Принципы работы холодильника и кондиционера

Размещено на http://www.allbest.ru/

Принцип работы компрессора

В основу работы компрессора положены законы технической ; термодинамики. Название термодинамика происходит от греческих слов «термос» -- тепло и «динамика» -- сила. Техническая термодинамика изучает процессы превращения теплоты в механическую работу и обратно. Компрессоры сообщают газам полезную энергию (потенципльную и кинематическую), предопределяя изучение тепловой формы движения газообразных сред.

Газ может находиться в различных состояниях. В качестве основных термодинамических параметров для газов приняты давление, температура и удельный объем или плотность.

Давление (р) - это отношение силы Р к поверхности площадью F. Когда сила нормальная и равномерно распределена по поверхности, p--P/F. Поэтому очевидно, что давление - это сила, которая действует на единицу поверхности. Давление может быть выражено в различных единицах измерения -- техническая атмосфета (ат), паскаль (Па), миллиметры ртутного столба. Все они находятся в определенной зависимости: 1ат=1кгс/см2=98 100 Па=0,0981 Мпа=735,5 мм.рт.ст. Кроме того, существует понятие барометрическое (атмосферное) давление (Рбар) -- давление, которое создает атмосферный воздух. Для измерения атмосферного давления используют приборы, называемые барометрами. Если давление газа выше атмосферного, то его измеряют манометрами, показывающими разность между действительным и барометрическим давлениями газа. Замеренное манометром давление обычно называют избыточным. Значит, если необходимо определить действительное (абсолютное) давление газа, нужно к показаниям барометра прибавить показания манометра и получить результат по формуле

Рабс=Рбар+Ризб.

Температура характеризует энергию движущихся молекул. Ее из- : меряют с помощью термометров, имеющих определенную температурную шкалу. В технике используют две температурные шкалы: практическую с единицей градус Цельсия (°С) и термодинамическую с единицей Кельвина (К). При построении шкалы Цельсия температура плавления льда при нормальном давлении принимается за 0°С, а температура кипения воды - за 100°С. В природе существует самая низкая температура, называемая абсолютным нулем температуры. По шкале Цельсия абсолютный ноль равен 273°С. Шкала Кельвина является основной температурной шкалой в системе СИ. За К принимается абсолютный ноль температуры, а в качестве опорной точки используется температура тройной точки воды, которой придано численное значение 273 К.

Удельный объем V -- это объем единицы массы U=V/m, где V -- объем, занимаемый газом, мз; m -- масса этого груза, кг. Плотность - это масса единицы объема. Плотность является обратной величиной удильного объема q=m/V.

Чтобы проследить особенности и выявить закономерности протекания тепловых процессов в компрессоре, вводится понятие -- идеальный компрессор. Приняв для идеального компрессора допустимый ряд упрощений, можно все процессы в нем охарактеризовать простыми зависимостями между термодинамическими параметрами. Различают три процесса, протекающих в идеальном компрессоре: всасывание, повышение давления, нагнетание.

При этом для идеального компрессора справедливы три допущения: 1) в процессе повышения давления имеется постоянное количество газа, т.е. какая масса газа будет всасываться, такая же масса выталкивается из компрессора в процессе нагнетания с изменением объема всасываемого газа; 2) температура и давление газа для процессов всасывания и нагнетания остаются неизменными для всего периода работ компрессора; 3) все процессы при сжатии внутри компрессора протекают без трения.

Работа действительного компрессора во многом отличается от упрощенной модели идеального компрессора.

В действительном компрессоре одновременно протекают разнообразные термодинамические процессы, влияющие на производительность и потребляемую мощность. Причем, интенсивность этих процессов в различных точках рабочей полости изменяется в течении оборота вала, периодически повторяясь.

Компрессоры, предназначенные для сжатия воздуха, называются воздушными. В автокомпрессорах применяют воздушные поршневые, винтовые, ротационно-пластинчатые компрессорные установки.

Принцип действия поршневого воздушного компрессора основан на изменении объема воздуха в цилиндре при движении поршня от верхней мертвой точки (в.м.т.) вниз к нижней мертвой точке (н.м.т.). Благодаря создавшейся разности давлений вне цилиндра и внутри его автоматически открывается всасывающий клапан и атмосферный воздух поступает в цилиндр. При этом нагнетательный клапан остается открытым. При обратном ходе поршня к в.м.т воздух сжимается и давление в цилиндре повышается, всасывающий клапан автоматически закрывается, а нагнетательный -- открывается и сжатый воздух выталкивается из поршня. Таким образом, в компрессоре при одном ходе поршня происходит всасывание воздуха, а при другом -- сжатие.

В винтовом компрессоре воздух сжимается в процессе вращения двух роторов, установленных в корпусе компрессора. На роторе нарезаны зубья специального профиля, которые называются винтами. Всасываемый воздух порциями последовательно перемещается в винтовой нарезке впадин при вращении роторов, образуя непрерывный рабочий цикл сжатия. Главным требованием к профилю зубьев ротора (винта) является обеспечение непрерывности линии контакта. В ротационно-пластинчатом компрессоре на роторе нарезаны пазы, в которых установлены пластины. Воздух, попадая в ячейки между рабочими пластинами, при вращении ротора сжимается. Сжатие воздуха происходит путем уменьшения объема рабочих полостей, заключенных между пластинами вращающегося ротора и цилиндром -- статором компрессора. В процессе сжатия в полость всасывания компрессора впрыскивается масло, которое охлаждает воздух, смазывает трущиеся детали и улучшает компрессию, образуя масло-воздушную смесь. Сжатая в цилиндре I ступени масло-воздушная смесь, нагнетается во II ступень компрессора, далее, еще раз сжимаясь, поступает в маслосборник, где отделяется основная часть масла. Окончательно воздух отделяется от масла в маслоотделителе. Очищенный сжатый воздух поступает в воздухосборник и через раздаточные вентили направляется к потребителям.

Рассмотрим принципиальную схему действия.автокомпрессора АПКС-6 с приводом от двигателя базового автомобиля (рис.172). На раме 13 базового автомобиля установлен компрессор 4, воздухосборник 1 и холодильник 2. Холодильник обдувается потоком воздуха, подаваемого вентилятором 3, установленным на валу компрессора. Привод компрессора осуществляется от двигателя автомобиля посредством промежуточных карданных валов 10 и 12 через коробку отбора мощности 11. Вал компрессора приводится от карданных валов через редуктор 7 и эластичную муфту 5. Компрессор включают с помощью рычага 9 из кабины машиниста (водителя). Для контроля за работой компрессора предусмотрен щит 6 с приборами. Компрессор и механизмы станции закрыты капотом 8 с открывающимися боковыми щитами. На раме автомобиля установлен ящик для хранения инструмента, приспособлений и комплект раздаточных шлангов.



Компрессионный цикл охлаждения холодильной машины

Компрессионный цикл охлаждения состоит из четырех основных элементов:

Компрессора испарителя конденсатора регулятора потока

Эти основные элементы соединены трубопроводами в замкнутую систему, по которой циркулирует хладагент (обычно это фреон). Компрессор производит циркуляцию хладагента и поддерживает высокое давление (20-23 атм.) в конденсаторе.

Основные элементы цикла охлаждения:

- На выходе из испарителя хладагент - это пар при низкой температуре и низком давлении.

- Затем компрессор всасывает хладагент, давление повышается до примерно 20 атм., а температура достигает 70 - 90оС.

- После этого горячий пар хладагента попадает в конденсатор, где он охлаждается и конденсируется. Для охлаждения используется вода или воздух. На выходе из конденсатора хладагент представляет собой жидкость под высоким давлением.

Внутри конденсатора пар должен полностью перейти в жидкое состояние. Для этого температура жидкости, выходящей из конденсатора, на несколько градусов (обычно 4-6°С) ниже температуры конденсации при данном давлении.

- Затем хладагент (имеющий в этот момент жидкое агрегатное состояние при высоких давлении и температуре) поступает в регулятор потока.

Здесь давление резко падает, и происходит частичное испарение.

- На вход испарителя попадает смесь пара и жидкости. В испарителе жидкость должна полностью перейти в парообразное состояние. Поэтому температура пара на выходе из испарителя немного выше температуры кипения при данном давлении (обычно на 5-8оС). Это необходимо, чтобы в компрессор не попали даже мелкие капли жидкого хладагента, иначе компрессор может быть поврежден.

- Образовавшийся в испарителе перегретый пар выходит из него, и цикл возобновляется сначала.

Итак, ограниченное количество хладагента постоянно циркулирует в холодильной машине, меняя агрегатное состояние при периодически изменяющихся температуре и давлении.

В каждом цикле имеется два определенных уровня давления. На стороне высокого давления происходит конденсация хладагента и находится конденсатор. На стороне низкого давления находится испаритель и жидкий хладагент превращается в пар. Граница между областями высокого и низкого давления проходит в двух точках - на выходе из компрессора (нагнетательный клапан) и на выходе из регулятора потока.

Энтальпия хладагента

Описанный выше цикл охлаждения удобно изображать графически. На диаграмме показано соотношение давления и теплосодержания (энтальпии) хладагента. Энтальпия - это функция состояния, приращение которой при процессе с постоянным давлением равно теплоте, полученной системой. На диаграмме показана кривая насыщения хладагента.

- Левая ветвь кривой соответствует насыщенной жидкости - Правая часть соответствует насыщенному пару. - В критической точке ветви кривой соединяются, и вещество может находиться и в жидком, и в газообразном состоянии. - Внутри кривой - зона, соответствующая смеси пара и жидкости. - Слева от кривой (в области меньшей энтальпии) - переохлажденная жидкость. - Справа от кривой (в области большей энтальпии) - перегретый пар.

Теоретический цикл охлаждения несколько отличается от реального. В действительности происходят потери давления на разных этапах перекачки хладагента, снижающие эффективность охлаждения. Это не учитывается в идеальном цикле

Теоретический цикл охлаждения

1. 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.

2. 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%.

3. 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.

4. 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.

Принцип работы кондиционера

Итак, в основе работы кондиционера лежит перемещение тепла сжиженным газом, который называют хладагентом, в процессе перехода его из жидкости в пар и обратно. Т.о. процесс работы кондиционера практически ничем не отличается от процесса работы обычного холодильника. Температура кипения хладагента намного ниже температуры кипения воды. Например, температура кипения наиболее часто используемого хладагента - фреона R-22 составляет 5-10°С, в то время как вода кипит при температуре 100°С.

Рассмотрим цикл работы кондиционера в режиме охлаждения. Благодаря работе компрессора, размещенного в наружном блоке, во внутреннем блоке создается пониженное давление. Температура хладагента в этот момент равна 5-10°С, поэтому он начинает кипеть и переходит в пар. Необходимая для этого энергия поступает от теплого воздуха помещения, отдающего часть своего тепла хладагенту. Охлажденный таким образом воздух возвращается вентилятором внутреннего блока обратно в помещение.

В то же время парообразный хладагент, проходя через компрессор наружного блока, сжимается под воздействием высокого давления и температура его увеличивается до 50-60°С. Далее горячий пар охлаждается в наружном блоке и снова превращается в жидкость, отдавая тепло окружающему воздуху при помощи вентилятора наружного блока. И даже если температура окружающей среды достигает 40-45°, она все же ниже температуры хладагента. После конденсатора жидкий хладагент пропускается через капиллярную трубку. Давление при этом резко падает и температура хладагента вновь опускается до 5-10°С, в результате чего жидкость снова начинает кипеть в испарителе, поглощая тепло из охлаждаемого помещения.

Таким образом, при работе кондиционера происходит перенос тепла из среды, в которой находится испаритель (внутреннее помещение) в ту среду, где находится конденсатор (улица).

Конструкция кондиционера

1.Компрессоры: принцип работы и типы

Один из главных элементов любой холодильной машины - это компрессор.

Компрессор всасывает пар хладагента, имеющий низкие температуру и давление, затем сжимает его, повышая температуру (до 70 - 90°С) и давление (до 15 - 25 атм.), а затем направляет парообразный хладагент к конденсатору.

Основные характеристики компрессора - степень компрессии (сжатия) и объем хладагента, который он может нагнетать. Степень сжатия - это отношение максимального выходного давления паров хладагента к максимальному входному.

В холодильных машинах используют компрессоры двух типов:

1. поршневые - с возвратно-поступательным движением поршней в цилиндрах;

2. ротационные, винтовые и спиральные- с вращательным движением рабочих частей.

Поршневые компрессоры

Поршневые компрессоры используются чаще всего в машинах большой мощности. Принцип их работы показана на схеме. При движении поршня (3) вверх по цилиндру компрессора (4) хладагент сжимается. Поршень перемещается электродвигателем через коленчатый вал (6) и шатун (5). Под действием давления пара открываются и закрываются всасывающие и выпускные клапаны компрессора холодильной машины. На схеме 1 показана фаза всасывания хладагента в компрессор. Поршень начинает опускаться вниз от верхней точки, при этом в камере компрессора создается разрежение и открывается впускной клапан (12). Парообразный хладагент низкой температуры и низкого давления попадает в рабочее пространство компрессора. На схеме 2 показана фаза сжатия пара и его выхода из компрессора. Поршень поднимается вверх и сжимает пар. При этом открывается выпускной клапан компрессора (1) и пар под высоким давлением выходит из компрессора. Основные модификации поршневых компрессоров(отличаются конструкцией, типом двигателя и назначением):

1. герметичные компрессоры;

2. полугерметичные компрессоры;

3. открытые компрессоры.

Герметичные компрессоры:

Используются в холодильных машинах небольшой мощности (1.5 - 35 кВт). Электродвигатель расположен внутри герметичного корпуса компрессора. Охлаждение электродвигателя производится самими всасываемым хладагентом.

Полугерметичные компрессоры:

Используются в холодильных машинах средней мощности (30 - 300 кВт). В полугерметичных компрессорах электродвигатель и компрессор соединены напрямую и размещены в одном разборном контейнере. Преимущество этого типа компрессоров в том, что при повреждениях можно вынуть двигатель, чтобы ремонтировать клапаны, поршень и др. части компрессора. Охлаждение электродвигателя производится самими всасываемым хладагентом.

Открытые компрессоры:

Имеют внешний электродвигатель, выведенный за пределы корпуса, и соединенный с компрессором напрямую или через трансмиссию.

Мощность многих холодильных установок может плавно регулироваться с помощью инверторов - специальных устройств, изменяющих скорость вращения компрессора.

В полугерметичных компрессорах возможен и другой способ регулировки мощности - перепуском пара с выхода на вход либо закрытием част всасывающих клапанов.

Основные недостатки поршневых компрессоров: - пульсации давления паров хладагента на выходе, приводящие к высокому уровню шума. - большие нагрузки при пуске, требующие большого запаса мощности и приводящие к износу компрессора.

Ротационные компрессоры вращения (наиболее часто применяемые)

Принцип работы ротационных компрессоров вращения основан на всасывании и сжатии газа при вращении пластин. Их преимущество перед поршневыми компрессорами состоит в низких пульсациях давления и уменьшении тока при запуске. Существует две модификации ротационных компрессоров:

1. со стационарными пластинами;

2. с вращающимися пластинами.

Компрессор со стационарными пластинами

В компрессоре со стационарными пластинами хладагент сжимается при помощи эксцентрика, установленного на ротор двигателя. При вращении ротора эксцентрик катится по внутренней поверхности цилиндра компрессора, и находящийся перед ним пар хладагента сжимается, а затем выталкивается через выпускной клапан компрессора. Пластины разделяют области высокого и низкого давления паров хладагента внутри цилиндра компрессора. 1.Пар заполняет имеющееся пространство 2.Начинается сжатие пара внутри компрессора и всасывание новой порции хладагента 3.Сжатие и всасывание продолжается 4.Сжатие завершено, пар окончательно заполнил пространство внутри цилиндра компрессора.

Компрессор с вращающимися пластинами

В компрессоре с вращающимися пластинами хладагент сжимается при помощи пластин, закрепленных на вращающемся роторе. Ось ротора смещена относительно оси цилиндра компрессора. Края пластин плотно прилегают к поверхности цилиндра, разделяя области высокого и низкого давления. На схеме показан цикл всасывания и сжатия пара. Пар заполняет имеющееся пространство Начинается сжатие пара внутри компрессора и всасывание новой порции хладагента Сжатие и всасывание завершается. Начинается новый цикл всасывания и сжатия. Компрессора, на одном валу которых расположено два ротора, называют двуроторными.

Спиральные компрессоры SCROLL

Спиральные компрессоры применяются в холодильных машинах малой и средней мощности.

Такой компрессор состоит из двух стальных спиралей. Они вставлены одна в другую и расширяются от центра к краю цилиндра компрессора. Внутренняя спираль неподвижно закреплена, а внешняя вращается вокруг нее.

Спирали имеют особый профиль (эвольвента), позволяющий перекатываться без проскальзывания. Подвижная спираль компрессора установлена на эксцентрике и перекатывается по внутренней поверхности другой спирали. При этом точка касания спиралей постепенно перемещается от края к центру. Пары хладагента, находящиеся перед линией касания, сжимаются, и выталкиваются в центральное отверстие в крышке компрессора. Точки касания расположены на каждом витке внутренней спирали, поэтому пары сжимаются более плавно, меньшими порциями, чем в других типах компрессоров. В результате нагрузка на электродвигатель компрессора снижается, особенно в момент пуска компрессора.

Пары хладагента поступают через входное отверстие в цилиндрической части корпуса, охлаждают двигатель, затем сжимаются между спиралей и выходят через выпускное отверстие в верхней части корпуса компрессора.

Недостатки спиральных компрессоров:

1. Сложность изготовления и, как следствие, высокая цена;

2. необходимо очень точное прилегание спиралей и герметичность по их торцам.

Винтовые компрессоры применяются в холодильных машинах большой мощности (150 - 3500 кВт). Существуют две модификации этого типа: - с одинарным винтом - с двойным винтом

Винтовой компрессор с одинарным винтом:

Модели с одинарным винтом имеют одну или две шестерни-сателлита, подсоединенные к ротору с боков.

Сжатие паров хладагента происходит с помощью вращающихся в разные стороны роторов. Их вращение обеспечивает центральный ротор в виде винта.

Пары хладагента поступают через входное отверстие компрессора, охлаждают двигатель, затем попадают во внешний сектор вращающихся шестеренок роторов, сжимаются и выходят через скользящий клапан в выпускное отверстие.

Винты компрессора должны прилегать герметично, поэтому используется смазывающее масло. Впоследствии масло отделяется от хладагента в специальном сепараторе компрессора.

Винтовой компрессор с двойным винтом:

Модели с двойным винтом отличаются использованием двух роторов - основного и приводного.

Винтовые компрессоры не имеют впускных и выпускных клапанов. Всасывание хладагента постоянно происходит с одной стороны компрессора, а его выпускание - с другой стороны. При таком способе сжатия паров уровень шума гораздо ниже, чем у поршневых компрессоров.

Винтовые компрессоры позволяют плавно регулировать мощность холодильной машины с помощью изменения частоты оборотов двигателя.

2.Теплообменник

Кондиционер содержит в себе внешний и внутренний теплообменники. Их функция - осуществлять теплообмен между хладагентом и воздухом окружающей среды. Во время охлаждения внутренний теплообменник называется испарителем, а внешний конденсатором. Во время нагрева - наоборот. Испаритель - поглощает тепло из помещения и понижает его температуру. Конденсатор - заставляет хладагент выделять тепло в окружающую среду и конденсирует хладагент в жидкость.

Теплообменник состоит из теплообменных пластин и медных трубок. Пластины на медных трубках усиливают эффект теплообмена. Движимый вентилятором воздух проходит через поверхность теплообменника, который заставляет хладагент выделять тепло в окружающую среду.

Основные неполадки во время работы теплообменника связаны с тем, что пыль забивает теплообменные каналы, это серьезно влияет на работу теплообменника. Здесь важно регулярно прочищать теплообменник вручную или, используя пылесос или сжатый воздух.

3.Терморегулирующий вентиль

Для того чтобы жидкий хладагент мог испаряться, необходимо снизить его давление. Для этого на выходном отверстии конденсатора устанавливается препятствие, ограничивающее объем проходящего через него фреона. Как правило для этого используется длинная тонкая трубка, называемая капиллярной трубкой. После прохождения жидкого хладагента через капиллярную трубку его давление падает и он попадает в испаритель.

4.Четырех ходовой клапан

Четырех ходовой реверсивный клапан предназначен для изменения направления движения хладагента. Во время работы в режиме "охлаждение" газ с высокой температурой и давлением поступает во внешний теплообменник через клапан. Во время работы в режиме "нагрев" клапан направляет газ с высокой температурой и давлением во внутренний теплообменник. Состоит из основного и распределительного клапанов.

Принцип работы кондиционера на тепло

Летом поток воздуха из внешнего блока кондиционера теплый, таким образом, логично предположить, что, меняя внутренний и внешний блоки местами, кондиционер можно использовать на обогрев зимой. Однако это нецелесообразно. Вместо того чтобы менять внутренний и внешний блоки местами используют деталь, называемую четырехходовый реверсивный клапан, для изменения направления движения потока хладагента. Данный метод, названный обогрев в режиме теплового насоса, основан на принципе забора теплоты из воздуха вне помещения и ее переноса в воздух, находящийся внутри помещения.

Если температура на улице всего 7оС, то температура, при которой происходит испарение хладагента во внешнем теплообменнике, все равно ниже (от 0 до 3оС). Такой градиент температур (4…7оС) позволяет обирать теплоту из воздуха снаружи и передавать ее внутрь помещения.

Однако чем ниже опускается температура на улице, тем меньше становится градиент температур и тем труднее отобрать теплоту из воздуха. Другими словами, мощность обогрева падает по мере понижения температуры на улице.

Когда температура на улице падает до 5оС, температура испарения внешнего теплообменника падает ниже 0оС. В результате содержащаяся в воздухе влага осаждается на теплообменник в виде инея. Если этот иней не удалять, то его будет накапливаться все больше и больше, в результате чего будет остановлен поток воздуха через теплообменник и, следовательно, перестанет осуществляться отбор теплоты из уличного воздуха. Чтобы этого не произошло, необходимо своевременно счищать иней с теплообменника. Для этого в процессе обогрева рабочий цикл переключается с обогрева на охлаждение и, теплота, отдаваемая газообразным хладагентом, способствует устранению инея. Данный процесс во многих каталогах называют «разморозка обратным циклом».

кондиционер температура холодильник компрессор

Особенности работы кондиционера в условиях низких температур

Производители бытовых кондиционеров с реверсивным циклом в технической документации на товар, как правило, указывают температурный диапазон, в котором можно эксплуатировать кондиционер. Нижняя граница этого диапазона редко опускается до температуры ниже -5°С для режима "холод" и 0°С для режима "тепло". Что произойдет с кондиционером, если пренебречь этим ограничением? Что необходимо сделать, чтобы кондиционер можно было эксплуатировать при более низких температурах, без риска вывести его из строя? Эти вопросы являются особенно актуальными в условиях зимы и поэтому требуют ответа.

Если следовать рекомендациям производителя, то лучший способ эксплуатации кондиционера в холодное время года при отрицательных температурах наружного воздуха - это его консервация.

Консервация кондиционера на зиму предусматривает следующие мероприятия (как правило данные мероприятия никто не выполняет).

1. Конденсация хладагента в наружный блок, которая предусматривает выполнение следующих операций:

1. подключение манометрического коллектора к сервисному порту;

2. включение кондиционера на "холод";

3. запирание жидкостного вентиля компрессорно-конденсаторного блока кондиционера;

4. запирание газового вентиля при давлении всасывания ниже атмосферного;

5. отключение манометрического коллектора. Это позволит избежать потерь хладагента через неплотности наружной фреоновой магистрали.

2. Отключение или блокировка цепей запуска компрессора, исключающая ошибочный запуск компрессора. 3. Ограждение компрессорно-конденсаторного блока кондиционера с целью исключить его повреждение льдом или падающими сосульками (при необходимости).

Что же делать, если без кондиционера зимой не обойтись? Как уменьшить риск серьезной поломки кондиционера?

Выясним, что же происходит внутри кондиционера при низких температурах окружающего воздуха. Известно, что бытовые кондиционеры не производят холод или тепло, они лишь "перекачивают" тепло из одного термоизолированного объема в другой, то есть - по принципу действия - это "тепловые насосы". Для переноса тепла используются специальные вещества - хладагенты. Обмен теплом между хладагентом и окружающим воздухом происходит через воздушные теплообменники.

Схематически это выглядит так:

1. тепло из воздуха в одном термоизолированном объеме через теплообменник поглощается хладагентом;

2. хладагент с помощью компрессора перекачивается в другой теплообменник;

3. тепло, аккумулированное хладагентом через теплообменник, сбрасывается в воздух.

Производительность воздушного теплообменника или количество тепла, которое может отдать или получить хладагент через теплообменник, зависит от конструкции и температуры воздуха, проходящего через него. Поэтому суть основной проблемы, ограничивающей использование бытового кондиционера с реверсивным циклом зимой, - изменение производительности теплообменника компрессорно-конденсаторного блока при снижении температуры окружающего воздуха. Причем при работе на "холод" теплообменник оказывается переразмеренным (слишком большим), а при работе на "тепло" - недоразмеренным (слишком маленьким).

При работе кондиционера в режиме "холод" возникают также и дополнительные проблемы:

1. снижение производительности холодильной машины;

2. увеличение продолжительности переходного режима работы холодильной машины (кондиционера);

3. "натекание" жидкого хладагента в картер компрессора;

4. проблема запуска компрессоров при низких температурах окружающего воздуха;

5. проблема отвода дренажной воды.

Остановимся на отрицательных последствиях указанных проблем. А именно:

1. снижение холодопроизводительности кондиционера;

2. обмерзание внутреннего блока кондиционера и, как следствие, еще большее снижение производительности, риск гидроудара и повреждения компрессора;

3. нарушение работы системы отвода конденсата (конденсат по покрытому льдом теплообменнику стекает мимо дренажной ванны на вентилятор и выбрасывается в помещение);

4. ухудшение охлаждения электродвигателя компрессора, периодическое срабатывание тепловой защиты, риск теплового пробоя изоляции;

5. чрезмерное повышение температуры нагнетания компрессора, риск повреждения пластмассовых деталей четырехходового вентиля;

6. риск гидравлического удара при пуске компрессора из-за вскипания хладагента, натекшего в компрессор;

7. замерзание дренажной магистрали.

К счастью, перечисленные проблемы, возникающие при работе кондиционера на "холод", имеют решение. Это использование зимнего комплекта кондиционера.

В состав зимнего комплекта входит:

1. Замедлитель скорости вращения вентилятора - вариатор. Он решает задачу снижения производительности теплообменника компрессорно-конденсаторного блока путем уменьшения потока воздуха, проходящего через него. Чувствительным элементом замедлителя является датчик, контролирующий температуру конденсации. Исполнительным элементом - регулятор скорости вращения вентилятора обдувающего теплообменник. Замедлитель реализует функцию поддержания заданной температуры конденсации. Попутно решаются проблемы снижения производительности кондиционера, обмерзания внутреннего блока и другие, связанные с переразмеренностью теплообменника компрессорно-конденсаторного блока.

2. Нагреватель картера компрессора. Он решает проблемы пуска холодного компрессора, препятствуя его повреждению. Таким образом, устанавливается замедлитель

Механизм защиты следующий: при остановке компрессора включается нагреватель картера, установленный на компрессоре. Даже небольшая разница температур компрессора и остальных деталей наружного блока, создаваемая нагревателем картера, исключает натекание хладагента в картер. Масло не загустевает, вскипание хладагента при пуске компрессора не происходит.

Каковы же проблемы, возникающие при работе кондиционера с реверсивным циклом на "тепло" при отрицательных температурах?

Заметим, что существует два источника тепла, которое "перекачивает" кондиционер в помещение. Во-первых, это тепло, которое забирается из наружного воздуха. Во-вторых, это теплота работы сжатия компрессора и теплота, выделяемая электродвигателем компрессора.

Первая составляющая сильно зависит от температуры наружного воздуха и по сути определяет все негативные явления происходящие в кондиционере при низких температурах наружного воздуха. Для того чтобы тепло наружного воздуха перетекало в нужном направлении, температура фазового перехода хладагента (испарения) должна соответствовать определенной величине, которая является характеристикой теплообменника и называется полным перепадом.

Что происходит в кондиционере, работающем на "тепло", при температурах, близких к 0°С?

Температура фазового перехода для нормального процесса переноса тепла устанавливается ниже температуры окружающего воздуха на величину полного перепада, которая для наружных блоков бытовых кондиционеров составляет 5-15°С. То есть уже при температуре окружающего воздуха +5°С температура фазового перехода (испарения), даже для хорошего теплообменника с малым перепадом, отрицательная. Это приводит к тому, что теплообменник начинает покрываться инеем, ухудшается теплообмен с воздухом, растет полный температурный перепад, температура испарения падает. Поскольку производительность кондиционера практически пропорционально зависит от давления (температуры) испарения, она также падает.

Мощности "заросшего" инеем теплообменника недостаточно для испарения поступающего в него жидкого хладагента, и он начинает поступать на всасывание компрессора.

Какие последствия для кондиционера это может вызвать?

1. Система оттаивания наружного блока, периодически включающаяся в работу, приводит к образованию льда внутри компрессорно-конденсаторного блока кондиционера и, в свою очередь, к блокировке или разрушению лопастей вентилятора.

2. Жидкий хладагент, не испарившийся в теплообменнике, попадает в магистраль всасывания, затем в отделитель жидкости, далее внутрь компрессора, вызывая гидравлический удар.

3. Перегрев, а затем (при попадании жидкого хладагента внутрь корпуса компрессора) обмерзание компрессора.

Причина перечисленных последствий - слишком низкая производительность теплообменника компрессорно-конденсаторного блока кондиционера при снижении температуры наружного воздуха. Действенных методов повышения этой производительности, к сожалению, нет. Последствия, как правило, катастрофические. Поэтому включать кондиционер на "тепло" при отрицательных температурах окружающего воздуха категорически нельзя.

Подводя итог, можно сказать:

1. Лучший способ эксплуатации кондиционера зимой - консервация;

2. При необходимости можно эксплуатировать кондиционер, но только в режиме "холод" и при условии оборудования его зимним комплектом.

Инверторные кондиционеры

Активное развитие рынка кондиционеров приводит к быстрому внедрению любых новшеств, особенно позволяющих сделать кондиционер более эффективным и экономичным. Особенно большие перспективы в этом направлении открылись с появлением сплит-систем инверторного типа. Их основное отличие от традиционных моделей заключается в возможности плавно регулировать число оборотов двигателя компрессора, а, следовательно, - мощность кондиционера. Что же это дает?

В обычной (классической) сплит-системе двигатель компрессора имеет только два режима: включен и выключен (позиционная регулировка мощности). Поэтому традиционный кондиционер работает короткими импульсами: включается на полную мощность, доводит температуру до оптимальной и переходит в режим ожидания пока она снова не изменится в ту или другую сторону.

Несколько иначе действует кондиционер с инверторным управлением, мощность которого может плавно регулироваться. После того, как температура в помещении достигла заданного на пульте значения такой кондиционер не выключается, а снижает обороты компрессора и поддерживает температуру на заданном уровне. Такая схема работы позволяет экономить электричество - от 23 до 30% в зависимости от марки кондиционера. Более того, некоторые современные модели при определенных режимах работы позволяют сберечь до 30% энергии!

При этом большую часть времени кондиционер работает на малой скорости вентилятора внутреннего блока, а, следовательно, уровень шума минимален. К тому же отсутствуют скачки звукового давления, происходящие из-за переключения скоростей вентилятора, особенно чувствительные при пуске. Также на уровень шума влияет отсутствие потрескивания теплообменника при постоянных включениях-выключениях компрессора (т.е. при остывании-нагревании). Отсутствие частых включений на полную мощность уменьшает и риск простуды, ведь большую часть времени воздушный поток минимален.

Ко всему прочему при равномерной постоянной работе главный узел кондиционера - компрессор служит дольше. По интенсивности износа каждый пуск стоит как минимум получаса непрерывной нагрузки, а потому инверторный кондиционер служит дольше. Неудивительно, что бережливые японцы проявили к этим сплит-системам самый живой интерес, ведь местные цены на электричество - повод для харакири.

Если в 1986 году доля инверторов не превышала 25% от общего числа продаваемых в Японии кондиционеров, то уже в 1998 году они составляли основу рынка. По сведениям Министерства Международной Торговли и Индустрии (MITI) из 7,2 млн. бытовых кондиционеров, проданных в Японии 5,7 миллиона или 80% пришлось на инверторные системы. По прогнозам специалистов их доля будет увеличиваться и дальше, прежде всего за счет активного внедрения подобных технологий на мощных полупромышленных моделях. К тому же в Японии ценовая разница между традиционной и инверторной моделью сократилась до минимума и сегодня не превышает $100.

Правда, в остальном мире к экономии электроэнергии относятся не столь трепетно, а потому до самого последнего времени инвертора находили спрос в основном у себя на родине. Положение стало меняться к середине 90-ых годов, когда спрос на эту технику стал ощущаться в других промышленно развитых странах, прежде всего в Европе, в Южной Корее, в Австралии. Предлагается подобное оборудование и у нас.

Впервые поставки бытовых инверторных кондиционеров на российский рынок начались еще 1994 году благодаря компании Fujitsu General, однако, это событие прошло почти незамеченным. Год спустя активную пропаганду этой техники в нашей стране развернула компания Sharp. Еще через два года, в 1997 году в России появились инверторные сплит и мультисплит-системы Hitachi и Mitsubishi Electric, и, наконец, подобную технику предложили сразу четыре компании: Daikin, Airwell, CHOFU и Panasonic, анонсировали инверторные модели Mitsubishi Heavy и Sanyo.

Таким образом, предложение инверторных сплит и мультисплит-систем приобрело массовый характер, правда их реальная доля в общем объеме продаж пока не превышает 20 %.

А это однозначно говорит о том, что устойчивый спрос на эту технику появился и за пределами Японии, а, следовательно, ее более широкое распространение - вопрос времени.

Итак, подытожив можно выделить следующие плюсы инверторных кондиционеров:

1. плавная микро-регулировка приводит к стабильности комнатной температуры без ее неприятных резких колебаний (т.е. нет риска простудиться);

2. снижение на 25…30% энергопотребления, т.к. кондиционер основное время работает на экономичном режиме;

3. работа на постоянном токе;

4. большая долговечность компрессора за счет отсутствия его постоянных включений-выключений;

5. работа при больших отрицательных температурах (до - 15оС);

6. более тихая работа внутренних и внешних блоков;

7. быстрое достижение заданной температуры;

8. более высокий коэффециент термической эффективности;

9. эффективная работа при падении напряжения в сети;

10. концентрация ноу-хау в инверторной гамме кондиционеров;

11. отсутствие скачков напряжения в сети при постоянных включениях-выключениях компрессора;

12. меньше шансов сгорания обмотки привода компрессора.

Компрессионный цикл охлаждения холодильной машины

Компрессионный цикл охлаждения состоит из четырех основных элементов:

Компрессора Испарителя Конденсатора Регулятора потока

Эти основные элементы соединены трубопроводами в замкнутую систему, по которой циркулирует хладагент (обычно это фреон). Компрессор производит циркуляцию хладагента и поддерживает высокое давление (20-23 атм.) в конденсаторе.

Основные элементы цикла охлаждения

- На выходе из испарителя хладагент - это пар при низкой температуре и низком давлении.

- Затем компрессор всасывает хладагент, давление повышается до примерно 20 атм., а температура достигает 70 - 90оС.

- После этого горячий пар хладагента попадает в конденсатор, где он охлаждается и конденсируется. Для охлаждения используется вода или воздух. На выходе из конденсатора хладагент представляет собой жидкость под высоким давлением.

Внутри конденсатора пар должен полностью перейти в жидкое состояние. Для этого температура жидкости, выходящей из конденсатора, на несколько градусов (обычно 4-6°С) ниже температуры конденсации при данном давлении.

- Затем хладагент (имеющий в этот момент жидкое агрегатное состояние при высоких давлении и температуре) поступает в регулятор потока.

Здесь давление резко падает, и происходит частичное испарение.

- На вход испарителя попадает смесь пара и жидкости. В испарителе жидкость должна полностью перейти в парообразное состояние. Поэтому температура пара на выходе из испарителя немного выше температуры кипения при данном давлении (обычно на 5-8оС). Это необходимо, чтобы в компрессор не попали даже мелкие капли жидкого хладагента, иначе компрессор может быть поврежден.

- Образовавшийся в испарителе перегретый пар выходит из него, и цикл возобновляется сначала.

Итак, ограниченное количество хладагента постоянно циркулирует в холодильной машине, меняя агрегатное состояние при периодически изменяющихся температуре и давлении.

В каждом цикле имеется два определенных уровня давления. На стороне высокого давления происходит конденсация хладагента и находится конденсатор. На стороне низкого давления находится испаритель и жидкий хладагент превращается в пар. Граница между областями высокого и низкого давления проходит в двух точках - на выходе из компрессора (нагнетательный клапан) и на выходе из регулятора потока.

Описанный выше цикл охлаждения удобно изображать графически. На диаграмме показано соотношение давления и теплосодержания (энтальпии) хладагента. Энтальпия - это функция состояния, приращение которой при процессе с постоянным давлением равно теплоте, полученной системой. На диаграмме показана кривая насыщения хладагента.

- Левая ветвь кривой соответствует насыщенной жидкости - Правая часть соответствует насыщенному пару. - В критической точке ветви кривой соединяются, и вещество может находиться и в жидком, и в газообразном состоянии. - Внутри кривой - зона, соответствующая смеси пара и жидкости. - Слева от кривой (в области меньшей энтальпии) - переохлажденная жидкость. - Справа от кривой (в области большей энтальпии) - перегретый пар.

Теоретический цикл охлаждения несколько отличается от реального. В действительности происходят потери давления на разных этапах перекачки хладагента, снижающие эффективность охлаждения. Это не учитывается в идеальном цикле

1. 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.

2. 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%.

3. 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.

4. 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 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.