Цикл холодильной машины: Цикл холодильной машины: теория и реальность

Цикл холодильной машины: теория и реальность

Любой механизм с охлаждением: холодильник, кондиционер – работают циклично. Наиболее часто цикл холодильной машины – компрессионный.

 

Принцип работы охлаждающего оборудования (кондиционера) состоит в изменении параметров воздуха, придания ему определенных дополнительных опций: влажности, температуры, направления. При этом основная опция: охлаждение – обеспечивается постоянной циркуляцией, конденсацией и кипением хладагента в циклично-замкнутой системе. Хладагент кипит при низкой температуре и давлении, конденсация происходит, когда высокая и температура, и давление. 

Цикл холодильной машины схема 

Первая фаза – выход испарителя, находящегося в парообразном состоянии, характеризующимся низкой температурой и таким же давлением. Компрессор, повышает температуру и поднимает давление, переводя пар в жидкость. Различают компрессоры с водяным и воздушным охлаждением. Следующая фаза – жидкий хладагент, имея высокую температуру и давление, передается в регулятор потока, где давление быстро понижается, а часть жидкости, превращаясь в пар, испаряется. В испарителе, следующем звене,  паро-водяная смесь кипит, переходя вновь в пар. Пар, выходя из испарителя, возобновляет процесс охлаждения вновь.

 

Важно: Испаритель выбирается так, чтобы жидкая фаза полностью там испарилась.

 

Таким образом, цикличность заключается в постоянной круговой циркуляции хладагента с изменением физического состояния от жидкости к пару и наоборот. Все холодильные машины работают по разному, общее в работе одно – они работают по циклам. 

Цикл Карно холодильной машины 

Цикличность – основа цикла Карно. Теоретически, такой процесс – идеален с точки зрения термодинамики. Механическая работа выполняется за счет теплообмена резервуаров с разными температурными режимами, но постоянными во времени. Более высокотемпературный резервуар называется нагревателем, низкотемпературный – холодильником.

 

Идеальность таких процессов обеспечивается малой скоростью циркуляции, поэтому мощность в цикле Карно нулевая. Реальные машины не могут иметь нулевую мощность. Поэтому процессы, происходящие в настоящих механизмах только в какой-то степени могут приближаться к циклу Карно.

 

Для кондиционеров характерен обратный цикл Карно – холодильная машина проводит цикличный процесс в противоположную сторону. Тепло выходя из холодильника передается нагревателю, используя внешние силы. Можно говорить, что цикличность Карно – идеальный цикл холодильной машины или кондиционера. 

Процесс охлаждения в реальности и теории

Теоретический цикл работы холодильной машины значительно отличается от работы холодильных установок в обычной жизни. При работе реальных холодильников и кондиционеров происходят значительные потери давления на входе, выходе, увеличение сжатия, что автоматически снижает эффективность работы.

 

Сконструировать хладоустановку, имеющую обратимый цикл паровой холодильной машины (Карно) невозможно. В природе нет обратимых процессов.  Однако его можно считать эталоном экономически выгодного цикла, к которому надо стремиться.  

Циклы холодильных установок | Блог инженера теплоэнергетика

       Здравствуйте! Охлаждение рабочего тела до температуры ниже температуры окружающей среды осуществляется с помощью холодильных установок, работающих в отличие от теплосиловых, по обратному циклу. В таких циклах работа сжатия превышает работу расширения. Как было установлено при анализе цикла Карно для перехода теплоты от тела с меньшей температурой к телу, температура которого выше, холодильная машина должна получать механическую энергию от внешнего источника. При исследовании холодильных установок в качестве теоретического цикла идеальной холодильной машины рассматривают обратный цикл Карно, который совершается против часовой стрелки.

     В процессе изотермического сжатия 3—2 (рис. 1) от рабочего тела в окружающую среду отводится количество теплоты q1, после чего осуществляется адиабатное расширение 2—1, которое сопровождается понижением температуры рабочего тела до величины Т2.

В изотермическом процессе 1—4 от охлаждаемого объема отводится количество теплоты q2, а затем происходит адиабатное сжатие 4—3, и весь цикл повторяется снова.
Величина работы, которая необходима для осуществления цикла, эквивалентна заштрихованной площади цикла 1—2—3—4—1.

     Для оценки эффективности холодильной установки вводится холодильный коэффициент, равный отношению количества отведенной теплоты q2 к затраченной работе l:

(1)

Для цикла Карно q2=T2∆s и l=(T1 — T2)∆s (рис. 1). После подстановки этих величин в выражение (1) получим

      Анализ этого выражения показывает, что величина холодильного коэффициента ε зависит от разности температур T1—Т2 между окружающей средой и холодильной камерой.При уменьшении этой разности коэффициент ε увеличивается, а величина затраченной работы l уменьшается. Наибольшее распространение получили компрессионные холодильные установки, в которых в качестве рабочего тела используются жидкости, кипящие при небольших отрицательных температурах (аммиак, углекислота и др.).

     Для этих целей применяются фреоны (хлорофтор-производные углеводороды), температура кипения которых в зависимости от химического состава изменяется в больших пределах. В таких установках вместо адиабатного расширения применяют процесс дросселирования рабочего тела, сопровождающийся уменьшением его температуры, что позволяет упростить конструкцию установки.

     Схема компрессионной паровой холодильной установки приведена на рис.2.

     В компрессоре 3 осуществляется сжатие влажного насыщенного пара, в результате чего температура повышается и пар переходит в перегретое состояние. Затем пар поступает в охладитель (конденсатор) 2, где происходит конденсация пара за счет подачи охлаждающей воды. При дросселировании в дросселе происходит частичное испарение жидкости и уменьшение ее температуры. Затем жидкость поступает в холодильную камеру 4 и, испаряясь, отнимает теплоту. Исп. литература: 1) Теплоэнергетика и теплотехника, Общие вопросы, Справочник под ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина, Москва, «Энергия», 1980. 2)Теплотехника, Бондарев В.А., Процкий А.Е., Гринкевич Р.Н. Минск, изд. 2-е,”Вышейшая школа”, 1976.

Циклы одноступенчатых паровых компрессионных холодильных машин

На рис. 1.6 рассмотрим обратный цикл Карно (идеальный цикл холодильных машин) и схему одноступенчатой ПКХМ.

При кипении хладагента в испарителе И образуется насыщенный пар, состояние которого на диаграмме определяется точкой 1. Пар всасывается компрессором КМ и адиабатически сжимается (1→2) до давления Pk и температуры конденсации Tk. В конденсаторе КД пар конденсируется, отдавая теплоту qk, равную сумме теплоты, отведенной из охлаждаемого помещения, и теплоты, эквивалентной работе сжатия l, забортной воде. Процесс конденсации протекает при постоянной температуре Tk по изотерме (2→3). Жидкий хладагент адиабатически расширяется в расширительном цилиндре РЦ (3→4) до давления Po и температуры кипения То, при этом совершая полезную работу.

 

 

В испарителе И жидкий хладагент кипит по изотерме (4→1), отводя теплоту qo из охлаждаемого помещения, и превращается в пар с исходным состоянием. Таким образом, обратный цикл Карно состоит из двух адиабат (1→2, 3→4) и двух изотерм (2→3, 4→1), расположенных в области насыщенного пара.

Количество теплоты qo, отводимое от охлаждаемого объекта единицей массы хладагента, называется его удельной массовой холодопроиз-водительностью. Численно она равна разности энтальпий конца и начала процесса в испарителе, кДж/кг:

 

qo=i1-i4=пл.00´с1b-пл.00´с4а=пл.а41b

 

Величина qo эквивалентна пл.а41b , изображенной на диаграмме sT.

Удельная работа, кДж/кг, затрачиваемая на адиабатическое сжатие единицы массы паров холодильного агента, равна:

 

lkм=i2-i1=пл.00´32b-пл.00´с1b=пл.с321,

где i2-i1 – разность энтальпий в конце и начале сжатия.

 

Соответственно, полезная работа, совершаемая цилиндром РЦ,

 

lрц=i3-i4= пл.00´3а-пл.00´с4а=пл.с.34.

 

Тогда затраты удельной работы на совершение цикла Карно будут

 

l = lkм- lрц = пл.с321 – пл.с34=пл. 1234.

 

Удельное количество теплоты, отводимое в конденсаторе КД, кДж/кг,

 

q= i2-i3= qo+l=пл.a41b+пл.4321=пл.а32b

 

Экономичность цикла оценивается холодильным коэффициентом εт, который представляет собой отношение количества теплоты, отведенной от охлаждаемого объекта к работе, затраченной на совершение цикла:

εт=qo/l=пл.а41b/пл.1234=(To*(sb-so))/((Tk-To)*(sb-so))= To/(Tk-To)

Хотя цикл Карно и является теоретическим, однако по нему можно судить о степени совершенства реальных циклов. Как видно из выражения для εт, холодильный коэффициент не зависит от физических свойств хладагента, а определяется только температурой охлаждающего тела To и окружающей среды Tk. При понижении Тo и постоянной Тk холодильный коэффициент уменьшается, т. е. получение холода при более низких температурах требует увеличения затрачиваемой работы. Понижение же температуры окружающей среды, например охлаждающей забортной воды, уменьшает работу на совершение цикла и увеличивает холодильный коэффициент.

Для заданных постоянных температурных режимов холодильный коэффициент цикла Карно имеет наибольшее значение, сравнивая с которым действительное значение εд, судят о степени термодинамического совершенства реального цикла.

Одной из причин неосуществимости обратного цикла Карно в реальной холодильной машине служит условие обратимости процессов теплообмена в конденсаторе КД и испарителе И. Их обратимость требует бесконечно малые разности температур при отводе теплоты и, как следствие, бесконечно большие поверхности теплообменных аппаратов.

Поэтому в реальных циклах температура конденсации Тк выше температуры охлаждающей забортной воды на 5-7 °С и, наоборот, температура кипения хладагента Тo ниже температуры объекта охлаждения Тоб на 8-12°С. Отсюда площадь, определяющая удельную работу l, с учетом температурных напоров ∆Tk и ∆To увеличивается, а площадь эквивалентная удельной массовой холодопроизводительности q_o,- уменьшается. Как показывает практика, понижение температуры кипения хладагента на 1 °С увеличивавет работу на 4-5%, а повышение температуры конденсации на 1 °С – на 2%.

Из-за сложности изготовления расширительного цилиндра РЦ в реальных холодильных машинах его заменяют на регулирующий вентиль (на схеме не показан). Проходя через регулирующий вентиль, жидкий хладагент дросселируется до давления кипения Po. Дросселирование проходит при постоянной энтальпии (3→4′) с уменьшением удельной массовой холодопроизводительности на значение, соответствующее пл.44’а’а. И наоборот, удельная работа на совершение цикла возрастет на потерю полезной работы от расширительного цилиндра РЦ и будет равна работе сжатия паров хладагента, эквивалентной пл.123с.

Работа компрессора КМ в области насыщенного пара при совершении цикла Карно связана с опасностью гидравлического удара и аварии механизма. Кроме этого, резко возрастают потери в самом компрессоре КМ, что снижает экономичность всего цикла. Поэтому в действительности цикл холодильной машины ограничивается не только областью насыщенного пара, а протекает и вне ее.

На рис. 1.7 показана схема одноступенчатой ПКХМ с регулирующим вентилем. Пар хладагента в сухом насыщенном состоянии (точка 1) всасывается компрессором КМ из испарителя И. В компрессоре КМ он сжимается в области перегретого пара по адиабате 1→2 до давления конденсации P_k. В конденсаторе КД перегретый пар, отдавая теплоту охлаждающей забортной воде, сначала охлаждается до температуры конденсации t_k (2`→3`), затем конденсируется при постоянной температуре t_k (2`→3`) и может дополнительно переохлаждаться, соприкасаясь с холодной забортной водой (3`→3). Весь процесс в конденсаторе КД протекает при постоянном давлении по изобаре 2→3. Жидкий хладагент в точке 3 дросселируется в регулирующем вентиле РВ при постоянной энтальпии от давления конденсации P_k до давления кипения P_o (3→4). В испарителе И жидкий хладагент кипит при температуре t_o (4→1), отводя теплоту q_o от объекта охлаждения.

Для сравнения на диаграммах штриховыми линиями показан цикл в области насыщенного пара с регулирующим вентилем. Как видно из диаграммы sT (см. рис. 1.7,6), повышение сухости всасываемого пара и сжатие его в области перегретого пара увеличивает удельную работу ∆l` более значительно, чем удельную массовую холодопроизводительность ∆q<sub>o</sub>`, что приводит к снижению холодильного коэффициента цикла. Однако понижение температуры жидкого хладагента ниже температуры конденсации, т. е. его переохлаждение (3) за счет охлаждения забортной водой в конденсаторе КД дает чистое приращение удельной массовой холодопроизводительности ∆q_o“. Удельная работа, затрачиваемая на совершение цикла в диаграмме sT, выразится площадью 123’с1, а удельная массовая холодопроизводительность – площадью 4’1’dba.

На диаграмме i lgp количество отведенной и подведенной теплоты, а также работа измеряются проекциями отдельных процессов в виде отрезков на ось абсцисс (см. рис. 1.7, в).

Рассмотренный цикл холодильной машины полностью определяется температурами кипения to, конденсации t_k и переохлаждения t_n для данного вида хладагента. Построение цикла в диаграмме i lgp удобнее начинать с нанесения на нее изобаражения P_о = const (4→1) и P_k =const (2→3), соответствующих температурам кипения и конденсации хладагента. Пересечение изобары P_o=onst с правой пограничной кривой дает точку 1 Пересечение адиабаты s = const с изобарой P_K=const характеризует конец сжатия (точка 2). Точка 3, определяющая состояние переохлажденной жидкости, лежит в области жидкости за левой пограничной кривой, на пересечении левого луча изобары P_к=const с изотермой, соответствующей заданной температуре переохлаждения t_п. Опуская из точки 3 перпендикуляр на изобару р=const (процесс дросселирования при i=const) получаем точку 4 начала, кипения хладагента.

На практике для построения цикла одноступенчатой холодильной машины используются диаграммы i lgp (прилож. 1, 2, 3).

Зная массовый расход m, кг/с, циркулирующего в системе хладагента, по циклу можно найти общую холодопроизводительность установки, которая показывает количество теплоты, отводимое в единицу времени от объекта охлаждения:

Q_o=q_o*m

Кроме рассмотренных ранее показателей, по построенному циклу можно определить еще один важный показатель хладагента и цикла – удельную объемную холодопроизводительность qv. Величина qv (кДж/м³) представляет отношение удельной массовой холодопроизводительности q₀ к удельному объему всасываемого пара

Qv=q_o/v₁

где v₁ удельный объем всасываемого пара, кДж/м³.

Удельная объемная холодопроизводительность показывает, какое количество теплоты отводится из объекта охлаждения при образовании единицы объема пара хладагента. Чем больше qv, тем меньше размеры компрессора.

Пример 1.1. Сравнить основные показатели циклов холодильной машины для R12 и R22 при температурах кипения -15°С, конденсации +30°С, переохлаждения + 25°С.

Решение. По известным температурам на диаграммах i lgp для R12 и R22 (см. приложения 1 и 2) строим циклы (показаны сплошными линиями на рис. 1.8). По циклам определяем необходимые расчетные данные:

для R22

i₄= i₃ = 430 кДж/кг; i₁=598 кДж/кг; i₂= 634 кДж/кг; P_o= 0,30 МПа; P_k=1,19 МПа; V₁= 0,077 м3/кг;

для R12

i₁=547 кДж/кг; i₂= 572 кДж/кг;

i₃ = i₄= 424 кДж/кг; V₁ =0,0927 м3/кг;

P_o = О,18 МПа; P_k= 0,758 МПа.

Далее выполняем расчет основных показателей работы холодильной машины для хладагентов R12 и R22. Результаты расчета следующие.

R12 R22

Удельная массовая холодопроизводительность q_op=i₁-i₄, кДж/кг ….. 123 168

Удельная объемная холодо-производительность q_v=q_o/v₁, кДж/кг … 1325 2175

Удельная работа компрессора l=i₂-i₁, кДж/кг. . . 25 36

Тепловая нагрузка конденсатора q_k=i₂-i₃, кДж/кг …… 148 204

Холодильный коэффициент ε_т=q_o/l ……… 4,92 4,67

 

Анализ результатов показывает, что у холодильных машин массовая и объемная холодопроизводитель-ность с применением R22 выше, чем с R12, а холодильный коэффициент ниже.

Для некоторых хладагентов экономичность цикла можно повысить путем дополнительного переохлаждения жидкого хладагента, поступающего из конденсатора КД. С этой целью между конденсатором КД и регулирующим вентилем РВ устанавливается так называемый регенеративный теплообменник РТО (рис. 1.9). Он представляет собой змеевик, внутри которого протекает жидкий хладагент, идущий из конденсатора КД к регулирующему вентилю РВ. Противотоком, омывая змеевик, внутри корпуса теплообменника РТО движется охлажденный пар из испарителя И к компрессору КМ. В результате теплообмена между ними жидкий хладагент дополнительно переохлаждается (3’→3), а пары хладагента дополнительно перегреваются (1′→1). Без учета теплообмена с окружающей средой количество теплоты, полученное паром в теплообменнике РТО, равно количеству отведенной от жидкости теплоты, т. е. i₁-i_1′ = i_3′-i₃. Точка l′ в цикле смещена по изобаре в область перегретого пара, так как практически из испарителя выходит не сухой насыщенный пар, а несколько перегретый.

Итак, регенеративный цикл включает в себя адиабатическое сжатие (1→2) в компрессоре КМ 2→2″,

 

 

2˝→3˝ и 3˝→3′ соответственно охлаждение, конденсация паров и переохлаждение жидкого хладагента в конденсаторе КД; 3′→3 – переохлаждение в регенеративном теплообменнике РТО; 3→4 – дросселирование в регулирующем вентиле РВ; 4→1″ и 1˝→1′ – соответственно кипение жидкого хладагента и перегрев его паров в испарителе И; 1′→1 – перегрев паров хладагента в РТО. Для сравнения штриховыми линиями показан цикл без регенеративного теплообменника.

Как видно из диаграмм, дополнительное переохлаждение жидкого хладагента увеличивает удельную массовую холодопроизводительность на величину ∆q_o, что связано с уменьшением парообразования при дросселировании хладагента. Напротив, дополнительный перегрев пара перед компрессором увеличивает удельную работу сжатия на ∆l. В зависимости от свойств хладагента прирост удельной массовой холодопроизводительности может быть больше прироста удельной работы или, наоборот, меньше. Тогда в первом случае регенеративный теплообменник улучшит холодильный коэффициент цикла, а во втором – ухудшит.

Пример 1.2. В начальные условия примера 1.1 ввести переохлаждение в регенеративном теплообменнике 10°С. Сравнить эффективность применения регенеративного теплообменника для хладонов R12 и R22.

Решение. На рис. 1.8 регенеративные циклы показаны штриховыми линиями. По циклам определяем необходимые расчетные данные:

для R22

i_3p=i_4p =417 кДж/кг; i₃= 430 кДж/кг; i₃-i_3p= 13 кДж/кг; i₁=598 кДж/кг;

i_1p= 598+13 = 611 кДж/кг; i_2p= 651 кДж/кг; V_1′ = 0,083 м3/кг;

для R12

i_3p=i_4p= 414 кДж/кг; i₃= 424 кДж/кг; i₃-i_3p=10 кДж/кг; i₁=547 кДж/кг;

i_1p= 547+ 10 = 557 кДж/кг; i_2p= 583 кДж/кг; V_1˝ = 0,103 м3/кг.

Далее выполняем расчет основных показателей работы холодильной машины для хладагентов R12

и R22. Результаты расчета следующие.

R12 R2

Удельная массовая холодопроизводительность q_op=i₁-i_4p, кДж/кг 133 181

Удельная объемнаяхолодопроизводительность q_vp = q_o/v₁, кДж/м³ 1290 218

Удельная работа компрессора, l_p=i_2p-i_1p, кДж/кг 26 40

Тепловая нагрузка конденсатора q_kp=i_2p-i₃, кДж/кг 159 221

Холодильный коэффициент r=q_op/l_p 5.12 4.52

Анализ расчетов в примерах 1. и 1.2 показывает, что регенеративный цикл для R12 увеличив удельную массовую холодопроизводительность и повышает экономииность цикла (ε-5,12). Регенерация для R22, увеличивая q_op, несколько снижает холодильный коэффициент теоретического цикла. В реальном цикле перегрев пара, обеспечиваемый регенеративным теплообменником, приводит к улучшению работы компрессора.

 

В зависимости от рода охлаждаемого груза и целей охлаждения требуется определенная температур его обработки и хранения. Так, замороженные мясо и рыба зачастую перевозятся при температурах около -30°С, а в рыбоморозилка требуется поддерживать температур воздуха около -40°С, что влечет понижение температур кипени хладагента до -35, -45°С. Температура – 45 °С для R22 соответствует давление кипения ниже атмосферного P_o= 0,0832 МПа, а дл R502 – примерно равное атмосферному P_o= О,104 МПа. Увеличение же температуры забортной воды, например, в тропиках до +32°С выше вызовет повышение температуры конденсации до +40 °С. Для R22 при температуре +40 °С давление конденсации 1,533 МПа, а для R502-1,686 МПа. Пониженное давление кипения и повышенное давление конденсации вызывают рост температуры конца сжатия в области перегретого пара. В свою очередь высокая температура нагнетания в поршневом компрессоре сильнее нагревает смазочное масло, повышая его пожароопасность, вызывает интенсивное испарение масла и унос с парами хладагента.

Большой перепад давлений между всасыванием P_o и нагнетанием P_k компрессора, а следовательно, и величина отношения р_k/р_о вызывают настолько большие потери производительности самого компрессора, что дальнейшая его эксплуатация для большинства одноступенчатых холодильных машин нецелесообразна. Перечисленные причины, а также снижение экономичности работы холодильной машины определяют предел отношения р_к/р₀ = 8-9, выше которого целесообразно переходить на двухступенчатое сжатие.

Для рассмотренных температурных пределов отношение р_k/р_о для R502 намного превышает допустимые нормы: так, для R22 оно равно 18,4, а для R502 – 16,2.

 

---

Идеальные циклы холодильных машин

В идеальных циклах передача тепла от холодного источника горячему и преобразование затраченной работы в цикле в тепловую энергию происходит при минимальной величине затрачиваемой работы на единицу холодопроизводительности цикла. То есть в идеальных циклах отсутствуют явления и процессы, приводящие к дополнительным потерям энергии. Это возможно лишь в том случае, если все процессы идеального цикла будут полностью обратимыми. Цикл, состоящий только из обратимых процессов, также называется обратимым циклом. Обратимых циклов может существовать бесконечное множество. Однако при выработке эталона для цикла реальной холодильной машины, ее идеального цикла, он должен наиболее полно отражать особенности происходящих в ней процессов. Поэтому в качестве идеальных циклов в холодильной технике используется весьма ограниченное количество обратимых циклов. При этом для некоторых типов холодильных машин в качестве эталона при термодинамическом анализе предлагается несколько идеальных циклов.

На рис. 3.3 представлены наиболее часто используемые в холодильной технике идеальные циклы. Эти циклы построены с использованием основных теоретических термодинамических процессов.

Рис. 3.3. Идеальные циклы холодильных машин: а) – цикл Карно; б) – цикл

Лоренца; в) – цикл Эриксона; г) – цикл Стирлинга; д) – цикл Клода.

Цикл Карно используется в качестве эталона для циклов парокомпрессионных холодильных машин и иногда для газовых холодильных машин.

Цикл Лоренца является эталоном для газовой холодильной машины,

рассмотренной в разделе 2.2.6 (рис.2.31).

Цикл Эриксона является эталоном для ожижительной газовой холодильной машины, работающей по циклу Линде (рис. 2.32). Цикл Клода также эталон для ожижительных газовых холодильных машин, но для имеющих в своем составе детандер и использующих процесс изоэнтропного расширения газа.

Идеальный цикл Стирлинга является эталоном для специфических газовых холодильных машин, работающих по циклу Стирлинга.

Выбор идеального цикла при анализе должен производиться с учетом всех особенностей конкретной холодильной машины и происходящих в ней

процессов и не ограничивается лишь перечисленными здесь циклами.

3.2.1. Обратимость термодинамического процесса и цикла

Обратимым процессом называется процесс, который может быть проведен как в прямом, так и в обратном направлении, причем термодинамическая система, в которой происходит процесс, проходит одни и те же равновесные состояния, а по окончанию возвращается в исходное состояние.

Основными источниками необратимости процесса в термомеханических системах являются трение и теплообмен при конечной разности температур. Все остальные виды необратимых процессов, например вихреобразование в потоке реального газа, могут быть сведены к совокупности элементарных процессов трения и теплообмена при конечной разнице температур.

Выполним доказательство необратимости процессов, в которых присутствует механическое трение или теплообмен при конечной разности температур.

Допустим, что в результате трения при перемещении тела А по поверхности тела Б (рис.3.4а) происходит преобразование затраченной на перемещение механической энергии l, в тепловую энергию трения qтр. При этом в соответствии с законом сохранения

а)

А l

qтр

б) Г И

Рабочее тело

Б

Х И

qтр

l’

qх

энергии l = qтр.

Теперь для того чтобы

данная термодинамическая система вернулась в исходное состояние, необходимо осуществить обратное преобразование тепловой энергии qтр в механическую энергию, величину которой

Рис. 3.4. К доказательству необратимости процесса трения.

обозначим l’.

Это можно сделать, организовав прямой термодинамический цикл (рис.3.4б). Тепловой баланс такого цикла qтр = l ′ + qx или l = l ′ + qx,

причем qх > 0.

Отсюда вытекает l > l ′ . Следовательно, полное обратное преобразование тепловой энергии в механическую энергию невозможно и процесс трения

является необратимым.

Представим себе термодинамическую систему, состоящую из тел А и Б. Причем температура тела А выше, чем у тела Б (ТА > ТБ). При тепловом контакте тел между ними произойдет теплообмен при конечной разнице температур и теплота Q будет передана от тела А

а) б)

(Q+L)

А Q

L

Б Q

А

Рабочее тело

Б

к телу Б (рис. 3.5а).

Этот процесс будет обратимым в том случае, если при обратном процессе –

передачи теплоты Q от тела Б к телу А вся система вернется в исходное состояние. Однако в соответствии со вторым законом термодинамики такой процесс не может осуществляться самопроизвольно. Теплота Q от тела Б с более низкой темРис. 3.5. К доказательству необратимости процесса теплообмена при конечной разнице температур.

пературой к телу А с более высокой температурой может быть передана лишь при осуществлении обратного термодинамического цикла (рис. 3.5б).

Проверим – вернется ли система в исходное состояние при осуществлении этого цикла?

Изменение энтропий термодинамических тел в прямом процессе составит

При осуществлении обратного термодинамического цикла изменение энтропий тел будет

Хотя тело Б вернулось в исходное состояние, энтропия более горячего тела А, а следовательно, и всей термодинамической системы в целом возросла. Это свидетельствует о необратимости процесса теплообмена при конечной разности температур.

Во всех идеальных холодильных циклах обязательно присутствуют процессы теплообмена рабочего тела с горячим и холодным источниками. Обратимыми эти циклы будут лишь в том случае, если разность температур при таком теплообмене будет бесконечно малой величиной – dT. Лишь при величине (ТА ТБ) стремящейся к нулю, не нарушая II закон термодинамики, возможен теплообмен от тела А к телу Б и обратно от Б к А.

Тепловое и механическое условие равновесия в термодинамической системе при выполнении обратимого процесса.

Рассмотрим, какие условия должны выполняться для осуществления обратимого процесса на примере сжатия газа в цилиндре (рис.3.6).

В соответствии с определением все состояния обратимого процесса должны быть равновесными. Следовательно, в начальный момент времени должны соблюдаться ряд условий такого равновесия.

Такими условиями будет равенство температур

и давлений во всех точках газа, находящегося в цилиндре. Возьмем две произвольные точки i и i+1. Для них может быть записаны следующие соотношения

Эти выражения являются условиями равновесия, а поскольку они записаны для одного и того же

термодинамического тела, то это условие внутреннего равновесия.

Кроме этого, должны соблюдаться и условия внешнего равновесия между телами термодинамической системы. А именно – равенство температур и давлений газа и, соответственно, температур стенок цилиндра и поршня и давлений на их поверхности. Параметры, относящиеся к стенкам, обозначим с индексом j

∆Τ = Τ i − Τ j → 0 ;

∆Ρ = Ρi − Ρ j → 0.

Эти выражения будут условиями внешнего равновесия.

Таким образом, ∆Т → 0 будет тепловым условием равновесия, ∆Р → 0

будет механическим условием равновесия.

Для сжатия газа переместим поршень на некоторое расстояние по стрелке (рис. 3.6). При этом вблизи поверхности поршня образуется пограничный слой, где расстояние между молекулами газа в результате механического воздействия будет уменьшено по сравнению с расстояниями в остальном объеме газа. На рисунке 3.6 пограничный слой изображен затемненным. Газу в этом

слое соответствует состояние с повышенным давлением и повышенной, в результате сжатия газа, температурой по сравнению с остальным объемом газа в цилиндре. Возникшая разность температур вызовет теплообмен при конечной

разнице температур между слоями газа, а разность давлений вызовет движение и соответственно трение слоев газа относительно друг друга. Внутреннее равновесие будет нарушено и это приведет к необратимости процесса. Одновременно с этим будут происходить процессы теплообмена при конечной разнице температур и трения между газом в пограничном слое и стенками цилиндра и поршня. Это нарушает внешнее равновесие и также приводит к необратимости процесса.

Процесс сжатия газа в цилиндре будет проходить через равновесные состояния лишь в том случае, если будет осуществляться бесконечно медленно, что невозможно при практической реализации. Поэтому все реальные процессы

проходят через неравновесные состояния и являются необратимыми.

Таким образом, из данного рассмотрения можно сделать следующую классификацию процессов по обратимости.

1) Процессы, полностью обратимые, – это теоретические процессы, которые являются некими идеальными моделями реальных процессов. Например: изоэнтропное сжатие или расширение газа, изобарное охлаждение или

нагрев газа.

2) Процессы, внутренне обратимые, внешне необратимые. Например: течение идеального газа без трения в трубе, температура стенок которой отличается от температуры газа.

3) Процессы, внешне обратимые, внутренне необратимые. Например:

процесс дросселирования.

4) Процессы, внутренне и внешне необратимые. Это все реальные процессы, а также теоретические процессы, в которых учитываются потери, возникающие из-за теплообмена при конечной разнице температур и трения.

3.2.2. Цикл Карно

Цикл Карно может служить эталоном при термодинамическом анализе как газовых, так и парокомпрессионных холодильных машин. В соответствии с этим он строится либо в области газового состояния рабочего тела, либо в области фазовых переходов, то есть в области влажного пара.

Цикл Карно в области газа.

Цикл Карно в области газового состояния рабочего тела и реализующая его схема представлены на рисунке 3.7.

Рис. 3.7. Цикл Карно в области газа и схема реализующей его холодильной машины.

Здесь – 1-2 – процесс сжатия в изоэнтропном компрессоре КМS;

2-3 – процесс сжатия в изотермическом компрессоре КМТ с отводом тепла qг горячему источнику;

3-4 – процесс расширения газа в изоэнтропной расширительной машине

РМS;

4-1 – процесс изотермического расширения газа в изотермической расширительной машине РМТ с подводом тепла qх от холодного источника. qх –

удельная (отнесенная к 1 кг рабочего тела) холодопроизводительность цикла.

Рассмотрим тепловые и энергетические потоки для процессов и цикла в

целом.

Удельная холодопроизводительность цикла определяется процессом 4-1

qx=Tx(Sб – Sa) ~ пл а41б.

Поскольку в этом процессе происходит изотермическое расширение газа, то техническая работа расширительной машины РМТ, а также и удельная холодопроизводитедльность будут определяться еще и следующими уравнениями

Удельная теплота qг, передаваемая горячему источнику в процессе 2-3

qг=Тг(Sб – Sa) ~ пл а32б.

Удельная техническая работа изотермического компрессора КМТ будет

определяться

Здесь Тх, Тг – температуры холодного и горячего источников.

Удельная техническая работа сжатия газа в адиабатном компрессоре

Удельная техническая работа расширения газа в адиабатном детандере

Общая удельная работа, совершенная в холодильном цикле, является

суммой работ во всех элементах холодильной машины. При этом надо иметь в виду, что на привод компрессора работа затрачивается, в то время как расширительные машины возвращают работу. Тогда

Важной особенностью выражения (51) является то, что величина холодильного коэффициента цикла Карно зависит только от температурных границ цикла, которые являются режимными параметрами холодильной машины.

Из выражения (51) можно получить значение величины работы, которую необходимо затратить в цикле для получения заданной величины холодопроизводительности qх

Поскольку температура горячего источника Тг для холодильных машин в большинстве случаев это температура окружающей среды, то ее изменения незначительны по сравнению с Тх. Если принять Тг постоянной величиной, то можно проанализировать, как температурный уровень холодного источника (потребителя холода) влияет на величину затрат энергии для получения холода. Из формулы видно, что при снижении величины Тх величина l растет и при Тх стремящейся к нулю, стремится к бесконечности. Следовательно, достижение низких и сверхнизких температур связано с большими энергетическими затратами, а достижение температуры 0К, невозможно из-за необходимости затрат бесконечно большого количества энергии.

Из выражения (51) может быть получена еще одна зависимость, которая носит название уравнения Карно

Следует отметить, что выражение (52) выведено без привлечения понятия «энтропия» и оно обычно само используется при доказательстве того, что энтропия является параметром состояния.

Цикл Карно в области влажного пара.

Цикл Карно в области пара служит эталоном при термодинамическом анализе циклов парокомпрессионных холодильных машин. Цикл и схема реализующей его холодильной машины представлены на рис. 3.8.

Здесь 1-2 – процесс сжатия пара в изоэнтропном компрессоре КМS;

2-3 – процесс конденсации пара в конденсаторе К с отводом теплоты фазового перехода qк горячему источнику;

3-4 – процесс расширения жидкости в изоэнтропной расширительной машине РМS;

4-1 – процесс кипения жидкости в испарителе И с подводом тепла qо от холодного источника; qо – удельная холодопроизводительность цикла.

Рис. 3.8. Цикл Карно в области влажного пара и схема реализующей его холодильной машины.

Удельная холодопроизводительность цикла, принимая во внимание, что процесс кипения одновременно изотермический и изобарный определяется

qо = i1 – i4 = Tо (Sб – Sa) ~ пл. а-4-1-б.

Удельная работа компрессора КМS

lкм = i2 – i1 ~ пл. 1-2-3-0.

Удельная тепловая нагрузка конденсатора, принимая во внимание, что процесс конденсации одновременно изотермический и изобарный

qк = i2 – i3 = Тк (Sб – Sa) ~ пл. а-3-2-б.

Здесь То, Тк– соответственно, температуры кипения и конденсации.

Удельная работа расширительной машины РМS

l рм = i3 – i4 ~ пл. 3-0-4.

Тогда удельная работа холодильного цикла может быть определена

l = qк – qо =lкм – lрм = (Tк – То) · (Sб – Sa) = (i2 – i1) – (i3 – i4) ~ пл. 1-2-3-4.

Холодильный коэффициент цикла Карно в области влажного пара

Таким образом, величина холодильного цикла Карно зависит только от температурных границ цикла. В связи с этим интересно узнать, изменение какой из двух температур оказывает более сильное влияние на изменение холодильного коэффициента. Это можно установить по абсолютной величине частной производной функции ε =

f (Τ к ,Τ о ) по данной температуре.

Следовательно, изменение температуры То оказывает более сильное влияние на изменение значения холодильного коэффициента. Разные знаки производных указывают на противоположный характер влияния. Так, рост То приводит к увеличению ε, а рост Тк приводит к уменьшению ε. Данные выводы сделанные для идеального цикла Карно хорошо качественно согласуются и с экспериментальными результатами по определению величин холодильных циклов реальных ПХМ.

(Материал взят из книги Теоретические основы холодильной техники : монография — А. М. Ибраев, А. А. Сагдеев)

Холодильная машина и тепловой насос. Теория, циклы и расчёт

Автор Korolev Sergej На чтение 13 мин Просмотров 363 Обновлено 11.12.2020

В принципе холодильная установка работает так же, как тепловой насос. Тем не менее, в то время как теплонасос используется для обогрева помещения за счёт поглощения тепла из холодной области (окружающей среды), холодильная машина поглощает тепло из охлаждаемой комнаты и отдаёт наружу. Познакомьтесь со схемой, термоциклом, расчётом к.п.д. и принципом работы термонасоса и чиллера.

Термодинамический цикл теплового насоса и холодильной машины

Под тепловым насосом понимается теплодвигатель, работающий в обратном направлении. При этом тепло передаётся от холодного тела к тёплому, в отличие от естественного направления теплового потока. Кругооборот идёт в направлении, противоположном тепловому двигателю, то есть влево. Поэтому говорят о левостороннем круговом обороте.

Идеальный циклический тепловой насос. График в P-V и T-S — координатах

В насосе происходит повторение со следующими четырьмя изменениями статуса:

1. Рабочая среда с температуркой T₁ расширяется изотермически, поглощая тепло из окружающей среды (участок b-c).
2. Рабочий агент сжимается адиабатически и нагревается до температуры T₂ (участок c-d).
3. Рабочая среда излучает тепло и дополнительно сжимается изотермически (участок d-a).
4. Рабочий агент расширяется адиабатически. Охлаждается до начальной температурки T₁ (участок a-b).

Изменения в состоянии соответствуют изменениям цикла Карно в противоположном направлении. Идеальную установку, работающую по теории Карно, назвали обратимой тепловой машиной.

Эффективность работы тепл. насоса характеризуется коэффициентом полезного действия: η_{тепл.насоса} = Q₁/A= Q₁/Q₁−Q₂, где Q₁ — полученная теплота, Q₂ — отданная теплота, A — затраченная электрическим или внутреннего сгорания двигателем мехработа (для управления тепл. насосом). Коэффициент полезного действия больше 1.

К.п.д. тепл. насоса — обратная величина к.п.д. охлаждающей машины: ηтепл.насоса = Q1/A=-Q1/-A=1/ηхолод.маш. К.п.д. насоса выше тогда, когда отводится больше теплоты Q2 от окружения.

Если сравнить тепловой насос с электронагревателем, то придём к выводу: теплонасос эффективнее, так как на нагрев объёмов используется не только электроэнергия, но и теплота от окружающей сферы. Это определяет в будущем шире их применять.

Согласно 1 началу термодинамики объём внутри помещения имеет температуру T₁ и теплоэнергию Q₁=Q₂+A. Идеальный к.п.д. насосного устройства аналогичен идеальному к.п.д. теплодвигателя Карно и не зависит от рабочего агента. Его вычисляют по разности температур T₁-T₂ по такой формуле:

Термодинамические аспекты

Термодинамика циркуляции регулируется законами теплоравновесия, сохранения и обмена массы и энергии. Последний объясняет последствия необратимости в определенных чередованиях. При учёте этих последствий необратимости определяется свойство, называемое энтропией. Необратим адиабатический (т.е. без передачи тепла) процесс, не имея постоянную энтропию.

Идеальный компрессор сжимает без потерь на трение или тепловую энергию. Фактический компрессор имеет механическое трение и обменивается теплом с окружением. Сжатие, таким образом, сопровождается увеличением энтропии.

Раунд сжатия пара связан с идеальным циклом Карно. Четыре процесса Карно: изоэнтропное сжатие, постоянная температура конденсации T₂, изоэнтропное расширение, постоянная температура испарения T₁.

Коэффициент полезного действия для этого идеализированного цикла определяется по абсолютным температурам. К.п.д. холодильной машины — обратный показатель эффективности теплонасоса:

КПД Карно становится стандартной или верхней границей для идеальной эффективности цикла в периоде сжатия пара. Нагрев окружающей среды T₂ постоянен, в то время как значение T₁ зависит от потребителя. Очевидно, что T₁ уменьшается так же, как к.п.д.

Идеальный цикл сжатия пара

Идеальное сжатие пара показано на диаграмме «давление-энтальпия». Энтальпия – это сумма внутренней энергии и «энергии потока» хладагента. Линия насыщения (показано жирной линией) идентифицирует положение точек в термодинамическом пространстве, где хладагент изменяет фазу (от жидкости до двух фаз и от двух фаз до пара и наоборот). Как показано на рисунке, сжатие считается изоэнтропным, а в теплообменниках давление постоянно.

Работа сжатия — это разница в энтальпии в состояниях 2 и 1, а передаваемое в помещение (через конденсатор) тепло — разница энтальпий в точках 2 и 3. Устройство для регулирования между состояниями 3 и 4 снижает давление и приводит к изменению хладагента до двухфазного состояния. Этот прогон имеет важное значение при постоянной энтальпии.

В реальных процессах сжатия пара хладагент, попадающий в компрессор, слегка перегревается, в то время как выход из конденсатора, как правило, слегка переохлаждён. Теплообменники также демонстрируют небольшое падение давления, фактическая работа сжатия выше, чем изоэтропное значение идеальной работы. Участки на диаграмме давление – энтальпия становятся полезными аналитическими инструментами.

Ограничением в производительности насосных аппаратов становится размер теплообменников. КПД Карно потребует бесконечные поверхности передачи тепла (с бесконечно малой температурой градиентов). Размер теплообменников связан с пространственными ограничениями установки, стоимостью материалов и ограничениями на доставку.

Для повышения теплопередачи и воздухообмена в тепловых насосах типа «воздух-воздух» используются специальные вентиляторы. Энергия, используемая для привода этих вентиляторов (или насосов в случае систем «вода-воздух», «воздух-вода» или «вода-вода»), учитывается в вычислительной системе.

Сопоставление условий работы холодильной машины и теплового насоса

О принципе работы холодильной машины в этом видео:

Компрессионные холодильные системы

Схема одноступенчатой хол.машины с дроссельным вентилем

Сжатие в охлаждающем устройстве обеспечивается с помощью механического компрессора, а для дросселирования установлен дроссельный вентиль как пример. Два теплообменника соединены в цепи с обеих сторон между элементами сжатия и расширения.

При циркуляции хладагента пар из компрессора I всасываются и сжимается. В реальных компрессорах процесс сжа­тия осуществить невозможно из-за необратимых потерь. Хладагент конденсируется в выходном теплообменнике (конденсаторе) II. Жидкий хладагент направляется в корпус дросселя III и расширяется. Во время расширения давление хладагента уменьшается, хладагент охлаждается и частично испаряется.

Во втором теплообменнике (испарителе) IV хладагент поглощает тепло, подаваемое из холодного объёма, путём испарения. Компрессор всасывает испарённый хладагент, и круг соединён. Согласно второму закону термодинамики, энергия должна подаваться извне в виде механической работы для работы чиллера. Тепло конденсации, выделяемое на конденсаторе, представляет собой сумму энергии охлаждения, поглощённой испарителем, энергии привода и эксплуатационных потерь от теплоизоляции и трения.

Показатели производительности технически реализованных компрессионных холодильных систем выше 1. В области кондиционирования воздуха с разницей между температурой охлаждаемого воздуха и окружающей средой достигаются показатели производительности до 7.

Реальная холодильная машина

В реальной холодильнике используют разные циклические процессы. Энергетическая схема холодильной установки на рисунке ниже:

Энергетическая схема холодильной установки

В холодильнике тепло, извлечённое изнутри, отводится в комнату через конденсатор на задней стенке. Рабочий хладагент забирает от охлаждаемого объекта (тела) теплоту Q₁ и передаёт нагревателю (тепловому резервуару) больший уровень теплоты Q2.

Схема теплонасоса такая же. Отличие от охлаждающей установки заключается в том, что в насосе теплота Q₁ нагревает воздух в обогреваемом объёме, а теплота Q2 забирается из менее нагретого окружения. Термоциклы холодильника и теплонасоса совпадают.

Насос для тепла — это устройство, которое извлекает теплоэнергию из низкотемпературного источника (наружный воздух или земля) и передаёт его в высокотемпературный приёмник (обогреваемое помещение здания).

Например, бытовой холодильник можно рассматривать как теплонасос. Охлаждая пищевые продукты, он забирает у них теплоту. Внешний теплообменник, с другой стороны, передаёт теплоту окружающему воздуху. Еда действует как источник, воздух на кухне как приёмник.

Основные законы в термодинамике признают, что не требуется работы для передачи тепла от высокотемпературного источника к низкотемпературному поглотителю (достаточно простого проводящего пути), но требуется передавать тепловую энергию от низкотемпературного источника к высокотемпературному.

Что такое чиллер?

Схема компрессионной охлаждающей машины: A — тепловой резервуар, B — охлаждаемое тело, I — теплоизоляция, 1 — конденсатор, 2 — дроссель, 3 — испаритель, 4 — компрессор

Холодильник представляет собой устройство, которое делает охлаждение. По этой причине в каждом чиллере есть место, которое холоднее, чем температурный уровень окружающей среды (например, испаритель в компрессорных чиллерах). Если подлежащий охлаждению объект приводится в контакт с этим холодным местом, то объект охлаждается.

Чиллер реализует термодинамический круг, в котором тепло поглощается при температуре ниже окружающей среды и выделяется при более высоком термосостоянии. В этом смысле чиллер похож на теплонасос.

Для реализации используются:

• Так называемые системы холодного пара, в которых свойства веществ используются для разных температурных уровней кипения или конденсации при разных давлениях. Вещества, используемые таким образом, называются хладагентами. Рабочий диапазон ограничен достижимыми температурами кипения или конденсации хладагентов.
• Эффект Джоуля-Томсона, который приводит к реальным газам во время расширения. Этот эффект является, например, основой процесса Линде. Из-за многоступенчатого применения получают низкие температурки, например, для сжижения воздуха.

Чиллер. Об устройстве и принципе работы в этом видео:

Основы теории и расчёта холодильной машины

При искусственном охлаждении осуществляются обратные круговые действия. Идеальным процессом холодильного устройства может быть, например, обратный и обратимый цикл Карно. Действительный кругооборот чиллера отличается от обратимого циклического.

Осуществление перехода от идеала к реальному режиму можно посмотреть на примере парокомпрессионной двухступенчатой холодильной установки на рисунке ниже.

Переход от идеального к реальному холодильному круговому процессу (циклу):

а —обратный цикл Карно; б — обратный цикл Карно с внешней необратимостью; в — теоретический цикл парокомпрессионного чиллера; г — теоретический усложнённый режим парокомпрессионного чиллера; д — реальный режим парокомпрессионного чиллера

Эффективность реального процесса чиллера по отношению к идеалу определяется при помощи к.п.д. (коэффициент полезного действия): η _{холод.маш} = E_д/Е_с = η₁ η₂ η₃ η₄, где каждый из к.п.д. (η) учитывает переход от циклов по возрастанию. К.п.д. η₁ учитывает потери от перехода из режима а к режиму б на рисунке (внешняя необратимость): η₁ = Е_сΔ / Е_с = [(T₀—_ср/T_о) — 1] / [T_к/Т_кип) — 1].

Коэффициентом η₂ =  Е_Т / Е_сΔ учитываются потери в теоретическом обороте. В качестве теоретического процесса принята парокомпрессионная одноступенчатая машина (рис., в) с адиабатным сжатием сухого насыщенного пара и с дросселированием жидкости в насыщенном состоянии. Часто цикл называется эталонным. При подсчёте η₂ учитываются потери при дросселировании и от перегрева сжатого газа выше температуры конденсации. η₂ зависит от свойств хладагента.

К.п.д. η₃ = Е_Т.У / Е_Т характеризует усложнённый теоретический режим (на рис., г) по отношению к простейшему циклу. В реальности циркуляция усложняется многоступенчатым сжатием, регенеративным теплообменником и т.п., чтобы достичь улучшения показателей чиллера.

При расчёте η₄ = Е_Д / Е_Т.У учитываются потери в реальном кругообороте: реальные раунды сжатия, гидропотери, необратимость процессов теплообмена внутри и др.

Переход от усложнённых теоретических действий к действительному прогону (на рис., д) осуществляется в несколько этапов, учитываются такие потери: теплопритоки из окружения, гидросопротивления и др. η₄ рассчитывается в виде произведения сомножителей потерь. Величину η₄ проектируемой машины оцените по значению Е_Д аналогов. Точные значения η₄ получаются в ходе испытаний опытного экземпляра.

Реальный тепловой насос

В реальных теплодвигателях не получится создать условия, как в двигателе с циклом Карно. Коэффициент производительности реальных теплонасосов ниже идеального коэффициента производительности.

Реальные насосы для тепла используют рабочие агенты, которые конденсируются при сжатии и испаряются при расширении. В результате используется теплота испарения или конденсации, так что рабочее вещество поглощает или выделяет большее количество тепла.

Поэтому циклические процессы в реальных насосах отличаются от идеального процесса Карно. На следующем рисунке показан поток энергии в перекачивающем устройстве:

Поток энергии в тепловом насосе

Насосы для транспортировки также работают в режиме охлаждения. Тогда значение к.п.д. не обязательно больше единицы. Однако в целях экономии большинство насосов для тепла рассчитаны на работу как в режиме обогрева, так и в режиме охлаждения, что позволяет для отопления и кондиционирования воздуха применять одно и то же оборудование.

Процесс передачи теплоэнергии от источника к потребителю требует в базовых конструкциях протекания жидкости в контуре, проходящего через один теплообменник, который получает тепло от холодного источника тепла, и второй теплообменник, который отбрасывает тепло в тёплый регион. Хотя воздушные циклы не являются необычными, подавляющее большинство традиционных конструкций требуют использования хладагента.

Как устроен тепловой насос и принцип работы в этом видео:

Классификация тепловых насосов

Насосные системы используют источник воздуха, воды, или земли в сочетании с источником тепла, полученному испарителем снаружи. Кроме того, насосные аппараты применяются для нагрева воздуха, как в системе распределения принудительного воздуха, так и для воды (отопление). Насосы для нагрева называются «воздух-воздух», «воздух-вода», «земля-вода», и т.д.

Сам источник, будь то воздух, вода или земля, может быть приёмником теплоты из какого-либо промышленного или отходного процесса (в виде отходного тепла) или даже от сияющей энергии солнца (солнечная помощь).

Приборы для нагрева, выдыхаемые воздух, упрощаются в установке, обслуживании и имеют низкую стоимость. Устройства от наземного и водного источника не подвержены большим колебаниям, наблюдаемых в большинстве систем, связанных с источником воздуха. Относительное постоянство в температуре источника позволяет оптимизировать конструкцию и достигать высокой сезонной эффективности.

Что касается применения, теплонасосы, как правило, попадают в один из трёх типов: бытовые (комнатные), унитарные (сплит-системы) и центральные (сборные). Комнатные теплонасосы являются однопакетным агрегатом, обслуживающим отдельные ограниченные зоны и установленным через стены.

Унитарные типы бывают центральными однозонными или многозонными системами, или классифицируются как одноместные или сплит-системы. Однопакетные агрегаты имеют конденсатор, испаритель и компрессор в одном пакете, в то время как разделённые системы обычно имеют конденсатор и компрессор в одном пакете и испаритель в другом.

Крупные системы, отобранные для соответствия конкретным проектам, имеют отдельные компоненты. Как правило, они используются исключительно в зданиях с большими нагрузками и для других нежилых приложений. На сегодняшний день системы унитарного типа «воздух-воздух» являются наиболее распространёнными и представляют наибольший общий интерес.

Выводы

Тепловые насосы могут быть использованы для отопления зданий. Они поглощают тепло из холодной среды (почва, грунтовые воды или наружный воздух) и отдают его внутрь через нагревательную воду. Механическая энергия, необходимая для этого, получается из электрической энергии (электродвигатель).

Поскольку электрическая энергия поступает из преобразования тепла в механическую энергию и, в конечном счёте, в электрическую энергию, которая связана с большими потерями, работа является экономичной только в том случае, если коэффициент производительности больше 3.

Теплоагрегаты достигли уровня зрелости и приемлемости в качестве экономически эффективных нагревательных устройств. Они применимы как к жилым, так и к коммерческим зданиям. Распространённый тип агрегатов использует воздух в качестве источника теплоты. В виду того, что их эффективность и ёмкость уменьшаются с внешней температуркой, они обычно конструируются для того, чтобы работать со вспомогательными источниками отопления.

Исследования по-прежнему необходимы для улучшения конструкции, описательной методологии, прогнозирования сезонных источников утилизации тепла, стратегий управления и использования теплоисточников помимо окружающего воздуха. Конкурентный характер оборудования для отопления и повышенная приемлемость будут управлять некоторыми из этих улучшений на рынке.

Холодильные машины широко используются в бытовых холодильниках, морозильных камерах, системах дозирования, холодильных камерах, системах кондиционирования воздуха, на катках, бойнях, пивоваренных заводах и в химической промышленности.

Чиллер

Использованная литература

1. Холодильные машины. Справочник. Главный редактор А. В. Быков. Издательство «Легкая и пищевая промыш­ленность», 1982 — 224 с.
2. Холодильные машины. Под ред. И. А. Сакуна: — Л. Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1985. — 510 с.
3. Техническая термодинамика. Учебное пособие. Под ред. проф. Э. И. Гуйго. 2-е изд., испр. и доп.— Л. Изд-во Ленингр. ун-та, 1984. 296 с.
   

Автор: Королёв Сергей

9.12. Цикл воздушной холодильной машины. Тепловой насос

В холодильных установках происходит процесс передачи теплоты от охлаждающего тела к окружающей среде. Этот процесс осуществляется рабочим телом холодильной машины, так называемым холодильным агентом (хладоагентом). Эффективность цикла холодильной машины оценивается холодильным коэффициентом (), равным отношению количества теплоты (q₂), отведенного от охлаждаемого тела, к затраченной работе (l_ц). В обратных циклах затрата внешней работы представляет собой компенсационный процесс, необходимый для осуществления такого цикла.

Холодильный коэффициент для 1 кг хладоагента, участвующего в цикле, равен:

.                                (9.15)

Если осуществляется обратный цикл Карно в интервале температур Т_{1 –} Т₂, в ходе которого отбирается от холодильного источника теплота q₂и передается источнику (окружающей среде) теплота q₁ , то имеем:

.                       (9.16)

Формула (9.16) показывает, что  зависит от температуры Т₂и температуры окружающей среды (Т₁) . Можно доказать, что холодильный коэффициент цикла Карно не будет зависеть от выбора рабочего тела цикла.

Для определения работы и мощности, необходимой для осуществления обратного цикла, надо знать холодопроизводительность (Q) – количество теплоты, которое отводится от охлаждаемого тела в единицу времени:

;

,

где L – работа; Q – холодопроизводительность, Дж/с, N – мощность – кВт.

Цикл воздушной холодильной машины

Особенность воздушных холодильных машин состоит в том, что воздух, имея малую теплоемкость, обеспечивает сравнительно небольшую холодильную мощность, а поэтому для нормальной работы установки требуются большие массовые расходы воздуха.

Основными элементами установки для получения холода (рис. 9.31) являются компрессор 3 и детандер 1. Кроме них имеются два теплообменных аппарата, в одном из них – рефрижераторе 4 воздух воспринимает теплоту от охлаждаемой емкости, а во втором – холодильнике 2 отдает теплоту окружающей среде или воде холодильника.

Процессы в холодильнике и рефрижераторе идут при постоянном давлении, если пренебречь гидравлическими сопротивлениями. В компрессоре давление повышается

от p₁до р₂, в детандере падает от р₂до р₁, причем процессы сжатия и расширения считают адиабатными. Таким образом, идеализированный цикл холодильной машины (рис. 9.32) состоит из двух изобар (2–3 и 4–1) и двух адиабат (1–2 и 3–4). Этот цикл называется циклом Лоренца.

Рис. 9.31. Схема воздушной холодильной машины

Рис. 9.32. Диаграммы работы идеализированного цикла холодильной машины

Расчет цикла проводится следующим образом. Количество теплоты, отбираемое воздухом от охлаждаемой емкости (холодного источника) в изобарном процессе 2–3, равно:

.

Количество теплоты, отдаваемое воздухом в окружающую среду (охлаждающей воде) в изобарном процессе 4–1, равно:

.

Считая воздух идеальным газом с постоянной теплоемкостью, найдем:

.

Тогда работа, необходимая для осуществления цикла, равна:

.

Подставляя выражения для q₂и l_ц в формулу (9.15), получим:

или

.                            (9.17)

Для адиабатного процесса 3–4 можно записать:

                         (9.18)

и аналогично для адиабатного процесса 1–2

.                          (9.19)

Так как для изобарных процессов 4–1 и 2–3 p₁ = p₄ и р₂ = р₃, то из уравнений (9.18) и (9.19) имеем:

.

Тогда уравнение (9.17) можно переписать в виде:

или

.

Таким образом, холодильный коэффициент цикла зависит только от отношения давлений р₁/р₂.

При постоянных температурах окружающей среды и охлаждаемой емкости рассматриваемый цикл является внешне необратимым. Это вызвано тем, что изобарные процессы теплообмена протекают при конечной разности температур, поэтому холодильный коэффициент этого цикла, по сравнению с холодильным коэффициентом цикла Карно меньше.

Из рис. 9.33 видно, что в обратном цикле Карно отбирается теплоты больше, чем в цикле Лоренца:

пл. 1’3ba1′ > пл. 23bа2,

а работа, затрачиваемая и цикле воздушной холодильной установки, больше, чем в обратном цикле Карно:

пл. 12341>пл. 11’33’1.

Рис. 9.33. Сравнение обратного цикла Карно с циклом Лоренца

Цикл теплового насоса

Тепловым насосом называется специальное устройство для отопления помещений. По принципу действия тепловой нacoc может быть отнесен к холодильным машинам, так как он, как и эти машины, переносит теплоту в цикле с нижнего температурного уровня на верхний с затратой для этого внешней работы в соответствии со вторым началом термодинамики. Следовательно, цикл теплового насоса – это обратный цикл, как и циклы холодильных машин.

Однако используются холодильные машины и тепловой насос для разных целей. Цель работы холодильных машин состоит в том, чтобы поддерживать в холодильной камере постоянную и при том более низкую температуру, чем температура окружающей среды (Т₀). Для этого холодильные машины должны отводить из этой камеры теплоту, самопроизвольно проникающую в нее (несмотря на изоляцию) из внешней среды, и затем отводить эту теплоту в окружающую же среду, но при более высокой температуре.

Цель работы теплового насоса другая. Он должен поддерживать в помещении тоже постоянную, но более высокую температуру, чем Т₀, за счет отбора теплоты из окружающей среды. Эту теплоту тепловой насос переносит на более высокий температурный уровень, соответствующий температуре в помещении, где она воспринимается водой, циркулирующей в отопительной системе. Таким образом, компенсируется самопроизвольный переход теплоты из отапливаемого помещения в окружающую среду.

В тепловом насосе (рис. 9.34)  имеется испаритель 1, в котором происходит превращение конденсата холодильного агента в парообразное состояние. В этом процессе к конденсату подводится теплота из окружающей среды. Такой средой в данном случае является вода, забираемая из водоема и прокачиваемая через испаритель насосом 2. Получившийся в испарителе пар хладоагента отводится в компрессор 6, где он сжимается с повышением температуры, после чего направляется в конденсатор 3. Здесь пар конденсируется, а выделившаяся при этом теплота воспринимается водой, циркулирующей в отопительной системе 5, обогревающей помещение 4. Конденсат же, пройдя через редукционный вентиль 7 для понижения давления, поступает в испаритель.

Рис. 9.34. Схема теплового насоса

Эффективность теплового насоса оценивается отопительным коэффициентом:

,

где q₁ – количество теплоты, сообщаемое нагреваемому объекту; l_ц – работа, подводимая к рабочему телу в цикле.

Если в целях отопления используют определенную холодильную машину с холодильным коэффициентом , то. Тогда

.                (9.20)

Следовательно, чем выше холодильный коэффициент, тем выше и отопительный коэффициент.

Так как в тепловом насосе , то и  > 1. Значение отопительного коэффициента в реальных тепловых насосах равно 3… 5.

Если бы тепловой насос работал по циклу Карно, то с учетом формул (9.16) и (9.20)

.

При постоянной температуре нижнего источника теплоты (Т₂) эффективность теплового насоса будет зависеть от температуры, при которой рабочее тело отдает теплоту в отопительную систему. Этой температурой и нужно руководствоваться при выборе теплоносителя.

Схемы и циклы холодильных машин

Принципиальная схема воздушной холодильной машины показана на рис. 3.13, а ее теоретический цикл — на рис. 3.14. Принцип действия этой машины заключается в следующем.

Рис. 3.13. Принципиальная схема воздушной холодильной машины 1 — холодильник; 2 — компрессор; 3 — охлаждаемое помещение; 4 — двигатель; 5 — расширительный цилиндр

Рис. 3.14. Теоретический цикл воздушной холодильной машины в диаграммах V—р (а) и s—Т (б)

Воздух с объемом V, энтальпией s, давлением р0 и температурой Т1 (состояние 1) из охлаждаемого помещения засасывается компрессором, в котором происходит адиабатное сжатие до давления р и температуры Т3 (состояние 2). Затем сжатый воздух поступает в холодильник, где охлаждается забортной водой при постоянном давлении до температуры Т3 (состояние 3). После этого охлажденный воздух поступает в расширительный цилиндр для адиабатного расширения до первоначального давления р0. При этом он охлаждается до температуры Т4 (состояние 4) и вновь поступает в охлаждаемое помещение, где нагревается при постоянном давлении р0 до температуры Т1. Далее цикл повторяется. Разность между работой, затраченной в компрессоре, и работой, полученной в расширительном цилиндре, компенсируется двигателем.

Количество теплоты q0 (удельная холодопроизводительность), отведенное из охлаждаемого помещения 1 кг воздуха, определяется площадью b — 4—1—а, а количество теплоты, отданное 1 кг воздуха охлаждающей воде, площадью а—2—3—Ь. Работа цикла определяется площадью 1—2—3—4.

Принципиальная схема работы холодильной машины для охлаждения и отопления показана на рис. 3.15.

В летнем режиме вода прокачивается насосом 13 по замкнутому контуру через кондиционер 9 и испаритель 12. В кондиционере вода нагревается, а в испарителе отдает воспринятое тепло. Забортная вода прокачивается насосом 3 через конденсатор 5, нагревается там и удаляется за борт. Клапаны 1, 10, 14, 6 открыты, а клапаны 15, 11, 8, 2 закрыты.

В зимнем режиме вода прокачивается по замкнутому контуру через кондиционер 9 и конденсатор 5. В конденсаторе она нагревается, а в кондиционере отдает воспринятое тепло. Забортная вода насосом 13 прокачивается через испаритель, охлаждается в нем и уходит за борт. Клапаны 15, 11, 7 и 8 открыты, а клапаны 1, 10, 14 к 6 закрыты. Давление в системе регулируется клапаном 4. Пары хладагента из испарителя отсасываются компрессором 7.

Рис. 3.15. Принципиальная схема использования холодильной машины в качестве теплового насоса

Рис. 3.16. Принципиальная схема абсорбционной холодильной машины

Из схемы видно, что холодильная установка может быть превращена в теплонасосную установку без особых трудностей и затрат, если применить соответствующий хладагент.

На рис. 3.16 показана принципиальная схема простейшей абсорбционной холодильной машины.

В состав этой машины входят конденсатор 3, регулирующий клапан 2 и испаритель 1. Пары хладагента, образовавшиеся в испарителе при температуре Т0 и давлении р0, должны быть сжаты в конденсаторе до давления рк, соответствующего температуре конденсации Тк.

В отличие от компрессорной холодильной машины, где сжатие паров происходит за счет затрат механической энергии, в абсорбционной машине для этой цели служит так называемый термохимический компрессор, роль которого выполняют два теплообменных аппарата (генератор 4, абсорбер 6), насос 7 и второй регулирующий клапан 5.

Машина работает следующим образом. Образовавшиеся в испарителе за счет подведенного тепла пары хладагента поступают в абсорбер и поглощаются абсорбентом (хладагентом) при давлении р0. Концентрация абсорбента при этом возрастает, в результате чего получается концентрированный раствор. В процессе поглощения хладагента выделяется теплота абсорбции, которая отводится охлаждающей водой, циркулирующей через абсорбер. Из абсорбера обогащенный раствор отсасывается насосом и подается в генератор. В генераторе концентрированный раствор нагревается до состояния кипения за счет тепла, подводимого от какого-либо внешнего источника. В процессе кипения при постоянном давлении рк из раствора выделяются пары хладагента, направляющиеся затем в конденсатор. При этом концентрация раствора понижается, или, как принято говорить, раствор обедняется. Слабый раствор вновь поступает в абсорбер, предварительно пройдя регулирующий клапан 5, в котором давление раствора снижается от рк до р0.

При выборе хладагента для судовой холодильной установки необходимо учитывать его действие на человека, металлы, а также такие свойства, как горючесть, воспламеняемость и взрывоопасность. Основные физические свойства некоторых хладагентов приведены в табл. 3.3. Весьма важными являются также вязкость, теплопроводность и теплоемкость хладагента в жидком и парообразном состоянии.

Таблица 3.3. Основные физические свойства хладагентов

Хладагент	Химическая формула	Молекулярный вес	Нормальная температура, °С	Критические параметры			Температура затвердевания, °С	Показатель адиабаты
				температура, °С	давление, МПа	удельный объем, 10—3 м3/кг
Аммиак Углекислота Хлорметил Фреон: Ф-11 Ф-12 Ф-22 Ф-142	NH3 CO2 СН3Cl CFCl3 CF2Cl2 CHF2Cl C2H3F2Cl	17,031 44,01 50,49 137,39 120,92 86,48 100,48	—33,4 —78,5 —23,74 +23,7 —29,8 —40,8 —9,21	+ 132,4 +31 + 143,1 + 198 + 111,5 +96 —	11,74 7,66 6,96 4,55 4,16 5,15 —	4,13 2,16 2,7 1,805 1,793 1,905	—77,7 —56,6 —97,6 —111 —155 — 160 —130,8	1,3 1,3 1,2 1,13 1,14 1,2 1,135

Как работает чиллер? – Что такое чиллер и как выбрать лучший

Что такое Чиллер ?

Промышленные охладители воды используются в различных сферах, где охлажденная вода или жидкость циркулируют через технологическое оборудование. Обычно используемые для охлаждения продуктов и оборудования, водоохладители используются во множестве различных приложений, включая литье под давлением, инструмент и высечку, продукты питания и напитки, химикаты, лазеры, станки, полупроводники и многое другое.

Функция промышленного чиллера заключается в перемещении тепла из одного места (обычно технологического оборудования или продукта) в другое (обычно воздух за пределами производственного помещения). Для передачи тепла к охладителю и от него очень часто используется вода или водно-гликолевый раствор, что может потребовать, чтобы технологический охладитель имел резервуар и насосную систему. Независимо от вашей отрасли и процесса, обеспечение достаточного охлаждения имеет решающее значение для производительности и экономии средств.

Зачем использовать Чиллер ?

Ни один промышленный процесс, машина или двигатель не являются эффективными на 100%, причем наиболее частым побочным продуктом такой неэффективности является тепло. Если это тепло не удаляется, оно со временем будет накапливаться, что приведет к сокращению времени производства, остановкам оборудования и даже преждевременному выходу оборудования из строя. Чтобы избежать этих проблем, необходимо включить охлаждение в конструкцию промышленных технологических систем.

Использование чиллера для охлаждения дает множество преимуществ. Чиллер обеспечивает постоянную температуру и давление в вашем производственном процессе.Исключение переменных температуры и давления упрощает разработку и оптимизацию процесса, обеспечивая высочайшее качество продукта. Вместо расточительной однопроходной системы охладитель рециркулирует охлаждающую воду. Рециркуляция сводит к минимуму расходы на потребление воды, что может быть дорогостоящим и экологически вредным.

Как работает Чиллер Работа?

В большинстве случаев технологического охлаждения насосная система перекачивает холодную воду или водно-гликолевый раствор из охладителя в технологический процесс.Эта холодная жидкость удаляет тепло из процесса, а теплая жидкость возвращается в чиллер. Технологическая вода – это средство передачи тепла от технологического процесса к чиллеру.

Промышленные чиллеры содержат химическое соединение, называемое хладагентом. Существует множество типов хладагентов и применений в зависимости от требуемых температур, но все они работают по основному принципу сжатия и фазового перехода хладагента из жидкости в газ и обратно в жидкость. Этот процесс нагрева и охлаждения хладагента и превращения его из газа в жидкость и обратно – это цикл охлаждения.

Холодильный цикл начинается со смеси жидкости и газа под низким давлением, поступающей в испаритель. В испарителе тепло от технологической воды или водно-гликолевого раствора приводит к кипению хладагента, который превращает его из жидкости с низким давлением в газ с низким давлением. Газ низкого давления поступает в компрессор, где сжимается до газа высокого давления. Газ под высоким давлением поступает в конденсатор, где окружающий воздух или вода конденсатора отводят тепло, чтобы охладить его до жидкости под высоким давлением. Жидкость под высоким давлением проходит к расширительному клапану, который контролирует количество жидкого хладагента, поступающего в испаритель, тем самым снова начиная цикл охлаждения.

В чиллерах используются два типа конденсаторов; с воздушным и водяным охлаждением. Конденсатор с воздушным охлаждением использует окружающий воздух для охлаждения и конденсации горячего газообразного хладагента обратно в жидкость. Он может быть расположен внутри чиллера или удаленно снаружи, но в конечном итоге он отводит тепло от чиллера в воздух. В конденсаторе с водяным охлаждением вода из градирни охлаждает и конденсирует хладагент.

Что Чиллер Лучше всего подходит для вашего процесса?

Чиллер Системы различаются по размеру и дизайну и доступны в виде небольших, локализованных или переносных чиллеров для небольших приложений или больших центральных чиллеров, предназначенных для охлаждения целых процессов.

Если вас интересуют более подробные сведения о лучшем охлаждающем решении для вашей области применения, обратитесь к специалисту по тепловому уходу.

Полное руководство по чиллерным системам. Все, что Вам нужно знать.

Что такое чиллерные системы?

В коммерческих зданиях используются системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) для осушения и охлаждения здания.Современные коммерческие здания нуждаются в эффективных системах и компонентах HVAC в рамках более широких инициатив, направленных на повышение эффективности и устойчивости зданий. Жители зданий также возлагают большие надежды на то, что система HVAC будет работать так, как задумано. . . для создания комфортной внутренней среды независимо от внешних по отношению к зданию условий.

Чиллеры стали важным компонентом систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха для самых разных коммерческих объектов, включая отели, рестораны, больницы, спортивные арены, промышленные и производственные предприятия и т. Д.В отрасли давно признано, что холодильные системы представляют собой крупнейшего потребителя электроэнергии на большинстве объектов. Они могут легко потреблять более 50% от общего потребления электроэнергии в сезонные периоды. По данным Министерства энергетики США (DOE), чиллеры могут вместе использовать примерно 20% всей электроэнергии, вырабатываемой в Северной Америке. Более того, по оценкам Министерства энергетики, чиллеры могут расходовать до 30% дополнительной энергии из-за различной неэффективности эксплуатации.Эти признанные недостатки обходятся компаниям и строительным предприятиям в миллиарды долларов ежегодно.

В общем, чиллер способствует передаче тепла от внутренней среды к внешней среде. Это устройство теплопередачи зависит от физического состояния хладагента, циркулирующего в системе охлаждения. Безусловно, чиллеры могут служить сердцем любой центральной системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Как работает чиллер?

Чиллер работает по принципу сжатия пара или поглощения пара.Чиллеры обеспечивают непрерывный поток охлаждающей жидкости к холодной стороне системы технологической воды при желаемой температуре около 50 ° F (10 ° C). Затем хладагент прокачивается через технологический процесс, отбирая тепло из одной части объекта (например, машин, технологического оборудования и т. Д.), Когда оно течет обратно в обратную сторону системы технологической воды.

В чиллере используется механическая система охлаждения с компрессией пара, которая подключается к системе технологической воды через устройство, называемое испарителем. Хладагент циркулирует через испаритель, компрессор, конденсатор и расширительное устройство чиллера.Термодинамический процесс происходит в каждом из вышеперечисленных компонентов чиллера. Испаритель работает как теплообменник, так что тепло, захваченное потоком технологического хладагента, передается хладагенту. По мере передачи тепла хладагент испаряется, превращаясь из жидкости с низким давлением в пар, в то время как температура технологического хладагента снижается.

Затем хладагент поступает в компрессор, который выполняет несколько функций. Во-первых, он удаляет хладагент из испарителя и гарантирует, что давление в испарителе остается достаточно низким для поглощения тепла с правильной скоростью.Во-вторых, он повышает давление выходящего пара хладагента, чтобы его температура оставалась достаточно высокой для выделения тепла, когда он достигает конденсатора. Хладагент возвращается в жидкое состояние в конденсаторе. Скрытая теплота, выделяемая при переходе хладагента из пара в жидкость, уносится из окружающей среды охлаждающей средой (воздухом или водой).

Типы чиллеров:

Как описано, две разные охлаждающие среды (воздух или вода) могут способствовать передаче скрытой теплоты, отдаваемой при переходе хладагента из пара в жидкость.Таким образом, чиллеры могут использовать два разных типа конденсаторов: с воздушным и водяным охлаждением.

• Конденсаторы с воздушным охлаждением напоминают «радиаторы», охлаждающие автомобильные двигатели. Они используют моторизованный вентилятор, чтобы нагнетать воздух через решетку линий хладагента. Конденсаторам с воздушным охлаждением для эффективной работы требуется температура окружающей среды 95 ° F (35 ° C) или ниже, если они специально не предназначены для высоких условий окружающей среды.
• Конденсаторы с водяным охлаждением выполняют те же функции, что и конденсаторы с воздушным охлаждением, но требуют двух этапов для завершения теплопередачи.Сначала тепло переходит от пара хладагента в воду конденсатора. Затем теплая вода конденсатора перекачивается в градирню, где технологическое тепло в конечном итоге отводится в атмосферу.

Чиллеры с водяным охлаждением: Чиллеры

с водяным охлаждением имеют конденсатор с водяным охлаждением, соединенный с градирней. Они обычно использовались для средних и крупных установок с достаточным водоснабжением. Чиллеры с водяным охлаждением могут обеспечить более стабильную производительность для коммерческого и промышленного кондиционирования воздуха из-за относительной независимости от колебаний температуры окружающей среды.Размеры чиллеров с водяным охлаждением варьируются от небольших моделей емкостью 20 тонн до моделей на несколько тысяч тонн, которые охлаждают крупнейшие в мире объекты, такие как аэропорты, торговые центры и другие объекты.

Типичный чиллер с водяным охлаждением использует рециркулирующую воду конденсатора из градирни для конденсации хладагента. Чиллер с водяным охлаждением содержит хладагент, зависящий от температуры воды на входе в конденсатор (и расхода), который зависит от температуры окружающей среды по влажному термометру.Поскольку температура по влажному термометру всегда ниже температуры по сухому термометру, температура (и давление) конденсации хладагента в чиллере с водяным охлаждением часто может работать значительно ниже, чем в чиллере с воздушным охлаждением. Таким образом чиллеры с водяным охлаждением могут работать более эффективно.

Чиллеры с водяным охлаждением обычно устанавливаются внутри помещений в защищенной от непогоды среде. Следовательно, чиллер с водяным охлаждением может обеспечить более длительный срок службы. Чиллеры с водяным охлаждением обычно представляют собой единственный вариант для более крупных установок.Дополнительная система градирни потребует дополнительных затрат на установку и обслуживание по сравнению с чиллерами с воздушным охлаждением.

Чиллеры с воздушным охлаждением:

В чиллерах с воздушным охлаждением используется конденсатор, охлаждаемый окружающим воздухом. Таким образом, чиллеры с воздушным охлаждением могут найти обычное применение в небольших или средних установках, где может существовать ограниченное пространство. Чиллер с воздушным охлаждением может быть наиболее практичным выбором в сценариях, когда вода представляет собой ограниченный ресурс.

Типичный чиллер с воздушным охлаждением может быть оснащен пропеллерными вентиляторами или механическими холодильными циклами, чтобы втягивать окружающий воздух через оребренный змеевик для конденсации хладагента. Конденсация паров хладагента в конденсаторе с воздушным охлаждением обеспечивает передачу тепла в атмосферу.

Чиллеры с воздушным охлаждением имеют значительное преимущество в виде более низких затрат на установку. Более простое обслуживание также достигается благодаря их относительной простоте по сравнению с чиллерами с водяным охлаждением. Чиллеры с воздушным охлаждением будут занимать меньше места, но в основном будут располагаться вне помещения.Таким образом, у наружных элементов сократится срок их службы.

Комплексный характер чиллеров с воздушным охлаждением снижает затраты на техническое обслуживание. Их относительная простота в сочетании с меньшими требованиями к пространству дает большие преимущества во многих типах установок.

Действия по повышению эффективности чиллерных систем:

Расходы на чиллер составляют значительную часть счетов за коммунальные услуги в вашем здании. Какие меры необходимо предпринять, чтобы добиться экономии энергии за счет максимальной эффективности чиллерной системы? Давайте рассмотрим некоторые возможности.

Текущее обслуживание

Чиллерные системы будут работать более эффективно за счет надлежащего текущего обслуживания. Большинство организаций осознают эту ценность и предприняли шаги в рамках своей повседневной передовой практики управления объектами. Некоторые общие передовые практики для систем чиллера включают:

1. Осмотрите и очистите змеевики конденсатора. Теплопередача оказывает большое влияние на чиллерные системы и остается основой для обеспечения эффективной работы чиллера. При плановом техническом обслуживании следует проверять змеевики конденсатора на предмет засорения и свободного прохода воздуха.
2. Поддерживайте заправку хладагента. Коэффициент охлаждения чиллера зависит от надлежащего уровня хладагента в системе. Поддержание надлежащей заправки хладагента может значительно повлиять на энергоэффективность за счет снижения затрат на охлаждение почти на 5-10%.
3. Поддержание воды в конденсаторе: водяные контуры конденсатора, используемые с градирнями, должны поддерживать надлежащий расход воды в соответствии с проектом. Любой мусор, такой как песок, эрозионные твердые частицы и загрязняющие материалы, может повлиять на водяной контур конденсатора. Загрязнение или образование накипи могут препятствовать потоку воды и сильно влиять на эффективность работы чиллера.

Профилактическое обслуживание

Искусственный интеллект (ИИ) продолжает развиваться в повседневных практических приложениях. Такое оборудование, как чиллерные системы, выиграет от использования алгоритмов искусственного интеллекта, которые могут обнаруживать потенциальные сбои до их возникновения. Прогнозирующее техническое обслуживание использует сбор и анализ рабочих данных системы чиллера, чтобы определить, когда следует предпринять действия по техническому обслуживанию до катастрофического отказа. Поскольку чиллеры представляют собой сердце большинства современных систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, предотвращение катастрофических отказов, приводящих к значительному «простою», позволит сэкономить на расходах на аварийный ремонт, а также на репутации.Критическая роль, которую играет система чиллера, требует повышенного внимания. Большие данные и искусственный интеллект минимизируют время простоя и повышают производительность.

Интернет вещей (IoT) предоставляет инструмент сбора данных, который может включать приложения AI, такие как профилактическое обслуживание. Фактически, будущее HVAC – это AI и IoT. Интернет вещей позволяет собирать данные с чиллера в режиме реального времени, чтобы обеспечить непрерывный анализ его работы. Детализированные данные Интернета вещей, полученные от чиллера, выходят далеко за рамки данных, полученных при визуальном осмотре.Интернет вещей позволяет инженерам-строителям видеть в режиме реального времени критически важные объекты HVAC, тем самым обеспечивая информированный мониторинг фактических условий эксплуатации.

Оптимизация

Чиллеры работают как часть сложной системы HVAC. Чиллеры с водяным охлаждением имеют большую сложность из-за подключения к системе градирни. Таким образом, оценка общей производительности холодильной установки будет включать анализ общего энергопотребления компрессора, насосов, вентиляторов градирни и т. Д.для оценки комплексных показателей эффективности, таких как кВт / тонна.

Оптимизация всей холодильной установки должна выполняться комплексно. Различные настройки, направленные на оптимальные уставки охлажденной воды, последовательность работы чиллера и балансировку нагрузки, управление пиковым потреблением, управление водой градирни и т. Д., Могут выполняться только с рабочими данными. Интернет вещей может предоставить инструменты для такой оптимизации, обеспечивая в реальном времени мониторинг энергопотребления каждой части холодильной установки, температуры подачи / возврата из холодильной машины и градирни, скорости потока воды из водяного контура конденсатора и т. Д.Интернет вещей нашел практическое применение в HVAC, чтобы облегчить настоящую оптимизацию.

Заключение: Эффективность работы чиллера

значительно повлияет на эксплуатационные расходы вашего здания. Текущее плановое обслуживание представляет собой минимум с точки зрения управления объектом. Для профилактического обслуживания и оптимизации холодильной системы требуются оперативные данные в режиме реального времени. Интернет вещей открыл дверь к новым формам повышения эффективности чиллера.

Примечание редактора: этот пост был первоначально опубликован в ноябре 2017 года и был полностью переработан и обновлен для обеспечения точности и полноты.

---

Узнайте, как Senseware может в режиме реального времени предоставлять данные о работе чиллера на вашем предприятии.

Запишитесь на демонстрацию с нашей командой.

---

Как работает чиллер? См. Нашу схему чиллера

Как работает чиллер

Проще говоря, промышленные чиллеры охлаждают технологические жидкости. Технологические жидкости (обычно вода или смесь воды и гликоля) используются для охлаждения машин, оборудования, продуктов питания и т. Д.Технологическая жидкость поглощает тепло от того, что охлаждается, а затем проходит через чиллер, где тепло отводится от жидкости и передается окружающему воздуху.

Два контура

Промышленные чиллеры с водой или гликолем содержат два основных контура: контур охлаждения и контур жидкости. Холодильный контур состоит из четырех компонентов: компрессора, конденсатора, расширительного клапана и испарителя. Холодильный контур отводит тепло от технологической жидкости.Контур жидкости обычно состоит из резервуара для жидкости, насоса, фильтров и теплообменника. Гидравлический контур переносит технологическую жидкость вокруг охлаждаемого объекта.

Пошаговый цикл охлаждения – схема чиллера

Холодильный контур – это наиболее техническая часть работы чиллера. В холодильном цикле используются принципы термодинамики для эффективного перемещения тепла из одной области в другую. В случае чиллеров тепло отбирается от охлаждаемой жидкости и передается окружающему воздуху.

1. Компрессор

Холодильный цикл начинается с компрессора. Компрессор принимает хладагент низкого давления и низкой температуры в виде газа и сжимает его в газ под высоким давлением и высокой температурой.

1. Конденсатор

Затем этот газ проходит через змеевики в конденсаторе. В конденсаторе воздух или вода будут течь по змеевикам и отводить тепло от хладагента. По мере того как хладагент теряет тепло, он начинает конденсироваться, пока весь газ не превратится в жидкость.

1. Расширительный клапан

После выхода из конденсатора жидкость проходит через расширительный клапан. Расширительный клапан ограничивает поток хладагента. Когда жидкость под высоким давлением проходит через расширительный клапан, она попадает в испаритель.

1. Испаритель

Испаритель – это место, где хладагент начинает испаряться обратно в газ. Когда хладагент испаряется, он становится очень холодным и поглощает много тепла. Именно в испарителе технологическая жидкость взаимодействует с холодным хладагентом.Тепло отводится от жидкости и передается хладагенту. Затем хладагент поступает в компрессор, и цикл начинается снова.

Чиллеры North Slope

Теперь, когда вы знаете, как работает чиллер, вы можете рассмотреть варианты своей технологической системы чиллера. Чиллеры North Slope могут похвастаться самым передовым из имеющихся активных холодильных контуров. Их легко установить, удалить и переместить, и они не нарушат структуру вашей текущей системы. Если вы хотите охладить, заморозить или что-то среднее, North Slope Chillers предложит решение, соответствующее вашим потребностям.

Примечание: для этого содержимого требуется JavaScript.

Основная терминология чиллера – Инженерное мышление

Основная терминология чиллера. В этой статье мы рассмотрим основные термины чиллера. Это термины, которые инженеры произносят, когда они говорят о чиллерах, и ожидают, что вы точно поймете, что они означают.
Прокрутите вниз, чтобы просмотреть видеоурок на YouTube

Хотите узнать больше о чиллерах и о том, как добиться оптимальной эффективности чиллера? Тогда вам нужно узнать, что может предложить Данфосс.Данфосс хочет помочь вам создавать более качественные, долговечные и более эффективные чиллеры, и у них есть широкий спектр решений, которые помогут сделать это возможным. Фактически, у них есть до 70% продуктов, необходимых для ваших чиллерных систем, включая компрессоры, приводы переменного тока, системы защиты, теплообменники, клапаны, электронику и датчики.

Неважно, с каким чиллером вы работаете – Danfoss предлагает продукты, которые помогут вам повысить производительность, повысить надежность и снизить воздействие на окружающую среду.Все эти решения объединены, чтобы помочь вам спроектировать и создать более совершенные чиллеры – изнутри.

Вы можете начать с перехода на Chillers.Danfoss.com

Холодильный цикл

Цикл охлаждения – терминология чиллера

Это процесс циркуляции хладагента вокруг чиллера или любой холодильной системы. Компрессор – движущая сила хладагента. Хладагент покидает компрессор в виде высокотемпературного газа под высоким давлением и перемещается в конденсатор.

Конденсатор охлаждает хладагент и отводит тепловую энергию в атмосферу, хладагент выходит из конденсатора в виде жидкости под высоким давлением. Затем хладагент направляется в расширительное устройство, которое снижает давление, и хладагент становится жидко-паровой смесью низкого давления.

Затем хладагент проходит через испаритель, куда добавляется нежелательное тепло здания, при этом хладагент превращается в пар низкого давления, поскольку он испаряется, забирая с собой нежелательное тепло, которое всасывает компрессор, чтобы повторить цикл.

Хладагент

Это специально разработанная жидкость, которая движется по внутренней части чиллера, собирая нежелательное тепло от испарителя и перемещая его в конденсатор, чтобы это тепло могло отводиться от здания. Он меняет состояние между жидкостью и газом во время цикла охлаждения и перемещается внутри охладителя компрессором. Хладагент остается внутри чиллера и всегда хранится отдельно от воды конденсатора и охлажденной воды.У хладагентов будут странные названия, такие как R134A R1233zd и т. Д.
Прочтите нашу предыдущую статью о том, как работают хладагенты и как новые законы приводят к поэтапному отказу, а также наше руководство по модернизации старых систем с использованием запрещенных хладагентов.

Конденсатор

Чиллер Конденсатор основная терминология чиллера

Здесь нежелательное тепло здания отводится в атмосферу через конденсатор с воздушным или водяным охлаждением. Хладагент, который переносит нежелательное тепло от испарителя к конденсатору, будет входить в виде газа под высоким давлением и высокой температурой, а по мере отклонения тепловой энергии он уйдет в виде жидкости под высоким давлением.

Конденсатор водяной

Объяснение водяного контура конденсатора

Вода конденсатора – это вода, протекающая между градирней и конденсатором чиллера с водяным охлаждением. Это улавливает все нежелательное тепло в конденсаторе, которое было передано через хладагент. В некоторых конструкциях он также собирает тепло от компрессора. Вода из конденсатора направляется в градирню, где тепло отводится и отводится в атмосферу, а затем возвращается обратно в конденсатор для сбора большего количества тепла.Типичная температура будет следующей: Расход: 32 ° C (89,6 ° F) Возврат 27 ° C (80,6 ° F). Эти числа являются типичными, они могут отличаться от указанных.

С воздушным охлаждением

Относится к чиллеру с воздушным охлаждением. Они расположены снаружи здания, как правило, на крыше или внизу возле автостоянки и т. Д. Очень редко они располагаются внутри здания, но для этого могут быть оборудованы воздуховодами. В чиллерах этих типов не используются водяные контуры конденсатора. Вместо этого они используют вентиляторы, чтобы обдувать конденсатор воздухом, поэтому их называют чиллерами с воздушным охлаждением.

С водяным охлаждением

Это относится к типу чиллера, в котором используется вода конденсатора и градирни для отвода тепла от конденсатора. Они расположены внутри здания, как правило, в подвале.

Испаритель

Чиллер-испаритель объяснил

В испарителе собирается нежелательное тепло здания перед передачей в конденсатор. Когда нежелательное тепло попадает в испаритель, он вызывает кипение и испарение хладагента, а при испарении он уносит тепло в конденсатор.Хладагент входит в испаритель в виде жидкости низкого давления и при испарении уходит в виде пара низкого давления.

Охлажденная вода

Объяснение системы охлажденной воды

Чиллер производит охлажденную воду, эта вода течет по замкнутому контуру между испарителем чиллера и охлаждающими змеевиками внутри здания. Насос нагнетает охлажденную воду вокруг здания к змеевикам внутри AHU и FCU, где нежелательное тепло из воздуха переходит в воду, это охлаждает воздух и нагревает «охлажденную воду», а затем эта теплая охлажденная вода возвращается. к испарителю чиллера, чтобы сбросить это нежелательное тепло.Когда тепло отводится, он вызывает кипение хладагента и уносит это тепло, в результате чего вода снова остывает. Затем он повторяет цикл и собирает больше тепла. Типичные температуры охлажденной воды: подача: 6 ° C (42,8 ° F) Возврат: 12 ° C (53,6 ° F) Эти числа могут и будут отличаться от указанного.

Один проход, два прохода, три прохода

Это относится к испарителю или конденсатору с водяным охлаждением, а также к способу прохождения воды или хладагента через компонент. За один проход жидкость будет проходить прямо насквозь, но для большей теплопередачи трубки могут быть загнуты назад один или два раза, чтобы увеличить время передачи и площадь поверхности, это позволит передать больше тепла и увеличит площадь поверхности теплопередачи.

Компрессор

Типы компрессоров чиллера

При этом хладагент перемещается вокруг чиллера, собирая нежелательное тепло от испарителя и перемещая его в конденсатор. Вот некоторые из различных конструкций чиллеров:

• Центробежный тип, в котором используется вращающееся рабочее колесо для создания центробежной силы на хладагенте, которая заставляет его перемещаться по системе.
• Тип Turbocor, который является более продвинутым вариантом центробежного типа, он использует две небольшие вращающиеся крыльчатки для сжатия хладагента.
• Винтовой тип, в котором используются два винтовых вращающихся винта для сжатия хладагента в ограниченном пространстве и, таким образом, сжатия.
• Спиральный тип, в котором используются два спиральных диска, один из которых неподвижен, а другой вращается, чтобы сжимать хладагент и сжимать его в небольшом пространстве.
• Поршневой тип, в котором используются поршни и цилиндры для сжатия хладагента в меньший объем.

Градирня

Схема градирни

Часто называют просто «башней», они располагаются снаружи здания, обычно на крыше, и используются только с чиллерами с водяным охлаждением. Они бывают мокрого или сухого типа, но оба типа используют вентиляторы для перемещения воздуха через градирню.У влажного типа водяной контур конденсатора открыт, и вода разбрызгивается в воздушный поток, который отводит тепло и охлаждает воду. В сухом типе конденсаторный контур замкнут, и вода проходит через теплообменник, где воздушный поток проходит через него для отвода тепла. Кроме того, некоторые градирни распыляют воду на охлаждающие змеевики, чтобы помочь отвести тепло.

Байпас горячего газа

Байпас горячего газа

Используется только на некоторых чиллерах. Он используется для создания искусственной охлаждающей нагрузки, чтобы предотвратить циклическую работу чиллера, остановку, помпаж, а также для защиты испарителя от замерзания в условиях низкой нагрузки.Регулирующий клапан используется вместе с редукционным клапаном для рециркуляции горячего хладагента из линии нагнетания компрессора и направления его прямо на вход испарителя, таким образом минуя конденсатор, поэтому тепло добавляется к испарителю для создания ложной нагрузки.
Это довольно неэффективная стратегия, энергия, затраченная на сжатие хладагента, не обеспечит полезного охлаждающего эффекта. Если вы используете эту стратегию, вероятно, ваш чиллер слишком велик.

COP

COP означает коэффициент полезного действия.Это просто соотношение того, сколько охлаждения вы получаете на единицу затраченной электроэнергии, которое является способом измерения эффективности чиллеров.
COP = кВт холода / кВт электроэнергии
2500 кВт охлаждения / 460 кВт электроэнергии = COP: 5,4, поэтому на каждый 1 кВт электроэнергии, подаваемой в чиллер, он будет генерировать 5,4 кВт охлаждения.
COP зависит от охлаждающей нагрузки чиллера. Это полезно для измерения эффективности в определенный момент времени или при определенных условиях.

Пускатель двигателя (устройство плавного пуска)

Устройство плавного пуска чиллера

Большие чиллеры, особенно с одним компрессором, например центробежного типа, могут иметь очень большие пусковые токи при запуске двигателя.Это означает большой поток энергии через электрическую систему здания в чиллер. Это может вызвать повреждение электрической инфраструктуры и вывести из строя оборудование. Возможно, вы испытали это, когда компрессор холодильника в вашем доме включился, и свет погас на долю секунды. Для борьбы с этим чиллеры будут использовать пускатели двигателя, которые ограничивают скачок мощности при запуске двигателя. Они либо встроены в компрессор, размещены в корпусе на охладителе, либо размещены в корпусе рядом с охладителем.Для этого используется множество различных методов.

Преобразователь частоты VFD

В некоторых чиллерах используются приводы с регулируемой скоростью. Они эффективно выполняют работу устройств плавного пуска, но они также регулируют скорость компрессора, чтобы позволить ему работать более эффективно в условиях частичной нагрузки, что может привести к значительной экономии энергии. Однако они приведут к снижению эффективности в условиях полной нагрузки, хотя чиллеры обычно работают только 1% в год при полной нагрузке.ЧРП
также могут быть установлены на насосах, чтобы помочь сэкономить энергию и позволить насосам изменять свой расход, чтобы лучше соответствовать потребности в охлаждении, обычно с помощью датчика давления для управления скоростью.

Номинальный ток нагрузки (RLA)

RLA относится к максимальному току, потребляемому двигателем компрессора во время работы. RLA будет варьироваться в зависимости от того, сколько работы должен выполнять компрессор. Если RLA будет превышено, двигатель компрессора перегреется и разрушится. В органы управления чиллера встроены защитные приспособления для измерения и предотвращения этого.Например, чиллер центробежного типа с водяным охлаждением номинальной мощностью 1272 кВт имеет RLA 359 ампер, но чиллер отключит мощность двигателя, если оно достигнет 455 ампер. Этот предел и значение различаются для всех чиллеров.

Нагрузка

Нагрузка относится к потребности в охлаждении чиллера.
Полная нагрузка означает, что чиллер работает с максимальной охлаждающей способностью, обычно это только 1-2% в год.
Частичная нагрузка означает, что чиллер работает с меньшей максимальной мощностью, это нормально в течение большей части года для типичных приложений.
Низкая нагрузка означает, что чиллер работает с очень низкой производительностью, в этих условиях часто могут возникать неисправности, а чиллеры обычно не работают эффективно в этих условиях. Если чиллер работает при низкой нагрузке в течение длительных периодов в течение года, то он имеет слишком большие размеры, и следует изучить альтернативные варианты его замены, которые позволят сэкономить электроэнергию и эксплуатационные расходы.
Холодильная нагрузка обычно измеряется в БТЕ / с холодопроизводительных тонн или кВт.

Потребность в охлаждении

Когда охлажденная вода перекачивается из испарителя чиллеров вокруг здания для сбора нежелательного тепла, она возвращается обратно с более высокой температурой.Количество протекающей воды и температура определяют потребность в охлаждении. Например, расход 0,0995 м3 / с при температуре подачи 6 ° C и возврате 12 ° C приведет к потребности в охлаждении около 2500 кВт или 710 RT.

Вместимость

Это относится к тому, сколько охлаждения чиллер разработан для обеспечения максимальной нагрузки. Производительность большинства чиллеров можно регулировать, чтобы она точно соответствовала фактической потребности в охлаждении в настоящее время. Мощность обычно указывается в киловаттах или тр.тоннах холода.

Предохранительные клапаны

Предохранительные клапаны и линии устанавливаются на чиллеры для защиты компонентов и операторов от опасного повышения давления хладагента внутри чиллера. Такое случается редко, но возможно, например, в случае пожара. Обычно чиллер использует подпружиненный клапан, который открывается автоматически, если давление хладагента превышает давление пружины. Это позволит хладагенту безопасно выйти в атмосферу, и клапан снова закроется, как только давление достигнет более низкого уровня.

Обрастание

Относится к скоплению грязи и органических веществ на поверхности теплообменников, которое эффективно изолирует поверхности и снижает способность теплообменников передавать тепло. Это очень часто встречается в конденсаторе чиллера с водяным охлаждением из-за разомкнутого контура, который позволяет грязи и бактериям попадать в трубопровод. Чтобы уменьшить это, необходимо обеспечить надлежащую очистку воды и мониторинг с течением времени. Чиллеры спроектированы таким образом, чтобы выдерживать определенное количество загрязнений при нормальной работе, но если оно будет превышено, чиллер не сможет достичь проектной мощности.

Подъемник

Лифт чиллера

Подъем – это разница давлений хладагента в конденсаторе и хладагента в испарителе. Чем выше разница, тем больше работы приходится выполнять компрессору для достижения этой цели. Температуры охлажденной воды и воды в конденсаторе, а также температуры приближения устанавливают требуемый подъем. Уменьшение уставки воды в конденсаторе и увеличение уставки охлажденной воды снизит энергопотребление компрессора.

Температура приближения

Подходящая температура

Это относится к разнице температур между температурой подаваемой охлажденной воды на выходе из чиллера по сравнению с температурой хладагента внутри испарителя.
Например, температура подаваемой охлажденной воды может составлять 7 ° C (44,6 ° F), а температура хладагента – 3 ° C (37,4 ° F). Таким образом, при подходе температура равна 4 ° C или 7,2 ° F. Разница 3-5 ° C или 5-8 ° F является типичной.

Уставка, активная уставка охлажденной воды

уставка охлажденной воды

Уставки в чиллерах относятся к желаемой температуре или давлению, обычно это связано с температурой подаваемой охлажденной воды. Желаемая температура определяется средствами управления, и чиллер пытается достичь этой температуры.Датчики температуры на выходе из испарителя для подачи охлажденной воды или рядом с ним будут измерять фактическую температуру, а органы управления чиллерами будут вносить корректировки в соответствие с ней или работать как можно ближе к ней.

Насос охлажденной воды и водяной насос конденсатора

Это насосы, которые распределяют охлажденную воду и воду из конденсатора по зданию между охладителем, охлаждающими змеевиками и градирней. Они могут быть как с постоянным, так и с переменным расходом в зависимости от конструкции системы.Переменный поток становится все более популярным в системах вторичного контура, поскольку он может обеспечить значительное снижение энергопотребления и эксплуатационных расходов.

Расход

Это относится к количеству воды, проходящей через чиллер или определенную часть распределительного трубопровода. Это измерение объема в единицу времени. Например, галлон в минуту (gpm) литр в секунду (л / с) или кубический метр в секунду (м3 / с).

Массовый расход

Это относится к массе воды, протекающей через чиллер, насос или определенную точку в распределительном трубопроводе.Это измерение веса в единицу времени. Пример фунт / м или кг / с.

Расходомер

Расходомер может быть установлен на чиллерах или системах охлажденной воды для контроля потока к каждому чиллеру и из него или для измерения потока через разделительную трубу для диагностики проблем, а также для обеспечения эффективной работы и подачи сигнала о запуске или остановке второго чиллера. Часто это клещи на счетчиках, которые используют ультразвуковые датчики для расчета расхода.

Сработал чиллер

Это относится к холодильной машине, которая выключается сама по себе через внутренние органы управления из-за обнаруженной неисправности или при достижении пределов проектной уставки.Например. высокое или низкое давление или температура. После этого чиллер отключается, чтобы защитить себя от повреждений.

Катушки

Охлаждающие змеевики объяснены

Змеевики относится к теплообменнику. В системе чиллера и охлажденной воды есть несколько змеевиков. Охлаждающий змеевик будет означать теплообменник в установке для обработки воздуха или фанкойле, который принимает охлажденную воду и обменивает ее холод с воздухом. Змеевик конденсатора будет относиться к конденсатору чиллера с воздушным охлаждением, который принимает горячий хладагент высокого давления и использует окружающий воздух для его конденсации в жидкость.

Delta T или ∆T

Это относится к разнице температур между температурами подачи и возврата охлажденной воды и воды конденсатора. Типичная разница температур между подающей и обратной линиями охлажденной воды составляет 6 ° C, но она может варьироваться. Высокая дельта Т означает, что чиллер работает усиленно и эффективность должна быть высокой, тогда как низкая дельта Т означает, что чиллер, вероятно, работает неэффективно, и, вероятно, это связано с конструкцией системы охлаждения, вызывающей это.

Перегрев

Объяснение перегрева холодильника

Это относится к количеству градусов (Кельвина), на которое хладагент выше точки кипения при определенном давлении.Типичное значение 4-8К. Если показание высокое, то испаритель работает неэффективно, а если оно низкое или нулевое, то есть неисправность и возможно попадание жидкого хладагента в компрессор, что приведет к повреждению службы.

Переохлаждение

Переохлаждение

Относится к хладагенту, который был конденсирован и имеет температуру ниже точки кипения, поэтому он находится в жидком состоянии. Это разница между температурой насыщения хладагента и фактической температурой жидкого хладагента.

Расширительный клапан / Устройство

Типы расширительного клапана

Это устройство, используемое между конденсатором и испарителем. Это вызывает снижение давления в хладагенте, а также контроль количества хладагента, поступающего в испаритель, который используется для регулирования перегрева. В чиллерах используется много разных типов. Некоторые примеры расширительных клапанов и устройств чиллера:

• Диафрагма
• Поплавковые клапаны
• Тепловой расширительный клапан
• Электронные расширительные клапаны
• Тепловые расширительные клапаны с пилотным управлением

Сброс температуры охлажденной воды

Это стратегия управления, используемая для экономии энергии.Эта стратегия повышает температуру подаваемой охлажденной воды для уменьшения подъемной силы, что снижает объем работы, выполняемой компрессором. Это также приведет к более высокой температуре возвратной воды, что может привести к увеличению скорости насоса в системах с регулируемой скоростью. Это также может привести к синдрому низкой дельта-Т и требует тщательного анализа перед внедрением.

Опережение и запаздывание или дежурный и резервный

Под опережением или обязанностью понимается чиллер или насос, который должен первым включиться и справиться с охлаждающей нагрузкой, когда в здании используется несколько чиллеров.Задержка или режим ожидания относится к следующему чиллеру или насосу, который включится, если ведущий / рабочий не может справиться с полной нагрузкой или если ведущий / рабочий охладитель / насос отключается из-за неисправности. Отложенный / резервный либо присоединится, чтобы предоставить больше возможностей, либо возьмет на себя опережающий / дежурный. Обозначение опережения / отставания или дежурного / резервного обычно будет чередоваться, чтобы обеспечить равные часы работы всего оборудования, или оно будет назначено в соответствии с наиболее эффективным оборудованием, работающим в текущих рабочих условиях.

Профиль нагрузки

Это потребность здания в охлаждении, нанесенная на диаграмму, показывающую изменение обычно в час, охватывающее в общей сложности 24 часа. 24 часа могут относиться либо к конкретному дню, либо к усреднению за период времени, например, сезонной потребности, или общей сумме за определенный год или, возможно, каждый будний день. Это очень полезно для инженеров для анализа и может позволить улучшить стратегии управления, энергоэффективность и прогнозирование энергии.

Чиллер для агрегатов

Это относится к чиллерам, которые поставляются производителем в одной полной комплектации со всеми основными компонентами холодильного цикла в одной упаковке.Это самый распространенный тип чиллера. Они могут иметь конструкцию с водяным или воздушным охлаждением

.

Экономайзер чиллера

Экономайзер чиллера

Экономайзер используется в некоторых чиллерах центробежного типа с двухступенчатыми компрессорами для снижения потребления энергии. Конструкция довольно проста: между конденсатором и испарителем размещен специальный бак. Хладагент частично дросселируется в бак, а любой испаряющийся хладагент направляется прямо во вторую ступень компрессора.Остальной хладагент, находящийся в жидком состоянии, поступит в испаритель. Это снижает требования к работе компрессора и, таким образом, экономит энергию.

Разъединитель

Это обычное явление в первичных вторичных системах. Это труба, помещенная в конце набора параллельно соединенных чиллеров, чтобы гидравлически разделить первичную и вторичную стороны и позволяет регулировать поток на вторичной стороне. Чиллеры на первичной стороне должны иметь минимальную скорость потока, чтобы предотвратить повреждение, разъединитель позволяет охлажденной подаваемой или возвратной воде течь в любом направлении, чтобы удовлетворить потребности насосов первичного и вторичного контура.Скорость потока через разделитель также определяет, можно ли включить или выключить второй чиллер.

Естественное охлаждение

Это относится к стратегии управления охлаждением, при которой тепло отводится без или с минимальным использованием компрессора. Эта стратегия может использоваться только в определенных условиях окружающей среды, ее можно включить, когда температура наружного воздуха ниже заданной температуры. В некоторых чиллерах эта функция встроена, в другие можно дооснастить или модифицировать систему, чтобы приспособиться к этому.

Как работает абсорбционный чиллер?

Существует много различных типов абсорбционных чиллеров, но все они работают по схожему принципу. В системе низкого давления абсорбирующая жидкость испаряется, отводя тепло от охлажденной воды. Для регенерации абсорбционного раствора используется источник тепла, такой как пар, выхлопные газы или горячая вода.

Различные конфигурации описаны ниже

Абсорбционный чиллер с односторонним действием, приводимый в действие горячей водой

Одноступенчатый абсорбционный чиллер с приводом от горячей воды

В абсорбционном чиллере с одинарным лифтом, приводимым в действие горячей водой, как следует из названия, охлажденная вода однократно охлаждается хладагентом из двойной тарелки испарителя.Испаренный хладагент поглощается концентрированным раствором (обычно бромидом калия). Этот концентрированный раствор поступает из генератора. Концентрированный раствор становится разбавленным, поскольку он поглощает испарившийся хладагент, в то время как тепло поглощается охлаждающей водой. Затем разбавленный раствор в абсорбере поступает в генератор через теплообменник. Горячая вода 95 ° C нагревает разбавленный раствор, и хладагент испаряется. Испаренный хладагент конденсируется и возвращается в контур хладагента.Теперь разбавленный абсорбент регенерируется и может быть переработан.

Двойной эффект с водяным приводом

Абсорбционный чиллер двойного действия с приводом от горячей воды

В абсорбционном чиллере с 2 подъемниками и горячей водой есть основной цикл и вспомогательный цикл. Охлажденная вода дважды охлаждается хладагентом из двойной тарелки в испарителе, а испарившийся хладагент абсорбируется в концентрированный раствор, поступающий из 2-го генератора. Количество пара, которое может абсорбироваться абсорбером, увеличивается за счет системы двойных тарелок.Концентрированный раствор становится разбавленным, а тепло поглощается охлаждающей водой. Разбавленный раствор в абсорбере поступает в 1-й генератор через низкотемпературный режим. теплообменник и высокая темп. теплообменник, и горячая вода 95 ° C нагревает разбавленный раствор, и хладагент испаряется. Абсорбирующий раствор становится промежуточным раствором в 1-м генераторе и перетекает во 2-й генератор при высокой температуре. теплообменник. Промежуточный раствор во 2-м генераторе нагревается горячей водой, и во 2-м генераторе испаряется больше хладагента.Пар поглощается абсорбирующим раствором во вспомогательном контуре. поглотитель стать доп. разбавленный раствор. Доп. разбавленный раствор поступает во доп. генератор через доп. теплообменник, и раствор нагревается горячей водой, поступающей от 1-го генератора, и становится доп. концентрированный раствор. Доп. концентрированный раствор подается на доп. абсорбер через доп. теплообменник. Пары хладагента, образующиеся в 1-м генераторе и доп. Генератор конденсируется в конденсаторе и затем поступает в испаритель.Тепло в конденсаторе поглощается охлаждающей водой.

Абсорбционный чиллер с прямым нагревом

Абсорбционный чиллер с прямым нагревом

Система прямого нагрева аналогична серии Single Lift Hot water, за исключением того, что вместо использования горячей воды для регенерации абсорбирующего раствора раствор нагревается непосредственно газовым пламенем для регенерации раствора и хладагента.

Абсорбционный чиллер с приводом от отработавших газов с двойным эффектом

Абсорбционный чиллер двойного действия с приводом от выхлопных газов

Вода закипает при низкой температуре примерно на 4.4˚C, потому что в испарителе вакуум. Это означает, что охлажденная вода охлаждается через трубы испарителя за счет скрытой теплоты испарения. Это снижает температуру на выходе примерно до 7oC.

Насос хладагента используется для распыления хладагента (дистиллированной воды) по трубкам испарителя для улучшения теплопередачи. Пар хладагента (воды) поступает в абсорбер и абсорбируется в растворе бромида лития. По мере продолжения этого процесса бромид лития становится разбавленным раствором и снижает его абсорбционную способность.Затем насос для раствора передает этот разбавленный раствор в генераторы, где он повторно концентрируется в две стадии (двойной эффект) для выкипания ранее абсорбированной воды. Разбавленный раствор перекачивается в высокотемпературный генератор, где он нагревается и повторно концентрируется до раствора средней концентрации за счет тепла выхлопных газов выхлопных газов поршневого двигателя. Промежуточный раствор из высокотемпературного генератора течет в низкотемпературный генератор, где он нагревается до концентрированного раствора за счет высокотемпературного водяного пара, выделяемого из раствора в высокотемпературном генераторе.Поскольку низкотемпературный генератор действует как конденсатор для высокотемпературного генератора, тепловая энергия, подаваемая в высокотемпературном генераторе, снова используется в низкотемпературном генераторе. Сниженное тепловложение составляет примерно 45% по сравнению с одноступенчатым чиллером. Пар, выделяющийся в межтрубном пространстве низкотемпературного генератора, поступает в конденсатор для охлаждения и возврата в жидкое состояние. Затем охлаждающая вода возвращается в испаритель, чтобы начать новый цикл.

Для отвода тепла от чиллера охлаждающая вода из градирни сначала циркулирует по трубкам абсорбера для отвода тепла парообразования.

Типы циклов чиллера и охлаждения

Типы чиллера

Чиллер – это машина, которая отводит тепло от жидкости посредством парокомпрессионного или абсорбционного холодильного цикла. Затем эта жидкость может циркулировать через теплообменник для охлаждения воздуха или оборудования по мере необходимости. Чиллер – это оборудование на основе компрессора, которое охлаждает и регулирует температуру жидкости, в отличие от кондиционеров, которые охлаждают воздух.

Типы чиллеров

• На основании их функционирования

1.Чиллер с воздушным охлаждением
2. Чиллер с водяным охлаждением

• На основе движущей силы холодильного оборудования

1. Чиллер с механическим компрессором
2. Абсорбционный чиллер

Чиллер с воздушным охлаждением

Чиллеры с воздушным охлаждением Поглощают тепло от технологической воды и передаются в окружающий воздух. Они в основном используются в приложениях, где выделяемое тепло не имеет значения. Им не нужны градирня и водяной насос конденсатора. Чиллеры с воздушным охлаждением требуют меньше обслуживания, чем чиллеры с водяным охлаждением.Однако они потребляют на 10% больше энергии.

Чиллер с водяным охлаждением

Тепло поглощается технологической водой и передается в отдельный источник воды, такой как река, пруд, градирня и т. Д. Чиллер с водяным охлаждением В основном используется там, где тепло, выделяемое чиллерами с воздушным охлаждением, представляет собой проблему. Из-за меньшего энергопотребления их обычно предпочитают те, кто ищет оптимальную эффективность энергопотребления. Блоки конденсации воды более эффективны, чем конденсаторы воздуха, часто работают в диапазоне 15 EER или выше (EER: коэффициент энергоэффективности или BTU в час на потребление энергии ватт).Для чиллеров с водяным охлаждением требуется источник охлаждающей воды, такой как вода из градирни, для извлечения тепла из хладагента в конденсаторе и отвода его в окружающую среду. Типичная температура конденсации в чиллере с водяным конденсатом составляет 105 ° F.

Механический компрессор Чиллер

В основе любого чиллера лежит компрессор. Компрессоры используются для повышения давления хладагента.

Классифицируются по типу компрессора:

• Поршневой
• Винтовой поворотный
• Центробежный
• Центробежный без трения.

Механический компрессор Чиллер

Поршневой

Подобно автомобильному двигателю с несколькими поршнями, коленчатый вал вращается электродвигателем, поршни сжимают газ, нагревая его при этом. Горячий газ отводится в конденсатор, а не через выхлопную трубу. Поршни имеют впускной и выпускной клапаны, которые можно открывать по запросу, чтобы позволить поршню работать на холостом ходу, что снижает производительность чиллера, поскольку уменьшается потребность в охлажденной воде.Эта разгрузка позволяет одному компрессору обеспечивать диапазон производительности, который лучше соответствует нагрузке системы. Грузоподъемность от 20 до 125 тонн.

Винтовой винт

Винтовой или спиральный компрессор имеет два сопрягаемых ротора со спиральными канавками в стационарном корпусе. Когда винтовые роторы вращаются, газ сжимается за счет прямого уменьшения объема между двумя роторами. Производительность регулируется скользящим впускным клапаном или частотно-регулируемым приводом (VSD) на двигателе.Грузоподъемность от 20 до 450 тонн.

Центробежный

л Центробежный компрессор работает так же, как центробежный водяной насос, с крыльчаткой, сжимающей хладагент. Центробежные чиллеры обеспечивают высокую охлаждающую способность при компактной конструкции. Они могут быть оснащены как входными лопатками, так и частотно-регулируемыми приводами для регулирования расхода охлажденной воды. Грузоподъемность 150 тонны и более.

Центробежный бесфрикционный

l В этой высокоэффективной конструкции используется технология магнитных подшипников.Компрессор не требует смазки и оснащен двигателем постоянного тока с регулируемой скоростью и прямым приводом для центробежного компрессора. Грузоподъемность от 60 до 300 тонн.

Абсорбционный чиллер

Цикл абсорбции использует вызванную теплом разность концентраций для перемещения паров хладагента (обычно воды) из испарителя в конденсатор. Сторона цикла с высокой концентрацией поглощает пары хладагента (которые, конечно, разбавляют этот материал). Затем тепло используется для отвода паров хладагента, тем самым снова увеличивая концентрацию.Бромид лития является наиболее распространенным абсорбентом, используемым в коммерческом холодильном оборудовании, а в качестве хладагента используется вода. В абсорбционных чиллерах меньшего размера иногда используется вода в качестве абсорбента и аммиак в качестве хладагента. Абсорбент – это материал, который используется для поддержания разницы концентраций в машине. В большинстве коммерческих абсорбционных чиллеров используется бромид лития. Бромид лития имеет очень высокое сродство к воде, относительно недорог и нетоксичен.

Абсорбционные чиллеры бывают двух типов:

Одноступенчатые (ступенчатые) агрегаты: с использованием низкого давления (20 фунтов на кв. Дюйм или меньше) в качестве движущей силы

Блоки

с двойным эффектом (2-ступенчатые): доступны как газовые (прямое сжигание газа или горячие выхлопные газы газовой турбины или двигателя) или с паровым приводом с паром высокого давления (от 40 до 140 фунтов на кв.

Типы холодильных циклов

Как работают чиллеры с воздушным охлаждением?

Промышленный чиллер с воздушным охлаждением – это холодильная система, которая охлаждает жидкости и работает в тандеме с системой обработки воздуха на предприятии. Чиллер состоит из четырех основных частей: испарителя, компрессора, конденсатора и расширительного клапана.

Чиллер с воздушным охлаждением работает за счет поглощения тепла обработанной воды. После использования воды в системе обработки воздуха она нагревается и отправляется обратно в чиллер.Тепло отводится от воды с помощью испарителя чиллера. Жидкий хладагент испаряется при движении по испарительной трубе, создавая газ низкого давления. Затем испарившийся хладагент попадает в компрессор, где газ низкого давления сжимается в газ высокого давления. Затем газ уходит в конденсаторы с воздушным охлаждением. Находясь в конденсаторе, тепло отводится от охладителя, выдуваясь наружу через вентиляторы на стороне конденсатора. Поскольку тепло выходит за пределы чиллера, рекомендуется разместить чиллер на открытом воздухе или в большом помещении, которое не будет подвержено воздействию избыточного тепла.После выхода газа из конденсатора хладагент превращается в жидкость под высоким давлением. Жидкость под высоким давлением проходит в испаритель через расширительный клапан. Во время этого процесса хладагент превращается из жидкости высокого давления в жидкость низкого давления. Поскольку промышленный чиллер работает в непрерывном цикле, эта жидкость под низким давлением затем возвращается в испаритель, где весь цикл повторяется.

Промышленные чиллеры часто используются в больших зданиях, таких как отели, закрытые торговые центры, больницы и крупные промышленные здания, а также в местах, где может быть несколько зданий, требующих охлаждения, например, в торговых центрах и тематических парках.