Underkylning
Termen underkylning (även kallad underkylning ) syftar på en vätska som existerar vid en temperatur under dess normala kokpunkt . Till exempel, vatten kokar vid 373 K; vid rumstemperatur (293 K) benämns flytande vatten "underkylt". En underkyld vätska är det bekväma tillståndet i vilket, säg, köldmedier kan genomgå de återstående stegen av en kylcykel . Normalt har ett kylsystem ett underkylningssteg, vilket gör att tekniker kan vara säkra på att kvaliteten, i vilken köldmediet når nästa steg i cykeln , är den önskade. Underkylning kan ske i värmeväxlare och utanför dessa. Eftersom de är både likartade och omvända processer är underkylning och överhettning viktiga för att bestämma stabiliteten och välfungerandet hos ett kylsystem.
Ansökningar
Expansionsventildrift och kompressorsäkerhet
Underkylning används normalt så att när köldmediet når den termostatiska expansionsventilen, är allt i flytande form , vilket gör att ventilen kan fungera korrekt. Om gas når expansionsventilen kan en rad oönskade fenomen inträffa. Dessa kan i slutändan leda till beteenden som liknar de som observerats med flash-gas-fenomenen : problem med oljereglering under hela cykeln; överdrivet och onödigt maktmissbruk och slöseri med elektricitet ; felfunktion och försämring av flera komponenter i installationen; oregelbunden prestanda för de övergripande systemen, och i en oövervakad situation, förstörd utrustning.
En annan viktig och vanlig tillämpning av underkylning är dess indirekta användning på överhettningsprocessen. Överhettning är analogt med underkylning på ett operativt sätt, och båda processerna kan kopplas med en intern värmeväxlare. Underkylning här tjänar sig själv från överhettning och vice versa, vilket tillåter värme att strömma från köldmediet vid ett högre tryck (vätska), till det med lägre tryck (gas). Detta skapar en energisk motsvarighet mellan underkylnings- och överhettningsfenomenen när det inte finns någon energiförlust . Normalt är vätskan som underkylas varmare än köldmediet som överhettas, vilket tillåter ett energiflöde i den riktning som behövs. Överhettning är kritisk för driften av kompressorer eftersom ett system som saknar det kan förse kompressorn med en flytande gasblandning, en situation som vanligtvis leder till att gaskompressorn förstörs eftersom vätskan är okomprimerbar. Detta gör underkylning till en enkel och utbredd värmekälla för överhettningsprocessen.
Systemoptimering och energibesparing
Att tillåta underkylningsprocessen att ske utanför kondensorn (som med en intern värmeväxlare) är en metod för att använda hela kondensanordningens värmeväxlingskapacitet . En stor del av kylsystem använder en del av kondensorn för underkylning, vilket, även om det är mycket effektivt och enkelt, kan anses vara en minskande faktor i den nominella kondenseringskapaciteten. En liknande situation kan finnas med överhettning som sker i förångaren, därför är en intern värmeväxlare en bra och relativt billig lösning för att maximera värmeväxlingskapaciteten .
En annan utbredd tillämpning av underkylning är boosting och ekonomisering . Omvänt till överhettning, underkylning, eller mängden värme som tas ut från det flytande köldmediet under underkylningsprocessen, manifesterar sig som en ökning av systemets kylkapacitet. Detta innebär att all extra värmeavlägsnande efter kondensationen (underkylningen) tillåter en högre värmeabsorption i ytterligare steg i cykeln . Överhettning har exakt den omvända effekten. En intern värmeväxlare ensam kan inte öka systemets kapacitet eftersom underkylningens förstärkningseffekt dämpas av överhettningen, vilket gör att nettokapacitetsökningen blir lika med noll. Vissa system kan flytta köldmedium och/eller ta bort värme med mindre energi eftersom de gör det på högtrycksvätskor som senare kyler eller underkyler lägre tryck (som är svårare att kyla) vätskor.
Naturlig och artificiell underkylning
Underkylningsprocessen kan ske på många olika sätt; därför är det möjligt att skilja mellan de olika delarna där processen äger rum. Normalt avser underkylning storleken på temperaturfallet som är lätt att mäta, men man kan tala om underkylning i termer av den totala värmen som tas bort. Den vanligaste underkylningen är kondensorns underkylning , vilket vanligtvis kallas det totala temperaturfallet som sker inuti kondensorn, omedelbart efter att vätskan har kondenserats totalt, tills den lämnar kondenseringsenheten.
Kondensorunderkylning skiljer sig från total underkylning vanligtvis eftersom efter kondensorn, genom hela röret, kan köldmediet naturligtvis tendera att svalna ännu mer, innan det kommer till expansionsventilen, men också på grund av konstgjord underkylning . Den totala underkylningen är det fullständiga temperaturfallet som köldmediet genomgår från sin faktiska kondenseringstemperatur, till den betongtemperatur det har när det når expansionsventilen: detta är den effektiva underkylningen.
Naturlig underkylning är det namn som normalt ges till temperaturfallet som produceras inuti kondensorn (kondensorunderkylning), kombinerat med temperaturfallet som sker genom rörledningen enbart, exklusive alla värmeväxlare av något slag. När det inte finns någon mekanisk underkylning ( dvs en intern värmeväxlare) bör naturlig underkylning vara lika med total underkylning. Å andra sidan är mekanisk underkylning den temperatur som sänks av någon artificiell process som medvetet placeras för att skapa underkylning. Detta koncept avser främst enheter som interna värmeväxlare, oberoende underkylningskaskader, economisers eller boosters.
Economizer och energisk effektivitet
Underkylningsfenomen är intimt relaterade till effektivitet i kylsystem. Detta har lett till mycket forskning på området. Det mesta av intresset ligger i det faktum att vissa system fungerar under bättre förhållanden än andra på grund av bättre (högre) drifttryck, och de kompressorer som ingår i en underkylslinga är vanligtvis mer effektiva än de kompressorer som får sin vätske underkylda. .
Economizer-kapabla skruvkompressorer byggs, vilket kräver speciell tillverkningsfinesser. Dessa system kan injicera köldmedium som kommer från en intern värmeväxlare istället för huvudförångaren, i den sista delen av komprimeringsskruvarna. [ citat behövs ] I den namngivna värmeväxlaren underkyls köldmedievätska vid högt tryck, vilket resulterar i mekanisk underkylning. Det finns också en stor mängd system som byggs i booster-display. Detta liknar ekonomisering, eftersom kompressorns verkningsgrad för en av kompressorerna (den som arbetar med högre tryck) är känd för att vara bättre än den andra (kompressorerna som arbetar med lägre tryck). Economizers och boostersystem skiljer sig vanligtvis åt i det faktum att de första kan göra samma underkylning med endast en kompressor som kan spara, de senare systemen måste göra processen med två separata kompressorer.
Förutom att boosta och ekonomisera är det möjligt att producera kaskadunderkylningssystem som kan underkyla vätskan med ett analogt och separat system. Denna procedur är komplex och kostsam eftersom den involverar användning av ett komplett system (med kompressorer och all växel) endast för underkylning. Ändå har idén väckt en del undersökningar eftersom det finns några påstådda fördelar. Dessutom USA:s energidepartement en Federal Technology Alert som nämner kylmedelsunderkylning som ett tillförlitligt sätt att förbättra systemens prestanda och spara energi. Att göra denna typ av system operativt oberoende av huvudsystemet och kommersiellt möjligt är föremål för studier på grund av de nämnda kraven. Separationen av underkylningsenheten från huvudcykeln (designmässigt) är inte känt för att vara ett ekonomiskt lönsamt alternativ. Denna typ av system kräver vanligtvis användningen av dyra elektroniska styrsystem för att övervaka de termodynamiska fluidförhållandena. Nyligen har en produkt som kan öka systemets kapacitet genom att lägga till mekanisk underkylning till alla generiska ospecifika kylsystem utvecklats i Chile .
Underkylningsprincipen bakom alla dessa applikationer är det faktum att, när det gäller värmeöverföring, all underkylning läggs direkt till kylmediets kylkapacitet (eftersom överhettning skulle dras av direkt). Eftersom kompressorer som underkylar arbetar under dessa enklare förhållanden , gör högre tryck deras köldmediecykler mer effektiva, och värmen som tas ut på detta sätt blir billigare än den som tas ut av huvudsystemet, i termer av energi.
Transkritiska koldioxidsystem
I ett vanligt kylsystem genomgår köldmediet fasförändringar från gas till vätska och från vätska tillbaka till gas. Detta gör det möjligt att överväga och diskutera överhettnings- och underkylningsfenomen, främst eftersom gas måste kylas för att bli flytande och vätska måste värmas tillbaka för att bli gas. Eftersom det finns små möjligheter att fullborda detta för hela det strömmande köldmediet utan underkylning eller överhettning, är båda processerna oundvikliga i konventionell ångkompressionskylning och dyker alltid upp.
Å andra sidan gör transkritiska system att köldmediet går igenom ett annat tillstånd av materia under cykeln. Särskilt köldmediet (vanligtvis koldioxid ) går inte igenom en vanlig kondensationsprocess utan passerar istället genom en gaskylare i en superkritisk fas . Att prata om kondenstemperatur och underkylning under dessa förhållanden är inte helt möjligt. Det finns en hel del faktisk forskning om detta ämne rörande processer i flera steg, ejektorer , expanderare och flera andra enheter och uppgraderingar. Gustav Lorentzen beskrev några modifieringar av cykeln inklusive tvåstegs intern underkylning för denna typ av system. På grund av dessa systems speciella karaktär måste ämnet underkylning behandlas i enlighet därmed, med tanke på att förhållandena för vätskan som lämnar gaskylaren i superkritiska system måste specificeras direkt med hjälp av temperatur och tryck.
