Термин «переохлаждение» (также называемый «недоохлаждение» ) 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 в некоторых ракетных двигателях используется переохлажденное топливо.
В холодильных системах переохлажденная жидкость является удобным состоянием, в котором хладагенты могут проходить оставшиеся стадии холодильного цикла . [1] Обычно холодильная система имеет ступень переохлаждения, позволяющую техническим специалистам быть уверенными в том, что качество, с которым хладагент достигает следующего этапа цикла , является желаемым. Переохлаждение может происходить как в теплообменниках , так и вне их. Будучи одновременно схожими и обратными процессами, переохлаждение и перегрев важны для определения стабильности и хорошего функционирования холодильной системы. [2]
Переохлаждение обычно используется для того, чтобы, когда хладагент достигает термостатического расширительного клапана, он весь находился в жидкой форме , что позволяет клапану работать должным образом. Если газ достигнет расширительного клапана, может произойти ряд нежелательных явлений. [3] Это может в конечном итоге привести к поведению, аналогичному тому, которое наблюдается при явлениях выброса газа : проблемы с регулированием масла на протяжении всего цикла; [4] чрезмерное и ненужное злоупотребление электроэнергией и растрата электроэнергии ; неисправность и износ нескольких узлов установки; нерегулярная работа общих систем, а в ненаблюдаемой ситуации выход из строя оборудования.
Еще одним важным и распространенным применением переохлаждения является его косвенное использование в процессе перегрева. Перегрев по функциональному принципу аналогичен переохлаждению, и оба процесса могут быть объединены с помощью внутреннего теплообменника. Переохлаждение здесь служит перегревом и наоборот, позволяя теплу перетекать от хладагента с более высоким давлением (жидкость) к хладагенту с меньшим давлением (газ). Это создает энергетическую эквивалентность явлений переохлаждения и перегрева при отсутствии потерь энергии . Обычно переохлаждаемая жидкость горячее, чем перегретый хладагент, что обеспечивает поток энергии в нужном направлении. Перегрев имеет решающее значение для работы компрессоров , поскольку система, при его отсутствии, может подавать в компрессор жидко-газовую смесь , что обычно приводит к разрушению газового компрессора, поскольку жидкость несжимаема. Это делает переохлаждение простым и широко распространенным источником тепла для процесса перегрева.
Происхождение процесса переохлаждения вне конденсатора (как при использовании внутреннего теплообменника) — это метод использования всей теплообменной способности конденсационного устройства . Огромная часть холодильных систем использует часть конденсатора для переохлаждения, что, хотя и очень эффективно и просто, может считаться фактором, уменьшающим номинальную производительность конденсации. Аналогичная ситуация может возникнуть при перегреве, происходящем в испарителе, поэтому внутренний теплообменник является хорошим и относительно дешевым решением для максимизации теплообменной способности .
Другое широко распространенное применение переохлаждения – это повышение и экономия . В отличие от перегрева, переохлаждение или количество тепла, отбираемого у жидкого хладагента в процессе переохлаждения, проявляется в увеличении холодопроизводительности системы. Это означает, что любой дополнительный отвод тепла после конденсации (переохлаждения) обеспечивает более высокий коэффициент поглощения тепла на дальнейших стадиях цикла . Перегрев имеет прямо противоположный эффект. Внутренний теплообменник сам по себе не способен увеличить производительность системы, поскольку повышающий эффект переохлаждения ослабевает из-за перегрева, в результате чего чистый прирост мощности становится равным нулю. Некоторые системы способны перемещать хладагент и/или отводить тепло, используя меньше энергии, поскольку они делают это с жидкостями под высоким давлением, которые позже охлаждают или переохлаждают жидкости с более низким давлением (которые труднее охладить ).
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 увеличению емкости топливных баков без увеличения веса бака. [6] В то же время снижаются потери на испарение. [ нужна цитата ]
В ракетах-носителях SpaceX Falcon 9 и Starship используется переохлаждение топлива. [6] [7] Для этого метода также используется термин «суперохлаждение» . [ нужна цитата ]
Процесс переохлаждения может происходить по-разному; следовательно, можно различать различные части, в которых происходит этот процесс. Обычно под переохлаждением понимают величину падения температуры , которую легко измерить, но можно говорить о переохлаждении с точки зрения общего отводимого тепла. Наиболее известным переохлаждением является переохлаждение конденсатора , которое обычно называют общим падением температуры, которое происходит внутри конденсатора сразу после полной конденсации жидкости, пока она не покинет конденсаторный блок.
Переохлаждение конденсатора обычно отличается от полного переохлаждения тем, что после конденсатора по всему трубопроводу хладагент может естественным образом охладиться еще больше, прежде чем он достигнет расширительного клапана, а также из-за искусственного переохлаждения . [3] Общее переохлаждение – это полное падение температуры хладагента от фактической температуры конденсации до конкретной температуры, которую он имеет при достижении расширительного клапана: это эффективное переохлаждение.
Естественным переохлаждением обычно называют падение температуры, возникающее внутри конденсатора (переохлаждение конденсатора), в сочетании с падением температуры, происходящим только через трубопровод, исключая любые теплообменники. При отсутствии механического переохлаждения ( т.е. внутреннего теплообменника) естественное переохлаждение должно равняться общему переохлаждению. [8] С другой стороны, механическое переохлаждение — это снижение температуры в результате любого искусственного процесса, который намеренно используется для создания переохлаждения. [1] Эта концепция в основном относится 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 вызывает 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 жидкость переохлаждается. .
Создаются винтовые компрессоры с экономайзером [9] , которые требуют особой технологичности производства. Эти системы способны впрыскивать хладагент, поступающий из внутреннего теплообменника, вместо основного испарителя, в последнюю часть сжимающих винтов. [ нужна цитация ] В названном теплообменнике жидкий хладагент под высоким давлением переохлаждается, что приводит к механическому переохлаждению. Также существует огромное количество систем, встраиваемых в бустерный дисплей. Это похоже на экономию, поскольку известно, что эффективность одного из компрессоров (того, который работает при более высоком давлении), выше, чем у другого (компрессоры, работающие при более низком давлении). Экономайзеры и бустерные системы обычно отличаются тем, что первые способны осуществлять один и тот же переохлаждение, используя только один компрессор, способный экономить, вторые системы должны выполнять этот процесс с помощью двух отдельных компрессоров.
Помимо наддува и экономии, возможно создание каскадных систем переохлаждения, способных переохлаждать жидкость аналогичной и отдельной системой. Эта процедура сложна и дорогостояща, поскольку предполагает использование всей системы (с компрессорами и всем оборудованием) только для переохлаждения. Тем не менее, эта идея вызвала некоторое расследование, поскольку есть некоторые предполагаемые преимущества. Кроме того, Министерство энергетики США выпустило Федеральное технологическое предупреждение, в котором переохлаждение хладагента упоминается как надежный способ повышения производительности систем и экономии энергии. [10] Создание такой системы, функционально независимой от основной системы и коммерчески возможной, подлежит изучению в связи с упомянутыми претензиями. Отделение установки переохлаждения от основного цикла (с точки зрения конструкции) не является экономически целесообразной альтернативой. Системы такого типа обычно требуют использования дорогостоящих электронных систем управления для мониторинга термодинамических условий жидкости. Недавно в Чили был разработан продукт, способный увеличить производительность системы за счет добавления механического переохлаждения к любой универсальной неспецифической холодильной системе . [11]
Принцип переохлаждения, лежащий в основе всех этих применений, заключается в том, что с точки зрения теплопередачи все переохлаждение напрямую добавляется к холодопроизводительности хладагента (поскольку перегрев будет напрямую вычтен). Поскольку компрессоры, которые переохлаждаются, работают в этих более простых условиях , более высокое давление делает их циклы хладагента более эффективными, а тепло, отбираемое таким образом, дешевле , чем тепло, отбираемое основной системой, с точки зрения энергии.
В обычной холодильной системе хладагент претерпевает фазовые изменения: из газа в жидкость и из жидкости обратно в газ. Это позволяет рассматривать и обсуждать явления перегрева и переохлаждения, главным образом потому, что газ должен быть охлажден, чтобы стать жидким, а жидкость должна быть снова нагрета, чтобы стать газом. Поскольку возможности осуществить это для всего текущего хладагента без переохлаждения или перегрева мало, в обычном парокомпрессионном охлаждении оба процесса неизбежны и возникают всегда.
С другой стороны, транскритические системы заставляют хладагент проходить через другое состояние вещества во время цикла. В частности, хладагент (обычно диоксид углерода ) не проходит обычный процесс конденсации, а вместо этого проходит через газоохладитель в сверхкритической фазе . Говорить о температуре конденсации и переохлаждении в этих условиях не совсем возможно. На эту тему существует множество реальных исследований, касающихся многоступенчатых процессов, эжекторов , расширителей и некоторых других устройств и модернизаций. Густав Лоренцен обрисовал некоторые модификации цикла, включая двухступенчатое внутреннее переохлаждение для систем такого типа. [12] Из-за особенностей этих систем к теме переохлаждения следует подходить соответствующим образом, имея в виду, что условия жидкости, выходящей из газоохладителя в сверхкритических системах, должны напрямую определяться с использованием температуры и давления. [13]
