Главная функция кондиционера - охлаждение воздуха
Основные функции кондиционера - это охлаждение и обогрев воздуха, уже находящегося внутри помещения. Это означает, что кондиционер в общем случае не производит притока свежего воздуха с улицы или вытяжки воздуха из помещения. Для задач вытяжки и притока служит вентиляционное оборудование. Охлаждение воздуха в кондиционерах происходит при помощи компрессионного цикла охлаждения.
Температура кипения
Температура кипения жидкости зависит от давления окружающей среды. Чем ниже это давление, тем ниже температура кипения. Например, общеизвестно, что вода закипает при температуре 100С. Но это происходит лишь при нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст.). При повышении давления температура кипения возрастет, а при его понижении (например, высоко в горах) вода закипит при температуре гораздо ниже 100С. В среднем, при изменении давления на 27 мм .рт. ст. температура кипения изменится на 1С. Различные жидкости кипят при разных температурах даже при одинаковом внешнем давлении.
Например, жидкий азот кипит при температуре около -77;С, а фреон R-22, который применяется в холодильной технике - при температуре -40.8С (при нормальном атмосферном давлении).
Теплота парообразования
При испарении жидкости теплота поглощается из окружающей среды. При конденсации пара тепло, напротив, выделяется. Теплота парообразования жидкостей очень велика.
Например, энергия, нужная для испарения 1 г воды при температуре 100С (539 калорий/г), значительно больше энергии, необходимой для нагревания этой воды от 0;С до 100С (100 калорий/г)!
Если жидкий фреон поместить в открытый сосуд (с атмосферным давлением и комнатной температурой), то он сразу же вскипит, поглощая при этом большое количество теплоты из окружающей среды. Это явление и используется в холодильной машине. Только в ней фреон превращается в пар в специальном отделении - испарителе. Трубки испарителя обдуваются потоком воздуха. Кипящий фреон поглощает тепло из этого воздушного потока, охлаждая его. Но в холодильной машине невозможно только испарять фреон, поглощая тепло. Ведь тогда в ней образуется большое количество паров и потребуется подводить все новый и новый жидкий фреон постоянно. Поэтому в холодильной машине производится и обратный процесс конденсации - превращения из пара в жидкость. При конденсации любой жидкости выделяется теплота, которая поступает затем в окружающую среду. Температура конденсации, как и температура кипения, зависит от внешнего давления. При повышенном давлении конденсация может происходить при весьма высоких температурах.
К примеру, фреон R-22 начинает конденсироваться при +55С, если находится под давлением 23 атмосферы (около 17,5 тыс. мм рт. ст.).
Холодильная машина
В холодильной машине фреон конденсируется в специальном отделении - конденсаторе. Тепло, выделившееся при конденсации, удаляется потоком охлаждающей жидкости или воздуха. Поскольку холодильная машина должна работать непрерывно, то в испаритель должен постоянно поступать жидкий фреон, а в конденсатор - его пары. Этот процесс - циклический, ограниченное количество фреона циркулирует по холодильной машине, испаряясь и конденсируясь.
 Энтальпия хладагента
Происходящий в холодильной машине цикл охлаждения удобно изображать графически. На диаграмме показано соотношение давления и теплосодержания (энтальпии) хладагента.
Энтальпия - это функция состояния, приращение которой при процессе с постоянным давлением равно теплоте, полученной системой.
На диаграмме показана кривая насыщения хладагента
- Левая ветвь кривой соответствует насыщенной жидкости
- Правая часть соответствует насыщенному пару.
- В критической точке ветви кривой соединяются, и вещество может находиться и в жидком, и в газообразном состоянии.
- Внутри кривой - зона, соответствующая смеси пара и жидкости.
- Слева от кривой (в области меньшей энтальпии) - переохлажденная жидкость.
- Справа от кривой (в области большей энтальпии) - перегретый пар.
Теоретический цикл охлаждения несколько отличается от реального. В действительности происходят потери давления на разных этапах перекачки хладагента, снижающие эффективность охлаждения. Это не учитывается в идеальном цикле
Теоретический цикл охлаждения
В компрессоре
Холодный насыщенный пар хладагента поступает в компрессор холодильной машины (точка С1). В процессе сжатия его давление и температура повышаются (точка D). Энтальпия тоже повышается на величину, равную проекции линии С1-D. На схеме это отрезок НС1-НD.
Конденсация
В конце цикла сжатия хладагента горячий пар попадает в конденсатор. Здесь при постоянных температуре и давлении происходит конденсация, и горячий пар превращается в горячую жидкость. Хотя температура практически постоянна, энтальпия уменьшается при фазовом переходе, а выделившееся тепло отводится от конденсатора. Этот процесс отображается на диаграмме в виде отрезка, параллельного горизонтальной оси (давление постоянно). Процесс в конденсаторе холодильной машины происходит в три этапа: снятие перегрева (D-Е), конденсация (Е-А) и переохлаждение жидкости (А-А1). Участок диаграммы D-А1 соответствует изменению энтальпии хладагента в конденсаторе и показывает, какое количество тепла выделяется в ходе данного процесса.
- Снятие перегрева. В этом процессе температура пара снижается до температуры насыщения. Излишнее тепло отводится, но изменения агрегатного состояния не происходит. На этом этапе снимается около 10 - 20% тепла.
- Конденсация. На этом этапе происходит изменение агрегатного состояния хладагента. Температура при этом остается постоянной. На этом этапе снимается около 60 - 80% тепла.
- Переохлаждение жидкости. В этом процессе жидкий хладагент охлаждается, при этом получается переохлажденная жидкость. Агрегатное состояние не изменяется. Переохлаждение жидкости на этом этапе позволяет повысить производительность холодильной машины. При постоянном уровне энергопотребления понижение температуры на 1 градус повышает производительность холодильной машины на 1%.
Регулятор потока
Переохлажденная жидкость с параметрами точки А2 поступает на регулятор холодильной машины. Он представляет собой капиллярную трубку или терморегулирующий расширительный клапан. В регуляторе происходит резкое снижение давления. Непосредственно за регулятором начинается кипение хладагента. Параметры получившейся смеси пара и жидкости соответствуют точке В.
В испарителе
Смесь пара и жидкости (точка В) попадает в испаритель холодильной машины, где поглощает тепло от окружающей среды и полностью переходит в пар (точка С1). Этот процесс происходит при постоянной температуре, но энтальпия при этом увеличивается. На выходе испарителя парообразный хладагент немного перегревается (отрезок С1-С2), чтобы капли жидкости испарились полностью. Для этого приходится увеличивать площадь теплообменной поверхности испарителя (на 4-6% на каждый градус перегрева). Обычно перегрев составляет 5-8 градусов, и увеличение площади теплообмена достигает 20%. В испарителе холодильной машины энтальпия хладагента изменяется на величину НВ-НС2, равную проекции кривой испарения на горизонтальную ось.
 Реальный цикл охлаждения
Реальный цикл охлаждения имеет некоторые отличия от идеального. Это происходит за счет потерь давления, возникающих на линии всасывания и нагнетания холодильной машины, а также в клапанах компрессора. Поэтому отображение реального цикла на диаграмме связи давления и энтальпии несколько иное. Из-за потерь давления на входе в компрессор всасывание должно проходить при давлении, которое ниже давления испарения (отрезок C1-L). Кроме того, из-за потерь давления на выходе компрессору приходится сжимать пар хладагента до давления, которое выше давления конденсации (M-D1). Таким образом, работа сжатия увеличивается. Такая компенсация потерь давления в реальной холодильной машине снижает эффективность цикла. Кроме потерь давления в трубопроводе, есть и другие отклонения от идеального цикла. Во-первых, реальное сжатие хладагента в компрессоре не может быть строго адиабатическим (без подвода и отвода тепла). Поэтому работа сжатия оказывается выше теоретически рассчитанной. Во-вторых, в компрессоре холодильной машины имеются механические потери энергии, что приводит к увеличению необходимой мощности электродвигателя.
Эффективность цикла охлаждения холодильной машины
Отображение на диаграмме:
C1-L - потеря давления при всасывании
M-D1 - потеря давления при выходе
HD-HC1 - теоретическое изменение энтальпии (теплосодержания) при сжатии
HD1-HC1 - реальное изменение энтальпии (теплосодержания) при сжатии
C1D - теоретическое сжатие
LM - реальное сжатие Для выбора лучшего из циклов охлаждения необходимо оценивать их эффективность. Обычно показателем эффективности цикла холодильной машины служит КПД или коэффициент термической (термодинамической) эффективности. Коэффициент термической эффективности - это:
- отношение изменения энтальпии хладагента в испарителе (НС-НВ) к изменению энтальпии в процессе сжатия (HD-HC).
- или: соотношение мощности охлаждения и электрической мощности, которую потребляет компрессор холодильной машины.
Например, если коэффициент термической эффективности какой-либо холодильной машины равен 2, то на каждый кВт потребляемой электроэнергии эта машина производит 2 кВт холода. |
