Температурный режим работы холодильной машины: Температурный режим работы холодильной машины – Оптимальные режимы работы холодильных установок

Содержание

6.2. Оптимальный режим работы холодильной установки

Оптимальным называется режим работы, при котором стоимость эксплуатации минимальна, обеспечена долговечность машин и аппаратов и безопасность работы всей холодильной установки.

    Наиболее экономичен режим работы установки, когда температура кипения максимально высокая, а температура конденсации — низкая.

    В теплообменных аппаратах и охлаждаемых помещениях для обеспечения нормального теплообмена между средами сохраняется определенная разность температур или температурный напор. Величина температурного напора зависит от соответствия производительности компрессоров и поверхности теплопередачи аппаратов тепловой нагрузке на испарительную систему, а также от различного рода неполадок в работе установки. Повышение температуры кипения и понижение температуры конденсации могут быть достигнуты за счет увеличения размеров или количества теплообменных аппаратов, расхода воды, затрат на работу дополнительных насосов и вентиляторов.

    К основным затратам относятся расход электроэнергии и воды. На основании опыта проектирования и эксплуатации холодильных установок определены оптимальные перепады между средами в теплообменных аппаратах и оптимальные перегревы хладагента, при которых стоимость эксплуатации минимальна:

Температура кипения определяется по двухшкальному мановакуумметру, установленному на испарителе или в непосредственной близости от него. Повышение температуры кипения на один градус приводит к увеличению холодо-производительности установки на 4—5 % и уменьшению относительного расхода электроэнергии на 2—3,5%.
    Температура конденсации определяется по температурной шкале манометра, установленного на конденсаторе. Снижение температуры конденсации на один градус приводит к увеличению холодопроизводительности на 1—2 % и уменьшению относительного расхода электроэнергии на 2—3%.

    Температуры всасывания и нагнетания определяются по стеклянным термометрам, установленным на расстоянии 200—300 мм от запорных вентилей компрессора (всасывающего и нагнетательного).
    При отсутствии неполадок в компрессоре и оптимальном перегреве пара на всасывании компрессора температуру нагнетания можно определить по эмпирической зависимости, tнагнетания ≈ 2,4 (tк — t0) , где tк — температура конденсации, °С; t0 — температура кипения, °С.
    По этой зависимости с достаточной точностью можно определить температуру нагнетания при t0 = — 5 … — 25°С и tк = +25 … + 40°С.
    С большей точностью температуру нагнетания можно определить по табл. 51.

 

Оптимальный режим работы холодильной установки

    ОПТИМАЛЬНЫЙ РЕЖИМ РАБОТЫ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ [c.530]

    Оптимальный режим работы холодильной установки 491 

[c.491]

    При регулировании холодильной установки стремятся поддерживать оптимальный режим ее работы, под которым следует понимать не только наиболее экономичный режим, но и безопасный и [c. 491]

    Цель настоящей работы — ознакомление с методикой определения удельного расхода электроэнергии на выработку искусственного холода и получение навыков правильно анализировать режим работы холодильной установки для выявления отклонений от оптимального режима работы. [c.201]


    При работе конденсаторов и водоохладителей (устройства для испарительного охлаждения воды в холодильных установках) устанавливается равновесный температурный режим, определяемый многими факторами, включая метеорологические условия — температуру и влажность воздуха, скорость его движения и др. Изменение указанных условий приводит при испарительном охлаждении воды к изменению режима работы водоохладителей, конденсаторов и, следовательно, всей холодильной установки. Поэтому при проектировании холодильных установок с испарительным охлаждением воды, а также при анализе их работы следует пользоваться методом согласованного (комплексного) расчета и исследования конденсаторно-водоохладитель-ных устройств.
При расчете определяют равновесный температурный режим установки (желательно, чтобы он был оптимальным, т. е. экономически целесообразным), основные размеры водоохладителя, рабочую поверхность конденсаторов, расход циркулирующей воды и воздуха. [c.266]

    Режим работы холодильной установки характеризуется температурами и давлениями в различных частях холодильной установки и степенью заполнения отдельных аппаратов. Механик должен обеспечить такой режим, при котором заданная температура в охлаждаемом объекте поддерживается с наименьшим коэффициентом рабочего времени. При этом расход электроэнергии, воды и затраты на ремонт будут минимальными. Такой режим называют оптимальным. 248 

[c.248]

    Холодопроизводительность и экономичность работы холодильной установки зависят от температурного режима эксплуатации. Для заданных внешних условий (температуры охлаждаемых объектов и воды) всегда должен поддерживаться оптимальный режим работы установки. [c. 291]

    В эксплуатации условия работы эжекторной холодильной машины могут отличаться от расчетных условий, определяющих, как правило, оптимальные режимы. На работу холодильной установки могут оказывать влияние такие эксплуатационные факторы, как температура охлаждающей воды и степень ее загрязненности, параметры рабочего пара перед машиной и их стабильность, величина и стабильность тепловых нагрузок, т. е. режим потребления холода и др. Во всех случаях влияние на работу машины внешних эксплуатационных условий сказывается на работе главных эжекторов и может быть правильно оценено только с учетом приведенных выше характеристик эжекторов. 

[c.121]

    Убедившись в установившемся режиме работы холодильной установки (режим настраивается на оптимальный), произвести измерение величин значений, указанных в табл. 26. Время работы оборудования и показания электросчетчиков фиксируются в табл. 27. В этом и последуюш,их режимах отсчет показаний по контрольно-измерительным приборам производится не менее трех раз.[c.203]


    При регулировании холодильной установки стремятся поддерживать оптимальный режим ее работы, под которым следует понимать не только наиболее экономичный режим, но и безопасный и обеспечивающий долговечность оборудования. Достигается он установлением и поддержанием оптимальных перепадов температур между средами в теплообменных аппаратах, оптимального перегрева пара на всасывающей стороне и определенной температуры перегрева на нагнетательной стороне компрессора. 
[c.472]

    После загрузки камер продуктами температуру воздуха в них снижают постепенно, обеспечивая оптимальный режим работы холодильной установки, при котором температура испарения хладагента (или рассола) в охлаждающих устройствах должна быть ниже температуры воздуха в камерах на 10 С, а температура кипения хлад-агентй 9 испарителе на 5—6° С ниже средней температуры рассола. Температура паров во всасывающем трубопроводе компрессора должна б ыть на 5—8° С выше температуры испарения в охлаждающих устройствах или испарителе Для аммиачных и 8—12° С для фреоновых холодильных установок.

[c.465]

    Оптимальный режим работы холодильной установки зависит от множества факторов — технических характеристик и технического состояния холодильных камер, типов охлаждающих приборов и величины их теплопередающей поверхности, системы охлаждения, заданного температурно-влажностного режима в камерах, метеорологических условий, интенсивности поступления продуктов на холодильник, стоимости воды й электроэнергии в 1анном районе, способа охлаждения конденсатора и т. д. [c.150]

    Для поддержания оптимальных параметров работы холодильной установки обслуживающий персонал должен выдерживать заданный технологический режим иронзввднть своевременный дренаж масла из системы холодильной установки  [c.219]

    Таким образом, если удерживать перегрев всасываемого в ко ч -прессор пара в размере 5— 10 С (а для фреоновых компрессоров и больше), то это обеспечивает постоянную работу компрессора в оптимальном режиме, поскольку этим определяется и безопасная работа и наибольшая холодопроизводительность при самоустана-вливающейся температуре кипения.

Распространенное мнение о необходимости контролировать режим компрессора по температуре перегрева пара после компрессора объясняется, во-первых, опытом эксплуатации старых тихоходных компрессоров, работавшими большей частью влажным ходом, т. е. при равенстве = /ц и, во-вторых, трудностью измерения малых величин перегрева пара приборами очень низкого класса точности, обычно применявшимися на холодильных установках. [c.223]

    В учебнике рассматриваются устройство и действие наиболее важных приборов автоматического контроля и регулирования холодильных установок. Одни из этих проборов предназначены для регулирования рабочих давлений в машине они гарантируют безопасность ее работы (реле давления) другие— для регулирования подачи холодильного агента в испаритель или воды на конденсатор они обеспечивают нормальную работу установки (поплавковые регулирующие вентил1и, терморегулирующие, водорегулирующие и соленоидные вентили) приборы для регулирования температуры в охлаждаемых помещениях (термостаты) поддерживают оптимальный температурный режим обработки и хранения пищевых продуктов.

[c.204]


Режим работы холодильной установки – Справочник химика 21

    ОПТИМАЛЬНЫЙ РЕЖИМ РАБОТЫ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ [c.530]

    Оптимальный режим работы холодильной установки 491 [c.491]

    Если такого режима не удается добиться сразу, то следует вернуться к работе на ручном регулирующем вентиле. Осуществление нормального режима эксплуатации на ручном регулировании и невозможность достичь его при использовании ТРВА обусловливается неправильно выбранным терморегулирующим вентилем (здесь особенно следует обратить внимание на температурный режим работы холодильной установки) или дефектами самого вентиля или узла его подсоединения, которые могли быть вызваны несоблюдением правил монтажа прибора. 

[c.40]


    Цель настоящей работы — ознакомление с методикой определения удельного расхода электроэнергии на выработку искусственного холода и получение навыков правильно анализировать режим работы холодильной установки для выявления отклонений от оптимального режима работы.[c.201]

    Режим работы холодильной установки определяется прежде всего внешними условиями температурами охлаждаемого объекта, стабильностью тепловой нагрузки и параметрами окружающей среды. [c.355]

    Режим работы холодильной установки характеризуется температурами и давлениями в различных частях холодильной установки и степенью заполнения отдельных аппаратов. Механик должен обеспечить такой режим, при котором заданная температура в охлаждаемом объекте поддерживается с наименьшим коэффициентом рабочего времени. При этом расход электроэнергии, воды и затраты на ремонт будут минимальными. Такой режим называют оптимальным. 248 [c.248]

    После выполнения этих работ компрессоры были включены на рабочую нагрузку, во время работы была испытана и настроена автоматика. Компрессоры работали нормально, температура нагнетания в компрессорах высокого давления составляла 85—90 С. Автоматика все время поддерживала заданный режим работы холодильной установки.[c.72]

    Нормальный режим работы холодильной установки связан с поддержанием установленного уровня жидкого хладагента в испарительной системе и предотвращением попадания его во всасывающие полости компрессоров. Нормальный режим работы холодильной установки можно обеспечить лишь точным выполнением правил монтажа и эксплуатации приборов автоматики, поддерживающих заданный уровень или сигнализирующих о его изменении. В частности, такие факторы, как соблюдение уровня установки прибора, точность положения его оси и правильность крепления чувствительных элементов, оказывают решающее воздействие на работоспособность приборов и автоматической си стемы в целом. [c.75]

    Автоматизация холодильных установок повышает безопасные условия труда, улучшает режим работы холодильной установки, снижает затраты на ее обслуживание. [c.155]

    Поддержание заданного уровня холодильного агента в испарительной системе является одним из наиболее важных процессов рабочего режима холодильных установок. Нежелательное изменение уровня холодильного агента приводит к ухудшению энергетических показателей работы холодильной установки, к трудностям ее эксплуатации, к возникновению аварийных режимов. Нормальный режим работы холодильной установки, связанный с поддержанием установленного уровня жидкого холодильного агента в испарительной системе и предотвращением попадания его во всасывающие полости компрессоров, должен быть обеспечен прежде всего конструкцией схемы установки. Иногда из-за несовершенства схемы даже при высокой степени автоматизации невозможно гарантировать нормальный режим работы установки и безопасность эксплуатации. Но и при хорошо запроектированной и выполненной схеме нормальный режим работы холодильной установки можно обеспечить лишь точным выполнением правил монтажа и эксплуатации приборов автоматики, поддерживающих заданный уровень хладагента или сигнализирующих о его изменении. В частности, такие факторы, как соблюдение уровня установки прибора, точность положения его оси и правильность крепления чувствительных элементов, оказывают решающее значение на работоспособность приборов и автоматической системы в целом.[c.4]


    В процессе эксплуатации на теплообменных поверхностях камерных приборов охлаждения образуются снеговая шуба и масляная пленка, в результате чего снижается теплосъем и вследствие этого нарушается температурный режим работы холодильной установки. На эффективность работы камерных приборов охлаждения влияет также подача достаточного количества холодильного агента и поддержание заданной температуры кипения. [c.241]

    После загрузки камер продуктами температуру воздуха в них снижают постепенно, обеспечивая оптимальный режим работы холодильной установки, при котором температура испарения хладагента (или рассола) в охлаждающих устройствах должна быть ниже температуры воздуха в камерах на 10 С, а температура кипения хлад-агентй 9 испарителе на 5—6° С ниже средней температуры рассола. Температура паров во всасывающем трубопроводе компрессора должна б ыть на 5—8° С выше температуры испарения в охлаждающих устройствах или испарителе Для аммиачных и 8—12° С для фреоновых холодильных установок.[c.465]

    Оптимальный режим работы холодильной установки зависит от множества факторов — технических характеристик и технического состояния холодильных камер, типов охлаждающих приборов и величины их теплопередающей поверхности, системы охлаждения, заданного температурно-влажностного режима в камерах, метеорологических условий, интенсивности поступления продуктов на холодильник, стоимости воды й электроэнергии в 1анном районе, способа охлаждения конденсатора и т. д. [c.150]


Метод Построения Характеристик Абсорбционных Холодильных Машин | Холод-проект

В литературе подробно рассмотрены методы определения оптимальных режимов работы абсорбционных холодильных машин (АХМ), расчет и кон­струирование отдельных аппаратов. Однако спо­собы построения характеристик АХМ, подобных характеристикам компрессионных холодильных машин, до сих пор не освещены.

Данная статья посвящена методу построения характеристик АХМ, работающих при постоян­ной тепловой нагрузке генератора. Машины та­кого типа применяются в холодильной технике: утилизационные системы котлов, двигателей внутреннего сгорания, турбин и других агрега­тов предусматривают размещение генераторов АХМ в газоходах и выпускных трактах без спе­циального устройства, регулирующего количе­ство греющего тепла. Поэтому теплота, утили­зируемая генератором АХМ, практически посто­янна на всех режимах охлаждения и равна теп­ловой нагрузке генератора в расчетном режиме.

Для определения характеристик АХМ следует выразить величины основных показателей ее работы, например холодопроизводительности, теплоты генерации, теплового коэффициента, в зависимости от температуры кипения и конден­сации холодильного агента. Так как при ра­боте холодильного оборудования температура кипения поддерживается постоянной, то ха­рактеристики АХМ целесообразно строить в за­висимости от изменения температуры конден­сации.

Предположим, что рассчитана и спроектирова­на АХМ номинальной холодопроизводительностью Q ккал/ч для определенного режима tк и t0 и необходимо рассчитать и построить ха­рактеристики этой машины для других режимов, отличных от расчетного.

Введем следующие обозначения:

Qh – теплота генерации;

Q0 – холодопроизводительность;

ζ – тепловой коэффициент;

Vr – часовой объем цир­кулирующего крепкого раствора;

qh – удельная теплота генерации;

q0 – удельная холодопро­изводительность;

vr – удельный объем крепкого раствора;

ξr и ξa – концентрации крепкого и слабого растворов;

f – кратность циркуляции раствора;

D – количество циркулирующего жид­кого холодильного агента.

Показатели машины в расчетном режиме обозначаются с индексом «р». Примем также, что нам известны оптимальные показатели работы машины в расчетном режиме [1].

При отклонении режима работы машины от расчетного показатели работы будут отклонять­ся от оптимальных значений. Их действитель­ные значения будут определяться количеством жидкого холодильного агента D, образующимся при данных и постоянных для всех режимов Qhр и Vrр. В свою очередь, величина D зависит от ξr, ξa, f. Так как ξr однозначно определяется параметрами окружающей среды, то, следова­тельно, для того чтобы начать рассчитывать характеристики АХМ, необходимо прежде всего найти значение ξa в каждом рабочем режиме.

Величина ξa должна отвечать двум условиям: она должна быть такой, чтобы в этом режиме величины qh  и D соответствовали Qhр, а значения f и DVrр.

Эти условия можно записать в виде следующих выражений:

qh·D= Qhр         (1)

и

f ·D = Vrр / vr.     (2)

Исходя из указанных условий необходимо определять действительные показатели АХМ для какой-либо t0 = inv при изменяющейся величине tк. Расчеты необходимо производить для кон­кретных значений tк1, tк2, …, tкn. Последова­тельность действий для каждого значения tкi должна быть следующей.

1. Определяем ξr с помощью ξ-i-диаграммы рабочего раствора АХМ.

2. Задаемся несколькими значениями ξa и для каждого из них рассчитываем или определя­ем с помощью диаграмм и таблиц  f, qh, q0.

3. Рассчитываем D для каждого из значений ξa, которыми пришлось задаться, по формуле, вытекающей из выражений [2]:

D = Vrр/ (f ·vr).

4. Вычисляем значения:

Qh= D·qh            (3)

Q0= D·q0            (4)

ζ = Q0 / Qh.

5. Строим графические зависимости всех па­раметров в функции от ξa так, как это показано на рис. 1.

Рис. 1. Определение рабочих параметров АХМ в режиме t0 = inv, tк = var

6. Наносим линию расчетного значения Qhр = inv на семейство кривых Qh= fa) и выде­ляем точки пересечения линий 1, 2, …, n.

7. Определяем абсциссы этих точек, находя равновесные значения ξa1, ξa2, …, ξan для каж­дого режима по tк, удовлетворяющие первому условию расчета рабочего режима. В этих точках тепловая нагрузка на генератор равна расчет­ной. При этом автоматически соблюдается вто­рое условие, так как значения D определялись по формуле, выведенной исходя из этого условия.

8. Рассчитываем аналитически или определя­ем графически с помощью рис. 1 величины f, D, Q0 и ζ, соответствующие равновесным зна­чениям ξa.

То же необходимо выполнить для других зна­чений t0.

Результаты расчетов и графических построений позволяют получить характеристики АХМ.

Пример построения характеристик АХМ для трех основных режимов работы машины по ки­пению в диапазоне температур конденсации 10…50 °C приведен на рис. 2. Они выполнены для АХМ, проект которой выработан ВНИИВ для автономных рефрижераторных вагонов [2].

Рис. 2. Характеристики АХМ для автономного рефриже­раторного вагона

АХМ имеет следующие расчетные параметры: холодопроизводительность в режиме t0 = 5 °C, tк = 45 °C 14000 ккал/ч, теплота генерации 31000 ккал/ч, расход крепкого раствора 285 кг/ч. Полученные кривые позволяют легко анализировать изменение показателей АХМ в различных условиях работы и производить все­возможные вариантные расчеты энергохолодиль­ных систем с АХМ.

Литература

1. Данилов Р.Л. Определение оптимального режима работы абсорбционной холодильной машины. «Холо­дильная техника», 1959, № 3.

2. Сапожников С.А., Данилов Р.Л., Зибель К.Б. Абсорбционные машины на хладотранспорте. М., Труды ВНИИ вагоностроения, вып. 9, 1969.

Поделитесь с друзьями

Работа холодильной установки

    Любое технологическое, в том числе и холодильное оборудование, имеет свою, довольно «узкую» специализацию. Это выражается в том, что компрессорно-холодильные установки наиболее эффективно могут выполнять возложенные на него функции в ограниченном диапазоне применений.
    «Исторически» сложилось условное деление холодильной техники на следующие температурные поддиапазоны:

    • криогенная техника (сверхнизкие температуры)
    • низкотемпературное (морозильное) холодильное оборудование (низкотемпературные холодильные витрины, лари, бонеты, холодильные и морозильные камеры, холодильные камеры хранения замороженной продукции, холодильная морозилка и др.)
    • среднетемпературное холодильное оборудование (среднетемпературная холодильная камера, холодильные витрины и шкафы и др.
    • высокотемпературное (кондиционерное) холодильное оборудование

     Криогеника или техника сверхнизких температур имеет ограниченный круг потребителей, каковыми в основном являются научные и медицинские учреждения и некоторые специализированные производства, связанные с получением сжиженных газов и необходимостью хранить вещества и препараты, несуществующие или скоропортящиеся при номинальных условиях окружающей среды.
    Низкотемпературное холодильное оборудование, которое часто называют морозильным (морозильные компрессоры), работает с температурами в охлаждаемом объеме ниже -5⁰С. Как правило, для достижения таких температур необходимо создать условия, чтобы испарители холодильных машин (воздухоохладитель) имели температуру кипения хладагента -15⁰С и ниже.


    Среднетемпературное оборудование обеспечивает температуру в охлаждаемых объемах в интервале от -5⁰С до +15⁰С. Холодильная машина такого типа имеет кипение (температура хладагента) в испарителях в диапазоне от -15⁰С до +7⁰С.
    Высокотемпературное — обеспечивает температуры охлаждения от +15⁰С и выше. Холодильный агент в испарителях такого оборудования кипит при температурах от +7⁰С и выше.
    Так как именно этот диапазон температур широко используется в технике обеспечения микроклимата помещений, то его очень часто называют кондиционерным.

    Необходимо подчеркнуть, что вышеуказанное деление холодильного оборудования на температурные «сферы влияния» является очень условным. Кроме того, это деление совершенно не означает, что холодильная установка, предназначенная для определённого температурного диапазона, просто и резко прекращает выполнять свои функции за пределами «ограничений» от производителей, указанных в технических регламентах, паспортах и каталогах. Когда работа холодильной установки в «приграничных районах» допустимых температурных диапазонов, или за их пределами, у холодильного и кондиционерного оборудования снижается энергоэффективность, то есть количество затраченной энергии на производство «единицы холода» увеличивается, причём эта закономерность носит непропорциональный характер.
    Появление новых производственных технологий и новых продуктов питания всё чаще требуют, чтобы работа холодильной машины именно на «граничных» и «приграничных» участках условных температурных разделов по холодильным режимам. Именно поэтому в реальном оборудовании, предназначенном для решения подобных задач, можно встретить, например, и среднетемпературные компрессоры холодильных машин, и низкотемпературные компрессоры на одном и том же «рабочем месте». Такое, не совсем «правильное», применение узлов и комплектующих для холодильных контуров бывает в идентичных по «холодильным возможностям» холодильных установках, и даже от одного, пусть «самого именитого» производителя, и даже под одним и тем же наименованием.
    Существуют так же «классы» универсального холодильного или кондиционерного оборудования, но следует помнить, что любое стремление придать техническому устройству универсальность (расширить условия и диапазоны возможного применения) влечёт за собой ухудшение энергоэффективности, в отличие от того, когда подразумевается «узкоспециализированное» холодильное устройство. Так же это приводит к элементарному удорожанию «универсальных решений» холодильного оборудования в производстве и комплектации, а значит и к росту стоимости для конечного потребителя.

главный инженер Новиков В.В.,
академический советник Международной Академии Холода

Регулирование работы холодильной машины – презентация онлайн

Тема 4. Регулирование работы
холодильной машины
Лекция №9. Общие сведения о регулировании холодильных машин
1. Задачи и виды регулирования работы ХМ
2. Установившийся температурный режим
холодильной машины
3. Совместная работа компрессора и испарителя
4.Влияние окружающей и охлаждающей сред на
работу компрессора и испарителя.
Литература:
Росляков Е.М. Холодоснабжение / Е.М. Росляков, А.Д.
Авсюкевич, Н.В. Коченков. – СПб.: ВКА им. А.Ф.
Можайского, 2010, стр. 61-65, 133-135.
1.Задачи регулирования работы
холодильной машины
Холодильная машина работает в
условиях постоянного изменения
параметров окружающей среды:
теплопритоков от охлаждаемого объекта,
температуры окружающей среды,
интенсивности процессов теплообмена в
ТОА и т. д.
• Под действием внешнего теплопритока регулируе­
мый параметр (температура, давление, уровень
жид­кости и т. п.) отклоняется от заданной
величины.
• Вели­чину отклонения параметра называют
рассогласо­ванием.
• Значение регулируемого параметра можно
поддерживать в заданных пределах, т. е.
уменьшить величину рассогласования путем
воздействия на объект регулирования, согласуя
воздействие с нагрузкой (например, отводить от
объекта столько теплоты, сколько ее поступает
извне).
Регулирование
• Изменение воздействия на объекты во
времени, вы­зываемое изменением
внешней нагрузки (теплопритока),
называют процессом регулирования.
• Для уменьшения величины отклонения
регулируемого параметра (рассогласования)
регулирующее воздействие на объект
осуществляется автоматическим
регулятором.
Рис.1. Схема автоматическо­го регулятора и объекта ре­гулирования
Элементы автоматического регулятора
• Чувствительный элемент ЧЭ (датчик). Этот
элемент воспринимает изменение ре­
гулируемого параметра X и преобразует его в
параметр Х1 более удобный для дей­ствия
прибора.
• Задающее устройство ЗУ. Задающее устройство
предназначено для настройки прибора на
заданное значение регулируемого параметра (в
некоторых пре­делах). Это устройство задает
параметр Х3.
• Элемент сравнения ЭС. Он представляет собой ме­
ханизм, воспринимающий параметр Х3, заданный на­
стройкой, и параметр Х1, выдаваемый
чувствительным элементом. Он сравнивает эти
параметры и вырабаты­вает сигнал ∆Х3=Х1Х3 (соответствующий рассогла­сованию), который
передает регулирующему органу.
• Регулирующий (рабочий) орган РО. Регулирующий
орган (клапан, электрические контакты и др.) преобра­
зует полученный сигнал рассогласования ∆ХЗ в пара­
метр Х2, непосредственно вызывающий
регулирующее воздействие.
Регулирование температуры в охлаждаемом
объекте и производительности компрессора
Для поддержания низкой температуры охлаждаемой
среды необходимо, чтобы вся теплота, проникающая
извне, отводилась при работе холодильной машины. Но
холодильная машина работает при переменных внешних
условиях (изменяются температура наружного воздуха,
тепловая нагрузка внутренняя и т. д.). Поэтому для
поддержания постоянной температуры в охлаждаемом
объекте с переменными теплопритоками нужно
изменять холодопроизводительность испарителя и
компрессора.
Виды регулирования
• Плавное регулирование достигается плавным из­менением частоты
вращения электродвигателя, измене­нием объемной
холодопроизводительности холодильного агента и ухудшением
коэффициента подачи компрессора. Для этого используют
дросселирование всасывае­мого пара, открытие перепускных байпасов и
др. Одна­ко плавное регулирование требует применение слож­ных
устройств, что является энергетически невыгод­ным. Поэтому оно имеет
ограниченное применение.
• Ступенчатое регулирование осуществляется путем отжима всасывающих
клапанов в отдельных цилинд­рах компрессора, а при наличии нескольких
компрес­соров — последовательным включением и выключением
отдельных компрессоров.
• Позиционное (релейное) регулирование достигает­ся путем периодических
пусков и остановок компрес­сора, т. е. цикличной работой.
2. Установившийся температурный режим
холодильной машины
При изменении нагрузки необходимо осуществлять
регулирование холодопроизводительности машины с
тем, чтобы обеспечить равенство
Qом = Qооб, (1)
где Qом, Qооб – холодопроизводительность ХМ и
теплоприток от охлаждаемого объекта соответственно.
Задача регулирования холодопроизводительности
холодильной машины сводится к поддержанию
равенства (1) в зависимости изменения внешних и
внутренних параметров.
Это – установившийся режим.
Характеристики холодильных машин
Характеристиками ХМ называются
зависимости холодопроизводительности Qо,
эффективной Pe или электрической Pэ
мощности от температуры окружающей
среды ts и температуры кипения в
испарителе to.
Уравнение теплового баланса холодильной
машины
Qк = Qo + La (2)
Характеристика ХМ состоит из 4-х зависимостей:
1)Теплота, подводимая к ХА в испарителе, т. е. теплоприток
Qo = kF(Ts – To),
(3)
где Ts – средняя температура теплоносителя; F – площадь
теплопередающей поверхности; k – коэффициент теплопередачи
испарителя;
2)холодопроизводительность компрессор
Qo = λVTqv (4)
3)адиабатная работа компрессора определяется по формуле
La = Gala (5)
где Ga – массовый расход; la – удельная работа адиабатного сжатия
компрессора;
4)теплота, отдаваемая в конденсаторе окружающей среде, равна
Qк = kFк(Тк – Тв)
(6)
где Tв – средняя температура воды в конденсаторе;k,F – коэффициент
теплопередачи и площадь теплопередающей поверхности
конденсатора.
а)
б)
в)
Рис. 1. Построение характеристики
холодильной машины
Совокупность характеристик отдельных агрегатов позволяет установить взаимосвязь между
параметрами
1) Пусть известны Qo1 и Ts (средняя температура
теплоносителя), тогда температура кипения ХА установится
равной To1 .
2) По известной зависимости Qo для компрессора и To
определим температуру конденсации Tк.
3) Работа, затраченная на сжатие рабочего вещества в
компрессоре определяется по Tк1 и To1 (зависимость 4).
4) По уравнению теплового баланса ХМ определяется
тепловой поток на конденсатор Q1 .
Q1 = Qо1 + Lа1 (7)
Тогда по Q1 и Tк1 можно определить температуру
охлаждающей воды Tв и ее расход.
3. Совместная работа компрессора и испарителя
Регулирование работы ХМ обеспечивает
поддержание требуемой температуры
охлаждаемого объекта, которая может меняться
под воздействием внутренних и внешних
теплопритоков.
Температура охлаждаемого объекта Ts
зависит от температуры кипения ХА To , которая
самоустанавливается в зависимости от
производительности компрессора, испарителя и
конденсатора.
Рис. 2. Совместная работа
компрессора и испарителя
Исходное состояние: QK = f(To), Qo1 = f (To) при Тк = const.
Первая позиция. Точка A – рабочая точка; To – температура
кипения. Расходная характеристика дросселя Qдр проходит
через (∙) A.
Вторая позиция. Пусть измениться характеристика
компрессора Qк и станет Qк1 . Характеристика испарителя
остается прежней. Тогда рабочая точка переместится в
положение А1, а температура кипения станет равной То1.
Расходная х-ка дросселя пройдет через (∙) A1.
Третья позиция. Установление нового значения To1 может
произойти и в результате изменения характеристики
испарителя. Температура кипения Tо1 может установиться,
если характеристика испарителя переместится – станет
равной Qo2.
4.Влияние окружающей и охлаждающей сред
на работу компрессора и испарителя
В зависимости от температур tо и tк одна и та
же холодильная машина (Vc = const) имеет
различные значения
холодопроизводительности, эффективной
мощности и действительного холодильного
коэффициента.
Температуры цикла определяются
температурами охлаждаемого объекта ts и
охлаждающей среды tв.
а)
б)
Рис. З. Циклы с различными температурами конденсации (а) и кипения (б) на диаграмме s-Т
Рис. 5. Характеристики
холодильной машины и
поршневого компрессора
Qо = f(tо ,tк ,n), Ре = f1(tо ,tк ,n)

Принцип работы поршневого холодильного компрессора

Компрессор – один из основных элементов холодиль­ной машины и холодильное оборудование. Он служит для сжатия холодильного аген­та от давления кипения Pо до давления конденсации Pк. Кроме того, компрессор отсасывает пар из испарителя и этим обеспечивает пониженное давление и температу­ру кипения холодильного агента, а нагнетая в конденса­тор, создает необходимые условия для сжижения газа.

Обязательным условием для создания заданного по­ниженного давления и температуры кипения в испарите­ле является отсос всего пара, образовавшегося в нем при восприятии тепла от охлаждаемой среды. Поэтому про­изводительность компрессора должна соответствовать производительности испарителя.

Производительность холодильный компрессор холодильного компрессора в от­личие от газового компрессора выражается не только массой или объемом засасываемого в единицу времени пара, но и холодопроизводительностью машины, т. е. количеством тепла, воспринятого от охлаждаемой сре­ды в единицу времени Q0Bt (ккал/ч), которое вызвало образование пара, засасываемого компрессором.

 

Компрессор всасывает парообразный хладагент, поступающий от испарителя при низкой температуре и низком давлении, производит его сжатие, повышая давление и температуру, и направляет затем к конденсатору. В зависимости от условий работы холодильной машины, давление паров хладагента на выходе компрессора может составлять 15-25 атм, а температура 70-90°С.

Важной характеристикой компрессора является степень сжатия и объем хладагента, который нагнетается компрессором. Степень сжатия определяется как отношение максимального давления на выходе компрессора к максимальному давлению на входе.

По своему конструктивному исполнению компрессоры, используемые в холодильных машинах, могут быть разделены на две основные категории:

  • поршневые;
  • ротационные, спиральные SCROLL, винтовые.

Принципиальное отличие ротационных, спиральных и винтовых компрессоров от поршневых заключается в том, что всасывание и сжатие хладагента осуществляется не за счет, возвратно-поступательного движения поршней в цилиндрах, а за счет вращательного движения рабочих органов, соответственно пластин, спиралей и винтов.

Компрессоры поршневые

Наибольшее распространение получили поршневые компрессоры. Схема работы такого компрессора показана на рисунке.

Сжатие газа обеспечивается поршнем (3) при его движении вверх по цилиндру (4). Перемещение поршня обеспечивается электродвигателем через коленчатый вал (6) и шатун (5). Всасывающие и выпускные клапаны открываются и закрываются под действием давления газа.

Фаза всасывания хладагента показана на рис. 3.5, а. Поршень (3) начинает опускаться в цилиндре (4) от верхней т.н. «мертвой точки». При движении поршня вниз, над поршнем создается разрежение и парообразный хладагент через открытый впускной клапан (10) всасывается в цилиндр.

Фаза сжатия и выпуска разогретого пара высокого давления показана на рис. 3.5, б. Поршень двигается в цилиндре вверх и сжимает пар. Выпускной клапан (1) открывается, и пар под давлением выходит из компрессора. Конструкция цилиндра такова, что поршень никогда не касается головки клапанов (10), всегда оставляя некоторое свободное пространство, называемое «мертвым объемом».

Поршневые компрессоры производятся в различных модификациях. В зависимости от типа конструкции и от типа электродвигателя различают компрессоры:

  • герметичные
  • полугерметичные
  • открытые.

В герметичных компрессорах электродвигатель и компрессор расположены в едином герметичном корпусе. Мощность таких компрессоров может составлять 1,7-35 кВт. Они широко используются в холодильных машинах малой и средней мощности.

В полугерметичных компрессорах электродвигатель и компрессор закрыты, соединены напрямую и расположены по горизонтали в едином разборном контейнере. Эти компрессора производятся в широкой гамме мощностей от 30 до 300 кВт. В случае повреждения можно вынимать электродвигатель, получая доступ к клапанам, поршню, шатунам и другим поврежденным частям. Они широко применяются в холодильных машинах средней и средне-большой мощности.
В открытых компрессорах электродвигатель расположен снаружи (вал с соответствующими сальниками выведен за пределы корпуса). Соединение электродвигателя с компрессором может быть прямым (в линию) либо через трансмиссию.

Охлаждение электродвигателя герметичных и полутерметичных компрессоров производится самим же всасываемым хладагентом.

Регулирование мощности холодильной установки может выполняться как в режиме «пуск-остановка», так и с плавной регулировкой скорости вращения компрессора, с использованием специальных устройств, называемых инверторами.

В полугерметичных компрессорах регулирование мощности может обеспечиваться также перепуском газа с выхода на вход либо закрытием всасывающего клапана одного или нескольких цилиндров.

Для привода компрессора используются, в зависимости от мощности, однофазные с конденсаторным пуском или трехфазные электродвигатели.

Основным недостатком поршневого компрессора является наличие пульсаций давления паров хладагента на выходе из компрессора, а также большие пусковые нагрузки. Поэтому электродвигатель должен иметь запас мощности для пуска компрессора и иметь акустическую защиту для снижения уровня шума.

Количество запусков компрессора является наиболее критичным для его срока службы. Именно на режиме запуска происходит большее количество отказов, поэтому система управления холодильной машины ограничивает время между повторными пусками компрессора (как правило, не менее 6 мин) и время между остановом и повторным пуском (2-4 мин).

Холодильная машина – обзор

1.5.4 Термодинамическая эффективность сорбционных холодильных машин

Сорбционные СО и ТН делятся на два типа: (1) адсорбционные и (2) абсорбционные. Адсорбционные холодильники основаны на использовании твердого адсорбера и охлаждающей рабочей жидкости. Хладагент адсорбируется на поверхности твердого материала. Абсорбционные холодильники основаны на использовании жидкого сорбента и охлаждающей рабочей жидкости (или хладагента), где две жидкости физически смешиваются друг с другом.Водно-аммиачные СО коммерчески доступны, а современные абсорбционно-диффузионные СО и ГТ, предложенные ранее [17], находятся в стадии разработки.

Абсорбционные холодильные установки (AR) являются хорошо известной альтернативой парокомпрессионным системам для создания холодного помещения, особенно при высоких ценах на электроэнергию. Действительно, некоторые системы AR полностью исключают механическую работу и используют гравитацию для циркуляции рабочей жидкости. Для этого требуется трехкомпонентная рабочая жидкость, такая как вода-аммиак-водород, впервые разработанная в 1922 году фон Платеном и Мюнтерсом в Швеции и описанная в разделе 1.5.5.

Для систем AR основной движущей силой является тепло, а не работа, что устраняет необходимость в насосе и электропитании. Тепло может быть получено из пара, если имеется бойлер или другой источник пара. Во многих промышленных установках избыточный («отработанный») пар направляется в AR. Однако, если пар должен быть получен путем сжигания ископаемого топлива специально для использования в AR, возникает вопрос, является ли это лучшим способом получения тепла. Предпочтение следует отдавать возобновляемым источникам.Одним из устойчивых возобновляемых источников тепла является горячая геотермальная вода, которую можно найти во многих месторождениях по всему миру. Другим возобновляемым, но непостоянным источником является солнечная тепловая энергия, собранная в отражающих параболических желобах. Одно из эффективных применений систем AR — в зданиях с высокими пиковыми нагрузками на систему электроснабжения.

Исторически сложилось так, что первая абсорбционная холодильная машина была создана во Франции Фердинандом Карре в 1858 году с использованием в качестве рабочего тела смеси воды и серной кислоты. Первая двухступенчатая абсорбционная холодильная машина была создана в 1950 г. Трехступенчатая АР с тремя конденсаторами и тремя генераторами (1985 г.), с двойными конденсаторами (1993 г.) превышает КПД двухступенчатой ​​системы на 30–50 %. Широко используются АР как прямого, так и непрямого нагрева.

Системы AR могут использоваться, например, для производства льда или кондиционирования воздуха. Для производства льда необходимо достичь температуры ниже точки замерзания, поэтому рабочей жидкостью обычно является водно-аммиачная смесь, где аммиак является хладагентом, а вода – носителем. Для кондиционирования воздуха не требуются такие низкие температуры, и можно использовать смесь бромида лития и воды, где вода является хладагентом, а Li-Br является носителем.Поскольку рабочее тело представляет собой бинарную смесь, а не простое чистое вещество, появляется дополнительная степень свободы при определении термодинамических свойств.

На рисунке 1.14 показана блок-схема типичной идеальной системы AR, в которой основные компоненты, а именно парогенератор, конденсатор, поглотитель и испаритель, находятся в пределах собственно холодильника. АР находится в тепловом контакте с тремя тепловыми резервуарами, т.е. источником движущего тепла T H , созданным холодным пространством T L , и окружающей средой при температуре окружающей среды. Т А .Как процессы конденсации, так и процессы абсорбции выделяют тепло в окружающую среду. Для целей приведенного ниже анализа предполагается, что имеет место обратимый перенос тепла, что позволяет использовать соотношение Карно между тепловым потоком и абсолютной температурой.

Рис. 1.14. Блок-схема потоков энергии в идеальном абсорбционном холодильнике.

Первый закон термодинамики для АР дает:

(1.8)QH+QL=QA1+QA2≡QA

где все тепло, выделяемое в окружающую среду, определяется как Q A .

Второй закон термодинамики записан для общей комбинированной системы (предполагаемой адиабатической), состоящей из АР и трех тепловых резервуаров, в виде принципа возрастания энтропии, т. е. любой процесс в адиабатической системе может производить только увеличение энтропии системы; для идеальной операции изменение энтропии равно нулю:

(1.9)ΔSTH+ΔSTA+ΔSTL≥0

Обратите внимание, что изменение энтропии для самого АР равно нулю, поскольку он работает в цикле.

Каждый член уравнения (1.9) может быть выражено как отношение теплопередачи к абсолютной температуре связанного теплового резервуара следующим образом:

Обратите внимание, что резервуары, теряющие тепло, имеют отрицательные изменения энтропии, и наоборот .

Подставляя уравнение (1.8) в уравнение (1.11) и перестановка членов дает важный результат:

(1.12)QLQH≤[TLTA-TL][TH-TATH]

Это отношение может быть использовано в качестве коэффициента производительности абсорбционного холодильника COP AR , так как он дает отношение требуемой энергии к входной энергии, необходимой для работы системы.

(1.13)COPAR=QLQH≤[TLTA-TL][TH-TATH]

или

(1. 14)COPAR,ideal=[TLTA-TL][TH-TATH]

Когда система идеальна, т.е. , совершенно обратимый, находим:

(1.15)QH=QL[TLTA−TL][TH−TATH]=QLCOPCR×ηCPP

где COP CR – коэффициент полезного действия для работающего холодильника Карно между окружающей средой и холодным пространством, а η CPP — тепловой КПД электростанции Карно, работающей между высокотемпературным тепловым резервуаром и окружающим теплоотводом.

На рис. 1.15 показан идеальный КПД абсорбционного холодильника в зависимости от температуры источника тепла для нескольких температур холодного помещения; температура окружающей среды была принята равной 25 °C. Наилучшие результаты получаются при умеренных температурах холодного помещения и высоких температурах источника тепла. Таким образом, можно найти минимально необходимое тепло Q H при высокой температуре, которое необходимо непрерывно подводить к АР для отвода любого количества теплоты Q L для создания и поддержания холодное пространство при заданной низкой температуре. Любой реальный холодильник потребует больше тепла, чем идеальный корпус.

Рис. 1.15. Идеальный COP для абсорбционных холодильников: T A  = 25 °C.

Влияние температуры и влажности окружающей среды на холодильные установки контроля температуры

Окружающие условия; температуры и влажности, влияют на производительность и работу охлаждающих устройств контроля температуры (TCU). Обычные лаборатории с адекватным ОВКВ обычно не сталкиваются с этой проблемой.Однако в местах без кондиционирования воздуха (опытный завод, производственное предприятие) температура и влажность окружающей среды могут сильно меняться в течение года.

Температура

Температура окружающей среды сильно влияет на работу холодильных систем с воздушным охлаждением. Производители определяют холодопроизводительность TCU при стандартных атмосферных условиях в помещении, таких как 20 °C и влажность 50 %. Мощность охлаждения, обеспечиваемая рециркулирующей жидкостью, приводит к большему количеству тепла, отводимому от TCU через встроенный конденсатор, двигатели, электронику и т. д.Система охлаждения использует температуру окружающего воздуха для отвода тепла от сжатого хладагента, чтобы понизить его температуру и перевести его в жидкое состояние. Для максимальной эффективности охлаждения при тестировании используется воздух комнатной температуры, обеспечивающий достаточную разницу температур (температура воздуха по сравнению с температурой сжатого хладагента) с потоком воздуха от встроенного вентилятора. При повышении температуры окружающей среды до 40 °C перепад температур уменьшается, что снижает эффективность конденсатора и снижает мощность охлаждения.Подумайте об этом так: вы остываете намного быстрее после долгого бега в день с температурой 70 °F по сравнению с днем ​​с температурой 90 °F. Система охлаждения, рассчитанная на максимальную производительность при комнатной температуре, может потерять до 75 % своей номинальной холодопроизводительности при работе в условиях 100 °F.

Влажность

Условия высокой влажности воздействуют на холодильные системы с воздушным охлаждением так же, как и высокая температура окружающей среды. Влажность снижает эффективность конденсатора, нагружая компрессор и повышая давление хладагента.

В Хьюстоне, в туманный, жаркий и влажный день вы ставите стакан с ледяной водой на стол, и вода моментально конденсируется на внешней стороне стакана, образуя лужу на столе. Делая то же самое в жаркий день в Фениксе, поверхность стола остается сухой. Какое отношение это имеет к рефрижераторному ТЦУ? Системы с открытыми ваннами, работающие при температурах ниже комнатной, не имеют защиты от воздействия атмосферных условий. Запуск процесса при температуре -40 °C во влажный день в лаборатории приведет к конденсации атмосферной влаги в жидкости ванны.Со временем это влияет на производительность TCU, особенно при использовании теплоносителей, не смешивающихся с водой. В жидкости образуется лед, вызывающий помутнение, и он может накапливаться на змеевиках холодильного испарителя, по существу изолируя их (как стакан ледяной воды в Хьюстоне). Это приводит к потере охлаждающей способности и, если циркулирует достаточное количество частиц льда, может привести к повреждению насоса. Для возврата TCU к полной производительности требуется удаление скопившейся воды в теплоносителе или полная замена жидкости.Варианты предотвращения образования конденсата включают использование ловушки для конденсата на крышке ванны TCU. Это устройство имеет холодный палец, погруженный в холодную жидкость, и действует как ловушка для сбора льда до того, как какая-либо влага соприкоснется с холодной жидкостью-теплоносителем.

Существует улучшенная технология TCU для предотвращения конденсации влаги в теплоносителе за счет концепции холодного наложения масла. Этот метод покрывает холодную жидкость, циркулирующую в TCU, внутренним слоем теплоносителя, поддерживаемого при комнатной температуре.Жидкость комнатной температуры в TCU, контактирующая с атмосферными условиями, не конденсирует влагу в жидкость (как стакан ледяной воды в Фениксе). В высокодинамичных системах контроля температуры JULABO PRESTO используется технология наложения холодного масла. Установки PRESTO постоянно работают в условиях ниже температуры окружающей среды без образования льда в теплоносителе. Это обеспечивает максимальную эффективность охлаждения и устраняет потребность в обслуживании системы: нет необходимости удалять воду из теплоносителя.

Решения

Использование TCU с водяным охлаждением предотвращает пагубное воздействие высокой температуры и влажности на эффективность охлаждения.Охлаждающая вода отводит тепло от системы охлаждения, поддерживая оптимальную производительность при работе в жарких и влажных условиях. JULABO предлагает множество моделей с водяным охлаждением; просто ищите названия моделей JULABO, в которых есть буква «W».

Если у вас есть вопросы о TCU с водяным охлаждением для вашей лаборатории или объекта, посетите JULABO USA или начните разговор с одним из наших менеджеров по работе с клиентами. Не позволяйте жаре и влажности разрушить ваш технологический процесс. Свяжитесь с нами, чтобы получить решения по контролю температуры, подходящие для вашей среды.

Что такое каскадная холодильная система? Все, что вам нужно знать

Как правило, почти все холодильные системы, используемые в коммерческих и бытовых целях, имеют схожий принцип работы. Они осуществляют охлаждение по циклу сжатия пара. Однако в некоторых случаях более эффективно использовать расширенную конфигурацию. Одна из таких холодильных установок называется каскадной холодильной системой.

Каскадная холодильная система использует несколько циклов охлаждения, связанных друг с другом через теплообменник.Каждый холодильный цикл называется этапом и состоит из собственного хладагента. Благодаря дополнительным циклам охлаждения каскадная система позволяет снизить температуру и повысить эффективность по сравнению с обычными системами охлаждения.

Хладагенты, используемые в каждом цикле, имеют разные точки кипения, точки замерзания и критическое давление . Это в основном зависит от самой низкой температуры, которая должна быть достигнута, и требуемого эффекта охлаждения в испарительном змеевике.

Каскадная система охлаждения имеет несколько циклов. Двухступенчатая каскадная система имеет высокотемпературный цикл и низкотемпературный цикл. Выбор хладагента также основывается на цикле, в котором протекает хладагент.

Как работает обычная холодильная система?

Было бы неплохо доработать простую холодильную установку, работающую по парокомпрессионному циклу. Он пересмотрит базовый цикл, используемый на любой ступени каскадной холодильной системы.Кроме того, вам будет проще сравнить многоступенчатую каскадную систему с традиционной системой охлаждения.

Адиабатическое сжатие

Хладагент может сжиматься адиабатически. Это означает отсутствие поглощения или отвода тепла.

Хладагент низкой температуры и низкого давления преобразуется в состояние высокой температуры и высокого давления.

Изобарическая конденсация

Хладагент с высокой температурой и высоким давлением отводит тепло во время своего движения через конденсатор.

Это обеспечивается теплообменником, который отводит тепло в воздух или воду, окружающие змеевик хладагента. Процесс изотермический и изобарический, т.е. без изменения температуры и без изменения давления соответственно.

Isenthalpic Expansion

Хладагент высокого давления с пониженной температурой проходит через расширительный клапан. Здесь хладагент под давлением расширяется до состояния низкого давления, что приводит к чрезмерному падению температуры .

Процесс изоэнтальпийный, т.е. без изменения энтальпии. После этого хладагент находится в самом холодном состоянии.

Изобарическое испарение

Холодный хладагент, состоящий почти на 75 процентов из жидкости и на 25 процентов из газа, проходит через испаритель.

Испаритель представляет собой теплообменник с хладагентом внутри змеевика. Когда хладагент проходит через испаритель, он поглощает тепло из окружающей среды.

Количество поглощенного тепла называется эффектом охлаждения.Теоретически это происходит без изменения температуры и давления.

Как работает каскадная система охлаждения?

Каскадное охлаждение используется, когда требуется очень низкая температура. Даже если обычная система достигает такой температуры, ее общая эффективность будет очень низкой.

Каскадная холодильная установка состоит из различных холодильных систем, работающих независимо друг от друга. Единственная разница по сравнению с обычной системой заключается в том, что охлаждение от всех этих систем объединено.

Это могут быть даже разные хладагенты с разными температурами кипения. Фактическое взаимодействие и сцепление происходит в испарителях через теплообменники.

Вот почему каскадная система охлаждения может использоваться для температурных применений в диапазоне от -40 до -80 градусов C. Она может достигать температуры до -127 градусов C.

Почему обычная система не может охлаждать как каскадная система?

Для того, чтобы обычная система имела эффективность охлаждения, такую ​​как каскадный холодильник, коэффициенты давления были бы слишком высокими для практического применения.

Позвольте мне объяснить вам, почему…

Коэффициент давления имеет обратную зависимость от объемного КПД.

Таким образом, для обычной одноступенчатой ​​системы охлаждения, подобной каскадной системе охлаждения, она будет иметь очень низкий объемный КПД. Такой низкий объемный КПД определенно нежелателен, так как он уменьшит способность компрессора сжимать газ.

Что такое ступени каскадной холодильной системы?

Ступени относятся к количеству холодильных циклов, соединенных друг с другом в каскадной системе охлаждения.Каждая ступень имеет свой хладагент. Целью добавления еще одной ступени является получение еще более низкой температуры.

Например, мы можем достичь температуры в диапазоне -120 градусов C в приведенном выше примере двухступенчатой ​​каскадной холодильной системы. В этом случае мы можем добавить еще одну ступень с хладагентом, имеющим самую низкую температуру кипения по сравнению с двумя другими стадиями.

Хладагент типа R-15 подходит для использования на третьей ступени с самой низкой температурой, если на первой ступени используется R-500, а на второй ступени – R-503.

Примечание : При переходе от более высокой температуры к более низкой температуре точки кипения хладагентов, используемых на каждой стадии, соответственно снижаются.

В настоящее время аммиак используется в качестве хладагента в высокотемпературной ступени, а двуокись углерода используется в качестве хладагента в низкотемпературной ступени.

Простейшая каскадная система: двухступенчатое охлаждение

Используемый здесь пример каскадной системы основан на двухступенчатой ​​системе. Ступень представляет собой независимый цикл с собственным хладагентом и основными рабочими компонентами, т.е.е. компрессор, конденсатор, расширительный клапан, испаритель и т. д.

Схематическое изображение каскадного холодильного цикла

В этой каскадной системе используются два разных хладагента на обеих стадиях или циклах. Тип хладагента, используемого на каждой ступени, зависит от требуемой температуры и требуемого эффекта охлаждения .

Примечание. Хладагент, который обычно используется в низкотемпературном цикле, представляет собой смесь. Это предотвращает коагуляцию хладагента из-за очень низкой температуры.

Компоненты двухступенчатой ​​каскадной холодильной системы

Самым основным типом каскадной холодильной системы является двухступенчатая. Другими словами, он имеет два цикла охлаждения, связанных друг с другом и работающих вместе для создания более высокого охлаждающего эффекта.

Высокотемпературный цикл

Высокотемпературный цикл — это цикл с более высокой температурой испарителя. Распространенным хладагентом, используемым в высокотемпературном цикле, является аммиак.

Низкотемпературный цикл

Низкотемпературный цикл имеет более низкую температуру испарителя.

По сути, это цикл, который обеспечит желаемую низкую температуру в испарителе. Самая низкая температура в этом цикле определяет холодопроизводительность каскадной системы.

Хладагент

Хладагент, используемый в высокотемпературном цикле, зависит от хладагента, используемого в низкотемпературном цикле. В конечном счете, это зависит от требуемой температуры испарителя.

Например, для достижения температуры до -90°C используется подходящий хладагент, такой как R-503.

В этом случае, в зависимости от хладагента на второй ступени и требуемой температуры, лучше использовать R-500 в высокотемпературном цикле.

Работа двухступенчатой ​​каскадной холодильной системы

Сначала рассмотрим высокотемпературный цикл . Компрессор в этом цикле называется высокотемпературным компрессором. Хладагент в этом цикле сжимается компрессором и направляется в конденсатор.

Движение хладагента через змеевик конденсатора отбрасывает тепловую энергию во внешнюю среду.Хладагент высокого давления и низкой температуры расширяется и охлаждается до температуры испарителя.

В низкотемпературном цикле компрессор называется низкотемпературным компрессором. После хладагент сжимается компрессором. Это соответствует температуре входного конденсатора.

Хладагент в низкотемпературном цикле или ступени проходит через змеевики конденсатора. Эти змеевики фактически соединены с испарителем высокотемпературного цикла или ступени через теплообменник. Таким образом, тепло от конденсатора низкотемпературной ступени отводится в испаритель высокотемпературной ступени.

Таким образом, при использовании двух или более холодильных циклов, связанных друг с другом , охлаждающий эффект увеличивается. На это указывает более низкая температура испарителя по сравнению с обычной холодильной установкой.

Полезная информация:

Общая или промежуточная температура конденсатора и испарителя в теплообменнике также называется температурой сопряжения .

В целом коэффициент полезного действия каскадной системы охлаждения увеличивается с увеличением температуры испарителя низкотемпературного цикла и уменьшается с увеличением температуры испарителя высокотемпературного цикла.

Каскадная система охлаждения по сравнению с традиционной системой охлаждения (преимущества)

Более низкие эксплуатационные расходы и энергоэффективность

Каскадная система охлаждения может работать при низких температурах с высокой энергоэффективностью. Одной из основных причин является меньшая работа компрессора, необходимая для работы в режиме охлаждения, эквивалентного обычной системе охлаждения.

Низкая температура и гибкая работа

При использовании каскадного охлаждения (до -120°C) можно достичь очень низких температур.В случае, если двухступенчатая каскадная система не может обеспечить необходимое охлаждение, можно добавить дополнительную ступень (ступени) для достижения более низких температур.

Более простое техническое обслуживание

Общее техническое обслуживание каскадной холодильной системы проще по сравнению с аналогичной обычной холодильной системой.

Некоторыми причинами удобства технического обслуживания являются низкая степень сжатия и более низкие температуры смазочного масла во время работы.

По сравнению с обычной системой, каскадная система требует меньшей степени сжатия на разных ступенях.Это приводит к более низкой температуре смазочного масла, что приводит к лучшей работе.

Более высокий КПД и более низкая работа компрессора

Каскадные системы обеспечивают более высокий КПД по сравнению с эквивалентными обычными системами. Это связано с тем, что они обеспечивают больший охлаждающий эффект при меньшей нагрузке на компрессор.

Более высокая объемная эффективность

Степень повышения давления в холодильном цикле обратно пропорциональна объемной эффективности.В каскадных холодильных системах используется низкий коэффициент давления по сравнению с обычными холодильными системами. Это означает, что каскадная система охлаждения имеет более высокий объемный КПД, что желательно.

Применение каскадной холодильной системы

  • Каскадная холодильная система используется для хранения медицинских материалов, т. е. для хранения крови, вакцин, банков костей и т. д. Биологические жидкости требуют очень низких температур для хранения, чтобы поддерживать содержащиеся в них компоненты. После чего они доставляются в нужные места, где моментально используются.
  • Он также находит применение в хранилищах продуктов глубокой заморозки, где продукты должны сохранять свое качество в течение очень длительного времени. Эти помещения требуют низких температур для поддержания качества продуктов питания.
  • CRS используется для хранения высококачественных клеев и инструментов.
  • Сжижение газов требует чрезвычайно низких температур. Эти температуры могут быть обеспечены каскадной системой охлаждения.

US 5,617,739 A – Самоочищающаяся низкотемпературная холодильная система

Коды классов CPC

B01D 8/00 Холодные ловушки; Холодные перегородки ПУ…

C09K 2205/12 Углеводороды

К09К 2205/122 Галогенированные углеводороды

C09K 2205/13 Инертные газы

C09K 2205/132 содержащий азот

C09K 5/045 содержащие только фтор, т. к…

F17C 3/10 жидкостно-циркуляционным или ва…

Ф25Б 2400/05 Компрессионная система с подогревом…

Ф25Б 2400/12 Воспламеняющиеся хладагенты

Ф25Б 2400/13 Экономайзеры

Ф25Б 2400/23 Сепараторы

Ф25Б 31/004 устройства рециркуляции масла

Ф25Б 43/00 Порядок расставания…

Ф25Б 43/02 для отделения смазочных материалов от. ..

Ф25Б 47/00 Меры по предотвращению…

Ф25Б 9/006 хладагент, содержащий…

Ф25ДЖ 1/0055 происходящие от incorpo…

Ф25ДЖ 1/025 Подробности, связанные с реф…

F25J 1/0279 Сжатие хладагента…

Ф25ДЖ 2200/90 Подробности о колонке…

F25J 2205/30 : с помощью стирки, т.грамм. “скру…

Y10S 62/906 : Упаковка

Посмотреть все

Промышленное холодильное оборудование, давление и средства измерения

Промышленное охлаждение

О промышленных холодильных системах

Промышленные холодильные системы необходимы для производства продуктов питания и напитков, фармацевтики, химической промышленности и многого другого. Будь то на стационарном объекте или в пути, холодильные установки поддерживают необходимую температуру материалов и продуктов, чтобы избежать деградации и порчи, и используются в самых разных областях, от транспортировки молочной продукции до производства пластмасс.

Как работают холодильные системы?

Охлаждение происходит за счет отвода тепла. Этот принцип теплопередачи представляет собой Второй закон термодинамики: тепло всегда самопроизвольно переходит от горячего к холодному и продолжает это делать до тех пор, пока не будет достигнуто тепловое равновесие.Вторым принципом является Закон о давлении , который гласит, что в пределах постоянного объема давление газа прямо пропорционально его температуре. Другими словами, чем выше давление газа, тем горячее газ, и наоборот.

По сути, в холодильной системе циркулирует хладагент, который меняет состояние с низкого давления/низкой температуры на высокое давление/высокую температуру и обратно.

 
  1. Компрессор сжимает газообразный хладагент, нагревая его.

  2. Горячий хладагент проходит через конденсатор вне системы охлаждения. Когда газ сталкивается с более низкой температурой воздуха, хладагент начинает конденсироваться в жидкость.

  3. Эта жидкость проходит через расширительный клапан или фиксированное отверстие. Это дросселирующее устройство быстро снижает давление хладагента, создавая смесь холодной жидкости и пара.

  4. Этот холодный хладагент теперь течет через трубку испарителя внутри системы охлаждения, отводя при этом тепло.

  5.  Теперь хладагент снова имеет низкое давление и более низкую температуру. Когда температура системы поднимается выше определенного порога, термостат дает команду компрессору снова запустить цикл.

По сравнению с бытовым охлаждением, промышленные системы более сложны, поскольку могут потребоваться:

  • Работа при высоких температурах окружающей среды
  • Охлаждение до очень низких температур
  • Охлаждение больших площадей/объемов

Некоторые промышленные холодильные установки используют многоступенчатое охлаждение для достижения очень низких температур, например, для хранения вакцин. У многих есть охлаждающие устройства для конденсатора. WIKA обладает продуктами и опытом, чтобы быть ценным партнером, независимо от того, насколько уникальным является приложение.


Нормы и требования безопасности холодильного оборудования

Энтальпия хладагента — в основном, количество тепла, которое он может удерживать, — и его количество определяют охлаждающую способность системы охлаждения. Другие характеристики, такие как его коррозионная активность и давление, необходимое для его конденсации, влияют на выбор компонентов системы и приборов.Каждый хладагент имеет обозначение ASHRAE, обычно называемое номером R.

В течение многих лет предпочтительными хладагентами были гидрофторуглероды (ГФУ), гидрохлорфторуглероды (ГХФУ) и хлорфторуглероды (ХФУ). Несмотря на высокую эффективность, ХФУ и ГХФУ истончают озоновый слой, а ГФУ способствуют глобальному потеплению. По этим причинам страны во всем мире запретили или постепенно отказываются от этих соединений и требуют использования хладагентов с нулевым или очень низким озоноразрушающим потенциалом (ODP) и потенциалом глобального потепления (GWP). Эти природные хладагенты включают:

  • Воздух
  • Вода (R-718)
  • Углекислый газ (R-744)
  • Углеводороды: пропан (R-290), изобутан (R-600a) и др.
  • Аммиак (R-717)

Каждый хладагент имеет свой собственный набор преимуществ, недостатков и условий эксплуатации, что еще больше усложняет проектирование и эксплуатацию эффективной промышленной холодильной системы.

Измерительные приборы для промышленного охлаждения

Измерительные приборы для промышленных холодильных систем должны соответствовать правилам техники безопасности и стандартам энергоэффективности.Как правило, тип хладагента предъявляет самые высокие требования к безопасности и эксплуатации. Например, CO 2 требует высокого давления для конденсации, поэтому требуются сверхмощные реле давления и датчики. Углеводороды легко воспламеняются, поэтому приборы должны быть взрывозащищенными. Аммиак токсичен и обладает высокой коррозионной активностью, поэтому инструменты должны быть надлежащим образом герметизированы (без утечек) и изготовлены из коррозионно-стойких материалов, таких как нержавеющая сталь для корпуса и смачиваемых частей.

Компания WIKA предлагает надежные высококачественные устройства для контроля всех аспектов промышленных холодильных систем, например:

  • Температура окружающей среды — один из факторов, определяющих тепловую нагрузку
  • Температура холодильной системы
  • Давление и уровень хладагента в компрессоре
  • Температура хладагента в конденсаторе и испарителе
  • Перепад давления на расширительном клапане

Мы предлагаем широкий ассортимент механических и цифровых приборов для промышленных холодильных систем:

Температура

Давление

Опыт WIKA в области промышленного охлаждения

Имея многолетний опыт работы в области холодильного оборудования, компания WIKA предлагает портфолио продукции и отраслевой опыт, которые вам нужны.Может быть сложно выбрать правильный манометр, датчик температуры и другие приборы для ваших задач. Свяжитесь с нами, чтобы получить помощь в поиске оптимальных измерительных решений для вашего промышленного холодильного оборудования.


%PDF-1.5 % 1 0 объект > >> эндообъект 5 0 объект /CreationDate (D:20120620000533+08’00’) /Режиссер >> эндообъект 2 0 объект > эндообъект 3 0 объект > эндообъект 4 0 объект > эндообъект 6 0 объект > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] /XОбъект > >> /StructParents 25 /Группа > /Вкладки /S /Анноты [43 0 R] >> эндообъект 7 0 объект > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /StructParents 31 /Группа > /Вкладки /S >> эндообъект 8 0 объект > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /StructParents 32 /Группа > /Вкладки /S >> эндообъект 9 0 объект > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /StructParents 33 /Группа > /Вкладки /S >> эндообъект 10 0 объект > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /StructParents 34 /Группа > /Вкладки /S >> эндообъект 11 0 объект > /Шрифт > /XОбъект > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /StructParents 35 /Группа > /Вкладки /S >> эндообъект 12 0 объект > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /StructParents 36 /Группа > /Вкладки /S >> эндообъект 13 0 объект > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /StructParents 37 /Группа > /Вкладки /S >> эндообъект 14 0 объект > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /StructParents 38 /Группа > /Вкладки /S >> эндообъект 15 0 объект > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /StructParents 39 /Группа > /Вкладки /S >> эндообъект 16 0 объект > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /StructParents 40 /Группа > /Вкладки /S >> эндообъект 17 0 объект > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /StructParents 41 /Группа > /Вкладки /S >> эндообъект 18 0 объект > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /StructParents 42 /Группа > /Вкладки /S >> эндообъект 19 0 объект > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /StructParents 43 /Группа > /Вкладки /S >> эндообъект 20 0 объект > /Шрифт > /XОбъект > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /StructParents 3 /Группа > /Вкладки /S >> эндообъект 21 0 объект > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /StructParents 44 /Группа > /Вкладки /S >> эндообъект 22 0 объект > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /StructParents 45 /Группа > /Вкладки /S >> эндообъект 23 0 объект > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /StructParents 46 /Группа > /Вкладки /S >> эндообъект 24 0 объект > /Шрифт > /XОбъект > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /StructParents 4 /Группа > /Вкладки /S >> эндообъект 25 0 объект > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /StructParents 47 /Группа > /Вкладки /S >> эндообъект 26 0 объект > /Шрифт > /XОбъект > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /StructParents 5 /Группа > /Вкладки /S >> эндообъект 27 0 объект > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /StructParents 48 /Группа > /Вкладки /S >> эндообъект 28 0 объект > /Шрифт > /XОбъект > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /StructParents 6 /Группа > /Вкладки /S >> эндообъект 29 0 объект > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /StructParents 49 /Группа > /Вкладки /S >> эндообъект 30 0 объект > эндообъект 31 0 объект > эндообъект 32 0 объект > эндообъект 33 0 объект > поток xXO”I~7 Ǟ3fDP7]. @NzA`ϴN>g{[email protected]*%MѶw/:nFp[~V\cؾ}[YV͹dȤ6!~30NvbxB!ez4wu/q(&Q’

Парокомпрессионное охлаждение для высокопроизводительных приложений

Парокомпрессионное охлаждение адаптируется для охлаждения компьютерного и телекоммуникационного оборудования в ограниченном числе высокопроизводительных приложений. Сжатие пара может снимать большие тепловые нагрузки и может отводить тепло при температурах ниже температуры окружающей среды. Холодные пластины могут компенсировать высокие градиенты температуры между корпусом и переходом для сохранения высокой мощности. интегральные схемы от перегрева и/или может снизить температуру перехода для повышения производительности интегральной схемы.В качестве метода повышения производительности компьютера охлаждение ниже температуры окружающей среды активно исследуется с 1960-х годов. Современная полупроводниковая технология, КМОП, неоднократно подвергалась испытаниям при низких температурах. Существует несколько причин повышения производительности для охлаждения устройств CMOS до очень низких температур. Задача состоит в том, чтобы сделать это надежно и экономично.

Хотя ранние (1960-1980 гг.) программы разработки электроники для холода были нацелены на температуру 77К или ниже, умеренный подход к низкотемпературным вычислениям набрал силу в последние годы.Технология парового компрессионного охлаждения используется для охлаждения компонентов до минимальной температуры 233K (-40 o C) по двум веским причинам.

Во-первых, надежные и относительно недорогие системы сжатия пара могут выдерживать большие тепловые нагрузки при этой температуре. Во-вторых, 233K создает менее серьезные проблемы с электронной компоновкой, чем работа при 77K. Технология парового компрессионного охлаждения, идентичная той, что используется в домашнем охлаждении, в настоящее время используется по крайней мере в двух классах коммерчески доступных компьютеров [1].

Механическое охлаждение

Электронные системы высокой мощности проверяют пределы возможностей традиционных методов охлаждения. Эффективный отвод тепла необходим для поддержания температуры кремниевых переходов ниже критических температур, при которых устройства не смогут работать должным образом. Естественная конвекция или принудительное воздушное охлаждение оказываются недостаточными во все большем числе применений. Механическое охлаждение может удовлетворить эти потребности, но оно должно быть связано с приемлемыми затратами.Парокомпрессионное охлаждение для конкретных высокопроизводительных приложений может обеспечить благоприятное соотношение затрат и выгод.

Считается, что подсистемы охлаждения с механическим приводом обеспечивают «активное охлаждение», поскольку они требуют энергии. Некоторые подсистемы охлаждения с механическим приводом снижают температуру поверхности радиатора ниже температуры окружающего воздуха. Радиатор, работающий при температурах ниже температуры окружающей среды, удобно называть охлаждающей пластиной.

Ключевые характеристики подсистемы охлаждения включают ее эффективность, рабочую температуру и охлаждающую способность. Эффективность подсистемы может быть указана как ее коэффициент производительности (COP) или количество тепла, которое она может передать, деленное на мощность, которую подсистема потребляет для перемещения этого тепла.

Подсистемы активного охлаждения могут быть рассчитаны на работу в широком диапазоне температур. Простые системы с принудительной подачей воздуха работают при температурах выше температуры окружающей среды. Контуры с механически охлаждаемой жидкостью и системы сжатия пара с прямым испарением полезны при температурах выше примерно 210K. Криогенные системы могут быть спроектированы для охлаждения до температуры жидкого гелия (4K).

Большие системы могут быть спроектированы для подъема больших тепловых нагрузок. Однако эффективность Карно теоретически ограничивает КПД в зависимости от рабочей температуры. Низкотемпературные системы не будут такими эффективными, как более высокотемпературные. Это приводит к диапазону практического применения от долей ватта при 4K до сотен ватт при 233K.

Наиболее распространенными технологиями охлаждающих пластин для высокопроизводительного охлаждения в настоящее время являются термоэлектрические устройства, контуры охлажденной жидкости и охлаждение с компрессией пара.

Термоэлектрические устройства
Твердотельные термоэлектрические устройства не имеют движущихся частей, что, безусловно, является их самым важным преимуществом. К сожалению, их относительно низкий КПД ограничивает их использование в маломощных приложениях. Более низкие температуры могут быть достигнуты путем каскадирования нескольких термоэлектрических ступеней, но с соответствующим снижением COP. Кроме того, в приложениях с высокой мощностью может потребоваться дополнительное активное охлаждение для отвода тепла с отводной стороны термоэлектрического устройства.

Циркуляционная система охлажденной жидкости
Охлажденные жидкости имеют то преимущество, что они предварительно приняты. Правильно спроектированные системы перемещают внушительные тепловые нагрузки, часто используя воду в качестве циркулирующей жидкости. Системы с охлажденной жидкостью в конечном итоге ограничены их рабочей жидкостью. Большинство из них требуют относительно высокого массового расхода и должны использовать вторичный холодильный аппарат и теплообменник для охлаждения рабочей жидкости.

Парокомпрессионный
Парокомпрессионный холодильный агрегат имеет несколько важных преимуществ.К ним относятся низкий массовый расход, высокий КПД, низкие температуры охлаждающей плиты и способность отводить тепло от его источника. Ниже приводится более подробный обзор парокомпрессионного охлаждения высокопроизводительной электроники.

Парокомпрессионный холодильный агрегат
На рис. 1 схематично показан парокомпрессионный цикл. В верхней части контура тепло вводится в систему охлаждаемым устройством. Это тепло испаряет жидкий хладагент в испарительной охлаждающей пластине. Этот пар затем переносится через всасывающую трубку в компрессор. Затрачивается работа по сжатию теплого пара в горячий пар высокого давления, который направляется в конденсатор.

Рис. 1. Схема холодильного цикла Горячий пар высокого давления отдает свое тепло воздушному потоку через ребра конденсатора, конденсируясь в теплую жидкость. Теплая жидкость прокачивается снизу конденсатора через расширительное устройство, где ее давление и температура значительно падают, создавая эффект охлаждения.Цикл завершается, когда холодная жидкость переходит на холодную пластину.

Цикл, изображенный на рис. 1, предлагает несколько преимуществ для электронных систем охлаждения. Парокомпрессионные системы могут отводить тепло далеко от источника, разделяя испаритель и конденсатор в так называемой «сплит-системе». Парокомпрессионное охлаждение переносит большое количество тепла с небольшой массой циркулирующей жидкости. Это преимущество по сравнению с контуром охлажденной жидкости, который требует гораздо более высокого массового расхода хладагента.

Компрессионный пар работает с COP примерно в три раза выше, чем у термоэлектрических устройств в аналогичном приложении. Компрессия паров может производить холодную плиту с температурой -40 o C при использовании обычных хладагентов для хранения и охлаждения пищевых продуктов.

Жидкие хладагенты
Физические свойства хладагента и рабочее давление определяют его температуру кипения и его способность передавать тепло. В продаже имеется широкий спектр парокомпрессионных хладагентов.Вода, спирт, бутан и аммиак входят в список хорошо изученных охлаждающих жидкостей.

Диапазон рабочего давления, теплоемкость, потенциал разрушения атмосферы, взрывоопасность и потенциал коррозии делают некоторые жидкости непригодными для некоторых применений. R-134a и R-404a являются распространенными хладагентами, которые в настоящее время используются для охлаждения мощной электроники.

Теплоемкость и теплота парообразования
Когда связанные системы газов, жидкостей или твердых тел поглощают тепло, они должны либо повышать температуру, либо изменять свое физическое состояние.Например, температура грамма воды повысится на один градус по Цельсию, когда он поглотит одну калорию тепла. Точно так же при данном давлении и температуре один грамм воды будет поглощать около 540 калорий тепла без повышения температуры при переходе из жидкого состояния в газообразное.

Это характерное количество тепла, поглощаемое при изменении состояния, называется теплотой испарения материала. Парокомпрессионное охлаждение использует теплоту испарения охлаждающей жидкости.Практически это позволяет небольшой массе жидкости переносить относительно большое количество тепла.

Температура испарения
Подобно тому, как вода превращается в пар (водяной пар) при 100 o C при атмосферном давлении, данный хладагент будет испаряться при определенной температуре при заданном давлении. Характеристическая кривая зависимости давления от температуры определяет самый низкий практический предел эксплуатации конкретного хладагента. На рис. 2 представлены кривые зависимости давления от температуры для коммерческого хладагента R-404a.Низкие температуры охлаждающей пластины можно использовать для компенсации повышения температуры, которое происходит на границе между охлаждающей пластиной и ее нагрузочным устройством, или для снижения рабочей температуры нагрузочного устройства.

Рис. 2. Кривая PT для R-404a Преимущества охлаждения при температуре окружающей среды
С начала 1970-х годов технология КМОП предсказуемо расширялась. Меньшие элементы позволяют соединить больше элементов схемы, таких как транзисторы, на одном кремниевом кристалле.Меньшие транзисторы включаются и выключаются быстрее. По мере масштабирования CMOS от поколения к поколению производятся более быстрые и функционально богатые микросхемы.

Постоянное совершенствование производства пластин и устройств способствовало разработке чипов большего размера. Чипы большего размера, содержащие больше транзисторов, работающих на более высоких частотах, рассеивают больше энергии. С поверхности интегральной схемы необходимо отводить большое количество тепла, чтобы температура перехода оставалась ниже критической.Мощным чипам может потребоваться температура охлаждающей пластины ниже температуры окружающей среды, чтобы гарантировать, что переходы устройства поддерживаются при температуре ниже критической.

Охлаждение ниже температуры окружающей среды также позволяет КМОП-транзисторам быстрее включаться и выключаться. Мобильность носителей, утечка перехода, подпороговые рабочие характеристики и проводимость межсоединений благоприятствуют работе при низких температурах [2,3].

Вопросы применения паровой компрессии

Применение паровой компрессии для электронного охлаждения требует тщательного проектирования. Охлаждающая пластина должна эффективно отводить тепло от охлаждаемого устройства. Нельзя допускать, чтобы на холодных поверхностях собирался конденсат из окружающего воздуха. Трубки хладагента должны быть встроены в физическую конструкцию для подачи и удаления хладагента. Блок компрессора и конденсатора должен быть интегрирован в физическую конструкцию. Все решение должно быть экономичным и надежным.

Конструкция охлаждающей пластины должна обеспечивать эффективную передачу тепла от охлаждаемого устройства к потоку хладагента внутри охлаждающей пластины.Обычно требуются плоские и гладкие поверхности интерфейса. Охлаждающая пластина изготовлена ​​из теплопроводного материала с тонкими стенками для сокращения теплового пути от мишени к хладагенту. Внутренняя конструкция охлаждающей пластины оптимизирует теплопередачу. Текстура поверхности и длина пути хладагента увеличены в пределах допустимого перепада давления между входом и выходом испарительной охлаждающей пластины.

Вода, представляющая опасность для электронных узлов, конденсируется на открытых поверхностях при температуре точки росы или ниже. Эта проблема распространяется на все открытые холодные участки тракта хладагента. Холодные поверхности должны быть изолированы от влажного воздуха и защищены от него, чтобы избежать опасной конденсации.

Системы сжатия паров обычно имеют замкнутый контур. Хладагент бесконечно циркулирует по контуру. Это требует, чтобы трубопровод хладагента был проложен внутри электронного узла для соединения пластины испарительного охлаждения с узлом компрессор/конденсатор. Требуется продуманный дизайн, чтобы свести к минимуму влияние этой конкретной «проблемы».

«Охлаждающий двигатель» должен быть интегрирован или иным образом встроен в физическую конструкцию. Паровые компрессоры не были разработаны для эстетики. Обычно их прячут на дне холодильников и фонтанчиков с водой. Необходимо учитывать промышленный дизайн или стиль. Компрессоры тяжелые, потребляют энергию и излучают шум. В таблице 1 представлена ​​информация о размерах, весе и производительности типичных современных компрессоров A и B, а также параметры технически возможного, но недоступного мини-компрессора.

Все обсуждаемые вопросы применения должны быть рассмотрены на этапе физического проектирования системы, если необходимо эффективно интегрировать парокомпрессионное охлаждение. Пример такой системы показан на рисунке 3.

Рис. 3. Компьютер Kyrotech Super G™

Надежность при 233K

Работа при низких температурах сочетает в себе опасность и пользу. Опасности включают электромеханический отказ из-за несоответствия материала или теплового коэффициента расширения или электронный отказ из-за воздействия горячего носителя.Только материалы и компоненты, которые, как известно, сохраняют свою физическую целостность при температуре от -40 90 549 o 90 550 C, могут быть охлаждены.

Таблица 1. Технические характеристики типовых компрессоров

Пакеты в сборе должны быть испытаны для обеспечения соответствия при самой низкой ожидаемой температуре. Влага должна блокироваться уплотнениями и подогревом.

Надежность полупроводников -40 o C представляет собой смешанный пакет.Частота отказов, связанных с впрыском горячего носителя (HCI), выше при низкой температуре. Было показано, что деградация устройства из-за HCI увеличивается в условиях испытаний при низких температурах [4, 5, 6], в то время как разрушающее воздействие электромиграции, подвижного ионного загрязнения и пробоя диэлектрика резко снижается при низких температурах.

Заключение

Надежные подсистемы охлаждения с компрессионным паром могут быть спроектированы и изготовлены для использования в высокопроизводительных электронных приложениях.Парокомпрессионное охлаждение можно использовать для управления температурным режимом и/или повышения производительности.

Сегодня небольшая часть всех компьютеров оснащена парокомпрессионными кулерами. Более широкое использование этой мощной технологии охлаждения зависит от нескольких факторов. Во-первых, технология охлаждения будет развиваться, чтобы лучше подходить для вычислительных и телекоммуникационных приложений. В настоящее время разрабатываются программы по уменьшению размера и веса паровых компрессоров и внедрению функций контроля производительности, которые могут легко взаимодействовать с компьютерами.Также рассматривается нижний температурный предел технологии сжатия паров товаров 233K. Парокомпрессионные системы сейчас работают в лабораториях при гораздо более низких температурах.

Механическое охлаждение становится практическим решением проблем высокоэффективного электронного охлаждения. Внедрение и совершенствование парового компрессионного охлаждения для решения этих проблем может открыть новую эру электроники. Тот, в котором электронные компрессоры для охлаждения позволяют использовать полупроводниковые устройства со сверхвысокой производительностью, разработанные специально для работы при низких температурах.Частоты микропроцессора будут как увеличены, так и снижены.

Благодарности

Автор выражает благодарность Мэтью Брауну из KryoTech за его вклад и построение рисунков 2 и 3 в этой статье.

Каталожные номера

1. Шмидт, Роджер, Низкотемпературное электронное охлаждение, Журнал Electronics Cooling, сентябрь 2000 г., Vol. 6, No. 3.
2. Peeples, J.W., Настольный суперкомпьютер, Достижения в криогенной инженерии, 1998, Vol.43а, стр. 849-856.
3. Таур, Ю., Устройство и производительность охлаждаемой КМОП, Коммерциализация технологий криоэлектроники в микроэлектронике, The Knowledge Foundation, Inc., 18-19 февраля 1999 г., Сан-Франциско, Калифорния
4. Яо, К., Цзоу, JJ, Cheung, R., Chan, H., Температурная зависимость надежности КМОП-устройств, Материалы Международного симпозиума по физике надежности IEEE 1986 г., стр. 175-182.
5. Нисида, Т., Томпсон, С.Э., Оксидное поле и температурные зависимости деградации оксида под затвором при введении горячих электронов в подложку, Материалы Международного симпозиума по физике надежности IEEE 1991 г.