Устройство и принцип работы компрессионной холодильной машины
Из всех способов наибольшее применение получило охлаждение с помощью холодильных машин (машинное охлаждение), при котором используется принцип кипящих жидких газов. Работа холодильной машины полностью автоматизирована, что обеспечивает удобство в эксплуатации, безопасность работы обслуживающего персонала, возможность соблюдения требуемого температурного режима для различных видов продуктов, а также режима экономии.
Холодильная машина — «это кольцевая герметически замкнутая система, по которой циркулирует одно и то же количество рабочего вещества, называемого холодильным агентом.
В торговом машиностроении применяются холодильные машины двух видов: компрессионная и абсорбционная, в которых используются различные способы обеспечения циркуляции хладагента. В компрессионной холодильной машине для циркуляции хладагента затрачивается механическая энергия, а в абсорбционной — тепловая. Наибольшее распространение получила компрессионная холодильная машина» [10], в которой основным рабочим узлом является компрессор .
Схема компрессионной холодильной машины: 1 — компрессор; 2 — всасывающий клапан; 3 — нагнетающий воздух клапан;
4 — поршень; 5 — цилиндр; б — электропривод; 7 — электровентилятор;
8 — конденсатор; 9 — ресивер; 10- терморегулирующий вентиль; 11 — датчик;
Схема компрессионной холодильной машины: 1 — компрессор; 2 — всасывающий клапан; 3 — нагнетающий воздух клапан;
4 — поршень; 5 — цилиндр; б — электропривод; 7 — электровентилятор;
8 — конденсатор; 9 — ресивер; 10- терморегулирующий вентиль; 11 — датчик;
Компрессионная холодильная машина состоит из компрессора 1, конденсатора 8, ресивера 9, терморегулирующего вентиля 10 и испарителя 12. Эти части соединены между собой трубопроводами и образуют замкнутую герметичную систему, которая заполнена холодильным агентом — хладоном.
Компрессор служит для непрерывного отсасывания холодных паров хладона из испарителя, сжатия их и нагнетания в конденсатор. Важнейшими частями компрессора являются цилиндр 5, поршень 4 и два клапана (всасывающий 2 и нагнетающий 3). Поршень совершает в цилиндре возвратно-поступательное движение с помощью электропривода 6. При опускании поршня увеличивается объем рабочей полости цилиндра и давление в нем снижается. Вследствие этого открывается всасывающий клапан, и цилиндр заполняется парообразным хладоном, поступающим из испарителя. При поднятии поршня (при закрытых клапанах) пары хладона сжимаются и нагреваются за счет сжатия до температуры 50 — 60°С. При достижении наибольшего давления паров в цилиндре открывается нагнетающий клапан, и горячие пары хладона выталкиваются в конденсатор.
Конденсатор — это теплообменный аппарат, охлаждаемый с помощью электровентилятора. Конденсатор воздушного охлаждения представляет собой трубчатый змеевик из металлических труб с насаженными на них ребрами из металлических пластин. По змеевику сверху вниз проходит охлаждаемый холодильный агент, а снаружи змеевик обдувается воздухом от электровентилятора 7. В конденсаторе горячие пары хладона отдают свою теплоту воздуху помещения. В результате их температура понижается до температуры конденсации, которая обычно на 8-12°С выше температуры воздуха помещения. При дальнейшем охлаждении пары хладона отдают скрытую теплоту парообразования при постоянной температуре и превращаются в жидкость. Интенсивность конденсации зависит от размера охлаждаемой площади поверхности конденсатора, разности температур хладоново-го пара и воздуха помещения, а также чистоты поверхности конденсатора. Загрязнение конденсатора смазочными маслами, пылью затрудняет теплообмен между холодильным агентом и наружным воздухом. Жидкий хладон, постепенно проходя через фильтр-осушитель, накапливается в ресивере 9.
Ресивер представляет собой стальной герметичный сосуд, служащий для накопления, хранения сжиженного хладона и равномерной его подачи в другие части холодильной машины. В ресивере и конденсаторе поддерживается одинаковое давление, равное давлению конденсации. Из ресивера жидкий хладон подается к терморегулирующе-му вентилю 10.
Терморегулирующий вентиль (ТРВ) — автоматический прибор, который регулирует заполнение испарителя жидким хладоном. Основными его частями являются игольчатый клапан, закрывающий доступ жидкого хладона из ресивера в испаритель, и датчик 11, контролирую
щий температуру паров хладона на выходе из испарителя. При повышении температуры, что является признаком недостаточного заполнения испарителя, клапан вентиля автоматически открывается, увеличивая подачу жидкого хладона в испаритель. Другой важной функцией ТРВ является дросселирование (расширение жидкости при истечении через узкие отверстия) жидкого хладона. Дросселирование происходит в кольцевой щели между игольчатым клапаном и седлом вентиля. На этом участке резко падает давление жидкого хладона, поскольку в испарителе поддерживается более низкое давление, чем в конденсаторе и ресивере. При этом давление конденсации хладона понижается до давления кипения. Соответственно понижается температура кипения жидкого хладона.
Схема и принцип работы компрессионной холодильной машины
Парокомпрессионные холодильные машины являются наиболее распространёнными и универсальными устройствами. Если рассматривать холодильную технику, задействованную в сфере сервиса, то парокомпрессионная холодильная машина является главной частью любой установки и называется компрессионным холодильным агрегатом.
Холодильный агрегат компрессионного типа предназначен для осуществления главного процесса — охлаждения продуктов, жидкостей или воздуха, т.е. отбора их тепла и передачи его в окружающую среду. Иначе говоря, он предназначен для производства холода.
Компрессионный холодильный агрегат — это замкнутая герметичная система, внутри которой принудительно циркулирует хладагент, рабочее тело холодильной машины.
В качестве хладагента в современных холодильных установках используют газы, не разрушающие озоновый слой, и являющиеся различными производными углеводородов, как правило, это фреоны. Фреоны — это в нормальных условиях газы, жидкости, которых кипят при температурах: —29——50 °С. Основное назначение хладагента — перенос тепла продуктов во внешнюю среду. При работе агрегата компрессионного типа, вследствие совершения механической работы сжатия, происходит изменение агрегатного состояния хладагента из газа в жидкость, которая, испаряясь, отнимает теплоту продуктов, жидкостей или воздуха, а затем, на этапе конденсации (превращения газа в жидкость), отдает его в окружающую среду.
Рис. 2.1. Схема типового компрессионного холодильного агрегата : 1 — компрессор (осуществляет сжатие хладагента); 2- конденсатор (теплообменный аппарат, в котором происходит конденсация хладагента); 3 — фильтр осушитель; 4- капиллярная трубка (является дросселирующим элементом холодильного аппарата); 5 — испаритель (теплообменный аппарат, в котором происходит испарение хладагента); 6 — охлаждаемые продукты или среды; 7 — всасывающая трубка.
Поясним, принцип работы холодильного агрегата на примере холодильника для охлаждения продуктов. При включении холодильного агрегата начинает работать мотор-компрессор 1, который представляет собой поршневой насос, приводимый в движение электромотором. Хладагент сжимается поршнем компрессора до давления 8-10 атм. около 50 раз в секунду. Вследствие сжатия, температура хладагента повышается до уровня на 15-20 °С выше, чем температура окружающей среды. Из-за малой продолжительности сжатия хладагента, он не успевает отдать это тепло в окружающую среду, т.е. реализуется ^адиабатное сжатие (процесс, происходящий без изменения внутренней энергии, теплообмена). Затем сжатый до давления 8-10 атм. и «горячий» (на 15-20 °С выше температуры окружающей среды) хладагент попадает в конденсатор 2 —теплообменный аппарат, выполненный в виде трубчатого оребрённого змеевика (рёбра необходимы для увеличения площади теплообмена, т.е. повышения его эффективности при минимальных размерах). В теплообменном аппарате происходит охлаждение горячего хладагента, окружающим змеевик воздухом. Из-за чего и происходит конденсация, т.е. превращение хладагента в жидкость (давление в конденсаторе 8-10 атм. на входе и несколько ниже на выходе из него входе , температура на входе на 15-20 °С выше температуры окружающей среды, а на выходе близка к ней).
Из конденсатора жидкий хладагент, с температурой окружающей среды, попадает в фильтр-осушитель 3. В фильтре-осушителе, заполненном металлическими сетками с гранулами селикагеля, происходит задержание механических примесей и воды, содержащихся в хладагенте. Механические примеси образуются вследствие работы компрессора, а вода из-за химических реакций между хладагентом, маслом и присадками, необходимыми для предотвращения коррозии элементов агрегата.
Из фильтра-осушителя жидкий хладагент попадает в дросселирующий элемент агрегата — капиллярную трубку 4 (дросселирование — процесс понижения давления жидкости или газа вследствие сужения внутреннего диаметра трубопровода и трения о его внутренние стенки). Капиллярная трубка имеет проходной диаметр 0,8 — 1 мм и длину 5 — 6 м, диаметр капиллярной трубки много меньше, чем диаметр фильтра-осушителя. В ней происходит падение давления жидкого хладагента с 8-10 атм. до 1 атм. за счет трения жидкости о стенки капиллярной трубки. Однако вследствие трения происходит выделение тепла, что приводит к частичному закипанию жидкости (образование пузырьков). Для уменьшения такого нагревания хладагента капиллярная трубка «наматывается» на холодную всасывающую трубку.
Затем жидкий закипающий хладагент попадает в испаритель 5, представляющий собой листотрубный теплообменный аппарат, внутри которого находятся продукты. Вследствие испарения, а диаметр трубки испарителя 8-10 мм, происходит отбор тепла от продуктов, а температура опускается до температуры, близкой к температуре кипения (у современных холодильников -18^ -24 °С и даже ниже) при этом давление хладагента остаётся неизменным , т.е. около 1 атм. Эта температура несколько ниже, чем температура кипения из-за частичного закипания хладагента в капиллярной трубке и других потерь.
Холодные пары хладагента по всасывающей трубке 7 попадают в компрессор, и цикл продолжается пока он работает. Температура на входе всасывающей трубки -18 + -24 «С, а на выходе +15 + +20°С.
Таким образом, пока работает компрессор, продукты охлаждаются. Экономия электроэнергии достигается отключением компрессора, что приводит к медленному повышению температуры продуктов. Как только эта температура повышается до установленного терморегулятором предела, компрессор вновь включается и температура понижается, т.е. автоматически организуется экономичная прерывистая работа компрессора.
— простота конструкции; — наличие трущихся частей в -технологичность изготовления и компрессоре;
ремонта; — шум при работе, который
— экономичность при работе; возрастает при длительной
— простота эксплуатации; эксплуатации.
В зависимости от вида холодильного компрессора парокомпрессионные машины подразделяются на поршневые, турбокомпрессорные, ротационные и винтовые. Для повышения экономической эффективности холодильной машины (снижения затрат энергии на единицу отнятого от охлаждаемого тела количества теплоты) иногда перегревают пар. всасываемый компрессором, и переохлаждают жидкость перед дросселированием. По этой же причине для получения температур ниже -30 °С используют многоступенчатые или каскадные холодильные машины. В многоступенчатых холодильных машин сжатие пара производится последовательно в несколько ступеней с охлаждением его между отдельными ступенями. При этом в двухступенчатых холодильных машинах получают температуру кипения хладагента до -80 °С (см. рис.2.2). В каскадных холодильных машинах, представляющих собой несколько последовательно включенных холодильных машин, которые работают на различных, наиболее подходящих по своим термодинамическим свойствам для заданных температурных условий хладагентах, получают и более низкую температуру кипения.
Рис. 2.2. Двухкаскадная компрессионная холодильная машина.
Устройство и принцип действия компрессионной холодильной машины
Принцип действия компрессионной холодильной машины основан на изменении физического (агрегатного) состояния холодильного агента в зависимости от его давления. При понижении давления регулирующим вентилем и поступлении холодильного агента в испаритель он испаряется (кипит), т. е. переходит из жидкости в парообразное состояние, в конденсаторе же этот холодильный агент конденсируется (превращается в жидкость).
Все элементы холодильной машины испаритель, компрессор, конденсатор и регулирующий вентиль —соединены последовательно трубопроводами и образуют замкнутую герметичную систему, заполненную холодильным агентом.
Испаритель служит для кипения холодильного агента при низкой температуре и соответствующем давлении за счет тепла, отнятого от окружающей охлаждаемой среды. Этот процесс может осуществляться двумя путями: непосредственно от среды к холодильному агенту через стенки испарителя —система непосредственного охлаждения и посредством теплоносителя —рассольное охлаждение.
В испаритель должно поступать строго определенное количество холодильного агента. Избытка жидкого холодильного агента в испарителе независимо от величины тепловой нагрузки допускать нельзя, так как это приводит к повышению температуры кипения, снижению экономичности работы холодильной машины и может вызвать аварию. При недостатке жидкого холодильного агента в испарителе некоторая его часть не используется, что также ухудшает режим работы вследствие понижения температуры кипения.
Батареи — испарители непосредственного охлаждения изготавливают из труб, которые, как правило, оребряют. Размещают испарители в верхней части (под потолком или у стен) охлаждаемых камер (емкостей).
По такому принципу работает фреоновая пристенная ребристая батарея типа ИРСН — 12,5 М.
Рассольную систему охлаждения применяют главным образом там, где нельзя использовать систему непосредственного охлаждения, т. е. в следующих случаях:
когда в камерах требуется поддерживать постоянную, без существенных колебаний, температуру воздуха;
при необходимости непосредственного соприкосновения рассола с воздухом;
когда холод подается на относительно большие расстояния;
когда условия эксплуатации не позволяют обеспечить необходимую плотность соединений (судовые холодильники);
если система охлаждающих приборов разветвленная и для ее заполнения потребовалось бы большое количество сравнительно дорогостоящего холодильного агента, например фреона;
если по правилам техники безопасности нельзя применить непосредственное охлаждение даже при условии применения безвредного холодильного агента.
Рассол или, как его называют, теплоноситель —это рабочее тело, которое отбирает тепло от одной части холодильной установки и отдает его другой, не меняя при этом своего агрегатного состояния. Наибольшее применение в качестве теплоносителя получили растворы в воде хлористого натрия NaCl и хлористого кальция СаС12.
Рассол охлаждается в испарителе и затем по трубам поступает в батареи, расположенные в камерах хранения продуктов. Рассольные батареи изготавливают различных конструкций. В холодильных фреоновых установках для охлаждения рассола широко применяют кожухотрубные и кожухозмеевиковые испарители. Рассол поступает в этот испаритель и выходит из него в охлаждающие батареи под напором, создаваемым насосом. Батареи, размещаемые в камерах у стен или под потолком, представляют собой змеевики из гладких или оребренных труб, которые заполнены рассолом.
В аммиачных холодильных установках применяют кожухотрубный испаритель, состоящий из горизонтального цилиндрического кожуха с приваренными на концах трубными решетками, и стальных труб, которые развальцованы в отверстиях решеток. Рассол протекает по трубам, а в межтрубном пространстве кожуха кипит аммиак.
В качестве теплоносителя может быть применен воздух. Такое охлаждение называется воздушным. Воздух охлаждается в воздухоохладителе, состоящем из оребренных труб, в которых кипит холодильный агент, и затем подается вентилятором в камеры хранения продуктов. Недостатком воздушного охлаждения является малая теплоемкость воздуха как теплоносителя и повышенная усушка неупакованных продуктов. Преимущество воздушного охлаждения состоит в том, что процесс охлаждения протекает более интенсивно и улучшаются условия хранения охлажденных грузов за счет более равномерного распределения температуры и влажности воздуха по объему охлаждаемого помещения.
Компрессор предназначен для отсасывания паров холодильного агента из испарителя и сжатия их при затрате механической энергии. При этом давление и температура паров холодильного агента повышаются.
В холодильных установках,, находящихся на оснащении предприятий торговли, применены поршневые компрессоры с возвратно — поступательным движением поршней в цилиндрах и ротационные компрессоры с катящимся или вращающимся поршнем (ротором).
Конденсаторы служат для сжижения сжатых компрессором паров холодильного агента за счет отвода от них теплоты конденсации к окружающей среде —воздуху или воде, имеющим более низкую температуру.
Конденсаторы изготавливают с воздушным и водяным охлаждением. В холодильных фреоновых установках применяют кожухотрубные и кожухозмеевиковые конденсаторы с водяным охлаждением и конденсаторы, выполненные в виде оребренных змеевиков,змеевиковые с воздушным охлаждением.
Во многих фреоновых холодильных установках торгового типа конденсаторы охлаждаются воздухом. Один из таких конденсаторов с воздушным охлаждением показан на рис. 43. Конденсатор выполнен в виде плоских змеевиков из медных или стальных труб с оребрением с внешней стороны. Для повышения интенсивности поверхность конденсаторов обдувают вентиляторами.
Некоторые конденсаторы (кожухотрубные) средней производительности монтируют с ресивером, являющимся дополнительной емкостью для жидкого холодильного агента.
Регулирующий вентиль служит для регулирования подачи жидкого холодильного агента в испаритель. В нем происходит снижение давления холодильного агента от давления конденсации до давления испарения с соответствующим понижением температуры. Подача холодильного агента в испаритель регулируется автоматически, что обеспечивает правильное его заполнение. Из всех основных частей холодильной машины наиболее сложным является компрессор, при работе которого происходит циркуляция холодильного агента и получение низких температур, т. е. холодильный эффект.
При включении компрессора осуществляются процессы изменения агрегатного состояния холодильного агента при его кипении и конденсации, что является необходимым условием производства холода. Холодильный агент, циркулирующий в системе, при этом не расходуется (при условии, что в частях машины и ее трубопроводах отсутствуют неплотности).
Из конденсатора жидкий холодильный агент поступает обратно через регулирующий вентиль в испаритель, и цикл работы холодильной машины повторяется.
В работе холодильной машины в зависимости от ее устройства и назначения, кроме основных частей (элементов)компрессора, конденсатора, испарителя и регулирующего вентиля, участвуют многие другие вспомогательные элементы: отделитель жидкости, маслоотделитель, фильтры, воздухоотделители, теплообменники, насосы, вентиляторы и др.
Жидкий холодильный агент кипит в испарителе, охлаждая помещение, где установлен испаритель, или какие — либо аппараты за счет отнятия тепла от окружающей среды. Образовавшиеся при этом пары холодильного агента отсасываются компрессором и сжимаются им до давления, при котором их температура будет выше температуры окружающего воздуха (воды). Конструктивное объединение отдельных или всех элементов холодильной машины (компрессора, электродвигателя, конденсатора и др.) на общей раме или каркасе называют холодильным агрегатом. Агрегатирование отдельных элементов холодильной машины на заводах — изготовителях создает удобства для монтажа и эксплуатации этого оборудования.
Холодильной установкой называют совокупность холодильной машины со всеми аппаратами и приборами, необходимыми для осуществления процесса производства, распределения и потребления холода.
Холодильные машины имеют определенную холодопроизводительность.
Холодопроизводительностью холодильной машины называют количество тепла, которое она в состоянии отнять от охлаждаемой ею среды в течение одного часа. Холодопроизводительность может меняться в значительных пределах в зависимости от температурных условий работы. При повышении температуры конденсации и понижении температуры кипения холодильного агента холодопроизводительность машины уменьшается.
Холодопроизводительность измеряется в больших килокалориях —ккал/час. По системе СИ холодопроизводительность измеряется в ваттах (вт), 1 вт = 0,86ккал/час, 1 ккал/час = 1,163вт.
По холодопроизводительности компрессоры холодильных машин делят на три группы: малые —холодопроизводительностью до 9,3 тыс. вт, или 8000 ккал/час, средние —холодопроизводительностью до 58 тыс. вт, или 50 000 ккал/час и крупные —свыше 58 тыс. вт, или 50 000 ккал/час.