Принцип действия "идеального" кондиционера и фазовые превращения
Андреев А. С. инженер по ремонту СКВ, ООО "Арсенал-Климат" (по материалам интернет-газеты "Холодильщик. ру")
Если капнуть на ладонь немного эфира, то мы сразу почувствуем холод: для своего испарения эфир черпает тепло из внешней среды, в частности, от кожи. Переход вещества из жидкого состояния в газообразное осуществляется путём поглощения тепла из внешней среды.
В холодильной машине, которой и является кондиционер, извлекают пользу из этого явления, с помощью компрессора заставляя жидкость циркулировать в устройстве, называемом испарителем (хотя, было бы точнее назвать его парообразователем). Эта жидкость, называемая хладагентом (в случае паровой компрессионной холодильной машины), превращается в пар при температуре на несколько Кельвинов (сИ=15К) ниже температуры, которую требуется поддерживать в охлаждаемом помещении. Для превращения в пар эта жидкость должна поглощать тепло из помещения, в котором находится испаритель, поддерживая тем самым низкую температуру в этом помещении.
В примере, изображённом на рис.1, заданная температура в помещении принята равной 15оС и температура парообразования должна быть ниже примерно на 15К. То есть равна 0оС. Температура парообразования зависит от давления насыщенных паров этой жидкости, которое равно давлению на её поверхности. Следовательно, подбирая это давление, мы можем сделать так, чтобы хладагент превращался в пар при любой температуре (хотя она должна быть заключена в некоторых пределах, зависящих от физических свойств используемого хладагента). Давление, которое нужно поддерживать (насыщенных паров), легко определить, если задана температура: давление приведено либо в таблице для данного хладагента, либо на диаграмме энтальпия-давление для этого хладагента.
 |
 |
|
|
 |
|
|
|
В примере, изображённом на рис.1, выбранным хладагентом является монохлордифторметан (R22), и соответствующие таблица 1 или диаграмма указывают, что давление насыщенных паров, отвечающее температуре 0оС, равно 5,0 бар. Запомним это значение, к нему вернёмся позже.
Как только жидкий хладагент превратится в пар, он будет обладать некоторым количеством тепла. Для извлечения хладагентом тепла из охлаждаемого помещения необходимо, чтобы он поступал в испаритель, не имея запаса тепла, то есть он должен быть жидким. Эту проблему можно решить двумя способами: или выбросить во внешнюю среду газообразный хладагент с запасённым теплом и направить в испаритель новую порцию хладагента из резервуара, или создать устройство, с помощью которого попытаться вновь использовать газообразный хладагент; а для этого необходимо изъять у него накопленное тепло и, значит, перевести его из газообразного состояния в жидкое. Так как первое решение слишком неудобное (особенно с точки зрения защиты окружающей среды и стоимости сырья), то выбирают второе решение. Когда хладагент находится в газообразном состоянии, его направляют в устройство, называемое конденсатором, в котором он отдаёт тепло охлаждающей среде (это может быть вода, но может быть и воздух) и конденсируется, переходя снова из газообразного состояния в жидкое. Для того, чтобы цикл мог осуществляться, требуется предусмотреть два других, совершенно необходимых устройства: во-первых, компрессор, позволяющий перейти от низкого давления к высокому и осуществляющий движение хладагента, во-вторых, регулирующий вентиль (также его роль могут играть капиллярная трубка, жиклёр, расширительный клапан), выполняющий обратное по сравнению с компрессором действие. Легко догадаться, что для того, чтобы произошло охлаждение, температура охлаждающей среды должна быть на несколько Кельвинов ниже температуры конденсации. Другими словами, температура охлаждающей воды или воздуха зависит чаще всего от параметров, значения которых нельзя выбирать по своему желанию. Чтобы привести конкретные числа, предположим, что мы располагаем воздухом для охлаждения, имеющим температуру +30оС. Так как мы оценили, что разность между температурой конденсации и начальной температурой охлаждающей среды должна быть примерно 15К, то это означает, что температура конденсации должна быть 30+15=45оС. Это значение примем для случая, изображённого на рис.1. Поскольку выбранным хладагентом является R22, то таблица или диаграмма энтальпия-давление для этого хладагента даёт значение давления насыщенных паров, соответствующего этой температуре, равное 17,3 бар. Это число означает, что если в конденсаторе будет давление 17,3 бар, то конденсация произойдёт при температуре 45оС. Выйдя из конденсатора, хладагент, опять ставший жидкостью, готов снова превратиться в пар, поглощая тепло во время прохождения через испаритель, и цикл повторяется вновь.
Чтобы в деталях узнать принцип действия холодильной машины, проследим на рис.1 путь хладагента, начиная с точки 1 перед компрессором.
Точка 1. Рис.1 показывает, что в точке 1 хладагент является на 100% газообразным, его давление равно давлению в испарителе 5,0 бар (в действительности из-за потерь в трубопроводе давление немного ниже этого значения, но принимать к рассмотрению это не будем) и его температура равна 10оС.
Точка 2. Хладагент в ней находится в газообразном состоянии, его давление равно 17,3 бар и температура равна +68оС. Это означает, что при прохождении через компрессор хладагент остаётся в газообразном состоянии, его давление возрастает от 5,0 бар до 17,3 бар и, вследствие возрастания давления, температура поднимается от 10оС до 68оС. Согласно второму началу термодинамики переход хладагента с низкого уровня температуры на уровень повышенной температуры может произойти только с помощью работы W,совершаемой компрессором. Это повышение температуры не является конечной целью процесса конденсации, так как прежде всего нужно, чтобы компрессор поднял давление паров хладагента до такой величины (17,3 бар), чтобы их конденсация произошла при выбранной температуре (45оС).
Точка 3. Используя на рис.1, можно утверждать, что хладагент, не поступив ещё в конденсатор, находится в этой точке в газообразном состоянии. Между точками 2 и 3 хладагент движется по трубопроводу, находясь в контакте с окружающим воздухом, температура которого, допустим, +30оС. Температура хладагента, следовательно, немного уменьшается взависимости от температуры окружающей среды и от длины трубопровода. В приведённом примере падение температуры составляет порядка 10К, так что в точке 3 хладагент будет иметь температуру 68-10=58оС. Это падение температуры называется "начальным снятием перегрева". Далее оно сменится "дополнительным снятием перегрева", которое происходит внутри конденсатора между точками 3 и 4.
Точка 4. На первом участке конденсатора, то есть между точками 3 и 4, хладагент уже начинает отдавать тепло охлаждающей среде, но конденсация ещё не наступила. Между этими точками теплообмен относительно велик, поскольку температура хладагента снизилась с 58оС до 45оС; давление остаётся равным 17,3 бар (без учёта потерь напора в трубопроводах). Полное охлаждение хладагента осуществляется между точками 2 и 4, где темпратура уменьшается от 68оС на выходе из компрессора до 45оС на входе в участок конденсатора, в котором и происходит конденсация.
Точка 5. Она отмечает выход из той части конденсатора, в которой происходила собственно конденсация между точками 4 и 5 при постоянной температуре 45оС. Температура конденсации, как правило, обозначается Тс, следовательно, имеем Тс=45оС при давлении 17,3 бар. Это состояние хладагента и будет являться конечной целью предназначения линии конденсации. Во время конденсации хладагент отдаёт охлаждающей среде количество тепла Qc, равное сумме количества тепла Qo, поглощённого в испарителе, и теплового эквивалента работы сжатия W(применение принципа эквивалентности к холодильной машине). Выглядит это так
Qc=Qo+W
В точке 5 хладагент, отдав охлаждающей среде количество тепла Qc, переходит из 100% газообразного состояния в 100% жидкое. Важно запомнить, что в ходе конденсации его температура и давление остаются постоянными (45оС и 17,3 бар).
Точка 6. Она соответствует выходу из конденсатора, хотя между точками 5 и 6 конденсация хладагента больше не происходит. На самом деле этот третий участок конденсатора нужен для "начального переохлаждения" хладагента, которое позволяет увеличить холодопроизводительность кондиционера в целом. В примере, приведённом на рис.1, переохлаждение на этом участке конденсатора снижает температуру хладагента примерно на 7К при сохранении давления постоянным. Следовательно, на выходе из конденсатора, т. е. в точке 6, хладагент полностью жидкий, его давление равно 17,3 бар и его температура равна 45-7=38оС. Заметим, что если нужно получить более глубокое переохлаждение, то после конденсатора предусматривают или переохладитель (некоторые кондиционеры коммерческой серии), или дополнительный теплообменник.
Точка 7. После конденсатора хладагент поступает на вход регулирующего вентиля. Так как между точками 6 и 7 температура хладагента только на несколько Кельвинов выше температуры окружающего трубопровод воздуха, то температура хладагента снижается лишь ненамного, в приведённом случае предположим, что на 3К. Следовательно, в точке 7 температура хладагента равна 38-3=35оС. По-прежнему пренебрегаем небольшим падением давления за счёт потерь напора на участке трубопровода 6-7; тогда давление в точке 7 равно 17,3 бар. Итак, можно сказать, что на участке между точками 5 и 7 хладагент переохладился на 10К.
Точка 8. Выше уже было сказано, что температура парообразования определяет давление парообразования (насыщенных паров). Поскольку в данном частном случае оно равно 5,0 бар, то роль регулирующего вентиля заключается в обеспечении снижения давления хладагента с 17,3 бар в контуре высокого давления до 5,0 бар в контуре низкого давления. Это падение давления называется "расширением" и сопровождается частичным парообразованием жидкого хладагента. При этом тепло, необходимое для обеспечения этого парообразования, не поступает от внешней среды, а берётся из самого хладагента, что и приводит к снижению его температуры. Следовательно, прохождение хладагента через регулирующий вентиль приводит к двум следствиям:
- прежде всего падает его давление с 17,3 до 5,0 бар;
- затем температура падает с 35 до 0оС.
Отметим, что на выходе из регулирующего вентиля хладагент представляет собой на 81% жидкость и на 19% газ. Эти значения, очевидно, различны для разных установок в зависимости от марки хладагента. Указанное выше процентное содержание взято из диаграммы энтальпия-давление используемого в приведённом примере хладагента (R22).
Точка 9. В идеальном случае регулирующий вентиль должен находиться непосредственно перед испарителем; тогда длина трубопровода между точками 8 и 9 будет очень мала и в точке 9 давление и температура будут те же, что и в точке 8 (5,0 бар и 0оС). Что касается фазового состава хладагента, то перед входом в испаритель он тот же самый (81% жидкость и 19% газ). В случае, когда регулирующий вентиль находится в компрессорно-конденсаторном блоке, участок трубопровода между точками 8 и 9 тщательно термоизолируется; незначительными потерями давления из-за падения напора в нём пренебрегаем.
Точка 10. Между точками 9 и 10 находится непосредственно испаритель. В нём 81% хладагента, жидкого на входе, полностью переходит в газообразное состояние, поглощая во время этого фазового перехода количество тепла Qo, поступающее из охлаждаемого помещения, поддерживаемого при температуре 15оС. Между точками 9 и 10 давление остаётся постоянным и равным давлению парообразования, обозначаемому, как правило, Po. В приведённом случае Po=5,0 бар. Температура также остаётся постоянной То=0оС. На рис.1 изображён испаритель, охлаждающий воздух, но можно также говорить об испарителе, охлаждающем жидкость (например, этиленгликоль). В некоторых случаях испаритель может быть помещён в коаксиальную трубу большого диаметра, в которой протекает вода, рассол, и т.д. Эти жидкости охлаждаются хладагентом и затем могут поступать, например, в батареи для охлаждения воздуха (фанкойлы), расположенные достаточно далеко (пример установок для кондиционирования воздуха).
Точка 11. Заметим, что на участке между точкой 10, которая отмечает выход из испарителя (следовательно, температура в ней равна 0оС) и точкой 1 температура возросла на 10-0=10К. Это возрастание произошло из-за перегрева хладагента на участке между испарителем и компрессором. Перегрев происходит в два этапа (первый этап 10-11, второй этап 11-1). Между точками 10 и 11 легко представить себе часть трубопровода, идущего от выхода из испарителя до стенки внутреннего блока или секции приточной установки (не относится к водоохладителям, так как у чилеров этот участок отсутствует). Эта часть трубопровода находится в контакте с воздухом или жидкостным трубопроводом, имеющим температуру несколько выше (вследствие того, что в нём 81% жидкости и меньше диаметр). Воздух или жидкостной трубопровод будут повышать на несколько Кельвинов температуру хладагента, например, от 0оС до 3оС. Кстати сказать, отрезок трубопровода 10-11 мог бы вносить вклад, хотя и небольшой, в производство холода, поскольку температура хладагента там возрастает. Когда хладагент окажется в точке 1 , он снова поступает в компрессор и цикл повторяется.
Что касается отрезка трубопровода 11-1, расположенного за пределами внутреннего блока или секции испарителя приточной установки, то воздух, с которым этот трубопровод контактирует, имеет, как правило, температуру окружающей среды и поступление тепла от окружающего воздуха к хладагенту будет более значительным, нежели на участке 10-11, поскольку, во-первых, температура окружающего воздуха выше, и, во-вторых, расстояние между точками 11 и 1 больше.
В приведённом примере возрастание температуры между точками 11 и 1 равно 7К, тогда температура хладагента в точке 1 непосредственно перед входом в компрессор равна 3+7=10оС. Вполне уместно спросить, почему бы не изолировать отрезок трубопровода 11-1. Однако опыт показывает, что такая теплоизоляция не будет эффективной для трубопроводов малого диаметра, что имеет место в данном примере. Поэтому трубопровод чаще всего изолируют, когда опасаются последствий конденсации влаги на его наружной поверхности.
Несмотря на возрастание температуры между точками 10 и 1 давление не изменяется (лишь немного уменьшается засчёт потерь напора в трубопроводе).
Примечание 1.
Численные значения для кондиционера воздуха, работающего на R22 и изображённого на рис.1, существенно упрощены для облегчения понимания принципа его работы, поэтому данная статья учебником не является.
Примечание 2.
Для контура, идущего в направлении от регулирующего вентиля через испаритель до компрессора, используется название "контур низкого давления", потому что давление в нём (5,0 бар) ниже, чем в "контуре высокого давления" (17,3 бар). На самом деле давление 5,0 бар не является таким уж низким по абсолютной величине и в приведённом примере оно выше атмосферного давления. Это означает, что контур низкого давления находится при избыточном давлении и он должен быть совершенно герметичным (очевидно, это относится и контуру высокого давления) во избежание утечки хладагента во внешнюю среду. Любая потеря хладагента не только снижает производительность установки, но, кроме того, если утечка значительна, может создать опасную атмосферу в помещении, где произошла утечка, и, во всяком случае, приводит к недопустимому загрязнению окружающей среды. В случае применения аммиака такая атмосфера взрывоопасна и уже через 30 минут не пригодна для дыхания. Следует отметить, что в некоторых холодильных установках давление в контуре низкого давления может быть ниже атмосферного. Если в приведённом примере поддерживаемая температура внутри помещения была бы не +15оС, а -25оС (низкотемпературная холодильная камера), пришлось бы выбрать температуру парообразования, например, равной -50оС, которой для R22 соответствует давление 0,64 бар. В этом случае в контуре низкого давления создаётся разрежение и его герметичность должна препятствовать проникновению воздуха, влага в котором разрушает контур, не говоря уже о множестве других сопутствующих неприятностях.
Примечание 3.
Холодильная машина может поставляться заводом-изготовителем в готовом к использованию виде; таков, например, оконный кондиционер. Однако, часто заказывают отдельно: с одной стороны, компрессор и конденсатор (они составляют группу сжатие-конденсация, с регулирующими устройствами или без них) и, с другой стороны, один или несколько испарителей (с регулирующими устройствами или без них). Обособленной группой стоят прецизионные холодильные машины. Иногда все элементы заказываются отдельно; тогда искусство техника-холодильщика состоит в сборке этих элементов на месте с целью создания холодильной установки (не путать с холодильной машиной). При этом расчёт установки, т.е. расчёт трубопроводов, определение характеристик компрессора, конденсатора и т.д., входит в обязанности проектировщика.
Источники:
- В. Мааке, Г.-Ю. Эккерт, Дан-Луи Кошпен/ ПОЛЬМАНН. Учебник по холодильной технике. ОСНОВЫ. КОМПЛЕКТУЮЩИЕ. РАСЧЁТЫ Монтаж, эксплуатация и техническое обслуживание холодильных установок// Перевод с франц. под ред. д.т.н. В.Б. Сапожникова- М.: МГУ, 1998. - с.211-216.
- Нимич Г.В., Михайлов В.А., Бондарь Е.С. Учебное пособие по проектированию, монтажу, наладке и ремонту. "Современные системы вентиляции и кондиционирования воздуха". - Киев.: "ИВИК" Изд-во, 2003.
- Термодинамические диаграммы i-lgPдля хладагентов. М.: Ависанко, 2003.
- Интернет-газета "Холодильщик.ру", выпуск 12(24)2006.
