Раздел описывает перенос тепла, осуществляемый хладагентом в кондиционере. Рассказывается, каким образом тепло в холодильном цикле переносится из помещения на улицу, и почему холодопроизводительность кондиционера превышает потребляемую мощность. Приведена принципиальная схема кондиционера и описаны его основные компоненты и их назначение.
Перенос тепла при испарении и конденсации
Основные функции кондиционера — это охлаждение и обогрев воздуха, уже находящегося внутри помещения. Охлаждение воздуха в кондиционерах происходит при помощи компрессионного цикла охлаждения.
Этот цикл основан на 2 явлениях:
- При испарении жидкости теплота поглощается из окружающей среды.
- При конденсации пара тепло выделяется.
Температура кипения
жидкости зависит от давления окружающей среды. Чем выше давление, тем выше температура кипения, и наоборот.
Теплота парообразования жидкостей очень велика. Это явление и используется в холодильной машине. Фреон превращается в пар в специальном отделении — испарителе. Трубки испарителя обдуваются потоком воздуха. Кипящий фреон поглощает тепло из этого воздушного потока, охлаждая его.
Но в холодильной машине невозможно только испарять фреон, поглощая тепло, поэтому в ней производится и обратный процесс конденсации — превращения из пара в жидкость. При конденсации любой жидкости выделяется теплота, которая поступает затем в окружающую среду. Температура конденсации, как и температура кипения, зависит от внешнего давления. При повышенном давлении конденсация может происходить при весьма высоких температурах.
Кондиционер тратит электроэнергию на перенос тепла из помещения на улицу: сжатие хладагента и его перекачку по трубкам. Холодопроизводительность кондиционера в 3-5 раз выше, чем потребляемая мощность.
Схема холодильной машины (кондиционера)
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). Циркуляцию хладагента по контуру производит компрессор холодильной машины.
|
| Рис. 1. Схема компрессионного цикла охлаждения |
Хладагент 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. Подробнее:
- 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 — 90 °С.
- 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.
- Затем хладагент (жидкий, 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.
- Образовавшийся в испарителе перегретый пар выходит из него, и цикл возобновляется сначала.
В сплит-системе испаритель расположен во внутреннем блоке, а компрессор и конденсатор — во внешнем. В оконном моноблочном кондиционере все элементы заключены в один корпус, но конденсатор находится в той его части, которая обращена на улицу, а испаритель — во внутренней части корпуса.
Для улучшения теплопередачи теплообменники обдуваются воздухом при помощи вентиляторов.
Тепловой насос — обогрев помещения с помощью кондиционера
В режиме обогрева помещения (его имеют не все кондиционеры) испаритель и конденсатор меняются функциями. Кондиционер переносит тепло с улицы в помещение. При этом направление движения хладагента по холодильному контуру меняется на обратное. Такой перенос тепла называется тепловым насосом (heat pump). Он используется осенью и весной.
- Компрессор увеличивает давление хладагента и направляет его в испаритель.
- В испарителе (внутри помещения) хладагент конденсируется и превращается в жидкость с высоким давлением и низкой температурой.
- Жидкий хладагент перетекает в капилляр, где его давление снижается, и он становится смесью пара и жидкости с низкой температурой и давлением.
- Смесь попадает в конденсатор (расположенный на улице), поглощает тепло из внешнего воздуха и испаряется. Цикл работы теплового насоса повторяется.
Внимание! Зимой тепловой насос нельзя использовать для обогрева помещения (см. раздел «Что нужно знать о кондиционерах»).
Основная литература
- Спецвыпуск «Мир Климата — монтажнику», «Принципы работы холодильной машины» (mk_mon_02.html)
- Л. Корх «Принцип работы кондиционера» (prinzip-cond-korh.pdf (1 МБ))
Дополнительная литература
- Полльман «Учебник по холодильной технике», Издательство МГУ 1998 г., глава 1.3.6.2 «Цикл паровой холодильной машины и термодинамические диаграммы» (стр. 211 — 220) (pollman-hladagents-211-220.pdf (2,94 Мб))
- «Мир Климата»№32 «Тепловые насосные установки» (mk_32_17.html)
- «ПОПРАВКА К ЗАКОНУ ПРИРОДЫ. Взял киловатт, отдай три!» Г. Литвинчук (17.pdf (114.01Kb))
Контрольные вопросы:
- Удельная теплота испарения фреона 1,5 кДж/г. Какое количество фреона должно конденсироваться, чтобы выделилось 300 кДж тепловой энергии?
- Почему в горах вода закипает при температуре ниже 100°С?
- Какую функцию выполняет компрессор кондиционера?
- Почему в испарителе весь хладагент должен обязательно испариться полностью?
- При какой температуре допускается работа кондиционера в режиме теплового насоса?
- Каким образом мощность обогрева кондиционером в режиме теплового насоса оказывается выше потребляемой электрической мощности?
- Минимальное количество элементов работающего холодильного контура
- В каком режиме работает холодильная машина при обратном цикле?