Parní kompresní chlazení - Vapor-compression refrigeration

Reprezentativní diagram tlaku a objemu pro chladicí cyklus

Parní kompresní chlazení nebo parní kompresní chladicí systém ( VCRS ), ve kterém chladivo prochází fázovými změnami , je jedním z mnoha chladicích cyklů a je nejpoužívanější metodou klimatizace budov a automobilů. Používá se také v domácích a komerčních chladničkách, velkoskladech pro skladování potravin a masa chlazených nebo mražených, chladírenských nákladních automobilech a železničních vozech a v řadě dalších komerčních a průmyslových služeb. Rafinerie ropy , petrochemické a chemické zpracovatelské závody a závody na zpracování zemního plynu patří k mnoha typům průmyslových závodů, které často využívají velké chladicí systémy s kompresí páry. Kaskádové chladicí systémy mohou být také implementovány pomocí dvou kompresorů.

Chlazení lze definovat jako snížení teploty uzavřeného prostoru odstraněním tepla z tohoto prostoru a jeho přenesením jinam. Zařízení, které tuto funkci vykonává, lze také nazývat klimatizace , lednička , tepelné čerpadlo se zdrojem vzduchu , geotermální tepelné čerpadlo nebo chladič ( tepelné čerpadlo ).

Popis chladicího systému s kompresí páry

Obrázek 1: Chlazení kompresí páry

Komprese páry využívá jako médium cirkulující kapalné chladivo , které absorbuje a odebírá teplo z prostoru, který má být ochlazován, a následně toto teplo jinde odmítá. Obrázek 1 zobrazuje typický jednostupňový systém komprese páry. Všechny tyto systémy mají čtyři součásti: kompresor , kondenzátor , dávkovací zařízení nebo teplotní expanzní ventil (také nazývaný škrticí ventil) a výparník. Cirkulující chladivo vstupuje do kompresoru v termodynamickém stavu známém jako nasycená pára a je stlačeno na vyšší tlak, což má za následek také vyšší teplotu. Horká, stlačená pára je pak v termodynamickém stavu známém jako přehřátá pára a má teplotu a tlak, při kterých může být kondenzována buď s chladicí vodou nebo chladicím vzduchem proudícím přes cívku nebo trubky.

Přehřátá pára pak prochází kondenzátorem . Zde se teplo přenáší z cirkulujícího chladiva na externí médium, což umožňuje plynnému chladivu ochladit a kondenzovat do kapaliny. Odmítnuté teplo je unášeno buď vodou nebo vzduchem, v závislosti na typu kondenzátoru.

Kondenzované kapalné chladivo v termodynamickém stavu známém jako nasycená kapalina je dále vedeno expanzním ventilem, kde dochází k náhlému snížení tlaku. Toto snížení tlaku má za následek adiabatické rychlé odpařování části kapalného chladiva. Automatický chladicí účinek adiabatického bleskového odpařování snižuje teplotu směsi chladiva kapaliny a páry na místo, kde je chladnější než teplota uzavřeného prostoru, který má být chlazen.

Směs chladicí kapaliny a páry je poté vedena spirálou nebo trubkami ve výparníku. Vzduch v uzavřeném prostoru cirkuluje po cívce nebo trubkách buď tepelnou konvekcí, nebo ventilátorem . Protože je vzduch teplejší než chladné kapalné chladivo, je přenášeno teplo, které vzduch ochlazuje a způsobuje odpařování kapaliny, vrací ji do plynného stavu a přitom absorbuje teplo. Zatímco kapalina zůstává v proudu chladiva, jeho teplota se nezvýší nad bod varu chladiva, který závisí na tlaku ve výparníku. Většina systémů je navržena tak, aby odpařovala veškeré chladivo, aby se zajistilo, že se do kompresoru nevrátí žádná kapalina.

K dokončení chladicího cyklu je pára chladiva z výparníku opět nasycená pára a je vedena zpět do kompresoru. V průběhu času může výparník sbírat led nebo vodu z okolní vlhkosti . Led se taje odmrazováním . Voda z roztátého ledu nebo výparníku poté odkapává do odkapávací nádoby a voda je odnášena gravitací nebo kondenzačním čerpadlem.

Chladiva

Výběr z pracovní tekutiny má významný vliv na výkon chladicích cyklů a jako takový hraje klíčovou roli, pokud jde o navrhování nebo prostě výběru ideální stroj pro určitý úkol. Jedním z nejrozšířenějších chladiv je „ Freon “. Freon je obchodní název pro skupinu haloalkanových chladiv vyráběných společností DuPont a dalšími společnostmi. Tato chladiva byla běžně používána kvůli jejich vynikající stabilitě a bezpečnostním vlastnostem: nebyla hořlavá při pokojové teplotě a atmosférickém tlaku, ani zjevně toxická jako tekutiny, které nahradily, jako je oxid siřičitý . Haloalkany jsou také o řády dražší než hořlavé alkany odvozené z ropy s podobným nebo lepším chladicím výkonem.

Chladiva obsahující chlor a fluor bohužel při úniku uniknou do horních vrstev atmosféry. Ve stratosféře se látky jako CFC a HCFC rozkládají v důsledku UV záření a uvolňují volné radikály chloru. Tyto volné radikály chloru působí jako katalyzátory při rozkladu ozonu řetězovými reakcemi. Jedna molekula CFC může způsobit rozpad tisíců molekul ozonu. To způsobuje vážné poškození ozonové vrstvy, která chrání povrch Země před silným UV zářením Slunce a bylo prokázáno, že vede ke zvýšenému výskytu rakoviny kůže. Chlór zůstane aktivní jako katalyzátor, dokud se neváže k jiné částici a vytvoří stabilní molekulu. Mezi běžná, ale ustupující chladiva CFC patří R-11 a R-12 .

Novější chladiva se sníženým účinkem poškozování ozónové vrstvy, jako jsou HCFC ( R-22 , dnes používané ve většině domácností) a HFC ( R-134a , používané ve většině automobilů), nahradily většinu používání CFC. HCFC jsou postupně vyřazovány podle Montrealského protokolu a nahrazovány hydrofluoruhlovodíky (HFC), které neobsahují atomy chloru . Malý příklad běžných HFC v současném použití: R-410A (což je samo o sobě směs jiných HFC: R-32 a R-125 ); navržen jako náhrada za R-22 ve stávajících instalacích a R-404A (směs HFC: R-125 , R-134a a R-143a a byl vyvinut jako náhradní chladivo pro R-502 a R -22 ). CFC, HCFC a HFC však mají velmi velký potenciál globálního oteplování (GWP).

V současné době jsou předmětem výzkumu benigní chladiva, jako je superkritický oxid uhličitý známý jako R-744 . Ty mají podobnou účinnost ve srovnání se stávajícími sloučeninami na bázi CFC a HFC a mají o mnoho řádů nižší potenciál globálního oteplování. Obecný průmysl a tlak řídících orgánů směřují k chladivům šetrnějším k GWP. V průmyslových podmínkách se běžně používají amoniak a také plyny jako ethylen , propan , izobutan a další uhlovodíky (a mají vlastní Rx obvyklá čísla), v závislosti na požadovaných teplotách a tlacích. Mnoho z těchto plynů je bohužel hořlavých, výbušných nebo toxických; omezení jejich používání (tj. dobře kontrolované prostředí kvalifikovaným personálem nebo velmi malé množství použitého chladiva). HFO, která mohou být považována za HFC, přičemž některé vazby uhlík-uhlík jsou dvojité hranice, slibují velmi nízké snížení GWP, což již není důvod k obavám. Mezitím se používají různé směsi stávajících chladiv k dosažení požadovaných vlastností a účinnosti za rozumnou cenu a nižší GWP.

Termodynamická analýza systému

Obrázek 2: Diagram teplota – entropie

K termodynamika parního kompresního cyklu, mohou být analyzovány na teplotě ve srovnání s entropie diagramu, jak je znázorněno na obrázku 2. V bodě 1, v diagramu, cirkulující chladivo vstupuje do kompresoru jako nasycené páry. Z bodu 1 do bodu 2 se pára isentropicky stlačí (stlačí při konstantní entropii) a vystupuje z kompresoru jako přehřátá pára. Přehřátí je množství tepla přidaného nad bod varu.

Z bodu 2 do bodu 3 pára cestuje částí kondenzátoru, který ochlazováním páry odstraní přehřátí. Mezi bodem 3 a bodem 4 prochází pára zbytkem kondenzátoru a kondenzuje do nasycené kapaliny. Kondenzační proces probíhá v podstatě při konstantním tlaku.

Mezi body 4 a 5 prochází nasycené kapalné chladivo expanzním ventilem a dochází k prudkému poklesu tlaku. Tento proces vede k adiabatickému bleskovému odpařování a automatickému chlazení části kapaliny (obvykle bliká méně než polovina kapaliny). Proces adiabatického bleskového odpařování je isenthalpický (probíhá při konstantní entalpii ).

Mezi body 5 a 1 chladné a částečně odpařené chladivo prochází spirálou nebo trubkami ve výparníku, kde je zcela odpařeno teplým vzduchem (z chladeného prostoru), který ventilátorem cirkuluje přes cívku nebo trubky ve výparníku. Výparník pracuje v podstatě při konstantním tlaku a po přidání 4–8 kelvinů přehřátí do chladiva vyvaří veškerou dostupnou kapalinu , aby se zajistilo úplné odpaření kapaliny. Toto je pojistka pro kompresor, protože nemůže čerpat kapalinu. Výsledná pára chladiva se vrací do vstupu kompresoru v bodě 1 a dokončí termodynamický cyklus.

Výše uvedená diskuse je založena na ideálním chladicím cyklu s kompresí páry, který nebere v úvahu položky reálného světa, jako je pokles tlaku v systému v důsledku tření, mírná vnitřní nevratnost během komprese par chladiva nebo chování neideálního plynu (pokud existuje) ).

Typy plynových kompresorů

Nejběžnějšími kompresory používanými v chlazení jsou pístové a spirálové kompresory , ale velké chladiče nebo průmyslové cykly mohou používat rotační šroubové nebo odstředivé kompresory. Každá aplikace upřednostňuje jedno nebo druhé kvůli problémům s velikostí, hlukem, účinností a tlakem. Kompresory jsou často popisovány buď jako otevřené, hermetické nebo polohermetické, aby popsaly, jak je kompresor a/nebo motor umístěn ve vztahu ke stlačovanému chladivu. Variace typů motorů/kompresorů mohou vést k následujícím konfiguracím:

  • Hermetický motor, hermetický kompresor
  • Hermetický motor, polohermetický kompresor
  • Otevřený motor (řemenový nebo úzce spojený), hermetický kompresor
  • Otevřený motor (řemenový nebo úzce spojený), polohermetický kompresor

Kompresor a motor pohánějící kompresor jsou obvykle integrovány v hermetických a většině polohermetických kompresorech (někdy známých jako přístupné hermetické kompresory), které pracují v chladicím systému. Motor je hermetický a je navržen tak, aby fungoval a byl chlazen chladivem, které je stlačováno. Zjevnou nevýhodou hermetických motorových kompresorů je, že motorový pohon nelze udržovat na místě a v případě poruchy motoru je nutné celý kompresor vyjmout. Další nevýhodou je, že vyhořelá vinutí mohou kontaminovat celé chladicí systémy vyžadující úplné čerpání systému a výměnu chladiva.

Otevřený kompresor má motorový pohon, který je mimo chladicí systém, a zajišťuje pohon kompresoru pomocí vstupního hřídele s vhodnými těsněními ucpávky. Otevřené kompresorové motory jsou typicky chlazeny vzduchem a lze je poměrně snadno vyměnit nebo opravit bez odplynění chladicího systému. Nevýhodou tohoto typu kompresoru je porucha těsnění hřídele, což vede ke ztrátě chladiva.

Otevřené motorové kompresory se obecně snáze ochlazují (pomocí okolního vzduchu), a proto bývají konstrukčně jednodušší a spolehlivější, zejména ve vysokotlakých aplikacích, kde mohou být teploty stlačeného plynu velmi vysoké. Avšak použití vstřikování kapaliny pro dodatečné chlazení může tento problém u většiny hermetických motorových kompresorů obecně překonat.

Pístové kompresory

Pístový kompresor

Pístové kompresory jsou pístové, objemové kompresory.

Rotační šroubové kompresory


Šroubový kompresor Lysholm

Rotační šroubové kompresory jsou také objemové kompresory. Dva záběrné šroubové rotory se otáčejí v opačných směrech, zachycují páry chladiva a snižují objem chladiva podél rotorů k vypouštěcímu bodu.

Malé jednotky nejsou praktické kvůli zpětnému úniku, ale velké jednotky mají velmi vysokou účinnost a průtokovou kapacitu.

Odstředivé kompresory

Odstředivý princip

Odstředivé kompresory jsou dynamické kompresory. Tyto kompresory zvyšují tlak chladiva předáváním rychlosti nebo dynamické energie pomocí rotujícího oběžného kola a jeho přeměnou na tlakovou energii.

Přepětí odstředivého kompresoru

Chladiče s odstředivými kompresory mají „mapu odstředivých kompresorů“, která zobrazuje „rázovou čáru“ a „tlumivku“. Při stejné kapacitě, v širším rozsahu provozních podmínek, mají chladiče s kompresorem s nižším otáčkem s větším průměrem širší mapu odstředivých kompresorů a mají menší rázové podmínky než kompresory s menším průměrem, levnější a vyšší rychlosti . Kompresory s menším průměrem a vyššími otáčkami mají plošší křivku.,

Jak klesá průtok chladiva, některé kompresory mění mezeru mezi oběžným kolem a spirálou, aby udržely správnou rychlost, aby se zabránilo rázovým podmínkám.

Scroll kompresory

Obrázek 4: Princip fungování spirálového kompresoru

Scroll kompresory jsou také objemové kompresory. Chladivo je stlačeno, když jedna spirála obíhá kolem druhé stacionární spirály, vytváří menší a menší kapsy a vyšší tlaky. V době, kdy je chladivo vypuštěno, je plně pod tlakem.

Ostatní

Mazání kompresoru

Za účelem promazání pohyblivých částí kompresoru se do chladiva během instalace nebo uvádění do provozu přidává olej. Typ oleje může být minerální nebo syntetický, aby vyhovoval typu kompresoru, a může být také zvolen tak, aby nereagoval s typem chladiva a dalšími složkami v systému. V malých chladicích systémech může olej cirkulovat v celém okruhu, ale je třeba dbát na to, aby potrubí a součásti byly navrženy tak, aby olej mohl gravitačně odtékat zpět do kompresoru. Ve větších více distribuovaných systémech, zejména v maloobchodním chlazení, je olej normálně zachycován v odlučovači oleje bezprostředně za kompresorem a je opět dodáván systémem řízení hladiny oleje zpět do kompresoru (kompresorů). Odlučovače oleje nejsou 100% účinné, takže systémové potrubí musí být stále navrženo tak, aby olej mohl gravitačně odtékat zpět do odlučovače oleje nebo kompresoru.

Některé novější technologie kompresorů používají magnetická ložiska nebo vzduchová ložiska a nevyžadují žádné mazání, například řada odstředivých kompresorů Danfoss Turbocor. Vyhýbá se potřebě mazání olejem a konstrukčním požadavkům a přidruženým doplňkům, zjednodušuje konstrukci chladicího systému, zvyšuje součinitel prostupu tepla ve výparnících a kondenzátorech, eliminuje riziko kontaminace chladiva olejem a snižuje požadavky na údržbu.

Řízení

V jednoduchých komerčních chladicích systémech je kompresor obvykle řízen jednoduchým tlakovým spínačem, přičemž expanze je prováděna kapilární trubicí nebo tepelným expanzním ventilem . Ve složitějších systémech, včetně instalace více kompresorů, je typické použití elektronických ovladačů s nastavitelnými nastavenými hodnotami pro řízení tlaku, při kterém se kompresory zapínají a vypínají, a regulací teploty pomocí elektronických expanzních ventilů.

Kromě provozních ovládacích prvků se obvykle používají samostatné vysokotlaké a nízkotlaké spínače k ​​zajištění sekundární ochrany kompresorů a dalších komponent systému před provozem mimo bezpečné parametry.

V pokročilejších elektronických řídicích systémech použití tlaku v plovoucí hlavě a proaktivního sacího tlaku umožňují řídicí rutiny upravit provoz kompresoru tak, aby přesně vyhovoval různým požadavkům na chlazení a současně snižoval spotřebu energie.

Další funkce a zajímavosti

Schematický diagram jednostupňového chladicího systému znázorněný na obrázku 1 nezahrnuje další položky zařízení, které by byly k dispozici ve velkém komerčním nebo průmyslovém chladicím systému pro kompresi páry, například:

  • Horizontální nebo vertikální tlaková nádoba , která je uvnitř vybavena odmlžovačem , mezi výparníkem a vstupem do kompresoru k zachycení a odstranění zbytkové strhávané kapaliny v páře chladiva, protože kapalina může poškodit kompresor. Takové odlučovače páry a kapaliny se nejčastěji označují jako „akumulátory sacího potrubí“. (V jiných průmyslových procesech se jim říká „sací bubny kompresoru“ nebo „knockout hrnce“.)
  • Velké komerční nebo průmyslové chladicí systémy mohou mít více expanzních ventilů a více výparníků za účelem chlazení více uzavřených prostorů nebo místností. V takových systémech může být kondenzované kapalné chladivo vedeno do tlakové nádoby, nazývané přijímač, ze které je kapalné chladivo odebíráno a vedeno více potrubími do více expanzních ventilů a výparníků.
  • Filtrační sušičky, instalované před kompresory, aby zachytily veškerou vlhkost nebo nečistoty v systému a chránily tak kompresory před vnitřním poškozením
  • Některé chladicí jednotky mohou mít více stupňů, což vyžaduje použití více kompresorů v různých uspořádáních.

Ve většině světa se chladicí kapacita chladicích systémů měří ve wattech . Běžné bytové klimatizační jednotky mají kapacitu od 3,5 do 18 kilowattů . V několika zemích se měří v „ tunách chlazení “, přičemž u běžných klimatizačních jednotek pro obytné budovy jde o 1 až 5 tun chlazení.

Aplikace

Chladicí aplikace Krátké popisy Používají se typické chladničky
Domácí chlazení Spotřebiče používané k uchovávání potravin v obytných jednotkách R-600a, R-134a, R-22 ,
Komerční chlazení Držení a vystavování mražených a čerstvých potravin v maloobchodních prodejnách R-134a, R-404A, R-507
Zpracování potravin a skladování v chladu Zařízení pro uchovávání, zpracování a skladování potravin od jejich zdroje po velkoobchodní distribuční místo R-123, R-134a, R-407C, R-410A, R-507
Průmyslové chlazení Velké zařízení, typicky 25 kW až 30 MW, používané pro chemické zpracování, chladírenství, zpracování potravin, budovy a dálkové vytápění a chlazení R-123, R-134a, R-404A, R-407C, R-507, R-717
Přepravní chlazení Zařízení pro uchovávání a skladování zboží, zejména potravin, během silniční, železniční, letecké a námořní přepravy R-134a, R-407C, R-410A
Elektronické chlazení Nízkoteplotní chlazení obvodů CMOS a dalších komponent ve velkých počítačích a serverech R-134a, R-404A, R-507
Lékařské chlazení   R-134a, R-404A, R-507
Kryogenní chlazení   Ethylen , propan , dusík , helium
Obrázek 5: Komerční vodou chlazená instalace kapalinového chladiče pro klimatizaci budov

Ekonomická analýza

Výhody

  • Velmi vyspělá technologie.
  • Relativně levné.
  • Může být poháněn přímo pomocí mechanické energie (voda, motor automobilu nebo nákladního vozu) nebo elektrickou energií.
  • Efektivní až 60% teoretického limitu společnosti Carnot (hodnoceno v podmínkách testování ASHRAE : teplota odpařování −23,3 ° C, kondenzační teplota 54,4 ° C a okolní teplota 32 ° C) na základě některých z nejlepších komerčně dostupných kompresorů, vyráběné výrobci Danfoss , Matsushita , Copeland , Embraco , Bristol a Tecumseh . Mnoho chladicích systémů však používá kompresory, které mají nižší účinnost mezi 40 a 55%, protože ty 60% účinné stojí téměř dvakrát tolik než ty s nižší účinností.

Nevýhody

Mnoho systémů stále používá chladiva HCFC , která přispívají k vyčerpání ozonové vrstvy Země . V zemích, které dodržují Montrealský protokol , budou HCFC postupně vyřazovány a budou z velké části nahrazovány HFC, které jsou šetrné k ozónu . Systémy využívající chladiva HFC však bývají o něco méně účinné než systémy využívající HCFC. HFC mají také extrémně velký potenciál globálního oteplování , protože zůstávají v atmosféře mnoho let a zachycují teplo účinněji než oxid uhličitý .

S konečným vyřazením HCFC již jistotou získávají popularitu alternativní nehalogenová chladiva. Zejména kdysi opuštěná chladiva, jako jsou uhlovodíky ( například butan ) a CO 2, se stále více využívají. Například automaty společnosti Coca-Cola na mistrovství světa ve fotbale 2006 v Německu využívaly chlazení využívající CO 2 . Amoniak (NH 3 ) je jedním z nejstarších chladiv s vynikajícím výkonem a v podstatě bez problémů se znečištěním. Amoniak má však dvě nevýhody: je toxický a není kompatibilní s měděnými trubkami.

Dějiny

Schéma mechanického výrobníku ledu Dr. Johna Gorrieho z roku 1841.

V roce 1805 americký vynálezce Oliver Evans popsal uzavřený parní kompresní chladicí cyklus pro výrobu ledu etherem ve vakuu. Teplo by bylo odstraněno z prostředí recyklací odpařeného chladiva, kde by se pohybovalo přes kompresor a kondenzátor , a nakonec by se vrátilo do kapalné formy, aby se proces chlazení znovu opakoval. Evans však žádnou takovou chladicí jednotku nevybudoval.

V roce 1834 americký emigrant do Velké Británie Jacob Perkins postavil první funkční chladicí systém s parní kompresí na světě. Byl to uzavřený cyklus, který mohl fungovat nepřetržitě, jak popsal ve svém patentu:

Jsem oprávněn používat těkavé kapaliny za účelem výroby chlazení nebo zmrazování tekutin, a přesto současně tyto těkavé kapaliny kondenzovat a uvádět je opět do provozu bez odpadu.

Jeho prototypový systém fungoval, i když komerčně neuspěl.

Podobný pokus provedl v roce 1842 americký lékař John Gorrie , který postavil funkční prototyp, ale šlo o komerční selhání. Americký inženýr Alexander Twining vzal v roce 1850 britský patent na systém komprese páry, který používal ether.

Zařízení na výrobu ledu Ferdinanda Carrého .

První praktický chladicí systém s kompresí páry vyrobil britský novinář James Harrison , který emigroval do Austrálie . Jeho patent z roku 1856 byl na systém komprese páry využívající ether, alkohol nebo čpavek. V roce 1851 postavil na břehu řeky Barwon v Rocky Point v Geelongu ve Victorii mechanický stroj na výrobu ledu a jeho první komerční stroj na výrobu ledu následoval v roce 1854. Harrison také zavedl komerční parní kompresní chlazení do pivovarů a balení masa domů a do roku 1861 tucet jeho systémů fungovalo v Austrálii a Anglii.

První chladicí systém s absorpcí plynu využívající plynný amoniak rozpuštěný ve vodě (dále jen „aquaoniak“) byl vyvinut Ferdinandem Carrém z Francie v roce 1859 a patentován v roce 1860. Carl von Linde , profesor strojírenství na Technologické univerzitě v Mnichově v Německu, patentoval vylepšený způsob zkapalňování plynů v roce 1876. Jeho nový postup umožnil použití plynů, jako je čpavek , oxid siřičitý SO
2
a methylchlorid (CH 3 Cl) jako chladiva a byly k tomuto účelu široce používány až do konce 20. let 20. století.

Viz také

Reference

Další čtení

externí odkazy