Холодильные установки и тепловые насосы: устройство и цикл

В нашей жизни холодильные установки есть повсюду: дома, на даче, работе и других местах, можно даже заметить их с улицы. В настоящее время каждый человек стремится жить в комфортных для него условиях, работать в оптимальных условиях: использовать системы охлаждения в летний период, и наоборот в осенний период хочет обогреваться с помощью системы кондиционирования (до подачи тепла в помещения). Холодильные установки помогают сохранять продукты питания свежими, а часть лекарственных средств хранятся только в холодном месте. Сейчас все больше людей предпочитают ездить на машинах, где установлена система кондиционирования.

В статье рассмотрим тепловые насосы, без которых в современном мире никак не обойтись в зимний период. Можно, конечно, взять дрова и прогревать дом старым, рабочим методом, но время идет, технологический прогресс не стоит на месте, и пора внедрять что-то новое.

Назначение холодильных установок

Холодильные установки находятся у вас сейчас дома, первым и самым главным будет бытовой холодильник.

Вторым же мы рассмотрим также популярную установку, которая есть не в каждой квартире, но многие бы хотели её себе. Ведь когда приходит лето, начинается сильная жара, хочется укрыться от этого в холодном местечке. В этом нам помогает кондиционер.

Как работают и для каких целей нам нужны вышеуказанные агрегаты и приборы. К примеру, холодильные установки охлаждают какие – либо тела, предметы до температуры ниже окружающей среды. Но, каким же образом они это делают? Охлаждение происходит при поглощении тепла в процессе кипения жидкости. У каждой жидкости температура кипения отличается друг от друга и зависит от давления. Таким образом, при повышении давления, растет и температура кипения. Выделим такие жидкости, как:

• Вода +100°С
• Этиловый спирт +78°С
• Жидкий азот -174°С

Практически, правило работы холодильника строится в превращении хладагента (вещество, которое способствует охлаждению) циркулирующего внутри из жидкости в газ. Данный процесс охлаждает окружающую среду или охлаждаемые тела за счет эффекта испарения жидкости. Можно провести эксперимент на себе:

• нанести каплю спирта на кожу
• когда спирт испарится, чувствуется охлаждение.

Этот же принцип обеспечивает нам безопасное хранение продуктов в холодильнике.

Используемая жидкость в установках

Далее поговорим про жидкости, используемые в холодильных установках. Все они называются хладагентами. Используется в настоящее время, в основном, фреон. Фреон при нормальном атмосферном давлении мгновенно закипает. Вследствие чего начинается активное поглощение тепла из окружающей среды. Данный процесс закончится, когда весь фреон переходит в газообразное состояние, либо давление поднимется до определенного значения называемое давлением насыщения. 

Перейдем к нашей холодильной установки, в которой процесс протекает таким же образом, но только в специальном герметичном узле – теплообменнике, который называется — испаритель.  Кипящий в трубках хладагент активно поглощает тепло от материала трубок испарителя. Трубки омываются жидкостью или воздухом, что снижает температуру последних.

Обратите внимание. Для того, чтобы процесс кипения хладагента в испарителе происходил непрерывно, необходимо постоянно из испарителя удалять газообразный и “подливать” жидкий хладагент.

Конструкция холодильных установок

Рассмотрим оборудование, включающее в себя:

1. Компрессор
2. Конденсатор
3. Терморегулирующий вентиль
4. Испаритель

Компрессор

В компрессоре электромотор приводит в движение поршень, который сжимает газ (пары хладагента). Сжатие газа состоит из двух этапов.

1. Этап состоит всасывании фреона через впускной клапан.
2. Этап — поршень сдавливает хладагент и выпускает сжатый газ через выпускной клапан.

В результате оказанного давления газ разогревается до 100°C. Далее газ в разогретом состоянии следует в конденсатор.

Конденсатор.

Конденсатор (или змеевик конденсатора) является одним из двух разновидностей теплообменников, которые используются в базовом контуре охлаждения. В конденсатор поступает испарившийся хладагент с высокой температурой и давлением из компрессора. Конденсатор отводит тепло от горячих паров хладагента до того состояния, пока они не сконденсируются в насыщенное жидкое состояние. Происходит конденсация паров хладагента.

В конденсаторе газ отдает тепло в окружающую среду, снижая свою температуру до 55°C. Процесс сопровождается конденсацией и переходом газа в жидкость. Чаще всего применяются конденсаторы воздушного охлаждения.

Терморегулирующий вентиль.

Терморегулирующий вентиль находится перед испарителем, для поддержания оптимальной подачи в него жидкого хладагента.

Важно помнить, что избыток фреона в испарителе может привести даже к попаданию его жидкой фазы в компрессор, в результате чего тот, может попросту сломаться. Тогда как при недостаточном содержании хладагента в испарителе, его показатели эффективности будут быстро снижаться.

Испаритель.

Испаритель служит вторым теплообменником в стандартном контуре охлаждения, и, как и конденсатор, носит название в честь своего основного предназначения. Он служит “завершением” холодильного цикла и выполняет то, что мы ожидаем от кондиционера или холодильника — поглощает тепло.

Помимо прочего в холодильных установках используется – ресивер.

Ресивером называется резервуар, используемый для сбора жидкого хладагента с целью обеспечения равномерной подачи в испаритель. К примеру, если рассмотреть небольшие холодильные установки, можно увидеть, что ресивер используется не только для сбора хладагента во время ремонта, но и для понижения температуры газа и сбора влаги.

Цикл холодильной установки

Цикл в p-h координатах

Разобраться в теоретическом цикле простейшей холодильной установки нам поможет рисунок ниже, на котором видно, что в испарителе происходит не только испарение, но и перегрев пара. В конденсаторе пар превращается в жидкость, которая переохлаждается. Все это необходимо для повышения энергоэффективности процесса.

Левая часть пограничной кривой насыщения – это жидкость в состоянии насыщения, а правая – насыщенный пар. То, что между ними – так называемая двухфазная среда или влажный пар (смесь пара и жидкости). На линии D-A’ происходит выделение тепла и изменение теплосодержания (энтальпии) холодильного агента. А вот на отрезке В-С’ наоборот, можно заметить выделение холода при кипении в трубках испарителя.

Присутствие потерь давления на трубках компрессора, а также его клапанах и есть отличие между рабочим и теоретическим циклом.

Для избежания этих потерь, нужно увеличить работу сжатия, что снизит производительность цикла. Этот параметр определяется отношением холодильной мощности, выделяемой в испарителе к мощности, потребляемой компрессором и электрической сети.

Идеальным циклом холодильных машин является обратный цикл Карно. В результате осуществления этого цикла затрачивается работа lo и тепло qo от холодного тела переносится к более нагретому телу. Отношение отведенной от охлаждаемого тела теплоты  (произведенного холода) к затраченной работе  q—qo  носит название холодильного коэффициента и считается характеристикой экономичности холодильной машины:

Обратный цикл Карно

В парокомпрессионных холодильных установках в качестве рабочего тела (холодильного агента) применяется вещество, изменяющее свои фазовые состояния в основных элементах схемы в соответствии с параметрами: температурой и давлением, которые определяются внешними факторами. На рисунке ниже представлена теоретическая паровая компрессионная машина, работающая по обратному циклу Карно. Цикл протекает в области влажного пара между пограничными кривыми степени сухости x = 0 и x = 1.

Процесс испарения

Холодильный агент поступает в испаритель a в состоянии, соответствующем точке 1. В результате подвода тепла q₀ от охлаждаемого тела хладагент переходит из состояния точки 1 в состояние точки 2 с температурой T₀ и давлением P₀. Переход из состояния точки 1 в состояние точки 2 является процессом испарения (кипения) хладагента при постоянной температуре. Температуре в испарителе соответствует давление насыщения P_0н.

Сжатие

Далее хладагент поступает из испарителя a в компрессор b. В компрессоре происходит адиабатическое сжатие паров хладагента до давления, соответствующего сухому насыщенному пару (точка 3). В результате сжатия температура рабочего тела повышается до значения T₁. Давление насыщения при этом становится P_1н = P_1.

Конденсация

Сухой насыщенный пар (точка 3) из компрессора поступает в конденсатор c. В конденсаторе происходит его конденсация, так как температура окружающей среды ниже температуры T₁, за счет чего происходит передача теплотыq₁ в окружающую среду. Процесс конденсации (процесс 3-4) происходит при постоянном значении температуры T₁ до полного перехода хладагента в жидкое состояние (точка 4).

Расширение в детандере

Из конденсатора рабочее тело с давлением P₁ поступает для расширения и совершения работы в детандер d. В детандере происходит изоэнтропийное (адиабатное) расширение хладагента. В результате чег,о его совершается полезная работа и снижение давления рабочего тела до давления Р₀. Температура хладагента при этом тоже снижается, а его состояние соответствует влажному насыщенному пару (точка 1). Далее рабочее тело поступает в испаритель и цикл повторяется вновь.

После конденсатора (точка 4) жидкий хладагента направляется в детандер d. В детандере он совершает работу и адиабатно расширяется (процесс 4-1) до давления Р₀. После детандера холодильный агент поступает в испаритель.

Эффективность обратного цикла Карно

Рассмотрим цикл, построенный для 1 кг рабочего тела в Т—S-диа­грамме. Площади фигур под процессами 1-2 и 3-4 представляют собой количество подведенного и отведенного тепла в процессе.

Тепло, воспринятое рабочим телом в испарителе и, соответственно, отведенное от охлаждаемого объекта, характеризуется площадью фигуры 1-2-2′-1′-1. А тепло, отданное рабочим телом в конденсаторе и, соответственно, отведенное в окружающую среду, характеризуется площадью фигуры 4-1′-2′-3-4. Разность площадей указанных фигур есть прямоугольник 1-2-3-4-1, площадь которого равна работе цикла.

В обратном цикле Карно вместо коэффициента полезного действия для оценки эффективности цикла используют холодильный коэффициент. Он показывает, сколько отводится теплоты от охлаждаемого тела в испарителе на единицу работы в цикле. Для теоретического цикла:

Достижение разности температур T₁ и T₀  в цикле достигается за счет изменения давления холодильного агента с помощью компрессора b и детандера d. В испарителе за счет низкого давления обеспечивается низкая температура насыщения (кипения), за счет чего обеспечивается отвод теплоты от охлаждаемого тела или окружающей среды. Увеличение давления холодильного агента в компрессоре приводит к росту температуры насыщения, в результате процесс конденсации проходит при температуре выше, чем температура окружающей среды.

Цикл действительной парокомпрессионной холодильной машины

В действительной холодильной машине невозможно обеспечить адиабатные процессы сжатия и расширения. Кроме того, в реальных установках детандер заменяют дросселем f, так как полезная работа детандера незначительна по сравнению с работой, затраченной компрессором на сжатие рабочего тела. Другим отличием действительной холодильной машины является то, что не все типы компрессоров могут работать в области влажного пара.

В действительной парокомпрессионной холодильной установки процесс испарения хладагента завершается полным испарением, и точка 2 реального цикла располагается на границе сухого насыщенного пара. Тогда процесс сжатия рабочего тела в компрессоре происходит уже в области сухого перегретого пара.

Детандер заменяют дросселем и устанавливают переохладитель конденсата e. Переохладитель конденсата снижает температуру конденсата относительно температуры насыщения в конденсаторе (точка 5). Это способствует уменьшению образования паровой фазы после дросселя.   

Рассмотрим подробнее процессы, проходящие в цикле реальной парокомпрессионной холодильной машины.

Испарение

В испарителе происходит испарение хладоагента (процесс 1-2) за счет того, что его температура насыщения при давлении Р₀ ниже температуры охлаждаемого объекта или потока теплоносителя. Таким образом в цикл подводится теплота q₀.

Сжатие

Адиабатное сжатие рабочего тела (процесс 2-3’) ввиду конечной скорости процесса и тепловых потерь в реальной установке невозможно, поэтому сжатие рабочего тела в компрессоре протекает с увеличением энтропии по процессу 2-3.

В результате политропного сжатия происходит увеличение давления хладоагента от Р₀ до Р₁, а также температуры, рабочее тело находится в состоянии перегретого пара.

Конденсация

После компрессора холодильный агент поступает в конденсатор, где происходят его охлаждение (процесс 3-4) до температуры, соответствующей температуре насыщения Т₁ при давлении Р₁, и дальнейшая конденсация (процесс 4-5) до жидкого состояния (точка 5) с отводом теплотыq₁ в окружающую среду или теплоносителю.

Переохлаждение

Далее происходит процесс переохлаждения конденсата относительно температуры насыщения при постоянном давлении (процесс 5-6) в переохладителе.

Замыкается цикл изоэнтальпийным процессом дросселирования в дросселе f (процесс 6-1), в результате которого происходит снижение давления от Р₁ до Р₀ и температуры вследствие частичного вскипания хладагента (точка 1).

Чиллеры

Современные парокомпрессионные холодильные машины (чиллеры), применяемые в промышленности, имеют компактную модульную компоновку, обеспечивающую простоту монтажа и обслуживания. Для сжатия хладагента применяются винтовые компрессоры, обеспечивающие низкий уровень шума и вибрации.

Холодильные машины снабжены интеллектуальной электронной системой автоматического управления, обеспечивающей установку и поддержание заданного температурного режима теплоносителей. В качестве хладагентов применяются нетоксичные, невоспламеняющиеся вещества, не содержащие в себе хлора и других вредных компонентов.

Тепловые насосы

Назначение

Тепловым насосом называют прибор, обеспечивающий жилой дом отоплением в холодное время и охлаждение в жаркое время года, а также бесперебойное наличие горячей воды в течение всего календарного года. Ранее мы рассматривали устройство холодильника: в нем тепло отводится изнутри, т.е. от охлаждаемого объекта в окружающую среду. Тепловой насос же работает в обратном направлении. Так, тепло из воздуха или же из грунта, при помощи теплового насоса и системы отопления, подается в жилые помещения. То есть, устанавливая тепловой насос, можно забыть про сжигание дров в вашем камине или печи.

Работа прибора

Необходимо выделить 4 стадии работы теплового насоса:

1. Ранее мы говорили уже про испаритель. Здесь принцип такой же, хладагент попадает в испаритель и путем взаимодействия с теплом из внешних источников, нагревается и испаряется.
2. Далее, в компрессоре происходит сжатие, повышение давления, нагрев газообразного хладагента до температуры 60-100°C.
3. Данный цикл работы с хладагентом прост и понятен. Он отправляется в конденсатор, там передает свое тепло в отопление дома, тем самым прогревая его. Закончив, переходит в первоначальное состояние.
4. После, его путь продолжается по расширительному клапану, где давление снижается, тем самым и температура может упасть до -20°C. Это был финиш нашего хладагента, после которого он начинает свой путь заново.

Исходя из перечисленных пунктов, можно сделать вывод, что процесс работы тепловых насосов построен на циркуляции хладагента между двумя теплообменниками:

• испаритель — получение тепла из вне;
• конденсатор — выделение энергии в отопительный контур дома, помещения.

Правила выбора устройства

Модель подбирается в зависимости от условий установки станции. Ограничения могут быть связаны с рельефом территории, уровнем залегания грунтовых вод, отсутствием площади участка для раскладки петель, наличием водоема. К примеру, если грунт скальный, то бурение до обводненных пластов выльется в значительные расходы – придется искать вариант с горизонтальным расположением петель, а это означает, что происходит освобождение больших площадей участка, или наличие вблизи расположенного водоема.

Функциональность — некоторые модели предназначены для подключения только к системе горячего водоснабжения здания. Использование иных тепловых насосов воздух-вода, подходит также для отопления. 

Зависимость производительности от температуры окружающей среды – бытовые модели, как правило, ограничены температурой от +45°С до -15°С, можно приобрести оборудование, способное производить тепловую энергию даже при -25-32°С.

Тепловой насос в режиме охлаждения

Можно выделить два вида охлаждения с помощью теплового насоса:

• Пассивный.
• Активный.

Режим работы с пассивным источником

Такое охлаждение считается естественным и требует меньших затрат, но меньшей производительности, чем активное охлаждение. Данная конструкция использует почву и грунтовые воды в качестве тепла.

Для пассивного кондиционирования в контур теплового насоса устанавливается дополнительное оборудование:

• трехходовой клапан,
• пластинчатый теплообменник
• дополнительные насосы.

Это необходимо для использования низких температур (6-10°C) в почве и грунтовых водах. Охлажденный в грунте хладагент направляется непосредственно в дополнительный теплообменник, минуя компрессор теплового насоса. После этого охлажденный теплоноситель поступает в систему распределения энергии и поглощает избыточное тепло из помещения. В этом случае компрессор остается бездействующим, а электричество расходуется только на работу насоса и других электроприборов холодильной системы.

Режим с активным охлаждением

Такое охлаждение работает в обратном цикле, этот процесс называют “Реверсный режим”.

Для обеспечения активного кондиционирования в контур теплового насоса встраивают четырехходовой клапан и дополнительный дроссельный клапан. В таком случае циркуляция рабочей жидкости случается в обратном направлении. Конденсатор становится испарителем и наоборот.

Приборы для охлаждения помещения

В случае активного охлаждения используют фанкойлы. Эти приборы обустроены вентилятором, помогающим в равномерном распределении холода и тепла в помещении.

Они успешно подходят для охлаждения, так и прогрева.

При пассивном охлаждении используют так называемые “холодные потолки, стены”. Такая система требует большой площади поверхности для наилучшего охлаждения.

Добыча тепла из воздуха

Как бы не было удивительно, но тепло может быть добыто из воздуха, которым мы с вами дышим каждый день. Он содержит тепло всегда, даже если на улице холодно. Любая температура выше -273,15 °C способна прогреть нам жилье.

Данный тепловой насос состоит из двух блоков: внешнего и внутреннего. Вышеуказанные блоки, установленные вне помещения, забирают воздух снаружи и направляют в испарительную камеру, которая заполнена хладагентом. Непосредственно в нем наша жидкость переходит в газообразное состояние даже под действием холодного воздуха.

Далее процесс будет происходить, который мы уже затрагивали ранее. Газ поступает в компрессор, сжимается, повышая давления и температуру. Эта тепловая энергия поступает в окружающий воздух через конденсатор, который установлен внутри дома. Такой процесс будет повторяться, пока температура помещения не станет нужной для комфортного проживания людей.

Плюсы и минусы тепловых насосов

Рассмотрим положительные и отрицательные характеристики тепловых насосов.

Грунт — вода

Плюсы	Минусы
Не зависит от внешней температуры.	Большой первоначальный взнос. Срок окупаемости может составить более 3 лет.
Наиболее эффективен для больших домов от 150 квадратных метров
Экономия на коммунальных платежах до 80%.

Воздух

Плюсы	Минусы
Имеет возможность подключения удаленного управления.	Необходим дополнительный источник тепла в сильные морозы, ниже -20°С окружающей среды.
Работает на обогрев и охлаждение.
Экономия на коммунальных платежах до 40%
Наиболее эффективен для домов меньше 150 квадратных метров.
Не требует проведения земляных работ.
Низкий первоначальный взнос.
Эффективная работа до температуры окружающей среды -20°С.

Заключение

Холодильные установки упрощают жизнь людей, ведь на сегодняшний день невозможно представить людей, у которых не было бы дома холодильника, либо работающий магазин без морозильных камер, с помощью них можно дольше хранить продукты дома, находиться в комфортной температуре, хранить в определенной температуре жизненно важные лекарства. А тепловой насос заменяет технологию прогрева жилища с помощью печи или камина, а также подогрева воды для бытовых нужд. Без них, конечно, можно обойтись, но прогресс идет далеко вперед и люди открывают все новые изобретения, которые помогают в нашей непростой жизни.