Введение в охлаждение

Холодильные системы распространены повсеместно, и они оказывают огромное влияние на нашу повседневную жизнь. Каждый раз, когда вы храните продукты в холодильнике или морозильной камере или включаете кондиционер, вы используете холодильные системы. По сути, задача этих систем состоит в том, чтобы отбирать тепло из холодного резервуара и откладывать его в теплом резервуаре, против естественного направления теплового потока. Доминирующей технологией, используемой для достижения этой цели, является цикл сжатия пара. В этом видео будет показано, как работает цикл сжатия пара, а затем продемонстрируется, как он используется в простой холодильной системе с ручным насосом. В конце будет рассмотрено несколько дополнительных приложений.

Цикл сжатия пара — это термодинамический цикл, выполняемый на рабочей жидкости или хладагенте таким образом, что тепло будет поступать в хладагент из холодного резервуара и из хладагента в горячий резервуар. Для этого необходима механическая циркуляция хладагента, а также скоординированные переходы его термодинамического состояния. В этом цикле используется паровой купол, область фазового пространства хладагента, которую можно увидеть на диаграммах энтропии температуры и энтальпии давления. На этих диаграммах левая область обозначает жидкую фазу, которая частично ограничена линией насыщенной жидкости, а правая область указывает на паровую фазу, которая аналогичным образом ограничена линией насыщенного пара. Линии насыщения сходятся в критической точке, выше которой жидкость находится в сверхкритическом состоянии. Между линиями насыщения жидкость является двухфазной, а температура является функцией давления, как показано изотермами на диаграмме энтальпии давления. В этой области температура и давление не могут изменяться независимо друг от друга, поэтому каждое значение давления определяет температуру. Таким образом, температуру двухфазной смеси можно регулировать, изменяя давление. Имея это в виду, давайте рассмотрим цикл сжатия пара. Для иллюстрации предположим, что R-134a является хладагентом и имеет массовый расход 0,01 кг в секунду. Цикл состоит из четырех стадий: сжатие, конденсация, расширение и испарение. Каждый из них описывает переход между ключевыми точками пребывания хладагента. Во время сжатия пары низкого давления поступают в компрессор, а рабочий вход в компрессор используется для создания давления в хладагенте. После выхода из компрессора пар высокого давления поступает в конденсатор, где тепло отводится в окружающий горячий резервуар, поскольку хладагент конденсируется изобарически. Хладагент высокого давления теперь находится в жидкой фазе, затем протекает через дросселирующее расширительное устройство. Жидкость изоэнтропийно расширяется при прохождении через нее, а при падении давления переходит в двухфазное состояние и падает до более низкой температуры. На последнем этапе низкотемпературный хладагент поступает в испаритель и поглощает тепло из холодного резервуара. Это приводит к изобарическому испарению при прохождении хладагента. Цикл завершается, когда пары хладагента низкого давления возвращаются в компрессор. В этом примере холодопроизводительность испарителя составляет 1,67 киловатта, а потребляемая мощность компрессора составляет 0,31 киловатта, таким образом, коэффициент полезного действия, или КПД системы, составляет 5,4. Теперь, когда вы понимаете, как работает цикл, давайте построим и проанализируем простой холодильник, чтобы продемонстрировать эти принципы в действии.

Осторожно, в этом эксперименте участвуют системы с повышенным давлением и использованием хладагентов, которые могут быть опасными при высоких концентрациях. Всегда соблюдайте разумные меры предосторожности и носите соответствующие средства индивидуальной защиты. Обеспечьте достаточную вентиляцию при работе с хладагентами. Начните строительство системы холодильника с паровым компрессором. Установите клапан Шредера на одно отверстие пневматического цилиндра двойного действия, а затем подсоедините тройник фитинга к другому порту. Прикрепите обратные клапаны к двум оставшимся портам тройника так, чтобы одно из них было направлено внутрь, а другое — наружу. Такая конфигурация позволит хладагенту всасывать его из испарителя и выталкивать в конденсатор под высоким давлением. Компрессор будет приводиться в действие модифицированным велосипедным напольным насосом высокого давления. Снимите компонент обратного клапана с резиновыми шариками с сантехники велосипедного насоса. Это позволит компрессору расширяться и всасывать хладагент между тактами откачки. Установите тройники для фитингов с манометрами с обеих сторон компрессора, чтобы можно было контролировать давление на входе и выходе. Фитинги тройника соединяются через обратные клапаны, которые пропускают поток только в одном направлении. Когда поршень выдвинут, левый обратный клапан обеспечивает приток от испарителя низкого давления к объему компрессора. Когда поршень нажат, пар создается под давлением и нагнетается через правый обратный клапан в конденсатор высокого давления. При циклическом движении поршня непрерывный поток пара низкого давления может всасываться из испарителя и подаваться в конденсатор под высоким давлением. Следующим этапом системы является конденсатор, который мы будем изготавливать из алюминиевой трубки. Сформируйте трубку в катушку, обернув ее вокруг жесткого резинового сердечника диаметром 2,5 сантиметра на четыре оборота, а затем с помощью компрессионного фитинга прикрепите один конец к открытому отверстию тройника, расположенному ниже компрессора. Обязательно установите и затяните фитинги в соответствии с рекомендациями производителя. Далее установите короткий отрезок прозрачной трубы из ПВХ между двумя коленами редукционной трубы. Он будет действовать как резервуар для хладагента высокого давления, соединенный с выходным отверстием трубки конденсатора с помощью другого компрессионного фитинга. Следующий этап – расширитель, но это еще и удобное место для добавления зарядного порта для заправки и слива хладагента. Сконструируйте зарядный порт, объединив соединитель факельного фитинга A.N.S.A.E. с шаровым краном и еще одним тройником. Подсоедините игольчатый клапан к одной стороне тройника трубы для расширительного устройства. Наконец, используйте еще одну секцию алюминиевой трубки, чтобы подсоединить третье отверстие тройника к нижней точке резервуара. Единственная оставшаяся секция – это испаритель. Сформируйте второй змеевик из алюминиевой трубки, используя ту же технику, что и раньше, и соедините его между выходом игольчатого клапана и входом компрессора, чтобы завершить контур охлаждения. Теперь, когда система собрана, заполните ее сжатым воздухом через зарядный порт, чтобы проверить наличие утечек. Используйте распылитель мыльной воды, чтобы выявить любые негерметичные соединения и при необходимости произвести ремонт. Наконец, подключите термопары к змеевикам конденсатора и испарителя для измерения температуры. Теперь вы готовы к зарядке и работе холодильника.

Зарядка состоит из двух этапов. Сначала из системы откачивается воздух, а затем добавляется хладагент. Подсоедините средний порт заправочного коллектора хладагента к зарядному порту на холодильнике. Затем подключите вакуумный насос к порту низкого давления коллектора, а баллончик с хладагентом к порту высокого давления. Закройте все клапаны и включите вакуумный насос. Постепенно открывайте все системные клапаны, чтобы выпустить воздух из системы. После того, как воздух будет удален из системы, кратковременно откройте клапан канистры хладагента, чтобы удалить воздух из трубопровода хладагента, а затем снова закройте его. Теперь, когда весь воздух откачался, изолируйте вакуумный насос, закрыв порт низкого давления на коллекторе заправки хладагента. Переверните канистру с хладагентом и впрыскивайте жидкий хладагент в систему до тех пор, пока уровень в резервуаре высокого давления не станет немного выше уровня игольчатого клапана. Последний шаг — отрегулировать игольчатый клапан до тех пор, пока он едва откроется, а затем подсоединить шланг велосипедного насоса к клапану Шредера на компрессоре. Управляйте холодильником, накачивая велосипедный насос по мере того, как вы это делаете, отслеживайте высокое и низкое боковое давление, а также температуру испарителя и конденсатора. При достижении устойчивых условий запишите эти значения давления и температуры. Если манометры показывают манометрическое давление, то есть давление относительно атмосферы, то преобразуйте показания в абсолютное давление, добавив к показаниям одну атмосферу.

Взгляните на результаты работы вашего холодильника. Во-первых, сравните измеренные температуры с соответствующими температурами насыщения хладагента при измеренных низких и высоких давлениях. В этом случае измерения точно совпадают. Расхождение температуры испарителя может быть связано с передачей тепла от окружающего воздуха к наружной поверхности термопары. Температура конденсатора соответствует экспериментальному допуску, но она также может оказаться выше, чем ожидалось, если термопара расположена слишком близко к перегретой части конденсатора. Завершите анализ, указав точки состояния и приближенные соединительные кривые на диаграммах энтропии температуры и энтальпии давления. Вы можете видеть, что простая система обеспечивает ограниченную производительность при низкой холодопроизводительности и малой подъемной силе по сравнению с коммерческими системами. Поскольку большая часть входной работы расходуется на сжатие воздуха в велосипедном насосе, производительность может быть улучшена с помощью хладагента более низкого давления. Кроме того, было бы полезно использовать расширительный клапан, который может поддерживать большую разницу давлений. В большинстве коммерческих систем используется расширительный клапан с регулируемой температурой, который динамически регулирует свое открытие для поддержания желаемой температуры испарителя. Теперь, когда мы проанализировали основной процесс, давайте рассмотрим некоторые другие типичные приложения.

Цикл сжатия пара является доминирующей технологией охлаждения, используемой во многих устройствах общего пользования. Терморегулирование в электронике становится все более важным, поскольку размер компонентов неуклонно уменьшается, а требования к мощности и скорости растут. Охлаждение суперкомпьютеров и другой мощной электроники с помощью цикла сжатия пара, имеет множество преимуществ перед другими технологиями. Цикл сжатия пара также может использоваться в качестве теплового насоса. В этом режиме тепло поступает в испаритель из среды с низкой температурой, а затем доставляется в более теплое кондиционированное помещение. Это может быть эффективным режимом нагрева по сравнению с нагревом с прямым сопротивлением, потому что большая часть подаваемого тепла поступает из окружающей среды, и только небольшая часть подается в компрессор в качестве механической работы.

Вы только что посмотрели представление Юпитера о холодильных системах и парозащитных куполах. Теперь вы должны понять, как реализуется цикл сжатия пара в холодильных системах и как анализировать производительность с помощью диаграмм энтропии температуры и энтальпии давления. Спасибо за просмотр.