Парокомпрессионное охлаждение или парокомпрессионная холодильная система ( VCRS ), [1] в которой хладагент претерпевает фазовые изменения , является одним из многих холодильных циклов и является наиболее широко используемым методом для кондиционирования воздуха в зданиях и автомобилях. Он также используется в бытовых и коммерческих холодильниках , крупномасштабных складах для охлажденного или замороженного хранения продуктов питания и мяса, рефрижераторных грузовиках и железнодорожных вагонах, а также во множестве других коммерческих и промышленных услуг. Нефтеперерабатывающие заводы , нефтехимические и химические перерабатывающие заводы и заводы по переработке природного газа являются одними из многих типов промышленных предприятий, которые часто используют большие парокомпрессионные холодильные системы. Каскадные холодильные системы также могут быть реализованы с использованием двух компрессоров.
Охлаждение можно определить как понижение температуры замкнутого пространства путем удаления тепла из этого пространства и передачи его в другое место. Устройство, выполняющее эту функцию, также может называться кондиционером , холодильником , воздушным тепловым насосом , геотермальным тепловым насосом или чиллером ( тепловым насосом ).
Паровая компрессия использует циркулирующий жидкий хладагент в качестве среды, которая поглощает и удаляет тепло из охлаждаемого пространства и впоследствии отводит это тепло в другое место. На рисунке 1 изображена типичная одноступенчатая система паровой компрессии. Все такие системы имеют четыре компонента: компрессор , конденсатор , дозирующее устройство или тепловой расширительный клапан (также называемый дроссельным клапаном) и испаритель. Циркулирующий хладагент поступает в компрессор в термодинамическом состоянии, известном как насыщенный пар [2] , и сжимается до более высокого давления, что также приводит к более высокой температуре. Горячий сжатый пар затем находится в термодинамическом состоянии, известном как перегретый пар, и имеет температуру и давление, при которых он может быть конденсирован либо с охлаждающей водой, либо с охлаждающим воздухом, протекающим через змеевик или трубки.
Затем перегретый пар проходит через конденсатор . Здесь тепло передается от циркулирующего хладагента внешней среде, что позволяет газообразному хладагенту охлаждаться и конденсироваться в жидкость. Отведенное тепло уносится либо водой, либо воздухом, в зависимости от типа конденсатора.
Конденсированный жидкий хладагент в термодинамическом состоянии, известном как насыщенная жидкость , затем направляется через расширительный клапан , где он подвергается резкому снижению давления. Это снижение давления приводит к адиабатическому мгновенному испарению части жидкого хладагента. Эффект самоохлаждения адиабатического мгновенного испарения снижает температуру смеси жидкости и пара хладагента до уровня, где она холоднее, чем температура замкнутого пространства, которое должно быть охлаждено.
Затем холодная смесь жидкости и пара хладагента направляется через змеевик или трубки в испарителе. Воздух в замкнутом пространстве циркулирует по змеевику или трубкам либо за счет тепловой конвекции , либо за счет вентилятора . Поскольку воздух теплее холодного жидкого хладагента, тепло передается от воздуха к хладагенту, который охлаждает воздух и нагревает хладагент, вызывая испарение , возвращая его в газообразное состояние. Пока жидкость остается в потоке хладагента, ее температура не поднимется выше точки кипения хладагента, которая зависит от давления в испарителе. Большинство систем спроектированы так, чтобы испарять весь хладагент, чтобы гарантировать, что никакая жидкость не будет возвращена в компрессор.
Для завершения цикла охлаждения пар хладагента из испарителя снова становится насыщенным паром и направляется обратно в компрессор. Со временем испаритель может собирать лед или воду из влажности окружающей среды . Лед тает в процессе размораживания . Вода из растаявшего льда или испарителя затем капает в поддон для сбора капель, и вода уносится под действием силы тяжести или конденсатным насосом.
Выбор рабочей жидкости оказывает значительное влияние на производительность холодильных циклов и, как таковой, играет ключевую роль, когда речь идет о проектировании или просто выборе идеальной машины для определенной задачи. Одним из наиболее распространенных хладагентов является « Фреон ». Фреон — это торговое название семейства галогеналкановых хладагентов, производимых DuPont и другими компаниями. Эти хладагенты широко использовались из-за их превосходной стабильности и безопасности: они не были воспламеняемыми при комнатной температуре и атмосферном давлении, и не были явно токсичными, как жидкости, которые они заменяли, такие как диоксид серы . Галогеналканы также на порядок(ы) дороже, чем горючие алканы нефтяного происхождения с аналогичной или лучшей охлаждающей способностью.
К сожалению, хлор- и фторсодержащие хладагенты достигают верхних слоев атмосферы, когда они улетучиваются. В стратосфере такие вещества, как ХФУ и ГХФУ, распадаются из-за УФ -излучения, высвобождая свободные радикалы хлора. Эти свободные радикалы хлора действуют как катализаторы при разрушении озона посредством цепных реакций. Одна молекула ХФУ может вызвать разрушение тысяч молекул озона. Это наносит серьезный ущерб озоновому слою , который защищает поверхность Земли от сильного УФ-излучения Солнца, и, как было показано, приводит к увеличению частоты рака кожи. Хлор будет оставаться активным в качестве катализатора до тех пор, пока он не свяжется с другой частицей, образуя стабильную молекулу. ХФУ-хладагенты, которые широко используются, но все реже, включают R -11 и R-12 .
Новые хладагенты, которые имеют меньший эффект разрушения озонового слоя по сравнению с ХФУ, заменили большую часть использования ХФУ. Примерами являются ГХФУ (например, R-22 , используемый в большинстве домов) и ГФУ (например, R-134a , используемый в большинстве автомобилей). ГХФУ, в свою очередь, выводятся из обращения в соответствии с Монреальским протоколом и заменяются гидрофторуглеродами (ГФУ), которые не содержат атомов хлора . Однако ХФУ, ГХФУ и ГФУ имеют очень большой потенциал глобального потепления (ПГП).
В настоящее время предметом исследований являются более безопасные хладагенты, такие как сверхкритический диоксид углерода , известный как R-744 . [3] Они имеют схожую эффективность [ требуется ссылка ] по сравнению с существующими соединениями на основе ХФУ и ГФУ и имеют на много порядков более низкий потенциал глобального потепления. Общая промышленность и руководящие органы стремятся к более дружественным по отношению к ПГП хладагентам. В промышленных условиях обычно используются аммиак , а также газы, такие как этилен , пропан , изобутан и другие углеводороды (и имеют свои собственные обычные номера Rx), в зависимости от требуемых температур и давлений. Многие из этих газов являются огнеопасными, взрывоопасными или токсичными, что делает их использование ограниченным (например, хорошо контролируемая среда квалифицированным персоналом или очень небольшое количество используемого хладагента). ГФО , которые можно считать ГФУ с некоторыми углерод-углеродными связями, являющимися двойными связями, действительно показывают обещание снизить ПГП настолько незначительно, что не вызывают дальнейшего беспокойства. В то же время для достижения требуемых свойств и эффективности при разумной стоимости и более низком ПГП используются различные смеси существующих хладагентов.
Термодинамику цикла сжатия пара можно проанализировать на диаграмме зависимости температуры от энтропии , как показано на рисунке 2. В точке 1 на диаграмме циркулирующий хладагент поступает в компрессор как насыщенный пар низкой температуры и низкого давления. От точки 1 до точки 2 пар изоэнтропически сжимается (сжимается при постоянной энтропии) и выходит из компрессора как пар высокого давления и высокой температуры.
Из точки 2 в точку 3 пар проходит через часть конденсатора, которая отводит тепло, охлаждая пар. Между точкой 3 и точкой 4 пар проходит через остальную часть конденсатора и конденсируется в высокотемпературную, высоконапорную переохлажденную жидкость. Переохлаждение — это количество явного тепла, отводимого от жидкости ниже ее максимального насыщения. Процесс конденсации происходит при практически постоянном давлении.
Между точками 4 и 5 переохлажденный жидкий хладагент проходит через расширительный клапан и резко падает в давлении. Этот процесс приводит к адиабатическому мгновенному испарению и самоохлаждению части жидкости (обычно испаряется менее половины жидкости). Адиабатический процесс мгновенного испарения является изоэнтальпическим (происходит при постоянной энтальпии ).
Между точками 5 и 1 холодный и частично испаренный хладагент проходит через змеевик или трубки испарителя, где он полностью испаряется теплым воздухом (из охлаждаемого пространства), который вентилятор циркулирует по змеевику или трубкам испарителя. Процесс испарения происходит при практически постоянной температуре. После завершения испарения температура пара начнет повышаться. Количество явного тепла, добавленного к пару выше его точки насыщения, т. е. точки кипения , называется перегревом.
Образовавшийся перегретый пар возвращается на вход компрессора в точке 1 для завершения термодинамического цикла.
Приведенное выше обсуждение основано на идеальном парокомпрессионном холодильном цикле, который не принимает во внимание такие реальные факторы, как падение давления из-за трения в системе, незначительная внутренняя необратимость при сжатии паров хладагента или неидеальное поведение газа (если таковое имеется).
Наиболее распространенными компрессорами, используемыми в холодильной технике, являются поршневые и спиральные компрессоры , но крупные охладители или промышленные циклы могут использовать ротационные винтовые или центробежные компрессоры. Каждое применение предпочитает тот или иной из-за размера, шума, эффективности и проблем с давлением. Компрессоры часто описываются как открытые, герметичные или полугерметичные, чтобы описать, как компрессор и/или двигатель расположены по отношению к сжимаемому хладагенту. Различия в типах двигателей/компрессоров могут привести к следующим конфигурациям:
Обычно в герметичных и большинстве полугерметичных компрессоров (иногда называемых доступными герметичными компрессорами) компрессор и двигатель, приводящий компрессор, интегрированы и работают в системе хладагента. Двигатель герметичен и предназначен для работы и охлаждения сжимаемым хладагентом. Очевидным недостатком герметичных компрессоров с двигателем является то, что привод двигателя не может обслуживаться на месте, и весь компрессор должен быть снят в случае отказа двигателя. Еще одним недостатком является то, что сгоревшие обмотки могут загрязнять всю холодильную систему, требуя полной откачки системы и замены хладагента.
Открытый компрессор имеет привод двигателя, который находится вне холодильной системы и обеспечивает привод компрессора посредством входного вала с подходящими сальниковыми уплотнениями. Двигатели открытого компрессора обычно охлаждаются воздухом и могут быть довольно легко заменены или отремонтированы без дегазации холодильной системы. Недостатком этого типа компрессора является выход из строя уплотнений вала, что приводит к потере хладагента.
Компрессоры с открытым двигателем, как правило, легче охлаждать (используя окружающий воздух), поэтому они, как правило, проще по конструкции и надежнее, особенно в условиях высокого давления, где температура сжатого газа может быть очень высокой. Однако использование впрыска жидкости для дополнительного охлаждения, как правило, может преодолеть эту проблему в большинстве герметичных компрессоров с двигателем.
Поршневые компрессоры представляют собой поршневые компрессоры объемного типа.
Винтовые компрессоры также являются компрессорами объемного вытеснения. Два зацепляющихся винтовых ротора вращаются в противоположных направлениях, захватывая пары хладагента и уменьшая объем хладагента вдоль роторов к точке нагнетания.
Небольшие агрегаты непрактичны из-за обратной утечки, но крупные агрегаты обладают очень высокой эффективностью и пропускной способностью.
Центробежные компрессоры — это динамические компрессоры. Эти компрессоры повышают давление хладагента, сообщая ему скорость или динамическую энергию, используя вращающееся рабочее колесо, и преобразуя ее в энергию давления.
Чиллеры с центробежными компрессорами имеют «Карту центробежного компрессора», которая показывает «линию помпажа» и «линию дросселя». При тех же номинальных значениях производительности, в более широком диапазоне рабочих условий, чиллеры с компрессором большего диаметра и меньшей скоростью имеют более широкую «Карту центробежного компрессора» и испытывают условия помпажа меньше, чем чиллеры с компрессорами меньшего диаметра, менее дорогими и более быстрыми. Компрессоры меньшего диаметра и большей скорости имеют более пологую кривую., [4] [5] [6]
По мере уменьшения расхода хладагента некоторые компрессоры изменяют зазор между рабочим колесом и улиткой, чтобы поддерживать правильную скорость и избегать условий помпажа. [7]
Спиральные компрессоры также являются компрессорами прямого вытеснения. Хладагент сжимается, когда одна спираль вращается вокруг второй неподвижной спирали, создавая все меньшие и меньшие карманы и более высокие давления. К моменту выпуска хладагента он полностью сжат.
Для смазки движущихся частей компрессора масло добавляется в хладагент во время установки или ввода в эксплуатацию. Тип масла может быть минеральным или синтетическим в зависимости от типа компрессора, а также выбирается так, чтобы не реагировать с типом хладагента и другими компонентами системы. В небольших холодильных системах масло может циркулировать по всему контуру, но необходимо позаботиться о том, чтобы спроектировать трубопроводы и компоненты таким образом, чтобы масло могло стекать обратно в компрессор под действием силы тяжести. В более крупных и распределенных системах, особенно в розничном холодильном оборудовании, масло обычно улавливается в маслоотделителе сразу после компрессора и, в свою очередь, возвращается обратно в компрессор(ы) с помощью системы управления уровнем масла. Маслоотделители не обладают 100% эффективностью, поэтому трубопроводы системы все равно должны быть спроектированы так, чтобы масло могло стекать обратно в маслоотделитель или компрессор под действием силы тяжести.
Некоторые новые компрессорные технологии используют магнитные подшипники или воздушные подшипники и не требуют смазки, например, серия центробежных компрессоров Danfoss Turbocor. Избегание необходимости масляной смазки и связанных с ней требований к конструкции и вспомогательных устройств упрощает конструкцию системы хладагента, увеличивает коэффициент теплопередачи в испарителях и конденсаторах, устраняет риск загрязнения хладагента маслом и снижает требования к техническому обслуживанию. [8]
В простых коммерческих холодильных системах компрессор обычно управляется простым реле давления, а расширение осуществляется капиллярной трубкой или терморегулирующим вентилем . В более сложных системах, включающих многокомпрессорные установки, обычно используется электронное управление с регулируемыми уставками для управления давлением, при котором компрессоры включаются и выключаются, и регулированием температуры с помощью электронных терморегулирующих вентилей.
В дополнение к средствам оперативного управления обычно используются отдельные реле высокого и низкого давления для обеспечения вторичной защиты компрессоров и других компонентов системы от работы за пределами безопасных параметров.
В более совершенных электронных системах управления использование плавающего давления нагнетания и упреждающих процедур управления давлением всасывания позволяет регулировать работу компрессора для точного удовлетворения различных потребностей в охлаждении при одновременном снижении потребления энергии.
Принципиальная схема одноступенчатой холодильной системы, представленная на рисунке 1, не включает в себя другие элементы оборудования, которые были бы предусмотрены в крупной коммерческой или промышленной парокомпрессионной холодильной системе, такие как:
В большинстве стран мира мощность охлаждения холодильных систем измеряется в ваттах . Обычные бытовые кондиционеры имеют мощность от 3,5 до 18 киловатт . В некоторых странах она измеряется в « тоннах охлаждения », при этом обычные бытовые кондиционеры имеют мощность от 1 до 5 тонн охлаждения.
Во многих системах по-прежнему используются хладагенты ГХФУ , которые способствуют истощению озонового слоя Земли . В странах, присоединившихся к Монреальскому протоколу , ГХФУ должны быть выведены из обращения и в значительной степени заменены на озонобезопасные ГФУ . Однако системы, использующие хладагенты ГХФУ, как правило, немного менее эффективны, чем системы, использующие ГХФУ. ГФУ также имеют чрезвычайно большой потенциал глобального потепления , поскольку они остаются в атмосфере в течение многих лет и удерживают тепло более эффективно, чем углекислый газ .
С учетом того, что окончательный отказ от ГХФУ уже неизбежен, альтернативные негалогеналкановые хладагенты набирают популярность. В частности, когда-то заброшенные хладагенты, такие как углеводороды ( например, бутан ) и CO2, возвращаются в более широкое использование. Например, торговые автоматы Coca-Cola на чемпионате мира по футболу FIFA 2006 в Германии использовали охлаждение с использованием CO2 . [ 11] Аммиак (NH3 ) является одним из старейших хладагентов с превосходной производительностью и, по сути, без проблем с загрязнением. Однако у аммиака есть два недостатка: он токсичен и несовместим с медными трубками. [12]
В 1805 году американский изобретатель Оливер Эванс описал замкнутый цикл охлаждения паром с компрессией для производства льда с помощью эфира в условиях вакуума. Тепло будет удаляться из окружающей среды путем рециркуляции испаренного хладагента, где он будет проходить через компрессор и конденсатор и в конечном итоге вернется в жидкую форму, чтобы повторить процесс охлаждения снова. Однако Эванс не построил ни одного такого холодильного агрегата. [13]
В 1834 году американский эмигрант в Великобританию Джейкоб Перкинс построил первую в мире рабочую парокомпрессионную холодильную систему. [14] Это был замкнутый цикл, который мог работать непрерывно, как он описал в своем патенте:
Его прототип системы работал, хотя и не имел коммерческого успеха. [15]
Аналогичная попытка была предпринята в 1842 году американским врачом Джоном Горри [16] , который построил рабочий прототип, но он потерпел коммерческую неудачу. Американский инженер Александр Твининг получил британский патент в 1850 году на систему компрессии пара, которая использовала эфир.
Первая практическая система охлаждения с компрессией пара была построена Джеймсом Харрисоном , британским журналистом, эмигрировавшим в Австралию . [17] Его патент 1856 года был на систему сжатия пара с использованием эфира, спирта или аммиака. Он построил механическую машину для производства льда в 1851 году на берегу реки Барвон в Роки-Пойнт в Джилонге , штат Виктория , а его первая коммерческая машина для производства льда появилась в 1854 году. Харрисон также внедрил коммерческое охлаждение с компрессией пара на пивоваренных заводах и мясокомбинатах, и к 1861 году дюжина его систем работала в Австралии и Англии.
Первая система газового абсорбционного охлаждения, использующая газообразный аммиак, растворенный в воде (называемый «водным аммиаком»), была разработана Фердинандом Карре из Франции в 1859 году и запатентована в 1860 году. Карл фон Линде , профессор инженерного дела в Мюнхенском технологическом университете в Германии, запатентовал усовершенствованный метод сжижения газов в 1876 году. Его новый процесс сделал возможным использование таких газов, как аммиак , диоксид серы SO2 и метилхлорид ( CH3Cl ) , в качестве хладагентов, и они широко применялись для этой цели до конца 1920-х годов.