ІНРОСТ. Фізичні принципи роботи кондиціонера

1. Головна функція кондиціонера - охолодження повітря Основні функції кондиціонера - це охолодження...
2. теплота пароутворення
3. холодильна машина
4. ентальпія холодоагенту
5. Теоретичний цикл охолодження
6. конденсація
7. регулятор потоку
8. У випарнику
9. Реальний цикл охолодження
10. Ефективність циклу охолодження холодильної машини

Головна функція кондиціонера - охолодження повітря

Наша сеть партнеров Banwar

Основні функції кондиціонера - це охолодження і обігрів повітря, вже знаходиться всередині приміщення. Це означає, що кондиціонер в загальному випадку не виробляє припливу свіжого повітря з вулиці або витяжки повітря з приміщення. Для завдань витяжки та припливу служить вентиляційне обладнання.

Охолодження повітря в кондиціонерах відбувається за допомогою компресійного циклу охолодження.

Температура кипіння

Температура кипіння рідини залежить від тиску навколишнього середовища. Чим нижче цей тиск, тим нижче температура кипіння.

Наприклад, загальновідомо, що вода закипає при температурі 100С. Але це відбувається лише при нормальному атмосферному тиску (760 мм рт. Ст.). При підвищенні тиску температура кипіння зросте, а при його зниженні (наприклад, високо в горах) вода закипить при температурі набагато нижче 100С. В середньому, при зміні тиску на 27 мм .рт. ст. температура кипіння зміниться на 1С.
Різні рідини киплять при різних температурах навіть при однаковому зовнішньому тиску.

• Наприклад, рідкий азот кипить при температурі близько -77; С, а фреон R-22, який застосовується в холодильній техніці - при температурі -40.8С (при нормальному атмосферному тиску).

теплота пароутворення

При випаровуванні рідини теплота поглинається з навколишнього середовища. При конденсації пари тепло, навпаки, виділяється. Теплота пароутворення рідин дуже велика.

• Наприклад, енергія, потрібна для випаровування 1 г води при температурі 100С (539 калорій / г), значно більше енергії, необхідної для нагрівання цієї води від 0; С до 100С (100 калорій / г)!

Якщо рідкий фреон помістити у відкритий посудину (з атмосферним тиском і кімнатною температурою), то він відразу ж скипить, поглинаючи при цьому велику кількість теплоти з навколишнього середовища.

Це явище і використовується в холодильній машині. Тільки в ній фреон перетворюється в пар в спеціальному відділенні - випарнику. Трубки випарника обдуваются потоком повітря. Киплячий фреон поглинає тепло з цього повітряного потоку, охолоджуючи його.

Але в холодильній машині неможливо тільки випаровувати фреон, поглинаючи тепло. Адже тоді в ній утворюється велика кількість парів і буде потрібно підводити все новий і новий рідкий фреон постійно. Тому в холодильній машині проводиться і зворотний процес конденсації - перетворення з пари в рідину.

При конденсації будь-якої рідини виділяється теплота, яка надходить потім в навколишнє середовище. Температура конденсації, як і температура кипіння, залежить від зовнішнього тиску. При підвищеному тиску конденсація може відбуватися при досить високих температурах.

• Наприклад, фреон R-22 починає конденсуватися при + 55С, якщо знаходиться під тиском 23 атмосфери (близько 17,5 тис. Мм рт. Ст.).

холодильна машина

У холодильній машині фреон конденсується в спеціальному відділенні - конденсаторі . Тепло, що виділилася при конденсації, видаляється потоком охолоджуючої рідини або повітря.

Оскільки холодильна машина повинна працювати безперервно, то в випарник повинен постійно надходити рідкий фреон, а в конденсатор - його пари. Цей процес - циклічний, обмежена кількість фреону циркулює по холодильній машині, випаровуючись і конденсуючись.

ентальпія холодоагенту

Відбувається в холодильній машині цикл охолодження зручно зображувати графічно. На діаграмі показано співвідношення тиску і теплосодержания (ентальпії) холодоагенту.

Ентальпія - це функція стану, приріст якої при процесі з постійним тиском одно теплоті, отриманої системою.

На діаграмі показана крива насичення холодоагенту.

• Ліва гілка кривої відповідає насиченою рідини
• Права частина відповідає насиченому пару.
• У критичній точці гілки кривої з'єднуються, і речовина може перебувати і в рідкому, і в газоподібному стані.
• Усередині кривої - зона, відповідна суміші пари і рідини.
• Зліва від кривої (в області меншою ентальпії) - переохолоджена рідина.
• Праворуч від кривої (в області більшою ентальпії) - перегріта пара.

Теоретичний цикл охолодження дещо відрізняється від реального. Насправді відбуваються втрати тиску на різних етапах перекачування холодоагенту, що знижують ефективність охолодження. Це не враховується в ідеальному циклі

^

Теоретичний цикл охолодження

У компресорі

Холодний насичений пар холодоагенту надходить в компресор холодильної машини (точка С1). У процесі стиснення його тиск і температура підвищуються (точка D). Ентальпія теж підвищується на величину, рівну проекції лінії С1-D. На схемі це відрізок НС1-НD.

конденсація

В кінці циклу стиснення холодоагенту гаряча пара потрапляє в конденсатор. Тут при постійній температурі і тиску відбувається конденсація, і гаряча пара перетворюється в гарячу рідину. Хоча температура практично постійна, ентальпія зменшується при фазовому переході, а виділилася тепло відводиться від конденсатора. Цей процес відображається на діаграмі у вигляді відрізка, паралельного горизонтальній осі (тиск постійно).

Процес в конденсаторі холодильної машини відбувається в три етапи: зняття перегріву (D-Е), конденсація (Е-А) і переохолодження рідини (А-А1). Ділянка діаграми D-А1 відповідає зміні ентальпії холодоагенту в конденсаторі і показує, яка кількість тепла виділяється в ході даного процесу.

• Зняття перегріву.
  У цьому процесі температура пара знижується до температури насичення. Зайве тепло відводиться, але зміни агрегатного стану не відбувається. На цьому етапі знімається близько 10 - 20% тепла.
• конденсація
  На цьому етапі відбувається зміна агрегатного стану холодоагенту. Температура при цьому залишається незмінною. На цьому етапі знімається близько 60 - 80% тепла.
• переохолодження рідини
  У цьому процесі рідкий холодоагент охолоджується, при цьому виходить переохолоджена рідина. Агрегатний стан не змінюється.
  Переохолодження рідини на цьому етапі дозволяє підвищити продуктивність холодильної машини. При постійному рівні енергоспоживання зниження температури на 1 градус підвищує продуктивність холодильної машини на 1%.
  

регулятор потоку

Переохолоджена рідина з параметрами точки А2 надходить на регулятор холодильної машини. Він являє собою капілярну трубку або терморегулювальний розширювальний клапан. У регуляторі відбувається різке зниження тиску. Безпосередньо за регулятором починається кипіння холодоагенту. Параметри отриманої суміші пари і рідини відповідають точці В.

У випарнику

Суміш пара і рідини (точка В) потрапляє в випарник холодильної машини, де поглинає тепло від навколишнього середовища і повністю переходить в пар (точка С1). Цей процес відбувається при постійній температурі, але ентальпія при цьому збільшується.

На виході випарника пароподібний холодоагент трохи перегрівається (відрізок С1-С2), щоб краплі рідини випарувалися повністю. Для цього доводиться збільшувати площу теплообмінної поверхні випарника (на 4-6% на кожен градус перегріву). Зазвичай перегрів складає 5-8 градусів, і збільшення площі теплообміну досягає 20%.

У випарнику холодильної машини ентальпія холодоагенту змінюється на величину НВ-Нс2, рівну проекції кривої випаровування на горизонтальну вісь.

^

Реальний цикл охолодження

Реальний цикл охолодження має деякі відмінності від ідеального. Це відбувається за рахунок втрат тиску , Що виникають на лінії всмоктування і нагнітання холодильної машини, а також в клапанах компресора. Тому відображення реального циклу на діаграмі зв'язку тиску і ентальпії дещо інше.

Через втрат тиску на вході в компресор всмоктування має проходити при тиску, яке нижче тиску випаровування (відрізок C1-L). Крім того, через втрати тиску на виході компресора доводиться стискати пар холодоагенту до тиску, який вище тиску конденсації (M-D1). Таким чином, робота стиснення збільшується. Така компенсація втрат тиску в реальному холодильній машині знижує ефективність циклу.

Крім втрат тиску в трубопроводі, є й інші відхилення від ідеального циклу. По-перше, реальне стиснення холодоагенту в компресорі не може бути строго адіабатичним (без підведення і відведення тепла). Тому робота стиснення буде вищою теоретично розрахованої. По-друге, в компресорі холодильної машини є механічні втрати енергії, що призводить до збільшення необхідної потужності електродвигуна.

^

Ефективність циклу охолодження холодильної машини

Відображення на діаграмі:
C1-L - втрата тиску при всмоктуванні
M-D1 - втрата тиску при виході
HD-HC1 - теоретичне зміна ентальпії (теплосодержания) при стисканні
HD1-HC1 - реальна зміна ентальпії (теплосодержания) при стисканні
C1D - теоретичне стиснення
LM - реальне стиснення

Для вибору одного з найкращих циклів охолодження необхідно оцінювати їх ефективність. Зазвичай показником ефективності циклу холодильної машини служить ККД або коефіцієнт термічної (термодинамічної) ефективності.
Коефіцієнт термічної ефективності - це:

• відношення зміни ентальпії холодоагенту у випарнику (НС-НВ) до зміни ентальпії в процесі стиснення (HD-HC).
• або: співвідношення потужності охолодження і електричної потужності, яку споживає компресор холодильної машини.

Наприклад, якщо коефіцієнт термічної ефективності будь-якої холодильної машини дорівнює 2, то на кожен кВт споживаної електроенергії ця машина виробляє 2 кВт холоду.

Стаття надана компанією Інрост