Необходимые сведения о фреоновом контуре

К.т.н. Штейн А.С.

 

Москва – 2006

Как работает сплит?

Принцип действия

Сплит-система или просто фреоновый кондиционер это обычная, традиционная парокомпрессионная холодильная машина, обеспечивающая отвод тепла из помещения и передачу его в окружающую среду (рис.1.).

 

Рис.1.

 

Устройством для обработки воздуха в помещении является внутренний блок. Это основной элемент системы. Все, что вынесено в наружный блок это лишь обслуживающая система, обеспечивающая поддержание требуемых температур на поверхности теплообменника внутреннего блока.

К анализу работы кондиционера можно подходить с разных сторон. Например, можно изучать параметры работы компрессорного оборудования, рабочие давления в фреоновом контуре и т.д. Однако для потребителей техники наиболее интересен анализ работы внутреннего блока, поскольку именно через теплообменник внутреннего блока реализуются в кондиционируемом помещении все значимые для потребителя характеристики: холодопроизводительность кондиционера, поддерживаемые температура и влажность воздуха (рис.2.). При таком анализе устанавливаются зависимости холодопроизводительности кондиционера (полной и явной) от параметров воздуха на входе во внутренний блок, могут быть определены параметры воздуха на выходе из кондиционера, температура поверхности теплообменника внутреннего блока. Данный подход позволяет моделировать работу кондиционера, определять условия срабатывания систем защиты.

 

 

Рис.2.

Для теплообменника, работающего в стационарном режиме, количество отводимого от воздуха помещения тепла (мощность, отводимая из помещения) должно равняться количеству тепла, передаваемому фреону (мощность, отводимая наружным блоком).

Для того, чтобы «вырвать» теплообменник из циркуляционного контура холодильной машины необходимо и достаточно задать условия работы теплообменника со стороны фреона. Это проще всего выполнить зная температуру на поверхности теплообменника внутреннего блока t_пов.

Температура поверхности теплообменника и параметры наружного воздуха однозначно определяют холодопроизводительность фреонового контура.

При известной температуре поверхности теплообменника можно создать расчетную модель внутреннего блока. Определяя тепловые нагрузки теплообменника со стороны воздуха, следует учитывать как явное, так и скрытое тепло: как нагрузку связанную с охлаждением воздуха, так и нагрузку по конденсации влаги. Для такого рассмотрения следует привлечь i – d диаграмму влажного воздуха, позволяющую по входным и выходным параметрам воздуха определять тепловые характеристики процесса.

Необходимые сведения о фреоновом контуре

 

Идеальный теплообменник

 

В нашем случае, идеальный теплообменник – это теплообменник с постоянной температурой на поверхности и с идеальным теплообменом, когда воздух на выходе имеет температуру равную температуре поверхности. Возможны 2 варианта процесса в таком теплообменнике: с конденсацией влаги и охлаждение воздуха без выпадения влаги. И в том и другом случае температура воздуха на выходе равна температуре поверхности, но в первом случае влагосодержание воздуха на выходе равно влагосодержанию воздуха в состоянии насыщения при температуре поверхности (точка 1. на рис.3.). Для такого течения процесса характерно, что температура поверхности ниже температуры точки росы воздуха на входе. Во втором случае влагосодержание воздуха на выходе из теплообменника равно влагосодержанию на входе во внутренний блок, если температура теплообменника выше температуры точки росы воздуха на входе (точка 2. на рис.3.),

Рис.3.

Важно отметить, что холодопроизводительность такого идеального кондиционера зависит только от параметров воздуха на входе во внутренний блок, поскольку параметры воздуха на выходе из кондиционера «зафиксированы». Действительно, холодопроизводительность кондиционера может быть рассчитана по формуле:

 

Q = G * (i_вх – i_вых),

 

где: G – массовый расход воздуха через внутренний блок,

i_вх – энтальпия воздуха на входе

i_вых – энтальпия воздуха на выходе

 

Рис.4.

 

Массовый расход воздуха зависит только от параметров воздуха на входе в кондиционер (температура, влажность, давление). Параметром воздуха на входе является и энтальпия i_вх. Два процесса 0 – 1 и 0’ – 1 представленные в i – d диаграмме (рис.4) отличаются параметрами на входе и перепадом энтальпий. Следовательно, и холодопроизводительности внутреннего блока для этих процессов различны.

Аналогичный вывод можно сделать и для случая отсутствия конденсации влаги, когда холодопроизводительность кондиционера может быть определена по формуле:

 

Q = G * c_p * (t_вх – t_вых),

 

где: G – массовый расход воздуха через внутренний блок,

c_p – теплоемкость влажного воздуха на входе

t_вх – температура воздуха на входе

t_вых – температура воздуха на выходе

 

Это свойство идеального кондиционера, конечно, с определенной погрешностью, можно отнести и к реальному кондиционеру. При таком допущении можно экспериментальные данные, полученные при относительной влажности 50%, распространить на более широкую область. Например, при относительной влажности 40%, 50% или 60%, но равной энтальпии воздуха на входе, полная холодопроизводительность кондиционера будет одинаковой (рис.5).

Рис.5.

При последовательном снижении влажности воздуха (Рис.6) мы приходим к ситуации, когда прекращается конденсация влаги (точка 4). Эту точку можно назвать критической. В данной точке влагосодержание воздуха на входе в теплообменник равно влагосодержанию насыщенного воздуха при температуре поверхности теплообменника.

Рис.6.

Линия a – b, с постоянной энтальпией на входе во внутренний блок (от пограничной кривой j=100% до j_кр) это линия постоянной тепловой нагрузки для кондиционера. Для всех входных параметров j₁, j₂, j₃ и j₄ параметры воздуха на выходе будут одни и те же и соответствовать точке 1. Перемещение от точки a к точке b приводит к сокращению доли влажностной тепловой нагрузки кондиционера и возрастанию доли явной тепловой нагрузки. В критической точке b вся тепловая нагрузка становится явной.

Для процессов со входными параметрами j₅ и j₆ и параметрами на выходе соответствующим точкам 2 и 3 характерным является следующее. Температура поверхности теплообмена остается неизменной, а входные параметры обеспечивают, как и ранее, тот же самый перепад энтальпий. Линия c - b практически совпадает с изотермой. В этом случае условия для холодильной машины остаются теми же самыми, что и в процессах с параметрами j₁, j₂, j₃ и j₄, а вся ломаная линия a – b – c является линией постоянной холодопроизводительности кондиционера.

Если сохранить температуру поверхности теплообменника постоянной и продолжить ее в область более низких влагосодержаний (линия d – e на Рис.6.), то эта линия будет линией выходных параметров воздуха из внутреннего блока при постоянной тепловой нагрузке кондиционера.

Байпас-фактор»

Шагом по приближению идеальной модели кондиционера к реальной является введение понятия «байпас-фактор».

Можно себе представить идеальный теплообменник, в котором с теплообменной поверхностью контактирует только часть общего потока воздуха, а остальной поток воздуха минует теплообменник (проходит по обводной линии – байпасу) и не изменяет параметров (рис.7.).

Рис.7.

 

На выходе из теплообменника потоки смешиваются и поступают в помещение с параметрами смеси. Схема процесса представлена на рис.8. Точка (1) соответствует параметрам воздуха на входе в воздухоохладитель, точка (2) – параметрам воздуха на выходе из воздухоохладителя. Температура в точке (3) соответствует среднему значению температуры поверхности воздухоохладителя.

 

Рис.8.

 

Байпас-фактор это массовая доля потока воздуха, прошедшая мимо теплообменника:

 

BF = G_байпас / G_общий = G_байпас / (G_байпас + G_{теплообменник})

 

Используя уравнение теплового баланса теплообменника, можно получить уравнение для расчета значения байпас-фактора через параметры влажного воздуха на входе, выходе из теплоообменника и параметров насыщенного влажного воздуха, соответствующих температуре поверхности теплообменника:

 

BF = (i₂ - i₃ )/(i₁ - i₃)

Значения байпас-фактора приводятся в технических характеристиках конкретного оборудования и могут быть использованы для определения расчетной температуры поверхности теплообменника ( t₃ ) при известных параметрах воздуха на входе в воздухоохладитель ( i₁ ) массовом расходе воздуха G и тепловой нагрузке Q.

 

i₁ - i₂ =Q/G

i₃ = i₁ – (i₁ - i₂) / (1 – BF) = i₁ - Q / G (1 – BF)

Зная энтальпию ( i₃ ) и учитывая, что искомая температура находится на пограничной кривой =100%, найти температуру поверхности ( t₃ ) не представляет труда.

Если значение байпас-фактора неизвестно, то его можно определить графически по i – d диаграмме, используя известные значения полной и явной холодопроизводительности (рис.9).

Исходные данные

Температурные условия

- температура воздуха в помещении (на входе во внутренний блок) по сухому термометру t вх d [^оС]

- температура наружного воздуха t o [ ^оС ]

- барометрическое давление В [ Па ]

Характеристики кондиционера

- расход воздуха через внутренний блок AFR [м³/мин]

- байпас-фактор BF [ - ]

- полная холодопроизводительность кондиционера TC [кВт]

- явная холодопроизводительность кондиционера SHC [ кВт ]

 

Значения полной и явной холодопроизводительностей заносятся в программу расчета в виде таблиц. Пример приведен на рис. 25.

 

 

Рис.25.

 

Опорные для получения аппроксимационных зависимостей значения температур в помещении и наружного воздуха можно выбрать по своему усмотрению. Важно, чтобы в дальнейшем, при расчетах использовались значения температур и влажности воздуха в помещении и снаружи лежащие в диапазоне параметров заданной Вами таблицы. Это связано с тем, что характеристики кондиционера в программе аппроксимируются степенными рядами и экстраполяция данных за пределы границ может приводить к большим погрешностям.

В результате интерполяции мы получаем уравнения:

 

TC = ¦1( t нар, t пом w)

SHC = ¦2( t нар, t пом w)

 

Интерполяция проводится в 2 этапа. На первом этапе определяются значения полной и явной холодопроизводительностей при заданной расчетной температуре наружного воздуха, а на втором этапе определяются коэффициенты аппроксимационного уравнения зависимости холодопроизводительности от температуры по влажному термометру на входе во внутренний блок.

 

Система расчетных уравнений

Примеры расчетных схем процессов обработки воздуха в кондиционере

2.2.2.1 Расчет параметров воздуха на входе во внутренний блок по табличным данным (температурам сухого и влажного термометра)

1. по заданной температуре мокрого термометра t w находим давление насыщенных водяных паров pн w [Па]

lg pн w = 2, 125 + (156+8, 12*t w)/(236+t w)

2. по давлению насыщенных паров воды и барометрическому давлению находим влагосодержание воздуха в состоянии насыщения d100 w [г/кг]

d100 w = 622*pн w/(B – pн w)

3. по температуре мокрого термометра и влагосодержанию насыщенных паров при температуре мокрого термометра рассчитываем энтальпию воздуха на входе i вх [кДж/кг]

i вх = 1, 005*t w + (2, 5 +0, 0018*t w)*d100 w

4. по температуре сухого термометра и энтальпии воздуха на входе определяем влагосодержание воздуха на входе d вх [ г/кг ]

d вх = (i вх - 1, 005*t d)/(2, 5 +0, 0018*t d)

5. по заданной температуре воздуха в помещении t d находим давление насыщенных водяных паров pн d [ Па ]

lg pн d = 2, 125 + (156+8, 12*t d)/(236+t d)

6. относительная влажность воздуха на входе во внутренний блок j вх [%]

j вх = B/(p нас) *100* d вх /(622- d вх)

8. плотность сухого воздуха определяем по температуре воздуха на входе во внутренний блок и барометрическому давлению r [кг/м³]

r вх = 0, 003488*B/( t вх d + 273)

9. массовый расход воздуха через внутренний блок G [кг/с]

G = AFR *r вх /60

 

К.т.н. Штейн А.С.

 

Москва – 2006

Как работает сплит?

Принцип действия

Сплит-система или просто фреоновый кондиционер это обычная, традиционная парокомпрессионная холодильная машина, обеспечивающая отвод тепла из помещения и передачу его в окружающую среду (рис.1.).

 

Рис.1.

 

Устройством для обработки воздуха в помещении является внутренний блок. Это основной элемент системы. Все, что вынесено в наружный блок это лишь обслуживающая система, обеспечивающая поддержание требуемых температур на поверхности теплообменника внутреннего блока.

К анализу работы кондиционера можно подходить с разных сторон. Например, можно изучать параметры работы компрессорного оборудования, рабочие давления в фреоновом контуре и т.д. Однако для потребителей техники наиболее интересен анализ работы внутреннего блока, поскольку именно через теплообменник внутреннего блока реализуются в кондиционируемом помещении все значимые для потребителя характеристики: холодопроизводительность кондиционера, поддерживаемые температура и влажность воздуха (рис.2.). При таком анализе устанавливаются зависимости холодопроизводительности кондиционера (полной и явной) от параметров воздуха на входе во внутренний блок, могут быть определены параметры воздуха на выходе из кондиционера, температура поверхности теплообменника внутреннего блока. Данный подход позволяет моделировать работу кондиционера, определять условия срабатывания систем защиты.

 

 

Рис.2.

Для теплообменника, работающего в стационарном режиме, количество отводимого от воздуха помещения тепла (мощность, отводимая из помещения) должно равняться количеству тепла, передаваемому фреону (мощность, отводимая наружным блоком).

Для того, чтобы «вырвать» теплообменник из циркуляционного контура холодильной машины необходимо и достаточно задать условия работы теплообменника со стороны фреона. Это проще всего выполнить зная температуру на поверхности теплообменника внутреннего блока t_пов.

Температура поверхности теплообменника и параметры наружного воздуха однозначно определяют холодопроизводительность фреонового контура.

При известной температуре поверхности теплообменника можно создать расчетную модель внутреннего блока. Определяя тепловые нагрузки теплообменника со стороны воздуха, следует учитывать как явное, так и скрытое тепло: как нагрузку связанную с охлаждением воздуха, так и нагрузку по конденсации влаги. Для такого рассмотрения следует привлечь i – d диаграмму влажного воздуха, позволяющую по входным и выходным параметрам воздуха определять тепловые характеристики процесса.

Необходимые сведения о фреоновом контуре

 

Идеальный теплообменник

 

В нашем случае, идеальный теплообменник – это теплообменник с постоянной температурой на поверхности и с идеальным теплообменом, когда воздух на выходе имеет температуру равную температуре поверхности. Возможны 2 варианта процесса в таком теплообменнике: с конденсацией влаги и охлаждение воздуха без выпадения влаги. И в том и другом случае температура воздуха на выходе равна температуре поверхности, но в первом случае влагосодержание воздуха на выходе равно влагосодержанию воздуха в состоянии насыщения при температуре поверхности (точка 1. на рис.3.). Для такого течения процесса характерно, что температура поверхности ниже температуры точки росы воздуха на входе. Во втором случае влагосодержание воздуха на выходе из теплообменника равно влагосодержанию на входе во внутренний блок, если температура теплообменника выше температуры точки росы воздуха на входе (точка 2. на рис.3.),

Рис.3.

Важно отметить, что холодопроизводительность такого идеального кондиционера зависит только от параметров воздуха на входе во внутренний блок, поскольку параметры воздуха на выходе из кондиционера «зафиксированы». Действительно, холодопроизводительность кондиционера может быть рассчитана по формуле:

 

Q = G * (i_вх – i_вых),

 

где: G – массовый расход воздуха через внутренний блок,

i_вх – энтальпия воздуха на входе

i_вых – энтальпия воздуха на выходе

 

Рис.4.

 

Массовый расход воздуха зависит только от параметров воздуха на входе в кондиционер (температура, влажность, давление). Параметром воздуха на входе является и энтальпия i_вх. Два процесса 0 – 1 и 0’ – 1 представленные в i – d диаграмме (рис.4) отличаются параметрами на входе и перепадом энтальпий. Следовательно, и холодопроизводительности внутреннего блока для этих процессов различны.

Аналогичный вывод можно сделать и для случая отсутствия конденсации влаги, когда холодопроизводительность кондиционера может быть определена по формуле:

 

Q = G * c_p * (t_вх – t_вых),

 

где: G – массовый расход воздуха через внутренний блок,

c_p – теплоемкость влажного воздуха на входе

t_вх – температура воздуха на входе

t_вых – температура воздуха на выходе

 

Это свойство идеального кондиционера, конечно, с определенной погрешностью, можно отнести и к реальному кондиционеру. При таком допущении можно экспериментальные данные, полученные при относительной влажности 50%, распространить на более широкую область. Например, при относительной влажности 40%, 50% или 60%, но равной энтальпии воздуха на входе, полная холодопроизводительность кондиционера будет одинаковой (рис.5).

Рис.5.

При последовательном снижении влажности воздуха (Рис.6) мы приходим к ситуации, когда прекращается конденсация влаги (точка 4). Эту точку можно назвать критической. В данной точке влагосодержание воздуха на входе в теплообменник равно влагосодержанию насыщенного воздуха при температуре поверхности теплообменника.

Рис.6.

Линия a – b, с постоянной энтальпией на входе во внутренний блок (от пограничной кривой j=100% до j_кр) это линия постоянной тепловой нагрузки для кондиционера. Для всех входных параметров j₁, j₂, j₃ и j₄ параметры воздуха на выходе будут одни и те же и соответствовать точке 1. Перемещение от точки a к точке b приводит к сокращению доли влажностной тепловой нагрузки кондиционера и возрастанию доли явной тепловой нагрузки. В критической точке b вся тепловая нагрузка становится явной.

Для процессов со входными параметрами j₅ и j₆ и параметрами на выходе соответствующим точкам 2 и 3 характерным является следующее. Температура поверхности теплообмена остается неизменной, а входные параметры обеспечивают, как и ранее, тот же самый перепад энтальпий. Линия c - b практически совпадает с изотермой. В этом случае условия для холодильной машины остаются теми же самыми, что и в процессах с параметрами j₁, j₂, j₃ и j₄, а вся ломаная линия a – b – c является линией постоянной холодопроизводительности кондиционера.

Если сохранить температуру поверхности теплообменника постоянной и продолжить ее в область более низких влагосодержаний (линия d – e на Рис.6.), то эта линия будет линией выходных параметров воздуха из внутреннего блока при постоянной тепловой нагрузке кондиционера.

Байпас-фактор»

Шагом по приближению идеальной модели кондиционера к реальной является введение понятия «байпас-фактор».

Можно себе представить идеальный теплообменник, в котором с теплообменной поверхностью контактирует только часть общего потока воздуха, а остальной поток воздуха минует теплообменник (проходит по обводной линии – байпасу) и не изменяет параметров (рис.7.).

Рис.7.

 

На выходе из теплообменника потоки смешиваются и поступают в помещение с параметрами смеси. Схема процесса представлена на рис.8. Точка (1) соответствует параметрам воздуха на входе в воздухоохладитель, точка (2) – параметрам воздуха на выходе из воздухоохладителя. Температура в точке (3) соответствует среднему значению температуры поверхности воздухоохладителя.

 

Рис.8.

 

Байпас-фактор это массовая доля потока воздуха, прошедшая мимо теплообменника:

 

BF = G_байпас / G_общий = G_байпас / (G_байпас + G_{теплообменник})

 

Используя уравнение теплового баланса теплообменника, можно получить уравнение для расчета значения байпас-фактора через параметры влажного воздуха на входе, выходе из теплоообменника и параметров насыщенного влажного воздуха, соответствующих температуре поверхности теплообменника:

 

BF = (i₂ - i₃ )/(i₁ - i₃)

Значения байпас-фактора приводятся в технических характеристиках конкретного оборудования и могут быть использованы для определения расчетной температуры поверхности теплообменника ( t₃ ) при известных параметрах воздуха на входе в воздухоохладитель ( i₁ ) массовом расходе воздуха G и тепловой нагрузке Q.

 

i₁ - i₂ =Q/G

i₃ = i₁ – (i₁ - i₂) / (1 – BF) = i₁ - Q / G (1 – BF)

Зная энтальпию ( i₃ ) и учитывая, что искомая температура находится на пограничной кривой =100%, найти температуру поверхности ( t₃ ) не представляет труда.

Если значение байпас-фактора неизвестно, то его можно определить графически по i – d диаграмме, используя известные значения полной и явной холодопроизводительности (рис.9).

12345Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СОРЕВНОВАНИЯХ
2. I. Основные теоретические сведения
3. I. СВЕДЕНИЯ О ПРОВОДИМОМ АУКЦИОНЕ В ЭЛЕКТРОННОЙ ФОРМЕ
4. III. Краткие теоретические сведения
5. IV. Разделы, изученные ранее и необходимые для данного занятия
6. VI. Краткие теоретические сведения.
7. VIII. Краткие теоретические сведения.
8. Введение. Общие сведения об экономическом состоянии производства столярных изделий.
9. Векторная графика, общие сведения
10. Вопрос 1. Общие сведения, назначение и классификация химических источников тока.
11. Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЛОШАДИ И ВЫБОР ЕЕ ДЛЯ ЦИРКА
12. ГЛАВА XII Некоторые сведения об одном «почтенном» ремесле