холодильного агента - фреона-12, который сам не расходуется, а на получение холода затрачивается лишь механическая энергия компрессора, приводимого в действие карбюраторным или электрическим двигателем.

Мощность холодильной установки определяется холодопроизводительностью за час работы и измеряется количеством тепла (килокалорий в час), которое холодильная установка может отнять в течение часа от охлаждаемой среды, в данном случае от грузового помещения рефрижератора.

Компрессор холодильной установки приводится во вращение через клино-ременную передачу карбюраторным двигателем, а при работе от электрической сети-электродвигателем.

Со шкива компрессора движение передается также клиновым ремнем на генератор постоянного тока и вал вентиляторов, создающих потоки воздуха через конденсатор и воздухоохладитель.

Температура (от -15° до +4 °С) в грузовом помещении кузова поддерживается автоматически при помощи двухпозиционного термореле ТДДА .

Когда в грузовом помещении кузова требуется поддерживать положительную температуру, холодопроизводительность установки можно резко уменьшить при помощи регулирующего крана на всасывающем трубопроводе. При этом золотник крана должен быть повернут до упора по часовой стрелке.

Хладопроизводительность - это количество тепла, которое холодильная установка способна отвести от охлаждаемой жидкости. Именно это является важнейшим показателем, отражающим эффективность работы холодильного агрегата и влияет на его стоимость, поэтому при выборе того или холодильного оборудования необходимо главным образом обращать внимание на хладопроизводительность данного агрегата. Хладопроизводительность рассчитывается при подборе агрегата и может варьироваться от нескольких единиц, до нескольких тысяч кВт.

Хладагент - рабочее вещество холодильной машины, которое при кипении и в процессе изотермического расширения отнимает теплоту от охлаждаемого объекта и затем после сжатия передаёт её охлаждающей среде за счёт конденсации (воде, воздуху и т. п.). Ранее в холодильных машинах чаще всего использовался фреон, однако сейчас его заменяют альтернативными веществами, так как он наносит вред экологии.

Мощность - это количество холода, вырабатываемого агрегатом за единицу времени. Низкотемпературное оборудование, как правило, обладает большей мощностью, чем средне-температурное, однако не всегда. Чем больше мощность, тем быстрее холодильный агрегат вырабатывает необходимую температуру и точнее корректирует последующую работу холодильной машины при изменении условий окружающей среды.

Площадь выкладки - это пространство, предусмотренное для размещения товара, который видит покупатель. Чем больше соотношение площади выкладки и общей площади торгового оборудования, тем лучше. Например: площадь выкладки в данном случае состоит из полки внутри застеклённой витрины и небольшой верхней полки, находящейся снаружи. Глубина выкладки при этом составляет 775 мм (585 + 190) при истинной глубине витрины 795 мм. Площадь выкладки несомненно увеличивается, если витрина является многоярусной, однако и в этом случае надо помнить, что если между ярусами будет слишком маленькое расстояние, или они все полки будут одной длинны, то они будут перекрывать товар, размещённый на нижних полках.

Энергопотребление - это количество электроэнергии, потребляемой холодильной машиной. Существуют различные показатели энергопотребления - сколько электричества агрегат потребляет в сутки, в неделю, в год, или на единицу товара. Этот параметр является крайне важным при выборе холодильного оборудования и типа холодильного агрегата (выносного или встроенного), так как энергозатраты на эксплуатацию данного оборудования могут существенно варьироваться.

Температура внешней среды так же играет немаловажную роль при выборе холодильного оборудования. Это происходит так как хладагент в процессе работы через стенки трубок постоянно соприкасается с внешней средой (воздухом). В результате термообмена и идёт охлаждение воздуха, однако, если температура окружающей среды не соответствует положенной, то хладагент не успевает пройти весь цикл преобразований из жидкого состояние в газообразное, что приводит к ухудшению работы холодильного оборудования, или его поломке. Исходя из этого параметра, холодильное оборудование может быть предназначено для установки только в помещении, или на улице.

2. Принцип работы холодильного оборудования

Холодильный агрегат представляет собой закрытую цикличную систему, целью которой является охлаждение воздуха. Главными составными частями являются испаритель, компрессор, ресивер и конденсатор. Между собой эти элементы связаны соединительными трубками, внутри которых находится хладагент (вещество, которое, благодаря своей теплопроводности и способности легко переходить из одного состояния в другое, отнимает тепловую энергию охлаждаемого вещества и передает ее окружающей среде).

Компрессор вытягивает газообразный хладагент из испарителя и направляет его в конденсатор, где он быстро остывает под действием прохладного воздуха, нагнетаемого вентиляторами, и переходит в жидкое состояние, отдавая тепло. На следующем этапе, в ресивере, хладагент накапливается. В силу высокой теплопроводности, когда вещество попадает в испаритель, оно закипает и превращается в пар, тем самым, забирая тепло из окружающего его воздуха. Именно на этом этапе агрегат вырабатывает холод. Парообразный хладагент затем так же, под действием компрессора попадает в конденсатор.
Таким образом, холодильный агрегат вырабатывает как холод, так и тепло. Это крайне важно, когда речь идёт о выборе выносной или встроенной холодильной установки.

Для больших помещений (от 100 м²) нередко используются выносные агрегаты, включающие в себя автономный компрессор, испаритель и конденсатор. Они устанавливаются в отдельном помещении вне торгового зала и при помощи специальных труб поставляют холодный воздух непосредственно в холодильные машины. Так как холодильный агрегат вынесен за пределы торгового зала это, во-первых, позволяет увеличить площадь выкладки, так как не занимает место непосредственно внутри холодильного оборудования, во-вторых, не производит никакого шума. К тому же каждый холодильный агрегат вырабатывает тепло в окружающую среду. Чем больше холодильных агрегатов находятся в помещении, тем острее возникает вопрос об охлаждении, кондиционировании данного помещения, тем самым это требует больших затрат энергии. Выносной агрегат позволяет избежать данной проблемы, так как всё тепло, вырабатываемое данной установкой, естественным путём выходит за пределы помещения. К тому же выносной холодильный агрегат, вырабатывающий холод для нескольких холодильных машин значительно более экономичен с точки зрения энергопотребления. Однако есть и некоторые недостатки - обслуживание и устанавливка выносной системы генерации холода - это достаточно трудоёмкий процесс, который может выполнить только специалист.

Для небольших помещений (менее 100 м²) больше подходит оборудование со встроенным агрегатом. Эксплуатация и установка оборудования со встроенным холодильным агрегатом значительно проще, чем оборудование с выносным холодом и не требует дополнительного помещения вне торгового зала. Недостатками в данном случае является шум, производимый агрегатом, и сокращение площади выкладки из-за расположения блока агрегата непосредственно внутри холодильной машины. При большом количестве холодильных машин со встроенным агрегатом возникает вопрос об устранении тепла, которое они вырабатывают при работе. Таким образом, оборудование со встроенным агрегатом значительно менее экономично, чем холодильные машины с выносным холодом.

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.

Рис. 1. 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.

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.