Термин переохлаждение (также называемый недоохлаждением ) относится к жидкости, существующей при температуре ниже ее нормальной точки кипения . Например, вода кипит при 373 К; при комнатной температуре (293 К) жидкая вода называется «переохлажденной». Переохлажденные жидкости часто используются в холодильных циклах, циклах паровых турбин, а некоторые ракетные двигатели используют переохлажденное топливо.
В холодильных системах переохлажденная жидкость является удобным состоянием, в котором хладагенты могут проходить оставшиеся этапы цикла охлаждения . [1] Обычно холодильная система имеет этап переохлаждения, позволяющий техническим специалистам быть уверенными в том, что качество, в котором хладагент достигает следующего этапа цикла , является желаемым. Переохлаждение может происходить в теплообменниках и вне их. Будучи как подобными, так и обратными процессами, переохлаждение и перегрев важны для определения стабильности и надлежащего функционирования холодильной системы. [2]
Переохлаждение обычно используется для того, чтобы, когда хладагент достигал термостатического расширительного клапана, весь он находился в жидкой форме , что позволяло клапану работать должным образом. Если газ достигает расширительного клапана, может возникнуть ряд нежелательных явлений. [3] Это может привести к поведению, аналогичному наблюдаемому при явлениях вспышки газа : проблемы с регулированием масла на протяжении всего цикла; [4] чрезмерное и ненужное нецелевое использование мощности и пустая трата электроэнергии ; неисправность и износ нескольких компонентов в установке; нерегулярная работа всех систем и, в неконтролируемой ситуации, разрушение оборудования.
Другим важным и распространенным применением переохлаждения является его косвенное использование в процессе перегрева. Перегрев аналогичен переохлаждению в оперативном смысле, и оба процесса могут быть связаны с использованием внутреннего теплообменника. Переохлаждение здесь служит само по себе перегревом и наоборот, позволяя теплу течь от хладагента с более высоким давлением (жидкость) к хладагенту с более низким давлением (газ). Это создает энергетическую эквивалентность между явлениями переохлаждения и перегрева, когда нет потерь энергии . Обычно переохлаждаемая жидкость горячее перегреваемого хладагента, что обеспечивает поток энергии в нужном направлении. Перегрев имеет решающее значение для работы компрессоров, поскольку система, в которой он отсутствует, может поставлять компрессору смесь жидкости и газа , что обычно приводит к разрушению газового компрессора, поскольку жидкость несжимаема. Это делает переохлаждение простым и распространенным источником тепла для процесса перегрева.
Разрешение процессу переохлаждения происходить вне конденсатора (как в случае внутреннего теплообменника) является методом использования всей теплообменной мощности конденсирующего устройства . Огромная часть холодильных систем использует часть конденсатора для переохлаждения, что, хотя и очень эффективно и просто, может считаться фактором, уменьшающим номинальную конденсационную мощность. Подобная ситуация может быть обнаружена при перегреве, происходящем в испарителе, поэтому внутренний теплообменник является хорошим и относительно дешевым решением для максимизации теплообменной мощности .
Другим распространенным применением переохлаждения является повышение производительности и экономия . В противоположность перегреву, переохлаждение или количество тепла, отводимое от жидкого хладагента в процессе переохлаждения, проявляется как увеличение холодопроизводительности системы. Это означает, что любой дополнительный отвод тепла после конденсации (переохлаждение) обеспечивает более высокий коэффициент поглощения тепла на последующих этапах цикла . Перегрев имеет ровно обратный эффект. Один внутренний теплообменник не способен увеличить производительность системы, поскольку повышающий эффект переохлаждения затуманивается перегревом, делая чистый прирост производительности равным нулю. Некоторые системы способны перемещать хладагент и/или отводить тепло, используя меньше энергии , поскольку они делают это с жидкостями высокого давления, которые позже охлаждаются или переохлаждают жидкости более низкого давления (которые труднее охлаждать ).
В космических полетах этот термин относится к криогенному топливу или окислителям, которые охлаждаются значительно ниже точки кипения (но не ниже точки плавления ). [5] Это приводит к более высокой плотности топлива и, следовательно, к более высокой емкости топливных баков без увеличения веса бака. [6] В то же время уменьшаются потери на испарение. [ необходима цитата ]
Ракеты-носители Falcon 9 и Starship компании SpaceX используют переохлаждение для топлива. [6] [7] Термин «суперохлаждение» также используется для обозначения этой технологии. [ необходима ссылка ]
Процесс переохлаждения может происходить многими различными способами; поэтому можно различать различные части, в которых происходит этот процесс. Обычно переохлаждение относится к величине падения температуры , которую легко измерить, но можно говорить о переохлаждении с точки зрения общего отводимого тепла. Наиболее известным переохлаждением является переохлаждение конденсатора , которое обычно известно как общее падение температуры, которое происходит внутри конденсатора, сразу после того, как жидкость полностью сконденсировалась, до тех пор, пока она не покинет конденсационный блок.
Переохлаждение конденсатора отличается от полного переохлаждения обычно тем, что после конденсатора, по всему трубопроводу, хладагент может естественным образом охлаждаться еще больше, прежде чем он достигнет регулирующего клапана, но также и из-за искусственного переохлаждения . [3] Полное переохлаждение — это полное падение температуры, которому подвергается хладагент от его фактической температуры конденсации до конкретной температуры, которую он имеет при достижении регулирующего клапана: это эффективное переохлаждение.
Естественное переохлаждение — это название, которое обычно дается падению температуры, возникающему внутри конденсатора (переохлаждение конденсатора), в сочетании с падением температуры, происходящим только через трубопровод, без учета каких-либо теплообменников любого типа. Когда нет механического переохлаждения ( т. е. внутреннего теплообменника), естественное переохлаждение должно равняться общему переохлаждению. [8] С другой стороны, механическое переохлаждение — это температура, сниженная любым искусственным процессом, который намеренно используется для создания переохлаждения. [1] Это понятие относится в основном к таким устройствам, как внутренние теплообменники, независимые каскады переохлаждения, экономайзеры или бустеры.
Явление переохлаждения тесно связано с эффективностью холодильных систем. Это привело к большому количеству исследований в этой области. Наибольший интерес представляет тот факт, что некоторые системы работают в лучших условиях, чем другие, из-за лучшего (более высокого) рабочего давления, а компрессоры, входящие в контур переохлаждения, обычно более эффективны, чем компрессоры, в которых переохлаждается жидкость.
Строятся винтовые компрессоры с экономайзером [9], которые требуют особой производственной тонкости. Эти системы способны впрыскивать хладагент, который поступает из внутреннего теплообменника вместо основного испарителя, в последнюю часть компрессионных винтов. [ требуется ссылка ] В названном теплообменнике жидкий хладагент под высоким давлением переохлаждается, что приводит к механическому переохлаждению. Существует также огромное количество систем, построенных в бустерном исполнении. Это похоже на экономию, поскольку известно, что эффективность компрессора одного из компрессоров (того, который работает при более высоком давлении) лучше, чем другого (компрессоров, работающих при более низком давлении). Экономайзеры и бустерные системы обычно отличаются тем, что первые способны выполнять то же самое переохлаждение, используя только один компрессор, способный экономить, вторые системы должны выполнять процесс с двумя отдельными компрессорами.
Помимо повышения и экономии, можно производить каскадные системы переохлаждения, способные переохлаждать жидкость с помощью аналогичной и отдельной системы. Эта процедура сложна и затратна, поскольку она подразумевает использование полной системы (с компрессорами и всем оборудованием) только для переохлаждения. Тем не менее, эта идея вызвала некоторые исследования, поскольку есть некоторые предполагаемые преимущества. Кроме того, Министерство энергетики США выпустило Федеральное технологическое оповещение, в котором упоминается переохлаждение хладагента как надежный способ улучшения производительности систем и экономии энергии. [10] Создание такого типа системы, операционно независимой от основной системы и коммерчески возможной, является предметом изучения в связи с упомянутыми утверждениями. Отделение блока переохлаждения от основного цикла (с точки зрения конструкции) не известно как экономически жизнеспособная альтернатива. Этот тип системы обычно требует использования дорогих электронных систем управления для контроля термодинамических условий жидкости. Недавно в Чили был разработан продукт, способный увеличить производительность системы путем добавления механического переохлаждения к любой общей неспецифической системе охлаждения . [11]
Принцип переохлаждения, лежащий в основе всех этих применений, заключается в том, что с точки зрения теплопередачи все переохлаждение напрямую добавляется к охлаждающей способности хладагента (поскольку перегрев будет напрямую вычтен). Поскольку компрессоры, которые переохлаждают, работают в этих более легких условиях , более высокое давление делает их холодильные циклы более эффективными, а тепло, отводимое таким образом, более дешевым, чем то, которое отводится основной системой, с точки зрения энергии.
В обычной системе охлаждения хладагент претерпевает фазовые изменения из газа в жидкость и из жидкости обратно в газ. Это позволяет рассматривать и обсуждать явления перегрева и недоохлаждения, в основном потому, что газ должен быть охлажден, чтобы стать жидкостью, а жидкость должна быть нагрета обратно, чтобы стать газом. Поскольку мало возможностей завершить это для всего потока хладагента без недоохлаждения или перегрева, в обычном парокомпрессионном охлаждении оба процесса неизбежны и всегда возникают.
С другой стороны, транскритические системы заставляют хладагент проходить через другое состояние вещества во время цикла. В частности, хладагент (обычно диоксид углерода ) не проходит через обычный процесс конденсации, а вместо этого проходит через газоохладитель в сверхкритической фазе . Говорить о температуре конденсации и переохлаждении в этих условиях не совсем возможно. Существует много фактических исследований по этой теме, касающихся многоступенчатых процессов, эжекторов , детандеров и нескольких других устройств и усовершенствований. Густав Лоренцен обрисовал некоторые модификации цикла, включая двухступенчатое внутреннее переохлаждение для таких систем. [12] Из-за особой природы этих систем тема переохлаждения должна рассматриваться соответствующим образом, имея в виду, что условия жидкости, которая покидает газоохладитель в сверхкритических системах, должны быть напрямую указаны с использованием температуры и давления. [13]
