Общее устройство холодильной машины

Устройство и принцип работы холодильной установки

Сегодня в охлаждении нуждается огромное количество продуктов, а еще без холода невозможно реализовать многие технологические процессы. То есть с необходимостью применения холодильных установок мы сталкиваемся в быту, в торговле, на производстве. Далеко не всегда удается использовать естественное охлаждение, ведь оно сможет понизить температуру лишь до параметров окружающего воздуха.

На выручку приходят холодильные установки. Их действие основано на реализации несложных физических процессов испарения и конденсации. К преимуществам машинного охлаждения относится поддержание в автоматическом порядке постоянных низких температур, оптимальных для определенного вида продукта. Также немаловажными являются незначительные удельные эксплуатационные, ремонтные затраты и расходы на своевременное техническое обслуживание.

Как работает холодильная машина

Для получения холода используется свойство холодильного агента корректировать собственную температуру кипения при изменении давления. Чтобы превратить жидкость в пар, к ней подводится определенное количество теплоты. Аналогично конденсация парообразной среды наблюдается при отборе тепла. На этих простых правилах и основывается принцип работы холодильной установки.

Это оборудование включает в себя четыре узла:

компрессор
конденсатор
терморегулирующий вентиль
испаритель

Между собой все эти узлы соединяются в замкнутый технологический цикл при помощи трубопроводной обвязки. По этому контуру подается холодильный агент. Это вещество, наделенное способностью кипеть при низких отрицательных температурах. Этот параметр зависит от давления парообразного хладагента в трубках испарителя. Более низкое давление соответствует низкой температуре кипения. Процесс парообразования будет сопровождаться отнятием тепла от той окружающей среды, в которую помещено теплообменное оборудование, что сопровождается ее охлаждением.

При кипении образуются пары хладагента. Они поступают на линию всасывания компрессора, сжимаются им и поступают в теплообменник-конденсатор. Степень сжатия зависит от температуры конденсации. В данном технологическом процессе наблюдается повышение температуры и давления рабочего продукта. Компрессором создают такие выходные параметры, при которых становится возможным переход пара в жидкую среду. Существуют специальные таблицы и диаграммы для определения давления, соответствующего определенной температуре. Это относится к процессу кипения и конденсации паров рабочей среды.

Конденсатор – это теплообменник, в котором горячие пары хладагента охлаждаются до температуры конденсации и переходят из пара в жидкость. Это происходит путем отбора от теплообменника тепла окружающим воздухом. Процесс реализуется при помощи естественной или же искусственной вентиляции. Второй вариант зачастую применяется в промышленных холодильных машинах.

После конденсатора жидкая рабочая среда поступает в терморегулирующий вентиль (дроссель). При его срабатывании давление и температура понижается рабочих параметров испарителя. Технологический процесс вновь идет по кругу. Чтобы получить холод необходимо подобрать температуру кипения хладагента, ниже параметров охлаждаемой среды.

На рисунке представлена схема простейшей установки, рассмотрев которую можно наглядно представить принцип работы холодильной машины. Из обозначений:

«И» — испаритель
«К» -компрессор
«КС» — конденсатор
«Д» — дроссельный вентиль

Стрелочками указано направление технологического процесса.

Помимо перечисленных основных узлов, холодильная машина оснащается приборами автоматики, фильтрами, осушителями и иными устройствами. Благодаря им установка максимально автоматизируется, обеспечивая эффективную работу с минимальным контролем со стороны человека.

В качестве холодильного агента сегодня в основном используются различные фреоны. Часть из них постепенно выводится из употребления ввиду негативного воздействия на окружающую среду. Доказано, что некоторые фреоны разрушают озоновый слой. Им на смену пришли новые, безопасные продукты, такие как R134а, R417а и пропан. Аммиак применяется лишь в масштабных промышленных установках.

Теоретический и реальный цикл холодильной установки

На этом рисунке представлен теоретический цикл простейшей холодильной установки. Видно, что в испарителе происходит не только непосредственно испарение, но и перегрев пара. А в конденсаторе пар превращается в жидкость и несколько переохлаждается. Это необходимо в целях повышения энергоэффективности технологического процесса.

Левая часть кривой – это жидкость в состоянии насыщения, а правая – насыщенный пар. То, что между ними – паро-жидкостная смесь. На линии D-A` происходит изменение теплосодержания холодильного агента, сопровождающееся выделением тепла. А вот отрезок В-С` наоборот, указывает на выделение холода в процессе кипения рабочей среды в трубках испарителя.

Реальный рабочий цикл отличается от теоретического ввиду наличия потерь давления на трубопроводной обвязке компрессора, а также на его клапанах.

Чтобы компенсировать данные потери работа сжатия должна быть увеличена, что снизит эффективности цикла. Данный параметр определяется отношением холодильной мощности, выделяемой в испарителе к мощности, потребляемой компрессором и электрической сети. Эффективность работы установки – это сравнительный параметр. Он не указывает непосредственно на производительность холодильника. Если данный параметр 3,3, это будет указывать, что на единицу электроэнергии, потребляемой установкой, приходится 3,3 единицы произведенного ею холода. Чем больше этот показатель, тем выше эффективность установки.

Холодильные машины и установки. Устройство, виды, принцип действия холодильных машин.

1. Общие сведения о холодильных машинах

Холодильные машины и установки предназначены для искусственного снижения и поддержания пониженной температуры ниже температуры окружающей среды от 10 °С и до -153 °С в заданном охлаждаемом объекте. Машины и установки для создания более низких температур называются криогенными. Отвод и перенос теплоты осуществляется за счет потребляемой при этом энергии. Холодильная установка выполняется по проекту в зависимости от проектного задания, определяющего охлаждаемый объект, необходимого интервала температур охлаждения, источников энергии и видов охлаждающей среды (жидкая или газообразная).

Холодильная установка может состоять из одной или нескольких холодильных машин, укомплектованных вспомогательным оборудованием: системой энерго- и водоснабжения, контрольно-измерительными приборами, приборами регулирования и управления, а также системой теплообмена с охлаждаемым объектом. Холодильная установка может быть установлена в помещении, на открытом воздухе, на транспорте и в разных устройствах, в которых надо поддерживать заданную пониженную температуру и удалять излишнюю влагу воздуха.

Система теплообмена с охлаждаемым объектом может быть с непосредственным охлаждением холодильным агентом, по замкнутой системе, по разомкнутой, как при охлаждении сухим льдом, или воздухом в воздушной холодильной машине. Замкнутая система может также быть с промежуточным хладагентом, который переносит холод от холодильной установки к охлаждаемому объекту.

Началом развития холодильного машиностроения в широких размерах можно считать создание Карлом Линде в 1874 году первой аммиачной паро-компрессорной холодильной машины. С тех пор появилось много разновидностей холодильных машин, которые можно сгруппировать по принципу работы следующим образом: паро-компрессионнные, упрощенно называемые компрессорные, обычно с электроприводом; теплоиспользующие холодильные машины: абсорбционные холодильные машины и пароэжекторные; воздушно-расширительные, которые при температуре ниже -90 °С экономичнее компрессорных, и термоэлектрические, которые встраиваются в приборы.

Каждая разновидность холодильных установок и машин имеет свои особенности, по которым выбирается их область применения. В настоящее время холодильные машины и установки применяются во многих областях народного хозяйства и в быту.

2. Термодинамические циклы холодильных установок

Перенос теплоты от менее нагретого к более нагретому источнику становится возможным в случае организации какого-либо компенсирующего процесса. В связи с этим циклы холодильных установок всегда реализуются в результате затрат энергии.

Чтобы отводимая от «холодного» источника теплота могла быть отдана «горячему» источнику (обычно — окружающему воздуху), необходимо поднять температуру рабочего тела выше температуры окружающей среды. Это достигается быстрым (адиабатным) сжатием рабочего тела с затратой работы или подводом к нему теплоты извне.

В обратных циклах количество отводимой от рабочего тела теплоты всегда больше количества подводимой теплоты, а суммарная работа сжатия больше суммарной работы расширения. Благодаря этому установки, работающие по подобным циклам, являются потребителями энергии. Такие идеальные термодинамические циклы холодильных установок уже рассмотрены выше в пункте 10 темы 3. Холодильные установки различаются применяемым рабочим телом и принципом действия. Передача теплоты от «холодного» источника «горячему» может осуществляться за счет затраты работы или же затрат теплоты.

2.1. Воздушные холодильные установки

В воздушных холодильных установках в качестве рабочего тела используется воздух, а передача теплоты от «холодного» источника «горячему» осуществляется за счет затраты механической энергии. Необходимое для охлаждения холодильной камеры понижение температуры воздуха достигается в этих установках в результате быстрого его расширения, при котором время на теплообмен ограничено, и работа в основном совершается за счет внутренней энергии, в связи, с чем температура рабочего тела падает. Схема воздушной холодильной установки показана на рис 7.14

Рис. 14. Схема воздушной холодильной установки: ХК — холодильная камера; К — компрессор; ТО — теплообменник; Д — расширительный цилиндр (детандер)

Температура воздуха, поступающего из холодильной камеры ХК в цилиндр компрессора К, поднимается в результате адиабатного сжатия (процесс 1 — 2) выше температуры Т3 окружающей среды. При протекании воздуха по трубкам теплообменника ТО его температура при неизменном давлении понижается — теоретически до температуры окружающей среды Тз. При этом воздух отдает в окружающую среду теплоту q (Дж/кг). В результате удельный объем воздуха достигает минимального значения v3, и воздух перетекает в цилиндр расширительного цилиндра — детандера Д. В детандере, вследствие адиабатного расширения (процесс 3-4) с совершением полезной работы, эквивалентной затемненной площади 3-5-6-4-3, температура воздуха опускается ниже температуры охлаждаемых в холодильной камере предметов. Охлажденный подобным образом воздух поступает в холодильную камеру. В результате теплообмена с охлаждаемыми предметами температура воздуха при постоянном давлении (изобара 4-1) повышается до своего исходного значения (точка 1). При этом от охлаждаемых предметов к воздуху подводится теплота q2 (Дж/кг). Величина q 2, называемая хладопроизводительностью, представляет собой количество теплоты, получаемой 1 кг рабочего тела от охлаждаемых предметов.

2.2. Парокомпрессорные холодильные установки

В парокомпрессорных холодильных установках (ПКХУ) в качестве рабочего тела применяют легкокипящие жидкости (табл. 1), что позволяет реализовать процессы подвода и отвода теплоты по изотермам. Для этого используются процессы кипения и конденсации рабочего тела (хладагента) при постоянных значениях давлений.

Физические параметры хладагентов

Температура кипения tкип при давлении р = 0,1 МПа, °С

Критическая температура, °С

Температура замерзания, tзам, °С

Скрытая теплота парообразования при tкип, кДж/кг

Устройство и принцип действия холодильной машины

Машинный способ является наиболее распространенным способом получения холода за счет изменения агрегатного состояния рабочего вещества, кипения его при низких температурах, с отводом от охлаждаемого тела или среды необходимой для этого теплоты парообразования.

Одним из условий эффективной работы торгового холодильного оборудования является применение в качестве рабочих веществ холодильных агентов, обладающих хорошими термодинамическими, теплофизическими, физико-химическими, физиологическими и озонобезопасными свойствами. Важное значение имеют также их стоимость и доступность. Холодильные агенты не должны быть ядовиты, вызывать удушья и раздражения слизистых оболочек глаз, носа и дыхательных путей человека.

Различают естественные и искусственные холодильные агенты. К естественным хладагентам относятся: аммиак (R717), воздух (R729), вода (R718), углекислота (R744) и др., к искусственным — хладоны (смеси различных фреонов).

В настоящее время существует три типа фторуглеводородных хладагентов:

хлорфторуглероды (CFC), обладающие высоким потенциалом истощения озона. Например: R12, R13, R502, R503;

гидрохлорфторуглероды (HCFC), которые содержат атомы водорода, что приводит к более короткому периоду существования этих хладагентов в атмосфере по сравнению с CFC, например хладагент R22;

гидрофторуглероды (HFC), которые не содержат хлора. Они не разрушают озоновый слой Земли и имеют короткий период существования в атмосфере. Например: R134A, R404A.

В связи с этим проблема использования в качестве хладагентов природных веществ, и в первую очередь аммиака, наиболее актуальна сейчас у производителей холодильного оборудования. В России потребность в холоде для стационарных холодильников в основном обеспечивается аммиачными холодильными установками, так как аммиак не разрушает озоновый слой, не оказывает прямого воздействия на глобальный тепловой эффект, обладает отличными термодинамическими свойствами, имеет высокий коэффициент теплоотдачи при кипении и конденсации и доступность производства.

К негативным свойствам аммиака относятся токсичность, пожаро- и взрывоопасность, резкий неприятный запах. Любая авария с аммиаком ведет к серьезным последствиям.

В торговле в основном используют компрессионные холодильные машины, которые состоят из следующих основных узлов: компрессора, конденсатора воздушного охлаждения, терморегулирующего вентиля (ТРВ) и испарителя. Холодильная машина, кроме перечисленных основных частей, имеет приборы автоматики, фильтры, осушители, теплообменники и т.п.

Компрессор — наиболее сложный и важный узел холодильной машины. Он служит для отсасывания паров хладагента из испарителя, сжатия и нагнетания в конденсатор. Основным показателем работы компрессора является его холодопроизводительность (количество теплоты, которое холодильная машина получает за единицу времени от охлаждаемой среды).

Конденсатор воздушного охлаждения — теплообменный аппарат, в котором поступающий из компрессора парообразный хладагент превращается в жидкость. Этот процесс протекает при отдаче хладагентом теплоты во внешнюю среду.

Испаритель — теплообменный аппарат, осуществляющий отбор тепла от охлаждаемой среды.

Терморегулирующий вентиль служит для автоматической подачи необходимого количества хладагента в испаритель. Он контролирует и поддерживает заданную температуру паров хладона на выходе из испарителя.

Приборы автоматики обеспечивают пуск, остановку холодильной машины, защиту ее от перегрузок, поддержание заданного температурного режима в охлаждаемой среде, оптимальное заполнение испарителя хладагентов, своевременное оттаивание снеговой шубы с испарителей.

Реле давления автоматически поддерживает заданное давление на линии всасывания путем включения и выключения компрессора.

Ресивер — резервуар, который собирает жидкий хладагент в целях обеспечения его равномерного поступления к ТРВ и в испаритель. Фильтр служит для удаления механических загрязнений. Осушитель предназначен для поглощения влаги из хладагента при заполнении им системы и во время эксплуатации машины. Теплообменник служит для перегрева паров хладагента, идущих от испарителя к компрессору, и переохлаждения хладагента, идущего от конденсатора к ТРВ.

Принцип действия холодильной машины заключается в следующем.

1. В испарителе, установленном в охлаждающем объеме, происходит кипение жидкого хладагента при низком давлении и температуре за счет отбора тепла из окружающей среды.

2. Из испарителя пары хладона проходят через теплообменник и паровой фильтр, затем они отсасываются компрессором, сжимаются и в перегретом состоянии нагнетаются в конденсатор, при этом температура и давление повышаются.

3. В охлаждаемом воздухом конденсаторе они конденсируются, т.е. превращаются в жидкость.

4. Жидкий хладон стекает по трубам конденсатора и скапливается в ресивере, откуда под давлением проходит через жидкостный фильтр и теплообменник.

5. Очищенный хладон, проходя через узкое отверстие ТРВ, дросселируется, распыляется и при резком снижении температуры и давления поступает в испаритель.

Цикл повторяется. Циркулируя по такому замкнутому кругу, хладагент попеременно меняет свое агрегатное состояние, т. е. происходит скачкообразный переход хладагента из жидкого состояния в газообразное и наоборот.

В настоящее время в торговом холодильном оборудовании используются различные системы холодоснабжения: встроенные, выносные и централизованные.

Теплопритоки в торговые залы магазинов от встроенных в оборудование холодильных агрегатов приводят к снижению товарооборота и росту непредусмотренных расходов, в том числе:

создаются некомфортные для покупателей условия (высокая температура воздуха в торговом зале и высокий уровень шума, неприятные посторонние запахи);

некомфортные для продавцов и обслуживающего персонала условия приводят к снижению качества обслуживания, падает имидж предприятия и уменьшается товарооборот;

срок службы встроенных холодильных агрегатов в 2. 3 раза ниже, чем при использовании систем выносного холодоснабжения, и в 4. 6 раз ниже, чем при использовании централей;

происходят частые выходы из строя оборудования;

возникают дополнительные расходы на кондиционирование и на энергопотребление.

Выносное холодоснабжение представляет собой систему холодоснабжения на базе автономных компрессорно-конденсаторных агрегатов, расположенных в машинном отделении и изолированных от торговых помещений. При этом каждый агрегат может обеспечивать холодом нескольких потребителей.

Одним из важнейших условий эффективного развития предприятий торговли является использование централизованных систем холодоснабжения, представляющих собой несколько параллельно включенных компрессоров на единой раме с дополнительным оборудованием. Каждый центральный агрегат оборудован микропроцессорным блоком управления, осуществляющим регулирование холодопроизводительности агрегата и обеспечивающим равномерную работу каждого компрессора и конденсатора.

Основные достоинства использования централизованной системы холодоснабжения следующие:

центральные агрегаты компактны и занимают значительно меньше места;

достигается заметная экономия электроэнергии, так как крупные компрессоры имеют более высокий коэффициент полезного действия;

для крупных супермаркетов централизованная система холодоснабжения экономически выгоднее традиционного варианта холодоснабжения; увеличивается товарооборот;

обеспечивается высокая надежность за счет использования нескольких компрессоров;

в случае выхода из строя одного или несколько компрессоров остальные компрессоры обеспечат поддержание требуемой температуры для предотвращения потери продукции до устранения неисправности;

➤