Эксплуатация холодильных установок: Эксплуатация холодильных установок

ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ: Удалите тепло из замкнутого пространства.

ПАРАМЕТР ДИЗАЙНА: Компрессионные холодильные системы.

ГЕОМЕТРИЯ / СТРУКТУРА:

Хладагент, компрессор, расширительный клапан (устройство контроля потока), испаритель, конденсатор, трубы и трубки.

ОБЪЯСНЕНИЕ КАК ЭТО РАБОТАЕТ / ИСПОЛЬЗУЕТСЯ:

Хладагент протекает через компрессор, который поднимает давление хладагент. Затем хладагент течет через конденсатор, где он конденсируется из парообразная форма превращается в жидкую, выделяя при этом тепло.Тепло, выделяемое это то, что делает конденсатор «горячим на ощупь». После конденсатора хладагент проходит через расширительный клапан, где испытывает перепад давления. Наконец, Хладагент поступает в испаритель. Хладагент забирает тепло из испарителя, который вызывает испарение регенерирующего вещества. Испаритель получает тепло из области, которая должна быть охлажденным. Испаренный хладагент возвращается в компрессор для повторного запуска цикла.

Подробнее:

Компрессор: поршневых, роторных и центробежные компрессоры, наиболее популярные среди бытовых или небольших коммерческих охлаждение является возвратно-поступательным движением.Поршневой компрессор похож на автомобильный двигатель. Поршень приводится в движение двигателем, чтобы «всасывать» и сжимать хладагент в баллоне. Когда поршень движется вниз в цилиндр (увеличивая объем цилиндра), он «всасывает» хладагент из испарителя. впускной клапан закрывается, когда давление хладагента внутри цилиндра достигает давление в испарителе. Когда поршень достигает точки максимального опускания смещение, он сжимает хладагент при движении вверх.Хладагент выталкивается через выпускной клапан в конденсатор. И впускной и выпускной клапаны так, чтобы поток хладагента проходил только в одном направлении через система.

Испаритель: Это часть охлаждения Система, которая делает фактическое охлаждение. Потому что его функция заключается в поглощении тепла в система охлаждения (откуда вы этого не хотите), испаритель находится в зоне охлаждения. Хладагент впускается и измеряется устройство управления потоком, и в конечном итоге выпускается в компрессор.Испаритель состоит оребренных труб, которая поглощает тепло от воздуха, продуваемого через змеевик вентилятором. Плавники и трубки изготовлены из металлов с высокой теплопроводностью, чтобы максимизировать теплопередачу. хладагент испаряется от тепла, он поглощает тепло в испарителе.

Устройство контроля потока (расширительный клапан): Это управление поток жидкого хладагента в испаритель. Устройства управления обычно термостатический, что означает, что они реагируют на температуру хладагента.

ДОМИНАНТНАЯ ФИЗИКА:

Все переменные даны в единицах на единицу массы.

Термодинамика

От стадии 1 до стадии 2 энтальпия хладагента остается приблизительно постоянной, таким образом,

ч ₁ ~ ч ₂ .

От этапа 2 к этапу 3 в систему подается тепло, таким образом

q _в = h ₃ — h ₂ = h ₃ — h ₁ .

От этапа 3 до этапа 4 работа передается в компрессор, таким образом,

работа = h ₄ — h ₃ .

От стадии 4 до стадии 1 тепло отводится через конденсатор, таким образом

q _из = h ₄ — h ₁ .

Коэффициент производительности описывает эффективность испарителя поглощать тепло по отношению к выполненной работе, таким образом

b = эффект охлаждения / рабочий вклад = q _в / работа = (ч ₃ — ч ₁ ) / (ч ₄ — ч ₃ ).

ОГРАНИЧИТЕЛЬНАЯ ФИЗИКА:

Теплопередача зависит от свойств хладагента. Разные хладагенты, очевидно, будут иметь разные значения энтальпии для данного состояния.В деле для одного конкретного хладагента значения энтальпии зависят от температуры и давления в теплых и холодных регионах. Окружающая температура влияет на то, насколько хорошо система охлаждения способна охлаждать закрытую область. Понятно, что если температура наружного воздуха очень высокая (т.е. значительно выше комнатная температура), система может быть не так успешна в снижении температуры закрытой области, как это было бы при комнатной температуре.

УЧАСТКОВ / ГРАФОВ / СТОЛОВ:

Нет Отправлено

ГДЕ НАЙТИ ХОЛОДИЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ СЖАТИЯ:

Холодильники и кондиционеры.

ССЫЛКИ / ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ:

Моран, Майкл Дж. И Шапиро, Хоавард Н., Основы машиностроения Термодинамика, Нью-Йорк: John Wiley & Sons, Inc., 1992.

Langley, Billy C., Холодильная техника и кондиционирование, Рестон Вирджиния: Рестон, издательство, Инк, 1982.

: методы модуляции мощности.

Приложения системы охлаждения, в которых нагрузка может изменяться в широких пределах, из-за освещения, загрузки продукта, колебаний температуры окружающей среды или других факторов во время работы, могут быть оптимизированы с помощью управления мощностью. Регулирование производительности может использоваться как внутри, так и снаружи компрессора, но их основная функция изменения расхода хладагента в цикле остается неизменной. В зависимости от системы требования могут меняться; при этом следует тщательно оценивать следующие критерии: производительность управления, потребление энергии, затраты на выбранное решение, надежность работы, диапазон применения компрессора, минимальное время работы компрессора и нагрузку на источник питания.Наиболее распространенными методами являются управление включением / выключением, цифровой спиральный компрессор, разгрузка баллона, перепуск горячего газа, золотниковый клапан, многократный компрессор и переменная скорость [4–7]. Обзор методов модуляции емкости и методов электрического управления представлен в Таблице 1 в качестве резюме. И различные типы методов управления производительностью на основе компрессора показаны на рисунке 2.

2.1. Управление мощностью вкл / выкл

Управление мощностью вкл / выкл является самым простым способом регулировки заданной температуры (заданного значения) с помощью термостата.После того, как температура достигнет заданного значения, термостат останавливает компрессор и циркуляцию хладагента в цикле. Поскольку вторичная жидкость продолжает циркулировать, температура воды или воздуха постепенно повышается. Когда термостат обнаруживает, это повышение включает компрессор. Если возникают условия легкой нагрузки, это приводит к короткому циклу. Короткие циклы работы системы сокращают срок службы компрессора. В дополнение к этому, температура вторичной жидкости колеблется и возникают неудобные условия.

2.2. Цифровое управление мощностью прокрутки

В этом методе прокрутка заставляет отделяться, а сжатие хладагента останавливается. Это модулирует поток хладагента без изменения или остановки двигателя компрессора. Разделение свитков осуществляется с помощью внешнего электромагнитного клапана; кроме того, между выпускной камерой и впускным газом имеется обводная соединительная линия. Верхние свитки могут отделяться от нижнего свитка на 1 мм по вертикали. Поршень прикреплен к верхней части верхней спирали и поднимает верхнюю спираль, когда она движется вверх.В верхней части поршня находится камера модуляции, которая соединена с давлением нагнетания через сливное отверстие. Внешний электромагнитный клапан соединяет камеру модуляции с давлением на стороне всасывания. Если электромагнитный клапан закрыт, спирали работают как классический спиральный компрессор. Если соленоид открыт, выпускная камера и давление газа на входе соединяются друг с другом и уменьшают давление на выходе. Это приводит к меньшему давлению, удерживающему поршень вниз, тем самым заставляя поршень смещаться вверх, что, в свою очередь, поднимает верхнюю спираль.Это действие разделяет свитки и не приводит к массовому потоку через свитки. Обесточенный внешний электромагнитный клапан снова полностью загружает компрессор, и сжатие возобновляется (рис. 3) [8].

Рисунок 3.

Трубопровод цифровой прокрутки.

В нагруженном состоянии компрессор работает как стандартная спираль и обеспечивает полную производительность и массовый расход. Тем не менее, во время ненагруженного состояния отсутствует пропускная способность и нет массового потока через компрессор. Свитки разделяются в периодическом цикле (20 секунд), чтобы получить усредненную по времени производительность компрессора на основе соотношения времени загрузки и разгрузки.Это позволяет цифровой прокрутке достигать бесконечной модуляции емкости между 10 и 100%. Например, 20-секундный цикл и соленоид обесточиваются на 16 секунд, а затем на 4 секунды; результирующая емкость составит 80% [8, 9]. Этот метод обеспечивает очень широкий диапазон производительности с непрерывной модуляцией, высокой эффективностью и очень жестким контролем температуры. Но более высокая начальная стоимость является недостатком этих методов по сравнению с методом обхода горячего газа. Кроме того, сравниваются регуляторы скорости с переменной скоростью и цифровой прокруткой, и они дают очень близкие результаты модуляции емкости [9].

Применение цифрового спирального компрессора в многоканальной системе кондиционирования было представлено Ху и Яном [10]. Авторы сообщили о результатах разработки и тестирования производительности экономичного, энергосберегающего, мультитипного кондиционера. В этой системе наблюдалось снижение энергопотребления примерно на 75%, а частичная нагрузка — 17%. Диапазон модуляции емкости системы находится в диапазоне 17–100%; с другой стороны, система управления переменной частотой переменного тока имеет диапазон от 48 до 104%.В этом методе стоимость системы на 20% дешевле, чем инвертор переменного тока. Есть много исследований по цифровой прокрутке; здесь я приведу их краткое изложение, например, Jiang et al. [11] обсуждали управление цифровым компрессором, применяемым в мультитипной системе кондиционирования. Кан и соавт. [12] проанализировали применение цифрового спирального компрессора в холодильном контейнере. Чжоу и Чжан [13] и Е. и Чен [14] изучали энергосбережение цифрового спирального компрессора. Цю и Цю [15] обсуждали применение цифрового спирального компрессора в высокоточных системах кондиционирования с постоянной температурой и влажностью.Анализ и сравнение технологии цифровой прокрутки и инвертора были изучены Ши [16] и Ма и Сун [17].

Huang et al. [18] провели экспериментальное исследование рабочих характеристик с переменным объемом воздуха в условиях охлаждения и нагрева канального кондиционера (AC) с цифровым спиральным компрессором и обычным спиральным компрессором. Было изучено влияние объема воздуха на холодопроизводительность (обогрев), потребляемую мощность, EER (COP), температуру на выходе, давление нагнетания, температуру нагнетания и давление всасывания.В результате авторы пришли к выводу, что агрегат с цифровым спиральным компрессором был хорошо адаптирован к системе переменного воздушного объема и хорош для экономичной и надежной работы воздуховода переменного тока.

2.3. Контроль производительности по разгрузке цилиндров

Контроль производительности также может осуществляться посредством разгрузки цилиндров поршневого компрессора. Метод контроля производительности разгрузки цилиндров (метод разгрузки всасывающего клапана) работает путем поднятия клапанов всасывания некоторых цилиндров в открытое положение.Термостат (или датчик давления) подает питание на соленоид (или соленоиды, если в компрессоре несколько цилиндров), который заставляет всасывающий клапан оставаться открытым. Газ не может быть сжат в открытых баллонах, что приводит к снижению холодопроизводительности. Чтобы предотвратить перегрев компрессора, необходимо установить термостатический расширительный клапан для охлаждения всасываемого газа компрессора. Затем за этим снижением производительности следует шунтирование горячим газом. Их конструкция относительно низкая по стоимости, но для них обычно требуется многоцилиндровый компрессор.Достижимая градация мощности зависит от конструкции конструкции. Для 4, 6 и 8 цилиндровых компрессоров обычно используется два цилиндра на ступень нагрузки, что позволяет градуировать (25) –50– (75) –100% или 33–66–100% [7].

Коули и Пфаррер [19] провели сравнительное исследование эффективности частичной нагрузки двухскоростных компрессоров с использованием модуляции разгрузочной способности компрессора. Они обнаружили, что более высокий коэффициент энергоэффективности (EER) на 49% может быть достигнут при использовании двухскоростного компрессора вместо компрессора без нагрузки на цилиндр.Снижение потерь на трение на половине скорости двухскоростного компрессора снижает потребляемую мощность. Вонг и Джеймс [20] пришли к выводу, что управление переменной скоростью компрессора более эффективно по сравнению с управлением разгрузкой цилиндров. При использовании работы с переменной скоростью объемная эффективность и изэнтропическая эффективность, а также коэффициент полезного действия (КПД) увеличиваются при более низкой скорости компрессора. С другой стороны, контроль разгрузки цилиндра снижает изэнтропическую эффективность и КПД. Вонг и Легг [21] также изучили экономические преимущества компрессора с переменной скоростью в другой работе.Было показано, что управление с переменной скоростью приводит к снижению энергопотребления, но для прерывистой работы оно может быть экономически не выгодно из-за высоких капитальных затрат инвертора.

Позднее исследование, связанное с методом разгрузки цилиндра, было исследовано Якубом и Зубайром [22]. Они изучили схемы разгрузки цилиндров и дросселирования всасываемого газа, чтобы снизить производительность систем охлаждения и кондиционирования воздуха при сниженной нагрузке. В первой схеме ненагруженный клапан использовался для разгрузки одного или нескольких цилиндров в условиях частичной нагрузки.Массовый расход хладагента уменьшается при разгрузке баллонов; следовательно, емкость системы уменьшается. Перед компрессором необходим дроссельный клапан, чтобы снизить массовый расход через компрессор. Было обнаружено, что метод разгрузки цилиндров был наилучшим и имел наивысшее КПД и минимальные необратимые потери при любой производительности системы.

В другом исследовании Yaqub и Zubair [23] исследовали три разные схемы управления мощностью. Он сравнил схему разгрузки баллона с байпасом горячего газа и дросселированием всасывания компрессора.Эти схемы исследуются для ГФУ-134а с учетом конечного размера компонентов, которые используются в холодильных системах. Сравнительное исследование было проведено среди этих схем с точки зрения системного коэффициента полезного действия (COP), рабочих температур и процентной доли массовой доли хладагента как функции процентной доли полной загрузки системы. В моделях учитывается конечная разность температур в теплообменниках, что позволяет варьировать температуры конденсатора и испарителя в зависимости от производительности и температуры внешней жидкости на входе.

2.4. Регулирование пропускной способности горячего газа

Обход горячего газа — это метод, который модулирует поток хладагента путем обхода некоторого количества газа-хладагента высокого давления (горячего газа), выходящего из компрессора, обратно во всасывающую линию, не проходя через испаритель, и газ делает любые охлаждения. Этим способом также можно контролировать производительность поршневых и центробежных компрессоров. В некоторых приложениях используются два или более метода для более плавного переключения и лучшего контроля, например, разгрузки в сочетании с байпасом горячего газа.Для этого управления производительностью требуются дополнительные клапаны и трубопроводы, и производительность можно быстро отрегулировать, открыв или закрыв клапан, но количество шагов производительности ограничено. Может не оказаться точного и плавного контроля температуры [8, 24]. Давление всасывания ниже проектного предела компрессора предотвращается, поскольку низкая плотность всасывания приводит к плохому охлаждению компрессора. Следовательно, горячий газ обходит сторону низкого давления системы.

Горячий газ можно закачивать в разные места: первое — это впускное отверстие испарителя после распылительного сопла, но перед распределительными трубками, а второе — всасывающая линия [25, 26].

Обводной патрубок на входе в испаритель: на одном испарителе и близко соединенных системах обычно можно вводить горячий газ на входе в испаритель сразу после расширительного клапана. Обход на входе в испаритель приводит к искусственной нагрузке охлаждения. Поскольку измерители термостатического расширительного клапана требуют подачи хладагента для поддержания заданного значения перегрева, хладагент возвращается в компрессор при нормальной рабочей температуре и предотвращает проблему нагрева двигателя. Высокая скорость потока способствует возврату масла в испаритель [25].

Обвод в линию всасывания: в этом методе несколько испарителей подключаются к компрессору, или, если конденсационная установка удалена от испарителя, может потребоваться пропускать горячий газ в линию всасывания хладагента. Давление всасывания можно контролировать с помощью этого метода. Для дозирования жидкого хладагента во всасывающую линию необходимо поддерживать температуру газа-хладагента, поступающего в компрессор, в допустимых пределах. Если этот метод используется пропущенным, горячий газ и жидкий хладагент должны быть смешаны в правильном количестве, чтобы обеспечить смешанный газ в компрессоре при желаемой температуре.Для этого рекомендуется смесительная камера. Аккумулятор всасывающей линии может служить в качестве смесительной камеры, а также защищать компрессор от обратного потока жидкости [25].

Первое исследование, связанное с этим методом, было исследовано Yaqub et al. [27], и в этом исследовании применяется технология автоматического обхода горячего газа для снижения производительности систем охлаждения и кондиционирования воздуха в условиях частичной нагрузки. Перепускной клапан горячего газа направляет хладагент высокого давления во всасывающее отверстие. Они обсудили три схемы обхода горячего газа для ГФУ-134а и проанализировали на основе первого и второго законов термодинамики.Основанный на втором законе термодинамический анализ показал, что общие необратимые потери перепускного клапана существенно увеличиваются при уменьшении производительности. В другом исследовании Yaqub et al. [28] исследовали регулирование производительности парокомпрессионной холодильной системы путем впрыскивания горячего газа и жидкого хладагента во всасывающую сторону компрессора. Было продемонстрировано, что температуры нагнетания компрессора значительно возрастают, когда горячий газ из нагнетания компрессора извлекается и впрыскивается (без какой-либо подачи жидкости) непосредственно в сторону всасывания компрессора.

Кроме того, Tso et al. [29] сравнили управление обходом горячего газа и модуляцию всасывания в рефрижераторных транспортных контейнерах с использованием математической модели. Они изучали, чтобы проанализировать потребление мощности компрессора, коэффициент полезного действия и чувствительный тепловой коэффициент испарителя в зависимости от нагрузки контейнера. Они привели к тому, что метод модуляции всасывания является более энергоэффективным, чем байпас горячего газа.

Производительность холодильной системы витрины с тремя испарителями была измерена во время циклического включения / выключения и оттаивания горячим газом Cho и соавт.[30]. На основании результатов испытаний был проанализирован эффект периода отключения в цикле включения / выключения и открытия электронного расширительного клапана (EEV) в цикле оттаивания горячим газом на производительность системы витрины.

2.5. Регулирование производительности золотникового клапана

Управление ползунком позволяет адаптировать смещение компрессора к потребляемой мощности путем смещения начала процесса сжатия посредством осевого ползуна ползунка управления. В то же время, выпускное окно адаптировано к недавно появившемуся смещению в этой серии.В винтовых компрессорах используются золотниковые клапаны для регулировки необходимой холодопроизводительности при частичных нагрузках, позволяя оборудованию уменьшить общий объем хладагента, сжатого внутри корпуса. Задвижка регулирует производительность компрессора в диапазоне от 25% до 100% с шагом 25%. Поток всасываемого газа измеряется для получения охлаждающей способности, а объемное соотношение компрессора определяется положением контура всасывания и размером выпускного отверстия [31]. По словам Рейндла [32], одним из наиболее распространенных методов контроля производительности является золотниковый клапан регулировки производительности для винтового компрессора.По мере того, как объем паров хладагента, подвергаемых сжатию, уменьшается, производительность компрессора уменьшается, и эффективное отношение объема компрессора также уменьшается.

2.6. Управление мощностью нескольких компрессоров

Производительность системы охлаждения можно модулировать с помощью нескольких контуров охлаждения или с помощью нескольких компрессоров в одноконтурных системах. В условиях частичной нагрузки компрессоры могут включаться и выключаться по мере необходимости, а также обеспечивать уровень резервирования в случае отказа одного из компрессоров.Для этих типов компрессоров требуется выравнивание масла. Одна из наименее дорогих форм модуляции, надежность, может рассматриваться как преимущество управления мощностью нескольких компрессоров. С другой стороны, множественная производительность компрессора обеспечивает конечное количество ступеней производительности и ограниченный прирост эффективности. Например, в системе мощностью 40 л.с., требующей 25 л.с. в данный момент времени, система должна работать при мощности 30 л.с. Кроме того, точный и плавный контроль температуры и влажности может быть невозможен из-за шага модуляции емкости [7, 8].

Winandy и Cridtian [33] провели исследование, касающееся нескольких компрессоров, в которых компрессорные агрегаты имеют тандемные спиральные компрессоры. Основным недостатком этой конфигурации является возврат масла в компрессор, что является серьезной проблемой, особенно при частичной нагрузке.

Согласно ASHRAE [34], скорости газа и геометрия трубопровода являются наиболее важными в методе управления несколькими компрессорами из-за обеспечения адекватного возврата масла. При работе с частичной нагрузкой могут потребоваться некоторые модификации для обеспечения правильного возврата масла.Кроме того, рекомендуется разделять контуры хладагента при параллельной работе компрессоров, однако такая конфигурация не всегда возможна и не дает такого же эксплуатационного преимущества при частичной нагрузке.

2.7. Регулирование производительности с переменной скоростью

Регулирование переменной скорости может быть реализовано различными способами для регулирования скорости двигателя компрессора, например, электронных преобразователей частоты. Преобразователи частоты (VFD) также известны как преобразователи частоты (AFD), преобразователи частоты (VSD), приводы переменного тока, микроприводы или преобразователи частоты.Скорость вращения компрессора может варьироваться в соответствии с изменяющимся требованием системы к холодопроизводительности привода с регулируемой скоростью. Исследования по управлению мощностью с переменной скоростью содержат механические, электрические данные о компрессоре и другом оборудовании. Первичные исследования холодильных систем с регулируемой скоростью были связаны с теоретическим анализом концепции управления производительностью с переменной скоростью и исследованием проблем, связанных с механическим проектированием системы [35].

Следующие исследования связаны с основными преимуществами и фактами методов регулирования производительности с переменной скоростью.Муир и Гриффит [36] исследовали различные аспекты методов модуляции мощности для систем охлаждения и бытовых кондиционеров с использованием коэффициента сезонной энергоэффективности (SEER). Этот метод сравнивает сезонную эффективность систем, принимая во внимание влияние циклического включения / выключения и установившуюся эффективность при нескольких наружных температурах. Анализ показал, что применение модуляции емкости и значительная экономия энергии могут быть возможны благодаря уменьшению потерь при циклическом включении и отключении и улучшению эффективности в стационарном режиме при частичных нагрузках.

Tassou et al. [4, 37–40] исследовали большинство фактов методов управления производительностью с переменной скоростью, и они сосредоточились на модуляции производительности бытовых размеров тепловых насосов. Сохранение энергии путем управления производительностью и сравнения производительности с традиционными системами, влияние модуляции производительности, математическое моделирование систем с переменной скоростью, частичная нагрузка и динамический анализ производительности тепловых насосов — важные исследуемые вопросы. Исследования показали, что управление с переменной скоростью может повысить эффективность преобразования энергии на 15% по сравнению с обычной системой.Было также обнаружено, что регулирование перегрева с помощью термостатического расширительного клапана было неудовлетворительным во время работы с частичной нагрузкой, и было высказано предположение, что эту проблему можно эффективно решить, используя управляемый микропроцессором механический расширительный клапан.

Исследование Shimma et al. [41] связано с оценкой экономии энергии за счет использования инверторов в кондиционерах. По мнению авторов, максимальная экономия энергии и лучшая производительность системы могут быть достигнуты за счет использования лучших методов управления.Кроме того, повышение производительности отдельных компонентов в системе кондиционирования может обеспечить более высокую производительность системы. Система с регулируемой мощностью привела к уменьшению колебаний комнатной температуры до 50% по сравнению с обычной системой включения / выключения. Авторы указали на различные проблемы, такие как усовершенствование механизма дросселирования хладагента, принятие более эффективных методов подавления шума (что важно для уменьшения помех радиоволн и помех, создаваемых инвертором), повышение надежности и производительности инвертора, и улучшения в общей конструкции системы для снижения шума при работе на высоких частотах и ​​преодоления проблем с вибрацией при работе на низких частотах.

Согласно Расмуссену [42], бытовые холодильники, как правило, управляются термостатом (вкл / выкл) с постоянной скоростью, и в основном они имеют однофазный асинхронный двигатель в качестве привода компрессора. Автор представляет результаты прототипа холодильника, использующего трехфазный бесщеточный привод постоянного тока с переменной скоростью. Представлены результаты испытаний двигателя и КПД привода; Также описаны моторостроения.

Кроме того, различные авторы исследуют различные типы компрессоров в системе регулирования производительности с переменной скоростью.Работы, посвященные роторному компрессору, были изучены Lida et al. [43]. На тепловом насосе, оборудованном герметичным роторным компрессором мощностью 4 л.с. (3 кВт), проводятся экспериментальные исследования. Они обнаружили, что практические пределы изменения скорости компрессора были между 25 и 75 Гц. Результаты показали улучшение EER с компрессором с инверторным приводом по сравнению с системой с фиксированной скоростью. Анализ затрат и SEER показал 20% -ное увеличение общей стоимости системы, управляемой инвертором, и экономию энергии на 20–26% по сравнению с системой с постоянной производительностью.Другие преимущества, определенные для управления переменной скоростью в системах с фиксированной скоростью, включали в себя точное управление температурой, возможности плавного пуска системы и работу с низким уровнем шума при сниженных нагрузках.

В том же году Itami et al. [44] изучали показатели производительности и надежности поршневых и роторных компрессоров (с частотным управлением). Для другого типа компрессора были предложены модификации. Например, с поршневым компрессором двухступенчатый масляный насос использовался в низкочастотном диапазоне для обеспечения надлежащей смазки.Для роторного компрессора использовалась система впрыска жидкости для защиты от перегрева. Кроме того, дисковый механизм был принят для предотвращения увеличения количества сливаемого масла в более высоком диапазоне рабочих частот. В то время как рабочая частота была увеличена, роторный компрессор показал улучшения в объемном и моторном КПД; с другой стороны, поршневой компрессор демонстрирует улучшение механической и компрессионной эффективности, в то время как рабочая частота была снижена. При использовании кондиционера с регулируемой скоростью примерно на 20–40% наблюдалось улучшение SEER по сравнению с обычной системой включения / выключения.В другом связанном исследовании Senshu et al. [45] исследовано на тепловом насосе малой мощности с использованием спирального компрессора. Эта система показала 30-процентное улучшение годовой эффективности по сравнению с обычным поршневым компрессором. Важно, чтобы EER теплового насоса с приводом от инвертора при номинальной нагрузке был меньше, чем система с фиксированной скоростью, из-за потерь на инверторе. В исследовании ASHRAE проект (RP-409) проанализировал большой чиллер, работающий с центробежным компрессором с регулируемой скоростью [46].Результаты показали, что управление переменной скоростью обеспечивает снижение потребляемой мощности компрессора на 1,5% при максимальной нагрузке и примерно на 40% при минимальной нагрузке.

Макговерн [47] исследовал работу двухцилиндрового поршневого компрессора открытого типа с диапазоном скоростей от 300 до 900 об / мин. Различные рабочие параметры, такие как массовый расход, мощность на валу и температура нагнетаемого газа компрессора, показали линейное увеличение для тестируемого диапазона скоростей; с другой стороны, было обнаружено, что объемная эффективность остается почти постоянной на 66% от заданного диапазона скоростей.Изменение механической эффективности со скоростью составляло 92–94% при скорости, увеличенной с 300 до 900 об / мин соответственно.

Другими авторами, изучавшими компрессор, были Ischii et al. [48, 49]. Авторы сравнили механическую эффективность и динамические характеристики спиральных компрессоров с вращающимися поршневыми компрессорами. Они обнаружили, что спиральные компрессоры демонстрировали лучшую вибрацию, чем вращающийся поршневой компрессор; с другой стороны, они показали меньшую механическую эффективность. Они сообщили, что механическая эффективность спиральных компрессоров может быть улучшена за счет оптимизации конструкции.

Другое исследование, касающееся компрессоров, было исследовано Тассоу и Куреши [50]. Это исследование содержит применение инверторных приводов с регулируемой скоростью для роторно-лопастных холодильных компрессоров с принудительным рабочим объемом. Было исследовано влияние инвертора на ряд рабочих параметров, таких как гармонические токи и напряжения, потребляемая мощность и коэффициент мощности, пусковой ток и общая эффективность системы. Результаты показали, что инвертор может привести к снижению коэффициента мощности и общей эффективности драйвера.Согласно результатам, работа с переменной скоростью роторно-лопастного компрессора может обеспечить лучший контроль температуры и быструю реакцию на помехи и изменения нагрузки.

Тассу и Куреши [51] изучали модуляцию переменной скорости компрессора холодильного компрессора с принудительным рабочим объемом. Испытанные компрессоры включают поршневые поршни открытого типа, полугерметичные поршневые поршневые лопасти и вращающиеся лопасти открытого типа. Результаты показывают, что все три компрессора были рассчитаны на максимальную эффективность при номинальной скорости, и все три компрессора при работе на переменной скорости обеспечивают экономию энергии по сравнению с аналогами с фиксированной скоростью.Кроме того, при постоянном напоре только компрессор открытого типа продемонстрировал улучшение КПД при сниженных скоростях. С переменным контролем напора, все три компрессора показали увеличение КПД при снижении скорости. Анализ показал, что поршневой компрессор открытого типа является наиболее эффективной системой, предлагающей 12% экономии при работе в умеренном климате и 24% экономии при работе в теплом климате.

Редко, впрыскивается газ и жидкий хладагент в компрессор.Впрыск газа применяется для увеличения производительности компрессора и экономии энергии. Поскольку через конденсатор проходит больше хладагента, чем через компрессор испарителя, производительность может несколько увеличиться. Кроме того, жидкий хладагент впрыскивается в компрессор для снижения высоких температур нагнетания хладагента, которые химически разлагают масло и хладагент и вызывают механический отказ. Высокая стоимость и потребность в дополнительных компонентах являются недостатками системы впрыска газа и жидкости; Кроме того, впрыск жидкости может вызвать проблемы с пробкой в ​​компрессоре [52, 53].Чо и соавт. [54] применил впрыск хладагента к компрессору с переменной скоростью и измерил производительность спирального компрессора с впрыском жидкого хладагента с инверторным управлением в отношении изменения частоты компрессора, давления впрыска и места впрыска. Кроме того, влияние впрыска жидкости на производительность было представлено как функция рабочих параметров и места впрыска. Результаты сравнивались с неинъекционным случаем. Для высокой частоты при заданном коэффициенте впрыска впрыск под углом 180 ° для угла впрыска в отверстии впрыска дал немного лучшую производительность компрессора по сравнению с 90 °.Было обнаружено, что впрыск жидкости при высокой частоте был очень эффективным, но впрыск при низкой частоте приводил к некоторым отрицательным эффектам с точки зрения мощности компрессора, производительности и адиабатической эффективности из-за более высокой утечки через спирали.

Aprea et al. [55] также представил исследование, касающееся компрессоров. В этом исследовании был проведен экспериментальный анализ, и они сравнили энергетические характеристики компрессора с регулируемой скоростью и контроль включения / выключения, управляемый с помощью классического термостата.Они использовали полугерметичный поршневой компрессор, работающий с хладагентами R22, R507 и R407C. Компрессор был спроектирован для номинальной частоты 50 Гц, но они тестировали его в диапазоне 30–50 Гц. Результаты показали, что при использовании R407C среднее потребление электроэнергии примерно на 12% меньше, когда инвертор был использован для управления холодопроизводительностью компрессора вместо термостатического управления. Таким образом, R407C подтверждает свое превосходство по сравнению с R417A и R507; только R22 показывает лучшую производительность.

Кроме этого, в некоторых исследованиях изучается энергосберегающий потенциал методов управления мощностью. Технико-экономическое обоснование и проектирование холодильной системы с переменной производительностью было выполнено демонстрационной схемой энергоэффективности от имени Министерства энергетики [56]. Коммерчески доступный компрессор с регулируемой скоростью контролировался в холодильнике супермаркета. В этом исследовании сначала была установлена ​​обычная система, а затем преобразована в переменную скорость для сравнения.Результаты показали экономию 56% энергии при высокой температуре (для молочных продуктов) и 30% экономию при низкой температуре (для замороженных продуктов). Достигнутая экономия энергии объясняется главным образом регулированием скорости вращения и полностью плавающим напором.

Райс [57, 58] учился на тепловом насосе, и он сообщил о 27% экономии энергии для модулирующей системы теплового насоса. В этом исследовании были учтены снижение циклических потерь, разгрузка теплообменника, снижение потерь при замерзании / оттаивании и уменьшение резервного нагрева.Он обнаружил, что более высокие потери скольжения двигателя и искажение формы сигнала инвертора снизили КПД обычного трехфазного асинхронного двигателя до 20%, и предположил, что эти потери могут быть уменьшены с помощью комбинации двигателя с инвертором с постоянным магнитом и электронной коммутацией.

Насутин и соавт. [59] изучали потенциал энергосбережения компрессора с регулируемой скоростью. Основной целью системы является обеспечение теплового комфорта для применения в системе кондиционирования воздуха и повышение способности системы соответствовать нагрузке.В этом исследовании система с постоянной скоростью была модифицирована с использованием инвертора и пропорционально-интегрально-производного (ПИД) контроллера. В результате экономия энергии для системы оценивалась примерно в 25,3% при температуре 22 ° C с помощью ПИД-регуляторов.

Недавно Cuevas и Lebrun [60] представили экспериментальное исследование, касающееся недостатков компрессоров с регулируемой скоростью, которые касаются эффективности инвертора, влияния инвертора на асинхронный двигатель и влияния переменной скорости на изэнтропию и объем компрессора. эффективность.Было отмечено, что КПД инвертора варьируется между 95 и 98% для электрической мощности компрессора, варьирующейся между 1,5 и 6,5 кВт, и что эффективность компрессора не сильно зависит от частоты питания компрессора. Когда частота вращения компрессора составляет 75 Гц, происходит небольшое ухудшение из-за электромеханических потерь. Эти потери увеличиваются со скоростью компрессора. Была получена максимальная изэнтропическая эффективность 0,65 для отношения давлений порядка 2,2. Экспериментальные результаты, полученные при 50 Гц, были использованы для определения шести параметров полуэмпирической модели, которая затем использовалась для моделирования различных испытаний, разработанных на разных скоростях компрессора.Результаты моделирования были в очень хорошем соответствии с измеренными. Результаты показали, что потери двигателя, вызванные инвертором, незначительны.

Исследования, связанные с ЧРП, важны для метода контроля производительности с переменной скоростью. Всесторонний обзор технологий применения силовой электроники был дан Бозе [61]. Согласно автору, доступные в настоящее время системы VFD могут быть классифицированы на три основных типа инверторов: шестиступенчатый преобразователь напряжения (VSI), шестиступенчатый преобразователь тока (CSI) и преобразователь источника напряжения с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).В отчете, опубликованном Управлением по энергоэффективности [62], сравниваются типичные показатели эффективности шести типов VFD различных рейтингов. Инвертор ШИМ показывает немного лучшую эффективность по сравнению с VSI и CSI.

Кроме того, к компрессору с регулируемой скоростью были применены автомобильная система охлаждения, мультииспаритель, моделирование системы, диагностика неисправностей и хладагент CO ₂ . Эти предметы объясняются ниже, соответственно.

Ryska et al. [63] представили, что новый метод оценки позволяет общее улучшение эффективности охлаждения для грузовика или автобуса при различных скоростях двигателя и стилях вождения.Этот метод был продемонстрирован в двух холодильных установках.

Park et al. [64] исследовали многоканальный инверторный кондиционер с ротационным компрессором с переменной скоростью вращения и электронным расширительным клапаном. Производительность системы была проанализирована с различными рабочими частотами компрессора, различными нагрузками охлаждения и долей нагрузки охлаждения между комнатами. Также была рассчитана оптимальная величина открытия электрического расширительного клапана (EEV).

Чой и Ким [65] измерили производительность мультикондиционера с инверторным приводом с двумя внутренними блоками, используя электронные расширительные клапаны (EEV).Для производительности, варьирующейся в помещении, были исследованы скорость открытия EEV и скорость спирального компрессора. Согласно экспериментальным результатам, автор предложил перегрев около 4 ° C для обоих внутренних блоков, используя EEV также, так как скорость компрессора должна быть отрегулирована для обеспечения оптимальной охлаждающей способности для внутренних блоков.

Saiz et al. [66] разработали стационарную компьютерную имитационную модель для холодильных контуров автомобильных систем кондиционирования воздуха. Имитационная модель включает компрессор с переменной производительностью и термостатический расширительный клапан в дополнение к испарителю и микроканальному конденсатору с параллельным потоком.Холодильный контур был оснащен компрессором с переменной мощностью, работающим от электродвигателя, управляемого преобразователем частоты.

Park et al. [67] разработали термодинамическую модель для спирального компрессора с переменной скоростью впрыскиваемого хладагента с использованием энергосбережения непрерывности и уравнения реального газа. В этой модели учитывались энергетический баланс в компрессоре низкого давления, нагрев всасываемого газа, КПД двигателя и объемная эффективность. Кроме того, утечка газа рассматривалась как функция частоты компрессора.Результаты показали отклонения от измеренных значений около 10% при 90% экспериментальных данных. Согласно модели, массовый расход, нагрев всасываемого газа, охлаждающая способность и потребляемая мощность компрессора были оценены и проанализированы как функция частоты. Кроме того, влияние впрыска на производительность компрессора обсуждалось в зависимости от частоты, геометрии впрыска и условий впрыска. Другое модельное исследование было исследовано Aprea и Renno [68].Основной целью данного исследования является термодинамическая модель, имитирующая работу системы охлаждения с компрессией пара. Модель может оценивать производительность системы, в то время как производительность компрессора регулируется с помощью инвертора, вставленного в электродвигатель компрессора. Автор сравнил результаты модели с экспериментальными результатами. Сравнение модельных и экспериментальных результатов осуществляется путем изменения частоты питания компрессора в диапазоне 30–50 Гц с использованием R407C.Сравнение модели и экспериментального результата вполне приемлемо с точки зрения температуры конденсации, степени сжатия, мощности конденсации и коэффициента полезного действия. Кроме того, представлен эксергетический анализ для объяснения производительности компонентов установки при работе с переменной скоростью.

В дополнение к этому исследованию Shao et al. [69] проанализировал моделирование компрессора с переменной скоростью для кондиционера и теплового насоса. Для реальных эксплуатационных характеристик компрессора с инверторным приводом использовался картографический метод.Поскольку функция второго порядка температуры конденсации и испарения, модель была построена на основной частоте и карте условий. Модель подтверждена фактическими условиями эксплуатации. Автор сравнил данные, предоставленные производителями компрессоров, средние относительные ошибки составляют менее 2, 3 и 4% для массового расхода хладагента, потребляемой мощности компрессора и коэффициента полезного действия (COP), соответственно, и автор выяснил, что эта модель компрессора с регулируемой скоростью подходит для моделирования инверторных систем кондиционирования и тепловых насосов.

Ким и Ким [70] провели экспериментальное исследование, чтобы определить влияние четырех искусственных неисправностей на производительность холодильной системы с переменной скоростью. Для оценки рабочих характеристик была модифицирована обычная система испытаний на сжатие пара, чтобы проверить несколько искусственных неисправностей, наблюдая изменение охлаждающей способности. Четырьмя основными неисправностями были неисправность компрессора, неисправность конденсатора, неисправность испарителя и утечка хладагента. Для упрощения диагностики неисправностей были организованы два разных модуля на основе правил для операций с постоянной и переменной скоростью.В результате ухудшение COP из-за сбоя в системе с переменной скоростью оказалось более сильным, чем в системе с постоянной скоростью.

Cho et al. [71] измерили эффективность охлаждения цикла СО _{29012 с переменной скоростью и проанализировали, варьируя величину заправки хладагента, частоту компрессора, открытие EEV и длину внутреннего теплообменника (IHX). В результате охлаждающая КС уменьшалась с увеличением частоты компрессора при всех нормированных расходах. Оптимальное открытие EEV увеличивается с частотой компрессора.Оптимальное давление нагнетания компрессора модифицированного цикла CO 2 с IHX было снижено на 0,5 МПа. IHX увеличил охлаждающую способность и КПД цикла CO 2 на 6,2–11,9% и 7,1–9,1%, соответственно, при испытанных частотах компрессора от 40 до 60 Гц.}

В дополнение к этим исследованиям, исследование Ekren и Kucuka [72] было выполнено с помощью системы чиллера с нечеткой логикой и компрессором с переменной скоростью вращения. В этом исследовании была изучена не только модуляция с переменной производительностью, но и влияние нечеткой логики на систему охлаждения.Спиральный компрессор, предназначенный для обучения в качестве компрессора с фиксированной скоростью, работал с переменной частотой вращения с ШИМ-инвертором. Также использовался электронный расширительный клапан с нечетким управлением. В этой системе увеличение КПД на 33,4% было получено в соответствии с системой включения / выключения. Это увеличение было получено из-за меньшей разницы температур между температурой конденсации и испарения.

Охлаждение

Охлаждение — это процесс, в котором выполняется работа по переносу тепла из одного места в другое. Эта работа традиционно выполняется механической работой, но также может быть выполнена с помощью магнетизма, лазера или других средств. Охлаждение имеет множество применений, включая, но не ограничиваясь: бытовые холодильники, промышленные морозильники, криогенные системы, кондиционеры и тепловые насосы.

Исторические приложения

Сбор льда

Использование льда для охлаждения и, таким образом, сохранения продуктов восходит к доисторическим временам. ^{[1] [2]} На протяжении веков сезонная уборка снега и льда была обычной практикой большинства древних культур: китайцев, греков, римлян, персов. Лед и снег хранились в пещерах или землянках, облицованных соломой или другими изоляционными материалами. Персы хранили лед в яме под названием , яхчал . Рационирование льда позволило сохранить продукты в теплое время года. Эта практика хорошо работала на протяжении веков, а теплицы оставались в употреблении в 20 веке.

В 16 веке открытие химического охлаждения было одним из первых шагов на пути к искусственному охлаждению. Нитрат натрия или нитрат калия при добавлении в воду понижал температуру воды и создавал своего рода охлаждающую ванну для охлаждения веществ. В Италии такое решение использовалось для охлаждения вина и пирожных. ^[3]

В первой половине 19-го века уборка льда стала крупным бизнесом в Америке. Новый англичанин Фредерик Тюдор, который стал известен как «Ледяной король», занимался разработкой более качественных изоляционных материалов для перевозки льда на большие расстояния, особенно в тропиках.

Первые холодильные системы

Первый известный метод искусственного охлаждения был продемонстрирован Уильямом Калленом в университете Глазго в Шотландии в 1756 году. Каллен использовал насос для создания частичного вакуума над контейнером с диэтиловым эфиром, который затем кипятился, поглощая тепло из окружающего воздуха. ^[4] Эксперимент даже создал небольшое количество льда, но в то время не имел практического применения.

В 1758 году Бенджамин Франклин и Джон Хэдли, профессор химии в Кембриджском университете, провели эксперимент по изучению принципа испарения как средства быстрого охлаждения объекта.Франклин и Хэдли подтвердили, что испарение очень летучих жидкостей, таких как спирт и эфир, может быть использовано для снижения температуры объекта выше точки замерзания воды. Они провели свой эксперимент с лампочкой ртутного термометра в качестве объекта и с сильфоном, используемым для «ускорения» испарения; они снизили температуру колбы термометра до 7 ° F (-14 ° C), в то время как температура окружающей среды составляла 65 ° F (18 ° C). Франклин отметил, что вскоре после того, как они достигли точки замерзания воды (32 ° F), на поверхности колбы термометра образовалась тонкая пленка льда и что ледяная масса была толщиной около четверти дюйма, когда они остановили эксперимент, достигнув 7 ° F (−14 ° C).Франклин заключил: «Из этого эксперимента можно увидеть возможность заморозить человека до смерти в теплый летний день». ^[5]

В 1805 году американский изобретатель Оливер Эванс разработал, но никогда не создавал, холодильную систему, основанную на паровом компрессионном цикле охлаждения, а не на химических растворах или летучих жидкостях, таких как этиловый эфир.

В 1820 году британский ученый Майкл Фарадей сжижал аммиак и другие газы, используя высокое давление и низкие температуры.

Американец, живущий в Великобритании, Джейкоб Перкинс, получил первый патент на пароохладительную холодильную систему в 1834 году. Перкинс создал прототип системы, и она действительно работала, хотя коммерчески это не удавалось. ^[6]

В 1842 году американский врач Джон Горри разработал первую систему охлаждения воды для производства льда. Он также задумал идею использовать свою систему охлаждения для охлаждения воздуха для комфорта в домах и больницах (т.е., кондиционирование воздуха). Его система сжимала воздух, затем частично охлаждала горячий сжатый воздух водой, прежде чем позволила ему расширяться при выполнении части работы, необходимой для привода воздушного компрессора. Это изэнтропическое расширение охлаждает воздух до температуры, достаточно низкой для замерзания воды и образования льда, или для протекания «через трубу для осуществления охлаждения», как указано в его патенте, выданном Патентным ведомством США в 1851 году. ^[7] Gorrie построил работающий прототип, но его система была коммерческим провалом.

Александр Твайнинг начал экспериментировать с холодильным паром с компрессией в 1848 году и получил патенты в 1850 и 1853 годах. Ему приписывают, что он начал коммерческое охлаждение в Соединенных Штатах к 1856 году.

Тем временем в Австралии Джеймс Харрисон начал работу механического льдогенератора в 1851 году на берегу реки Барвон в Роки-Поинт в Джилонге, штат Виктория. Его первый коммерческий льдогенератор появился в 1854 году, а его патент на систему компрессионного охлаждения паров эфира и жидкости был выдан в 1855 году.Харрисон ввел коммерческое холодильное оборудование для сжатия пара на пивоваренных заводах и мясокомбинатах, и к 1861 году дюжина его систем уже работала.

Австралийские, аргентинские и американские концерны экспериментировали с рефрижераторными перевозками в середине 1870-х годов; первый коммерческий успех пришел, когда Уильям Солтау Дэвидсон установил компрессионную холодильную установку на новозеландское судно Dunedin в 1882 году, что привело к мясному и молочному буму в Австралии и Южной Америке.J & E Hall of Dartford, Англия, оснастил «SS Selembria» системой сжатия пара, чтобы доставить 30 000 тушек баранины с Фолклендских островов в 1886 году. ^{[8] [9]}

Первая газопоглощающая холодильная система с использованием газообразного аммиака, растворенного в воде (именуемого «аквааммиак»), была разработана Фердинандом Карре из Франции в 1859 году и запатентована в 1860 году. Из-за токсичности аммиака такие системы не были разработаны для использования в домах, но были использованы для производства льда для продажи.В Соединенных Штатах потребительская общественность в то время все еще использовала ледяной ящик со льдом, привезенным от коммерческих поставщиков, многие из которых все еще собирали лед и хранили его в леднике.

Таддеус Лоу, американский аэростат гражданской войны, на протяжении многих лет экспериментировал со свойствами газов. Одним из его основных предприятий было массовое производство газообразного водорода. Он также получил несколько патентов на льдогенераторы. Его «Компрессионная ледяная машина» произвела бы революцию в холодильной промышленности.В 1869 году другие инвесторы и он приобрели старый пароход, на который они загрузили одну из холодильных установок Лоу, и начали перевозить свежие фрукты из Нью-Йорка в район побережья Мексиканского залива и свежее мясо из Галвестона, штат Техас, обратно в Нью-Йорк. Из-за недостатка знаний Лоу о судоходстве бизнес потерпел неудачу, и общественности было трудно привыкнуть к мысли о возможности потреблять мясо, которое так долго не было в упаковочном цехе.

Бытовые механические холодильники стали доступны в Соединенных Штатах примерно в 1911 году. ^{[10] [ мертвая ссылка ]}

Широкое коммерческое использование

К 1870-м годам пивоваренные заводы стали крупнейшими пользователями коммерческих холодильных установок, хотя некоторые все еще полагались на убранный лед. Несмотря на то, что к концу 20-го века индустрия уборки льда значительно выросла, загрязнение и сточные воды начали ползти в естественный лед, что создает проблему в столичных пригородах.Со временем пивоварни начали жаловаться на испорченный лед. Это повысило спрос на более современные и готовые к потреблению холодильные и ледогенераторы. В 1895 году немецкий инженер Карл фон Линде создал крупномасштабный процесс производства жидкого воздуха и, в конечном итоге, жидкого кислорода для использования в безопасных бытовых холодильниках.

вагонов-рефрижераторов для краткосрочной перевозки молочных продуктов. В 1867 году Дж. Б. Сазерленд из Детройта, штат Мичиган, запатентовал рефрижераторную машину, оснащенную цистернами со льдом на обоих концах машины и вентиляционными заслонками у пола, которые создавали гравитационную тягу холодного воздуха через автомобиль.

К 1900 году мясокомбинаты Чикаго приняли коммерческое охлаждение с аммиачным циклом. К 1914 году почти в каждом месте использовалось искусственное охлаждение. Крупные упаковщики мяса, Armor, Swift и Wilson, приобрели самые дорогие агрегаты, которые они установили на железнодорожные вагоны, а также в филиалы и складские помещения в более отдаленных районах распределения.

Лишь в середине 20-го века холодильные установки были разработаны для установки на грузовые автомобили или грузовики.Рефрижераторные транспортные средства используются для перевозки скоропортящихся продуктов, таких как замороженные продукты, фрукты и овощи, а также химикаты, чувствительные к температуре. Большинство современных холодильников поддерживают температуру от -40 до 20 ° C и имеют максимальную полезную нагрузку около 24 000 кг брутто (в Европе).

Товары для дома и быта

С изобретением синтетических хладагентов, основанных главным образом на химии хлорфторуглерода (ХФУ), более безопасные холодильники стали возможными для домашнего и бытового использования. Фреон является товарным знаком корпорации Dupont и относится к этим ХФУ, а затем к гидрохлорфторуглеродам (ГХФУ) и гидрофторуглеродам (ГФУ), хладагентам, разработанным в конце 1920-х годов.Эти хладагенты в то время считались менее вредными, чем обычно используемые хладагенты того времени, включая метилформиат, аммиак, метилхлорид и диоксид серы. Намерение состояло в том, чтобы предоставить холодильное оборудование для домашнего использования без опасности: эти хладагенты ХФУ ответили на эту потребность. Однако в 1970-х годах было установлено, что соединения реагируют с атмосферным озоном, важной защитой от солнечного ультрафиолетового излучения, и их использование в качестве хладагента во всем мире было сокращено в Монреальском протоколе 1987 года.

Текущие применения охлаждения

Вероятно, наиболее широко используемые в настоящее время холодильные системы используются для кондиционирования воздуха в частных домах и общественных зданиях, а также для охлаждения пищевых продуктов в домах, ресторанах и больших складах. Использование холодильников на кухне для хранения фруктов и овощей позволило добавлять свежие салаты в современную диету круглый год и безопасно хранить рыбу и мясо в течение длительного времени.

В торговле и на производстве существует множество применений для охлаждения.Охлаждение используется для разжижения газов, например, кислорода, азота, пропана и метана. При очистке сжатого воздуха он используется для конденсации водяного пара из сжатого воздуха с целью снижения его влагосодержания. На нефтеперерабатывающих, химических и нефтехимических заводах охлаждение используется для поддержания определенных процессов при необходимых низких температурах (например, при алкилировании бутенов и бутана с получением высокооктанового компонента бензина). Металлурги используют охлаждение для закалки стали и столовых приборов.При перевозке чувствительных к температуре пищевых продуктов и других материалов грузовиками, поездами, самолетами и морскими судами необходимо охлаждение.

Молочные продукты постоянно нуждаются в охлаждении, и только за последние несколько десятилетий было обнаружено, что яйца необходимо хранить в холодильнике во время отгрузки, а не в ожидании их охлаждения после прибытия в продуктовый магазин. Мясо, птица и рыба должны храниться в климатически контролируемой среде перед продажей. Охлаждение также помогает дольше сохранять фрукты и овощи съедобными.

Одним из наиболее влиятельных применений холодильного оборудования было развитие индустрии суши / сашими в Японии. До открытия холодильного оборудования многие ценители суши были подвержены риску заболеть. Опасности неохлажденных сашими не были выявлены в течение десятилетий из-за отсутствия исследований и распределения здравоохранения по всей сельской местности Японии. Примерно в середине столетия корпорация Zojirushi, базирующаяся в Киото, сделала прорыв в дизайне холодильников, сделав холодильники дешевле и доступнее для владельцев ресторанов и широкой публики.

Методы охлаждения

Методы охлаждения можно классифицировать как нециклических , циклических , термоэлектрических и магнитных .

Нециклическое охлаждение

При нециклическом охлаждении охлаждение осуществляется путем таяния льда или сублимации сухого льда (замороженного диоксида углерода). Эти методы используются для небольшого охлаждения, например, в лабораториях и мастерских, или в переносных холодильниках.

Ice обязан своей эффективностью в качестве охлаждающего агента температуре плавления 0 ° C (32 ° F) на уровне моря.Для таяния лед должен поглощать 333,55 кДж / кг (около 144 БТЕ / фунт) тепла. Продукты питания, выдерживаемые при этой температуре, имеют увеличенный срок хранения.

Твердый диоксид углерода не имеет жидкой фазы при нормальном атмосферном давлении и сублимирует непосредственно из твердой фазы в паровую при температуре -78,5 ° C (-109,3 ° F) и эффективен для поддержания продуктов при низких температурах во время сублимации. Такие системы, как этот, где хладагент испаряется и выпускается в атмосферу, известны как «охлаждение с полной потерей».

Циклическое охлаждение

Он состоит из холодильного цикла, в котором тепло отводится из низкотемпературного пространства или источника и отбрасывается в высокотемпературный приемник с помощью внешней работы, а его обратный — термодинамический энергетический цикл. В цикле мощности тепло подается от высокотемпературного источника к двигателю, причем часть тепла используется для производства работы, а остальная часть отводится в низкотемпературный поглотитель.Это удовлетворяет второму закону термодинамики.

Холодильный цикл описывает изменения, которые происходят в хладагенте, когда он попеременно поглощает и отбрасывает тепло, когда он циркулирует через холодильник. Он также применяется к работе HVACR при описании «процесса» потока хладагента через блок HVACR, будь то упакованная или раздельная система.

Тепло естественным образом течет от горячего к холодному. Работа применяется для охлаждения жилого помещения или объема хранения путем откачки тепла от источника тепла с более низкой температурой в радиатор с более высокой температурой.Изоляция используется для уменьшения работы и энергии, необходимой для достижения и поддержания более низкой температуры в охлаждаемом помещении. Принцип работы холодильного цикла был математически описан Сади Карно в 1824 году как тепловой двигатель.

В наиболее распространенных типах холодильных систем используется холодильный цикл с обратным рангиновским сжатием, хотя абсорбционные тепловые насосы используются в меньшем количестве областей применения.

Циклическое охлаждение можно классифицировать как:

1. Паровой цикл и
2. Газовый цикл

Охлаждение парового цикла может быть далее классифицировано как:

1. Парокомпрессионный холодильный
2. Паропоглощающий холодильный

Парокомпрессионный цикл

(более подробную информацию см. В разделе «Тепловой насос и холодильный цикл», «Паро-компрессионное охлаждение»)

Цикл сжатия пара используется в большинстве бытовых холодильников, а также во многих крупных коммерческих и промышленных холодильных системах.На рисунке 1 представлена ​​принципиальная схема компонентов типичной парокомпрессионной холодильной системы.

Рисунок 1. Холодильная компрессия с испарением

Термодинамику цикла можно проанализировать на диаграмме ^{[11] [12]} , как показано на рисунке 2. В этом цикле циркулирующий хладагент, такой как фреон, поступает в компрессор в виде пара. От точки 1 до точки 2 пар сжимается с постоянной энтропией и выходит из компрессора в виде пара при более высокой температуре, но все еще ниже давления пара при этой температуре.Из точки 2 в точку 3 и далее в точку 4 пар проходит через конденсатор, который охлаждает пар до тех пор, пока он не начнет конденсироваться, а затем конденсирует пар в жидкость, отводя дополнительное тепло при постоянном давлении и температуре. Между точками 4 и 5 жидкий хладагент проходит через расширительный клапан (также называемый дроссельным клапаном), где его давление резко падает, вызывая мгновенное испарение и автоохлаждение, как правило, менее половины жидкости.

Рисунок 2. Диаграмма температура – ​​энтропия

Это приводит к смеси жидкости и пара при более низкой температуре и давлении, как показано в точке 5.Затем холодная смесь жидкость-пар проходит через змеевик или трубки испарителя и полностью испаряется при охлаждении теплого воздуха (из охлаждаемого пространства), который продувается вентилятором через змеевик или трубы испарителя. Образующийся пар хладагента возвращается на вход компрессора в точке 1, чтобы завершить термодинамический цикл.

Приведенное выше обсуждение основано на идеальном холодильном цикле со сжатием паров и не учитывает реальных эффектов, таких как падение давления трения в системе, небольшая термодинамическая необратимость при сжатии паров хладагента или поведение неидеального газа. (если есть).

Более подробную информацию о конструкции и характеристиках парокомпрессионных холодильных систем можно найти в классическом справочнике Перри по химии . ^[13]

Цикл поглощения пара

В первые годы двадцатого века цикл поглощения паров с использованием водно-аммиачных систем был популярен и широко использовался. После разработки цикла сжатия пара цикл поглощения пара потерял большую часть своего значения из-за его низкого коэффициента полезного действия (около одной пятой от коэффициента сжатия пара).Сегодня цикл поглощения паров используется в основном там, где есть топливо для отопления, но нет электричества, например, в транспортных средствах для отдыха, которые перевозят сжиженный газ. Он также используется в промышленных условиях, где большое количество отработанного тепла преодолевает его неэффективность.

Цикл абсорбции аналогичен циклу сжатия, за исключением метода повышения давления паров хладагента. В абсорбционной системе компрессор заменяется абсорбером, который растворяет хладагент в подходящей жидкости, жидкостным насосом, который повышает давление, и генератором, который при добавлении тепла отводит пары хладагента из жидкости высокого давления.Жидкостному насосу требуется некоторая работа, но для заданного количества хладагента она намного меньше, чем требуется компрессору в цикле сжатия пара. В абсорбционном холодильнике используется подходящая комбинация хладагента и абсорбента. Наиболее распространенными комбинациями являются аммиак (хладагент) и вода (абсорбент), а также вода (хладагент) и бромид лития [абсорбент].

Газовый цикл

Когда рабочим телом является газ, который сжимается и расширяется, но не меняет фазы, цикл охлаждения называется газовым циклом .Воздух чаще всего является этой рабочей жидкостью. Поскольку в газовом цикле не предусмотрены конденсация и испарение, компоненты, соответствующие конденсатору и испарителю в цикле сжатия пара, представляют собой горячий и холодный газо-газовые теплообменники в газовых циклах.

Газовый цикл менее эффективен, чем цикл сжатия пара, потому что газовый цикл работает с обратным циклом Брайтона вместо обратного цикла Ренкина. Как таковая рабочая жидкость не получает и не отводит тепло при постоянной температуре.В газовом цикле эффект охлаждения равен произведению удельной теплоты газа и повышению температуры газа на стороне низкой температуры. Следовательно, для такой же охлаждающей нагрузки цикл охлаждения газа требует большого массового расхода и является громоздким.

Из-за своей низкой эффективности и большей массы холодильники с воздушным циклом в настоящее время не часто используются в наземных охлаждающих устройствах. Тем не менее, машина воздушного цикла очень распространена на реактивных самолетах с газовыми турбинами в качестве блоков охлаждения и вентиляции, потому что сжатый воздух легко доступен из секций компрессора двигателей.Такие агрегаты также служат для герметизации самолета.

Термоэлектрическое охлаждение

Термоэлектрическое охлаждение использует эффект Пельтье для создания теплового потока между соединением двух разных типов материалов. Этот эффект обычно используется в кемпингах и переносных кулерах, а также для охлаждения электронных компонентов и небольших приборов.

Магнитное охлаждение