Конденсатор холодильника: назначение и принцип действия

Содержание

• Принцип работы
• Работа конденсатора
  • Этап 1
  • Этап 2
  • Этап 3
  • Этап 4
• Классификация конденсаторов
  • Ребристотрубные с воздушным охлаждением
  • Ребристотрубные с принудительным движением воздуха
  • Ребристотрубные с пластинчатыми ребрами
  • Ребристотрубные с проволочными ребрами
  • Листотрубные
• Теплопередача в конденсаторах
• Особенности теплопередачи
• Теплоотдача в конденсаторах

Конденсатор представляет собой теплообменник, в котором хладагент передает тепло внешнему воздуху. Когда парообразный хладагент высокого давления отдает теплоту, он конденсируется. В отечественных холодильных и морозильных устройствах обычно используются конденсаторы с воздушным охлаждением. Особенно популярными являются модели с конвективным охлаждением, имеющие ребра из проволоки. Эти конденсаторы состоят из трубопровода, согнутого в змеевик, который изготавливается из стали диаметром 4,7–6,5 мм с толщиной стенки 0,7–0,8 мм.

К змеевику с обеих сторон с помощью точечной сварки прикрепляются ребра из стальной проволоки диаметром 1,2–2 мм. Ранее в холодильниках использовались листотрубные конденсаторы, представляющие собой трубчатый змеевик, приваренный или прикрепленный к стальному листу с помощью пластин. Длина змеевика зависит от мощности холодильного агрегата, а его конструкция может быть как горизонтальной, так и вертикальной. Конденсатор соединяется с нагнетательной линией хладонового компрессора с одной стороны и с испарителем через фильтр-осушитель и капиллярную трубку с другой. Чтобы предотвратить коррозию, конденсатор покрывается черной эмалью.

Конденсатор — это устройство, где пары холодильного агента, охлаждаясь до температуры конденсации, превращаются в жидкость. Для этого хладагенту необходимо передать теплоту, которую он получил от охлаждаемого объекта, а также дополнительную теплоту перед поступлением в конденсатор.

Принцип работы

В компрессионных холодильных системах пары хладагента сильно нагреваются при сжатии в компрессорном цилиндре перед поступлением в конденсатор. В абсорбционных агрегатах пары хладагента нагреваются в генераторе за счет подводимого тепла, что позволяет выделить их из раствора. Конденсатор представляет собой трубопровод, часто изогнутый в виде змеевика, в который поступают пары хладагента. Снаружи змеевик охлаждается окружающим воздухом или водой (в крупных системах). Так как наружная поверхность змеевика может быть недостаточной для эффективного теплоотведения, поверхность часто увеличивают за счет добавления ребер или крепления змеевика к металлическому листу. Змеевик обычно располагают горизонтально, и хладагент поступает в его верхний виток.

Работа конденсатора

Рассмотрим работу конденсатора на примере компрессорного холодильника:

Этап 1

Когда компрессор не работает, в нижней части змеевика конденсатора находится жидкий хладагент, а в остальных частях — его насыщенные пары. Температура хладагента будет равна температуре окружающей среды (воды или воздуха), а давление в нем соответствует давлению насыщенных паров хладагента при этой температуре.

Этап 2

Когда компрессор включен, сжатые перегретые пары хладагента поступают в конденсатор с температурой на 30–40 °С выше температуры охлаждающей среды. Из-за ограниченной пропускной способности регулирующего вентиля, а также постоянного нагнетания хладагента компрессором, давление в конденсаторе постепенно повышается. Это приводит к перенасыщению паров и их постепенной конденсации. Тепло, выделяющееся при конденсации, повышает температуру жидкого хладагента и его насыщенных паров. Температура конденсации будет расти, пока разница температур между конденсирующим хладагентом и охлаждающей средой не станет достаточной для передачи всего выделяющегося тепла в охлаждающую среду.

Этап 3

При нормальной работе холодильника температура конденсации установится на уровне 10–15 °С выше температуры охлаждающей среды, и давление конденсации будет соответствовать давлению насыщенных паров хладагента при этой температуре. Жидкий хладагент, заполняя последние витки змеевика, образует жидкостный затвор перед регулирующим вентилем, предотвращая попадание парообразного хладагента в испаритель.

Этап 4

При повышении температуры охлаждающей среды (воздуха или воды) условия конденсации хладагента ухудшаются, что ведет к росту температуры и давления конденсации. Это снижает холодопроизводительность системы, так как с увеличением противодавления падает производительность компрессора. В результате ухудшающихся условий конденсации в испаритель поступает парожидкостная смесь, что уменьшает количество тепла, передаваемого от охлаждаемого объекта в процессе кипения хладагента. Повышение давления и температуры также приводит к увеличению потребляемой мощности двигателя и повышению расхода электроэнергии. Кроме того, высокое давление конденсации может ухудшить герметичность агрегата, вызывая утечку хладагента, и привести к аварийным ситуациям, если оно превысит расчетное давление прочности компонентов.

Классификация конденсаторов

В холодильных системах бытовых холодильников используются конденсаторы с воздушным охлаждением, такие как ребристотрубные и листотрубные модели. Охлаждение этих конденсаторов окружающим воздухом позволяет эффективно конденсировать хладагент, избегая сложностей, связанных с применением воды.

Конструкции конденсаторов в бытовых холодильных агрегатах разнообразны, что связано с экономическими факторами, такими как стоимость материалов, трудозатраты, металлоемкость, а также возможностями механизации и автоматизации производства.

Ребристотрубные с воздушным охлаждением

В ребристотрубных конденсаторах наружная поверхность змеевика увеличивается за счет множества ребер. Змеевик обычно изготавливается из стальной трубы, а ребра штампуются из стальных или алюминиевых пластин прямоугольной или круглой формы. Также для оребрения змеевика применяется стальная проволока. Чтобы обеспечить максимальный теплоотвод, необходимо обеспечить хороший контакт между трубой и ребрами, что достигается с помощью отбортовок на ребрах, которые припаиваются к трубке. После штамповки змеевик и ребра часто подвергаются гальваническому покрытию и затем спаиваются в печи. Для защиты от коррозии конденсаторы обычно окрашивают.

В зависимости от способа охлаждения, ребристотрубные конденсаторы могут быть с вынужденным и естественным движением воздуха. Вынужденное движение воздуха обеспечивается вентилятором, в то время как конденсаторы без вентилятора полагаются на естественную конвекцию. Вентилятор устанавливается на задней части конденсатора, по направлению потока воздуха. Конденсаторы с вентиляторами более компактны и имеют меньшую охлаждающую поверхность, но их использование увеличивает потребление энергии, поэтому они не часто встречаются в бытовых холодильниках.

Ребристотрубные с принудительным движением воздуха

Такие конденсаторы в настоящее время применяются в компрессионных холодильных агрегатах для больших двухкамерных холодильников, низкотемпературных холодильников, а также в небольших установках кондиционирования воздуха. В этих системах мотор-компрессор устанавливается так, чтобы поток воздуха, проходящий через конденсатор, затем охлаждал сам компрессор.

Ребристотрубные с пластинчатыми ребрами

Эти конденсаторы в основном используются в абсорбционных холодильных агрегатах. Трубки конденсаторов могут располагаться горизонтально, часто с общими ребрами, или наклонно, чтобы обеспечить сток жидкого хладагента, с отдельным оребрением для каждого витка, что считается более предпочтительным вариантом.

Ребристотрубные с проволочными ребрами

В таких конденсаторах ребра изготовлены из стальной проволоки диаметром 1–1,5 мм и приварены с обеих сторон змеевика. Эти конденсаторы пользуются большой популярностью благодаря высокой степени автоматизации процесса их производства.

Листотрубные

В листотрубных конденсаторах теплопередающая поверхность увеличена за счет использования тонкого стального (реже алюминиевого) листа, к которому прикреплен змеевик. Крепление трубки к листу возможно разными способами:

• точечной сваркой в отдельных местах;
• обжимом по всей длине трубки;
• с помощью пластин и других методов.

Эффективность таких конденсаторов повышается при наличии просечек в виде жалюзи на листе, что улучшает циркуляцию воздуха и увеличивает площадь теплообмена. Алюминиевые конденсаторы прокатно-сварочного типа встречаются реже, но они имеют хорошие характеристики благодаря высокой теплопроводности алюминия и отсутствию соединений между трубкой и листом, что способствует эффективной работе.

В отличие от ребристотрубных конденсаторов, где тепло передается преимущественно конвекцией, в листотрубных основную роль играет излучение тепла.

Теплопередача в конденсаторах

Пары хладагента конденсируются в трубах конденсатора, когда они сталкиваются с их стенками, температура которых ниже температуры насыщения пара, соответствующей давлению внутри устройства. Интенсивность теплопередачи зависит от ряда факторов, таких как характер конденсации, скорость движения хладагента, состояние поверхности труб, содержание воздуха в парах, конструкция теплообменника и скорость движения охлаждающей среды.

Конденсация может быть:

• пленочной, когда жидкость образует сплошную пленку на холодной стенке трубы;
• капельной, когда жидкость осаждается в виде отдельных капель.

Капельная конденсация происходит, когда конденсат не смачивает охлаждаемую поверхность или если она загрязнена маслом или другими отложениями. В большинстве теплообменников встречается смешанная конденсация. Важно быстро удалять жидкий хладагент с поверхности теплообмена, так как его толщина увеличивается при шероховатой поверхности, что снижает коэффициент теплоотдачи.

Коэффициент теплоотдачи также сильно зависит от наличия загрязнений, таких как масло, ржавчина, накипь, пыль или краска. Присутствие воздуха в парах хладагента значительно снижает эффективность теплообмена.

Особенности теплопередачи

Скорость движения конденсата в аппарате и внешней охлаждающей среды влияет на эффективность теплопередачи. Увеличение скорости улучшает коэффициент теплоотдачи и увеличивает энергозатраты на перемещение воздуха или воды. При увеличении скорости движения жидкости в трубах из ламинарного (спокойного) течения переходит в турбулентное, что способствует улучшению теплопередачи.

Теплоотдача в конденсаторах

Наличие загрязнений и покрытия (кроме цинкового) на поверхности теплообмена ухудшает теплопередачу, что влечет за собой снижение эффективности конденсаторов на 15–35 % по сравнению с чистыми аппаратами. Поэтому необходимо регулярно очищать конденсаторы с помощью продувки и промывки. Если теплопередача ухудшается, это приводит к росту давления конденсации, что снижает холодопроизводительность системы и увеличивает потребление энергии компрессором.

Коэффициент теплоотдачи (α) зависит от физических свойств хладагента и охлаждающей среды, а также от их движения. Определить точные значения α в целом по конденсатору сложно, так как они зависят от распределения хладагента и воздуха на поверхности устройства, чистоты поверхности и скорости отвода конденсата. Для разных жидкостей и хладагентов коэффициенты теплоотдачи могут варьироваться: для чистого аммиака α может составлять от 7200 до 10500 Вт/м²·К, для фреона R-22 — от 1500 до 2900 Вт/м²·К, для воды — от 1750 до 4500 Вт/м²·К.

Если коэффициент теплоотдачи с одной стороны стенки значительно ниже, чем с другой, то общий коэффициент приближается к меньшему из этих значений. В таких случаях для улучшения теплопередачи увеличивают площадь с меньшим коэффициентом теплоотдачи, что часто достигается добавлением ребер на трубках.