Охлаждение стало важнейшей частью коммерческого и бытового управления продуктами питания. Сохранение продуктов питания и некоторых других продуктов стало важнейшим фактором для всех домашних хозяйств и коммерческих предприятий. Для сохранения продуктов питания люди используют холодильное оборудование. Холодильное оборудование предотвращает порчу продуктов путем снижения их температуры по сравнению с окружающей температурой. Оно работает по холодильному циклу. В этой статье мы расскажем о холодильном оборудовании, его работе и типах.
Что такое охлаждение?
Процесс поддержания и достижения температуры ниже атмосферной для охлаждения или сохранения продуктов питания или других продуктов известен как охлаждение. Другими словами, охлаждение — это искусственное охлаждение, используемое во многих бытовых и промышленных приложениях для сохранения или охлаждения винограда, фруктов или овощей.
Что такое холодильный цикл?
Холодильный цикл — это термодинамический цикл, который используется для отвода тепла от определенной области, которую вы хотите охладить. Холодильный цикл также известен как цикл теплового насоса. Этот цикл предназначен для холодильных систем, систем кондиционирования воздуха и тепловых насосов.
Тепловой насос — это механическое устройство, используемое для переноса тепла из резервуара с более низкой температурой в резервуар с высокой температурой.
Работа холодильного цикла
Холодильник работает по холодильному циклу. Холодильный цикл работает следующим образом:
- Всасывание
- Сжатие
- Конденсация
- Дросселирование
- Испарение
PV диаграмма холодильного цикла
TS диаграмма холодильного цикла
1) Процесс всасывания:
Прежде всего, хладагент вводится в камеру сжатия компрессора. Хладагент поступает в камеру сжатия в парообразном состоянии.
2) Адиабатическое сжатие (1 — 2):
Компрессор имеет поршень, который движется вверх и вниз внутри камеры сжатия. Когда хладагент поступает в камеру сжатия, впускной и выпускной клапаны закрываются, и поршень сжимает хладагент.
В результате процесса сжатия температура паров хладагента повышается с T1 до T2, а давление повышается с P1 до P2. Линии 1 — 2 приведенного выше графика отражают этот процесс.
После процесса сжатия сжатый хладагент поступает в конденсатор.
3) Процесс конденсации (2 — 3):
Линии 2 — 3 представляют процесс конденсации. Когда сжатый хладагент поступает в конденсатор, конденсатор конденсирует сжатые пары хладагента при постоянном давлении.
В процессе конденсации сжатый хладагент передает свое тепло горячему резервуару. В результате этого процесса теплопередачи парообразный хладагент переходит в жидкое состояние. Во время этого процесса энтальпия и объем хладагента уменьшаются. Однако давление хладагента остается неизменным в течение всего этого процесса. После этого процесса жидкий хладагент поступает в дроссельный клапан для дальнейшего процесса.
4) Процесс дросселирования (3 — 4):
После процесса конденсации жидкий хладагент попадает в дроссельный клапан. Когда хладагент попадает в этот клапан, он расширяется, в результате чего давление и температура жидкого хладагента снижаются (как видно из приведенного выше графика). Однако объем и энтальпия хладагента увеличиваются.
После этого процесса жидкий хладагент все еще остается в жидком состоянии; поэтому нам необходимо пропустить его из испарителя, чтобы перевести жидкость в парообразное состояние.
5) Процесс испарения (4 — 1):
Линии 4 — 1 вышеприведенной PV-диаграммы и TS-диаграммы холодильного цикла представляют этот процесс.
Испаритель соединен с холодным резервуаром. Когда жидкий хладагент низкого давления и низкой температуры поступает в испаритель, хладагент поглощает тепло из холодного резервуара и переходит в парообразное состояние. Во время этого процесса объем и энтальпия хладагента увеличиваются, но его давление и температура остаются постоянными.
После этого процесса испарения парообразный хладагент снова переходит в компрессор, и весь цикл повторяется.
Типы холодильных циклов
Холодильный цикл имеет следующие основные типы:
- Цикл Стирлинга
- обратный цикл Карно
- Цикл сжатия пара
- Цикл абсорбции паров
- Газовый цикл
1) Цикл сжатия паров
- Один теплообменник — конденсатор, имеющий высокую температуру и выделяющий тепло при высоких температурах.
- Другой теплообменник — испаритель, который поглощает тепло при низких температурах.
В системах, работающих как в режиме охлаждения, так и в режиме нагрева, для регулирования работы этих теплообменников используется реверсивный клапан.
Когда цикл сжатия паров начинает работать, парообразный хладагент с низкой температурой и низким давлением вводится в компрессор.
Компрессор повышает давление и температуру и преобразует парообразный хладагент в перегретый газ высокого давления и высокой температуры. Затем этот высокотемпературный перегретый газ поступает в конденсатор.
Конденсатор отдает тепло газа в атмосферу, конденсирует его и превращает в жидкий хладагент.
После процесса конденсации жидкий хладагент поступает в расширительный клапан. Этот расширительный клапан быстро снижает давление, что вызывает резкое падение температуры жидкого хладагента.
Затем холодная смесь жидкости и пара под низким давлением проходит через испаритель. Испаритель полностью испаряет смесь для поглощения тепла из окружающей среды, а затем возвращается в компрессор в виде газа низкой температуры и низкого давления для рециркуляции.
Этот тип холодильного цикла используется в парокомпрессионных холодильных системах, которые в настоящее время применяются для общего замораживания. Цикл сжатия пара используется во всех промышленных приложениях, от небольших бытовых холодильников до больших кондиционеров воздуха.
2) Цикл абсорбции пара
Работа цикла абсорбции паров почти такая же, как и цикла сжатия паров, но в цикле абсорбции давление паров хладагента увеличивается. В абсорбционной системе вместо компрессора используется генератор и абсорбер.
Абсорберы растворяют пары хладагента в соответствующей жидкости (разбавленный раствор), в результате чего разбавленный раствор превращается в концентрированный. После этого процесса насос перекачивает концентрированный раствор из абсорбера в генератор.
Когда концентрированный раствор поступает в генератор, генератор повышает давление и температуру раствора. После этого из концентрированного раствора выделяются пары хладагента.
Вследствие удаления паров хладагента концентрированный раствор снова переходит в состояние разбавленного раствора, и жидкостный насос перекачивает пары хладагента обратно в абсорбер.
Жидкостные насосы должны выполнять определенную работу, но они выполняют гораздо меньше работы, чем компрессоры в цикле парового сжатия для данного количества хладагента. Однако генератор абсорбционной системы нуждается в источнике энергии и потребляет тепловую энергию.
В абсорбционных холодильниках используется наилучшая подходящая комбинация абсорбента и хладагента. Одной из идеальных комбинаций является вода (абсорбент) и аммиак (хладагент), а также бромид лития (абсорбент) и вода (хладагент).
Для питания абсорбционной системы можно использовать возобновляемые источники энергии (такие как солнечная энергия, биомасса, рекуперация отработанного тепла) или ископаемые источники энергии (такие как природный газ, нефть, уголь и т.д.).
Преимущества системы абсорбции паров
- Она не нуждается в компрессоре или любом другом поршневом компоненте.
- Система охлаждения с абсорбцией пара имеет длительный срок службы.
- Она проста в эксплуатации.
- Очень низкий уровень шума.
Недостатки системы абсорбции пара
- Низкий коэффициент полезного действия
- Эта система имеет громоздкие размеры.
- Насос этой системы имеет очень высокую стоимость.
- Требуется много времени для создания холодильного эффекта.
3) Газовый цикл
Газовый холодильный цикл — это термодинамический цикл, в котором в качестве рабочей среды используется газ, и этот газовый хладагент не изменяет своего состояния даже в процессе расширения и сжатия. В этом цикле нет стадий испарения и конденсации.
При определенных экстремальных температурах эффективность газового цикла ниже, чем эффективность парокомпрессионного цикла. Это связано с тем, что цикл сжатия пара работает по циклу Ренкина, в то время как газовый цикл работает на основе обратного цикла Брейтона. Поэтому рабочая среда не поглощает и не отдает тепло при постоянной температуре.
4) Цикл Стирлинга
Тепловые двигатели Стирлинга могут работать в обратном направлении. Он использует механическую энергию для перемещения теплоносителя в обратном направлении (т.е. тепловые насосы или охладители).
Для этого типа оборудования можно создавать различные конфигурации компоновки. Некоторые из этих конфигураций требуют скользящих или вращающихся уплотнений, что создает сложные компромиссы между утечками хладагента и потерями на трение.
5) Обратимый цикл Карно
Это обратимый цикл. Цикл Карно имеет четыре процесса (два изоэнтропийных и два изотермических), которые могут работать и в обратном направлении. Поскольку цикл Карно начинает работать в обратном направлении, он известен как обратный цикл Карно.
Тепловые насосы или холодильники, работающие в обратном цикле Карно, называются тепловыми насосами Карно или холодильниками Карно.
Обратный тепловой двигатель использует внешний источник для перемещения тепла от низкотемпературного тела к высокотемпературному.
Компоненты холодильной установки
Холодильная установка состоит из следующих основных частей:
1) Компрессор
Компрессор является наиболее важной частью холодильного цикла. Он используется для повышения температуры и давления газа. Перед процессом сжатия хладагент имеет низкое давление и температуру.
Когда хладагент поступает в компрессор, компрессор сжимает его и превращает в газ высокого давления и высокой температуры.
В холодильных установках используются различные типы компрессоров. Ниже приведены наиболее распространенные типы компрессоров:
2) Конденсатор
Конденсатор — это тип теплообменника. Когда сжатый хладагент поступает в конденсатор, он отводит тепло от сжатого хладагента и полностью превращает его в насыщенный жидкий хладагент.
Во время этого процесса температура хладагента снижается, но давление хладагента остается высоким.
После процесса конденсации сконденсированный хладагент поступает в расширительный клапан.
3) Расширительный клапан
Когда конденсированный или насыщенный жидкий хладагент поступает в расширительный клапан, он расширяется. При расширении насыщенного жидкого хладагента его давление и температура снижаются. Во время этого процесса температура хладагента становится равной температуре окружающей среды.
После процесса расширения хладагент переходит в испаритель.
4) Испаритель
Испаритель используется для преобразования жидкого хладагента в парообразный хладагент. Испаритель соединяется с холодным резервуаром. Когда жидкий хладагент поступает в испаритель, он поглощает тепло холодного резервуара, и хладагент переходит из жидкого состояния в парообразное.
Когда хладагент переходит в парообразное состояние, он переходит в компрессоры, и весь цикл повторяется.
Преимущества и недостатки системы охлаждения воздуха
Преимущества воздушной холодильной системы
- В этой системе охлаждения в качестве хладагента используется воздух, который всегда доступен в атмосфере.
- Хладагент (воздух) не требует затрат и легко доступен.
- Эта холодильная установка имеет очень простой дизайн и конструкцию.
- Воздух не вызывает коррозии, не воспламеняется и нетоксичен.
- Отсутствует опасность пожара из-за утечки хладагента из труб.
- В качестве хладагента можно также использовать холодный воздух.
Недостатки холодильной системы
- Эта холодильная система имеет высокую эксплуатационную стоимость’.
- Воздушный хладагент имеет низкий удельный вес по сравнению с другими типами хладагентов.
- Воздушные холодильные системы используют большее количество хладагента, чем другие хладагенты.
- Эта система имеет большие и громоздкие детали.
Применение холодильных систем
- Центральное кондиционирование воздуха
- Хирургические и медицинские средства
- Замораживание пищевых продуктов
- Производство металлов
- Химическая промышленность
- Промышленное кондиционирование
- Транспортировка продуктов питания
- Производство льда
Разница между тепловым насосом и холодильным циклом
Раздел часто задаваемых вопросов
Каковы четыре этапа холодильного цикла?
Охлаждение состоит из следующих четырех этапов:
- Сжатие
- Расширение
- Конденсация
- Испарение
Каковы четыре стадии охлаждения?
- Сжатие
- Расширение
- Конденсация
- Испарение
Что такое процесс охлаждения?
Процесс бесполезного отвода тепла из определенной области, точки или вещества и передачи этого тепла другой области, точке, веществу или атмосфере известен как процесс охлаждения.
Каковы типы холодильного цикла?
- Газовый цикл
- Цикл абсорбции пара
- Цикл сжатия пара
Кто изобрел охлаждение?
В 1755 году шотландский профессор Уильям Каллен изобрел первое искусственное охлаждение.
