Принцип работы кондиционера основан на свойстве жидкостей выделять тепло при конденсации (переходе из газообразного состояния в жидкое) и поглощать - при испарении. Чтобы понять, откуда в кондиционере берется холод, рассмотрим состав сплит-системы (вообще говоря, любой кондиционер состоит из одинаковых узлов, только они могут быть расположены в одном или нескольких блоках):
Этот горячий газ течет через набор катушек, поэтому он может рассеивать тепло и конденсироваться в жидкость. Жидкость течет через расширительный клапан и в процессе испарения превращается в холодный газ низкого давления. Этот холодный газ протекает через набор катушек, которые позволяют газу поглощать тепло и охлаждать воздух внутри здания.
Смешанное с хладагентом небольшое количество светлого масла. Это масло смазывает компрессор. Кондиционеры также помогают очищать воздух в вашем доме. Больше внутренних блоков имеют фильтры, которые захватывают пыль, пыльцу, споры плесени и другие аллергены, а также ежедневный дым и грязь, обнаруженные в воздухе.
Конденсатор - теплообменник, в котором происходит переход фреона из газообразной фазы в жидкую (конденсация). Расположен в наружном блоке;
Испаритель - теплообменник, в котором происходит переход фреона из жидкой фазы в газообразную (испарение). Расположен во внутреннем блоке;
Вентилятор - предназначен для ускорения теплообмена между испарителем (конденсатором) и окружающим воздухом.
Компрессор - повышает давление фреона до давления, при котором он конденсируется, поддерживает движение фреона по холодильному контуру;
ТРВ (терморегулирующий вентиль) - дроссельное устройство, понижающий давление фреона до давления испарения. Устанавливается перед испарителем;
Соединительные медные трубы, которые вместе с остальными устройствами образуют замкнутый холодильный контур.
Внутри холодильного контура постоянно циркулирует специальное вещество - хладагент, в качестве которого обычно используется фреон. Поскольку фреон является сильным обезжиривателем, в холодильный контур всегда добавляют небольшое количество масла для смазки компрессора, иначе компрессор просто заклинит.
Кондиционеры также функционируют как осушители. Они берут избыток воды из воздуха, и мы можем использовать его, чтобы помочь устройству охладиться, прежде чем избавиться от воды через шланг снаружи. В других устройствах используется конденсированная влажность для повышения эффективности повторного использования охлажденной воды в систему. Так что это общая концепция, связанная с системой кондиционирования воздуха.
Раздельные кондиционеры и разделенные блоки
Устройство для кондиционирования воздуха на окнах оснащено полным кондиционером в небольшом пространстве. Устройства сделаны достаточно маленькими, чтобы вписаться в стандартную оконную раму. Вы закрываете окно с помощью устройства, подключаете и включаете свежий воздух. Если вы удалите крышку оконного кондиционера, вы обнаружите, что она содержит.
Для того, чтобы внутренний блок стал источником холода, фреон в жидком виде должен постоянно поступать на вход испарителя и там испаряться. Для поддержания этого процесса необходим компрессор. В процессе работы сплит-системы компрессор сжимает газообразный фреон, который поступает в него с выхода испарителя (температура фреона 15-20°С, давление - 3-5 атмосфер). Компрессор сжимает хладагент до давления в 20-25 атмосфер, а поскольку при сжатии любой газ нагревается, температура фреона увеличивается до 80-90°С. Горячий фреон под высоким давлением попадает в конденсатор, который обдувается потоком наружного воздуха с температурой, не превышающей 43°С (максимальная температура наружного воздуха для большинства кондиционеров). В результате фреон остывает, что сопровождается его переходом в жидкое состояние с выделением дополнительного тепла. Таким образом, на выходе из конденсатора образуется жидкий фреон, температура которого на 10-15°С выше температуры наружного воздуха.
Один компрессор Один расширительный клапан Одна горячая катушка Одна катушка охлаждается Два вентилятора Блок управления. Вентиляторы продувают воздух над катушками, чтобы улучшить их способность рассеивать тепло и холод. Когда вы попадете в более крупные приложения для кондиционирования воздуха, пришло время начать смотреть на разделенные единицы. Раздельный кондиционер разделяет горячую сторону от холодной стороны системы, как на диаграмме ниже.
Холодная сторона, которая состоит из расширительного клапана и холодной катушки, обычно помещается в печь или другой воздухоподатчик. Воздухоочиститель продувает воздух через катушку и направляет воздух по всему зданию с помощью ряда воздуховодов. Горячая сторона, известная как конденсационная установка, живет вне окружающей среды.
После конденсатора хладагент попадает в дроссельное устройство (ТРВ), который в простейшем случае выполняется в виде тонкой медной трубки (капилляра). ТРВ понижает давление фреона до 3-5 атмосфер, что сопровождается понижением температуры фреона до 5-7°С. Далее хладагент поступает в испаритель, нагревается и испаряется, а воздух, проходящий через испаритель - охлаждается. После этого газообразный фреон поступает на вход компрессора и процесс повторяется.
Устройство состоит из длинной спирали, цилиндрической, цилиндрической формы. Внутри катушки есть вентилятор, чтобы продувать воздух через катушку, а также защищенный от атмосферных воздействий компрессор и некоторую логику управления. Этот подход эволюционировал на протяжении многих лет, потому что это низкая стоимость, а также потому, что обычно это приводит к снижению шума внутри дома.
В дополнение к тому, что горячие и холодные стороны отделены друг от друга, а емкость больше, нет никакой разницы между раздельным воздухом и оконным кондиционером. На складах, крупных корпоративных офисах, торговых центрах, универмагах и других зданиях блок конденсации обычно живет на крыше и может быть довольно большим. В качестве альтернативы на крыше может быть много меньших единиц, каждая из которых прикреплена к небольшому воздушному устройству, который охлаждает определенную зону здания.
Теперь, зная принцип работы кондиционера, будет проще понять основные причины возникновения неисправностей. Одна из наиболее серьезных проблем в работе сплит-системы возникает в том случае, если хладагент в испарителе не успевает нагреться и перейти в газообразное состояние. В этом случае компрессор мгновенно выходит из строя, поскольку на его вход попадает жидкость, которая, в отличие от газа, является несжимаемой. Чаще всего это происходит из-за включения кондиционера зимой (в испаритель попадает слишком холодный фреон) или из-за грязных фильтров (ухудшается теплообмен).
«Цикл охлаждения сжатого воздуха» - это название, которое описывается для работы замкнутых контуров, используемых в холодильных установках. Это использует испарение хладагента внутри контура, в частности, в теплообменнике, называемом испарителем, который поглощает энергию окружающего воздуха; это затем доставляется в отделение для хранения продуктов естественной конвекцией или принудительной вентиляцией.
После испарения хладагент больше не может поглощать значительное количество энергии и, следовательно, должен быть возвращен в жидкое состояние путем конденсации. Поэтому возникает проблема наличия достаточно холодной среды, чтобы поглощать энергию хладагента, которая, естественно, не может быть тем же самым отсеком для хранения, который только что был охлажден.
Принцип работы кондиционера
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.
Используя соотношение между давлением и изменением температуры состояния, чтобы более высокие давления соответствовали более высоким температурам, компрессор используется для сжатия хладагента до давления, которое больше, чем давление в испарителе. так что процесс конденсации может происходить при температуре, совместимой с легко доступным «холодным» источником, обычно наружным воздухом.
Поэтому конденсация происходит при высокой температуре внутри теплообменника, где две жидкости представляют собой наружный воздух и хладагент. Последние конденсируются и возвращаются в жидкое состояние, в то время как наружный воздух будет нагреваться.
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.
Жидкий хладагент остается при высоком давлении, когда он выходит из конденсатора. Таким образом, необходимо расширительное устройство для расширения жидкого хладагента и снижения его давления до значения, при котором происходит испарение; хладагент вернулся в исходное состояние и может снова поглощать энергию из воздуха в отсеке для хранения продуктов питания.
Основными компонентами контура хладагента являются. Испаритель: это теплообменник, подобный радиатору при использовании с воздухом или более компактным при использовании с водой; он обменивается путем проведения энергии между испаряющимся хладагентом, изменением состояния жидкости и газа и окружающего воздуха, который затем охлаждается.
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.
Испарение происходит при почти постоянном давлении и температуре, за исключением небольшого перепада давления. Хладагент, выходящий из испарителя, представляет собой перегретый газ, температура которого несколько выше температуры испарения. Компрессор: это устройство, которое позволяет объемное сжатие или постепенное уменьшение объема с использованием вращающихся или возвратно-поступательных систем. Функция компрессора заключается в циркуляции хладагента в контуре, в частности, вытягивая его в виде газа из испарителя, а затем сжимая его и подавая его при более высоком давлении на конденсатор.
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.
Механическая работа компрессора предполагает значительное увеличение температуры газа, а также потребление энергии. Потребление энергии компрессора зависит от разницы между двумя рабочими давлениями. Хладагент в компрессоре должен находиться в газообразном состоянии, в виде жидкостей, как известно, несжимаемо. Компрессор начинает свою работу, когда устройство должно обеспечивать охлаждение и обычно активируется системами контроля температуры.
Конденсатор: это теплообменник, который похож на еще немного более высокий испаритель, а также может быть оребрением, пластинчатым теплообменником или трубчатым теплообменником. Он обменивает энергию между наружным воздухом, продуваемым вентиляторами и хладагентом в виде горячего газа, эвакуированного компрессором.
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.
Охлаждается, а затем конденсируется при почти постоянной температуре и давлении, что означает, что он подвергается незначительному переохлаждению. На выходе конденсатора хладагент будет находиться в жидком состоянии при высоком давлении и при температуре чуть ниже температуры конденсации.
Расширительное устройство состоит из калиброванного отверстия, тонкой капиллярной трубки или механического или моторизованного регулирующего клапана с микропроцессорным управлением. Сужение, создаваемое устройством расширения, уменьшает давление жидкого хладагента, выходящего из конденсатора, без обмена энергией. Это использует принцип Бернулли, благодаря которому скорость жидкости через ограничение значительно возрастает, что вызывает падение давления и соответствующее снижение температуры. Таким образом, возвращается охлаждающая жидкость низкого давления и низкая температура и снова готова испариться, повторите цикл, описанный выше.
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.
Устройство расширения также имеет функцию управления потоком хладагента в контуре. Чрезмерное количество может повредить компрессор, так как он не испарится полностью в испарителе, оставаясь частично в жидком состоянии. Недостаточное количество снижает эффективность блока чувствительности, поскольку испаритель не полностью работает.
Изменение температуры испарения или температуры конденсации влияет на условия работы компрессора. Любое изменение температуры влияет на плотность хладагента, что изменяет степень сжатия между сторонами низкого давления и высокого давления. Влияние изменения температур испарения и конденсации на производительность компрессора обсуждается в этом разделе.
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
Высокая температура в испарителе эквивалентна высокому давлению и высокой плотности пара. Это означает, что 1 кг пара высокого давления занимает менее 1 кг пара низкого давления. В системе хладагента массовый поток паров высокого давления в компрессор поэтому больше при каждом перемещении, чем массовый расход паров низкого давления. Для поддержания определенного давления всасывания, то есть для поддержания определенной температуры испарения, испаритель должен быть спроектирован для испарения той же массы хладагента, которая сжата в компрессоре.
Происходящий в холодильной машине цикл охлаждения удобно изображать графически. На диаграмме показано соотношение давления и теплосодержания (энтальпии) хладагента.
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
Следовательно, большее количество хладагента, чем раньше, испаряется в испарителе. Тем не менее, компрессор все же удаляет такое же количество пара, как и до изменения температуры воды. Избыточный газ, который не удаляется компрессором, остается внутри испарителя. Накопление избыточного пара в испарителе приводит к более высокому давлению и температуре со стороны хладагента. Повышенное давление пара означает, что плотность пара также увеличивается. Тем не менее, испаритель и компрессор впоследствии найдут новую рабочую точку, в которой равные массы паров хладагента производятся испарителем и удаляются компрессором.
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.
Таким образом, когда условия в системе хладагента меняются, компрессор и испаритель вместе найдут новую рабочую точку. Показывает три рабочие линии для компрессора при различных температурах испарения, но постоянную температуру конденсации для каждой линии компрессора. Производительность всасывания компрессора соответствует определенной охлаждающей способности при каждом коэффициенте давления. Повышение температуры испарения при постоянной температуре конденсации приводит к увеличению производительности компрессора.
Так же, как каждый компрессор имеет свою собственную характерную рабочую линию, каждый испаритель имеет свою собственную характерную рабочую линию. показывает, что производительность испарителя уменьшается, когда температура испарения увеличивается. Одна из линий компрессора внутри также нанесена на график.
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.
Как узнать стоимость? Получите коммерческое предложение на email.