Работа фреона
Содержание
2. Принцип охлаждения
3. Работа фреона в традиционном парокомпрессионном холодильнике
4. Суть процесса
5. Базовый фреоновый холодильный цикл
6. 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. Смело применяйте данный физический принцип. Найдите кусок материала — тряпку, ветошь и т.п. и любой доступный (даже нагретый) источник воды, оберните бутылку в мокрую ветошь и положите на самое солнечное место, и несмотря на то, что тряпка была намочена теплой водой, а солнечные лучи прямые и сильные — вода в бутылке будет 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 любой температуры для дальнейшего охлаждения. Как только тряпка подсохнет значительно, испарение будет происходить медленнее, жидкость в бутылке может перестать охлаждаться или начнет греться снова. С помощью тряпки (обычно футболка), теплой жидкости и солнца можно в жару охладить напиток, например. Это просто базовая физика охлаждения, пользуйтесь!
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. Зависимость температуры кипения фреонов от давления
