Работа фреона
Содержание
1. Введение
2. Принцип охлаждения
3. Работа фреона в традиционном парокомпрессионном холодильнике
4. Суть процесса
5. Базовый фреоновый холодильный цикл
6. Меры предосторожности, при работе с фреоном
7. Зависимость температуры кипения фреонов от давления
1. Введение
Ниже, поэтапно разберем принцип работы фреона в холодильных чиллерах от простого к более сложному.
Статья написана ступенчато, поэтому рекомендуем прочесть ее в представленной смысловой последовательности, не пропуская части текста.
Прежде чем приступить к предметному рассмотрению вопроса, следует договориться о терминах, для этого ниже разместим несколько кратких определений.
Теплота (тепло) — это тип энергии, перемещающийся за счет разницы температур между областями или объектами перемещения. Теплота присутствует повсеместно в том или ином виде и в различной степени. Тепловой тип энергии не имеет свойства быть созданным ниоткуда или уничтоженным в никуда, при этом другие типы энергии могут перейти в тепловой тип энергии – например, механическая или электрическая в тепловую энергии и наоборот, но безвозвратно исчезнуть тепловая энергия не может. Распространение теплоты всегда однонаправленно и обусловлено температурной дельтой между более холодным и более теплым объектом или областью. Распространение теплоты между объектами возможно только в одном направлении , в моменте времени.
Скрытая теплота — теплота, затрачиваемая на переход вещества из одного агрегатного состояния в другое, например, для превращения жидкого вещества в пар, твёрдого в жидкости — без изменения температуры вещества. Скрытая теплота измеряется как количество теплоты (напр., Дж, калория, Вт) на единицу массы вещества (напр., моль, мг), подвергающегося изменению состояния.
Холод — это относительное отсутствие теплоты в области веществе или объекте. Относительное отсутствие, так как на практике абсолютный ноль пока не достигнут, его значение принято считать равным минус 273.16°C.
Охлаждение — это процесс отвода нежелательной теплоты от целевого объекта, области или вещества с передачей его другому целевому объекта, области или веществу в моменте времени. Отвод тепла снижает температуру объекта, области или вещества.
Техническое охлаждение происходит с применением сложных многокомпонентных технических устройств — холодильников, чиллеров, агрегатов.
2. Принцип охлаждения
Охлаждение основано на превращении (расширении) жидкости в газ. При испарении (расширении), теплота от охлаждаемого объекта (соприкасающегося с жидкостью — “влажного, намоченного”) передается окружающему воздуху посредством пара для достижения требуемого уровня холода в целевом объекте, области, веществе.
Мы можем провести простой практический эксперимент, а именно — намочить палец, вы почувствуете легкий холодок или сильный холод, если есть ветер, который усиливает конвекцию, а значит отвод теплоты от пальца и как следствие имеем более быстрое охлаждение.
(Ниже отступление от темы — полезный лайфхак, к прочтению не обязательно)
Вышеописанный простой принцип можно применять в бытовых целях. Например, если Вам в жару необходимо охладить напиток в бутылке, при этом естественного (холодного водоема) или технического источника холода (холодильника) рядом нет. Найдите кусок материала — тряпку, ветошь и т.п. и любой доступный (даже нагретый) источник воды, оберните бутылку в хорошо намоченную ветошь и положите на самое солнечное место — вода в бутылке будет понемногу охлаждаться, степень и скорость охлаждения зависит от многих факторов. Если будет небольшой ветер (даже горячий), то охлаждение будет более эффективным, так как отвод испарившегося пара в воздух будет происходить интенсивнее. На подсыхающую тряпку можно понемногу подливать жидкость для дальнейшего охлаждения. Как только тряпка начнет подсыхать, испарение будет происходить медленнее, жидкость в бутылке может перестать охлаждаться и начнет греться снова. С помощью тряпки (обычно футболка), жидкости и солнца, возможно в жару слегка охладить напиток.
Этот же фундаментальный принцип применяется в техническом охлаждении.
Но в техническом охлаждении процессы кипения и испарения (и конденсации) осуществляются под контролем и с точно заданными параметрами. При различном давлении, жидкости имеют различную температуру кипения.
Существуют промышленные чиллеры, где в качестве хладагента применяют не фреон, а ту же воду — абсорбционные чиллеры. Вода с аммиаком или бромидом лития. Бромид лития более применим, по причине большей безопасности.
При кипячении воды, она преобразуется из жидкости в пар. Под атмосферным давлением, вода кипит при 100°C, но при ином давлении, она будет кипеть при иной температуре. При увеличение давления, вода начнет кипеть при более высокой температуре, при снижении давления, вода закипит при более низкой температуре. Данный принцип и применяют в техническом охлаждении, касательно воды м в абсорбционном чиллере. Таким образом, поддерживая температуру в абсорбере и испарителе чиллера близкой к вакууму (~840 Па), вода кипит при температуре около +4.5°C, что и позволяет осуществлять техническое охлаждение. Циклическое изменение агрегатного состояния (жидкость — пар — жидкость — пар) воды и бромида лития позволяет им поддерживать охлаждение. Это экологичная система, но ключевым ее недостатком является относительно малая температура кипения — испарения, из чего следует, что охладить с помощью этой системы воду можно только до определенного минимального уровня, а именно, приблизительно до +4.5°C. Также к весомым минусам данной системы можно отнести значительные габариты — в разы, иногда в десятки раз больше в сравнении с традиционными фреоновыми парокомпрессионными холодильниками, при сопоставимый холодопроизводительности. Также они сильно дороже более распространённых парокомпрессионных холодильников, в этой связи, абсорбционные холодильники широко не распространены и не составляют особой конкуренции парокомпрессионным холодильникам, в которых как раз и применяется фреон в качестве кипящей и испаряющейся жидкости — хладагента.
3. Работа фреона в традиционном парокомпрессионном холодильнике
В парокомпрессионных холодильниках (ПХ) в качестве хладагента, для переноса теплоты применяется фреон. Главными преимуществами фреонов является их низкая температура кипения-испарения, при заданном давлении. Эта особенность позволяет охлаждать вещество (среду, объект) до очень низких температур, в зависимости типа фреона. С помощью компрессора и регулирующей арматуры (напр., ТРВ или капиллярной трубки) проектировщик чиллера или эксплуатационщик может задать требуемое давление в системе, за счет чего задать температуру испарения фреона, а значит требуемую температуру охлаждения целевого вещества (напр., воздуха, жидкости).
Во время работы холодильной установки (включения компрессора), необходимо непрерывно передавать теплоту от охлаждаемого вещества к фреоновому пару.
В ПХ теплота от охлаждаемого вещества передается к пару фреона в специальном теплообменном аппарате – испарителе, от слова испаряться, так как в нем вскипает, расширяется - испаряется фреон. Испаритель позволяет через стенки теплообменной поверхности осуществить интенсивней теплообмен между средами (паром фреона и охлаждаемым веществом) не смешивая между собой эти два вещества. Теплообменная поверхность, обычно производится из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, например из меди, стали или специализированных термополимеров.
Фреон попадает в испаритель через специальное расширительное устройство (ТРВ или капиллярку), из области высокого давления - нагнетания компрессора, в испаритель, при этом посредством работы холодильного компрессора, в испарителе создается подконтрольное низкое давление (согласно мощности компрессора).
4. Суть процесса
При резком перепаде давления до ТРВ (высокое — нагнетание компр.) и после ТРВ (низкое — всасывание компр.), фреон под действием разности давлений, принудительно продавливается через узкое отверстие ТРВ (как у дросселя или форсунки), далее, фреон пройдя узкое отверстие ТРВ (как дюза, дроссель, форсунка) — расширяется, по типу распылителя аэрозольного баллончика, когда жидкость из баллончика (напр., дезодоранта) под давлением выпускается в атмосферу с более низким давлением, чем внутри баллона. Далее, после дросселирующего устройства (оно же дозирующее), фреон преобразуется в парожидкостную смесь и выкипает с некоторой низкой температурой. Парожидкостная семь, которая не выкипела мгновенно, также должна превратиться в пар, при движении по каналам испарителя. Температура кипения фреона, при достигнутом компрессором давлении соответствует марке и характеристикам применяемого фреона. Кипящий и испаряющийся фреон, с низкой температурой через стенки теплообменной поверхности испарителя отнимает теплоту от охлаждаемого вещества, такой процесс происходит циклично и непрерывно пока компрессор запущен и создает разность давлений до и после дросселирующего (дозирующего) устройства — ТРВ, капиллярки (дросселя, дюзы). Имея управляемое значение разности давлений посредством компрессора и марку фреона, мы можем точно поддерживать и контролировать температуру кипения фреона, а значит температуру охлаждаемого вещества.
Эксплуатационных потерь фреона в ПХ нет, заправляется требуемое количество единожды, при отсутствии утечек во фреоновом контуре.
В сухом остатке.
При резком падении давления после дросселя (ТРВ), жидкий фреон вскипает и расширяется — испаряется, преобразовываясь в пар. Испаряющийся фреон, отводит теплоту от предмета соприкосновения — теплообменной поверхности испарителя (охлаждает теплообменную поверхность). Охлаждаемое вещество передает теплоту через теплообменную поверхность испаряющемуся фреону, тем самым охлаждаясь. Нагретый, испарившийся фреон (пар), всасывается компрессором, который нагнетает его в область высокого давления — до дросселя, в конденсатор, где пар конденсируется снова в жидкую фазу и под высоким давлением продавливается к входному отверстию дросселя (ТРВ, капиллярки) — цикл замкнулся.
Ниже рассмотрим работу фреона на примере холодильного цикла. (нажмите на картинку чтобы увеличить)
5. Базовый фреоновый холодильный цикл
1. Нагретый в испарителе фреон (точнее, перегретый фреон) принудительно всасывается компрессором.
(примечание) Перегрев фреона — догрев полсе испарения всей жидкй фазы фреона, необходим для того, чтобы капли жидкости не попали в компрессор вместе со всасываемым парами, но на 100% испарились на выходе из испарителя.
2. Компрессор сжимает газообразный фреон, превращая его в горячий газ высокого давления.
3. Внутри конденсатора, газ охлаждаться и переходит в парообразное состояние. Далее, охлаждение паров фреона в конденсаторе приводит к их конденсации — преобразованию в горячий жидкий фреон высокого давления. Далее, жидкий фреон дополнительно доохлаждается (переохлаждается) и становится переохлажденной жидкостью высокого давления.
(примечание) Переохлаждение фреона необходимо чтобы фреон выходил из конденсатора без примеси пара — только в жидком состоянии, что служит для поступления к дросселю (ТРВ — дозирующему устройству) только полностью сконденсированного — жидкого фреона.
4. После конденсации жидкий фреон, под действием разности давлений, продавливается через дроссель (ТРВ - дозирующее устройство). Фреон, пройдя через дроссель, попадает в испаритель, где имеется низкое давление, что заставляет фреон интенсивно кипеть — испаряться.
5. Пар фреона в испарителе поглощает теплоту от охлаждаемого вещества (воздуха), через стенки испарителя, поддерживая кипение фреона. Воздухом отводится полученный от пара фреона «холод», а нагретый от воздуха пар фреона отводится (всасывается) компрессором, тем самым поддерживается в испарителе требуемое низкое давление. При движении дальше по испарителю, пар фреона перегревается, превращая парообразный фреон в газообразный, прежде чем он всосётся в компрессор и замкнет цикл.
(подробно о процессе в испарителе) Холодильный цикл непрерывен и происходит единомоментно во всех частях фреонового контура, на каждом участке свой процесс. Но очень образно, для понимания процеccа в испарителе можно разбить на ступени и описать так:
— попадание жидкого фреона в область низкого давления для теплообмена
— вскипание
— испарение
— повышение давления внутри испарителя вследствие увеличения объема в испарителе, за счет образовавшегося нагретого пара
— откачка компрессором полученного нагретого пара, пока объем не уменьшится и наебудет достигнуто требуемая отметка давления кипения фреона
— снова, попадание жидкого фреона в область низкого давления.
(!) В реальном холодильном цикле, при его корректной работе, подача жидкого хладагента в испаритель через дроссель и откачка нагретого пара происходит единовременно и непрерывно, следовательно, давление кипения фреона (а значит температура) остается одинаковой и стабильной. Сколько жидкого фреона приходит в испаритель в моменте времени, столько же компрессор откачивает в виде испарившегося нагретого пара, в моменте времени — давление и температура кипение фреона стабильны. Значит охлаждаемый объект также получает охлаждение заданной стабильной температурой.
6. Меры предосторожности, при работе с фреоном
При кратковременном вдыхании небольшой порции фреона, состав большинства фреонов не обладает значительной токсичностью и не принесет никакого вреда жизни и здоровью человека. Но стоит учесть, что фреон инертен, он тяжелее воздуха и не имеет выраженного запаха. До некоторого момента, человек может его вдыхать, не ощущая какого-то дискомфорта (как, например, с аммиаком). При высокой концентрации фреона в помещении, легкие человека незаметно заполнятся оседающим в них фреоном, и места для порции воздуха будет оставаться все меньше, но при этом - по ощущениям человек будет дышать как обычно – “полной грудью”.
Часть объема легких, занятого фреоном, не позволит получать требуемое для нормальной работы мозга количество кислорода, из все меньшей порции воздуха, который возможно реально вдохнуть (не по ощущению). Кислородное голодание может привести к потери сознания. До того, как потерять сознание, человек ощутит следующие симптомы: головокружение, учащённое сердцебиение, шум в голове – в ушах, легкая паника, если не среагировать и срочно не покинуть помещение, паника сменится на апатичное состояние, как бы опьянение.
(Важно!) В мощных чиллерах объем фреона в ресивере может быть очень значительным, относительно помещения, где он установлен. При срабатывании аварийного клапана высокого давления – сброса фреона, помещение может за несколько секунд заполниться большой концентрацией фреона. В этой связи, рекомендуется выводить трубу или шланг от аварийного клапана (расположен на ресивере) на улицу. Если шланга нет, то при аварийном выбросе фреона - немедленно (на какое-то время) покиньте помещение, проветрите его. Также следует предупредить тех, кто находится этажом ниже, так как фреон обладает высокой текучестью и осядет вниз через щели и т.п.
Также фреон может стать причиной термического ожога. Желательно при разгерметизации системы работать в резиновых перчатках.
7. Зависимость температуры кипения фреонов от давления
