Схемы компрессоров холодильных машин

Схемой холодильной установки называется упрощенное изображение реальной или проектируемой установки, дающее представление как о наличии машин, аппаратов, приборов и других элементов, необходимых для эксплуатации установки, так и об их взаимном расположении и взаимодействии. Одновременно под схемой понимают своеобразное сочетание машин и аппаратов, позволяющее осуществить заданный процесс.

На холодильных установках имеются трубопроводы для хладагента, хладоносителя, охлаждающей воды, смазочного масла и др. В соответствии с этим различают схемы трубопроводов хладагента, хладоносителя, воды, масла и т. п.

В работе холодильных установок имеются особенности, значительно усложняющие работу обслуживающего персонала: большое количество охлаждаемых объектов, нередко находящихся на значительном удалении от машинного отделения; разветвленные системы трубопроводов; применение в ряде случаев токсичных холодильных агентов; возможность резких колебаний тепловых нагрузок.

В связи с этим схема холодильной установки должна отвечать следующим требованиям:

обеспечивать надежное поддержание заданного режима в охлаждаемых объектах и быть гибкой в эксплуатации, для чего следует предусматривать возможность необходимых переключений машин и аппаратов, позволяющих изменять условия их работы, обеспечивать их замену в случае отказа или ремонта;

быть по возможности простой и не требующей больших затрат для ее выполнения;

быть наглядной и удобной для обслуживания, способствовать осуществлению быстрых и безошибочных переключений и иных действий обслуживающего персонала;

обеспечивать безопасность обслуживающего персонала и долговечность установленного оборудования.

Применение средств автоматики в значительной степени облегчает выполнение всех этих требований.

Схемы холодильных установок можно представить скомпонованными из нескольких характерных узлов со своими специфическими особенностями. Такие узлы могут быть образованы из элементов холодильной установки по их функциональному назначению. Узлы оборудования, относящиеся к машинному отделению, отличаются некоторыми особенностями, обусловленными применением различных способов охлаждения (непосредственного или косвенного), различным числом ступеней сжатия и температур кипения, типом применяемого оборудования и числом установленных единиц.

Узел одноступенчатых компрессоров при наличии нескольких температур кипения. Схема узла для трех температур кипения показана на рис.1. В схеме может быть применен любой тип компрессора (центробежный, винтовой и т. п.), однако на рисунке изображены поршневые компрессоры. Каждый из трех компрессоров (или группа параллельно включенных компрессоров) предназначен для работы на свою температуру кипения (в соответствии с номером). Пар из каждой испарительной системы проходит через отделитель жидкости 2 и по отдельному для каждой температуры кипения трубопроводу поступает в общий всасывающий трубопровод 3. Вентили на коллекторе позволяют направить пар в компрессор своей температуры кипения и в случае необходимости заменить один компрессор другим или сосредоточить на одной температуре кипения два или даже все три компрессора.

Рис.1. Узел одноступенчатых компрессоров на несколько температур кипения:
1 — компрессор; 2 — отделитель жидкости; 3 — всасывающий трубопровод; 4 — фильтр;
5 — нагнетательный трубопровод; 6 — щит с измерительными приборами;
7 — оттаивательный трубопровод; 8 — маслоотделитель;
9 — масляный трубопровод; 10 — маслособиратель; 1′-4′ — запорные вентили

Соединение сторон всасывания компрессоров общим трубопроводом оказывается полезным и при ремонте, так как позволяет освободить компрессор, подлежащий ремонту, от хладагента путем отсасывания его из этого компрессора другим.

На всасывающих трубопроводах перед всасывающим вентилем устанавливают фильтр 4, предназначенный для очистки поступающего пара от механических загрязнений. В некоторых конструкциях компрессоров фильтры встраивают непосредственно во всасывающий коллектор компрессора. Сжатый компрессором пар нагнетается в конденсатор по общему нагнетательному трубопроводу 5. Если магистральные трубопроводы и общие коллекторы располагаются выше компрессоров (верхняя разводка), то присоединять всасывающие и нагнетательные трубы от компрессоров к магистральным трубопроводам следует не снизу, а сверху, как показано на рисунке. Это выполняют в связи с тем, что одновременно могут работать не все компрессоры и в трубопроводах, относящихся к неработающим компрессорам, при присоединении труб снизу возможно скопление жидкого агента или масла, что может вызвать гидравлический удар при пуске компрессора.

На нагнетательном трубопроводе каждого компрессора, предназначенного для автоматического пуска с открытым байпасом, поставлен обратный клапан ОК. У винтовых и центробежных компрессоров обратные клапаны устанавливают как на нагнетательных, так и на всасывающих линиях, во избежание возникновения обратного потока пара. Обратные клапаны на стороне нагнетания разгружают компрессоры при их остановке от высокого давления на стороне нагнетания. Кроме того, обратные клапаны защищают компрессорное помещение от прорывов хладагента из аппаратов стороны высокого давления при авариях с компрессором. Так как в аппаратах стороны высокого давления (конденсаторах, линейных ресиверах) находится обычно значительное количество хладагента, то наличие обратного клапана между компрессорами и этими элементами позволяет уменьшить последствия аварии.

На пути пара между компрессором и конденсатором устанавливают маслоотделитель 8, предназначенный для освобождения пара хладагента от увлеченного им из компрессора смазочного масла. За маслоотделителем к магистрали присоединяют оттаивательный трубопровод 7 подачи пара с нагнетательной стороны в охлаждающие приборы непосредственного охлаждения для плавления инея (удаления снеговой шубы) с их поверхности.

У одного из компрессоров желательно иметь мост переключений с вентилями 3′ и 4′, позволяющий удалять (отсасывать) пар из нагнетательного трубопровода и конденсатора при их ремонте. Так как любое вскрытие трубопроводов, аппаратов и машин холодильной установки возможно только после того, как давление в них будет понижено до атмосферного, то, чтобы не допустить потерь хладагента, в схемах предусматривают возможность удаления пара из этих элементов установки путем отсасывания компрессором. Например, при ремонте конденсатора жидкое рабочее тело из него удаляется в ресивер или испарительную систему. Оставшийся пар отсасывается компрессором. Для этого закрывают всасывающий Г и нагнетательный 2′ вентили компрессора, а вместо них открывают вентили 3′ и 4′.

Так как обратный клапан пропускает пар только в одном направлении, то на случай отсасывания пара из конденсатора в обход обратного клапана выполнен обводной мост с вентилем, который при нормальной работе установки должен быть закрыт и запломбирован. Таким образом, в случае необходимости пар из конденсатора отсасывается компрессором 1 по нагнетательному трубопроводу 5, через вентиль 3′ поступает в компрессор и через вентиль 4′ нагнетается во всасывающий трубопровод 3. Разумеется, такой процесс осуществим только в то время, когда остальные компрессоры не работают. Нередко ограничиваются соединением оттаивательной линии со всасывающим коллектором, что позволяет перед ремонтом понизить давление в конденсаторе или нагнетательном трубопроводе; полностью же аппараты освобождают выпусканием хладагента в воздух или воду.

Выпускать масло (при ручном обслуживании) непосредственно из аппаратов высокого давления недопустимо, так как это может быть опасным для персонала. Поэтому масло из маслоотделителя аммиачных установок периодически выпускают по трубопроводу 9 в маслособиратель 10, который соединен со стороной низкого давления трубопроводом, врезка которого должна осуществляться до отделителя жидкости, что позволяет понизить давление в маслособирателе до значения, близкого к атмосферному (после того как закрыт вентиль на трубопроводе 9), и выпускать масло через нижний вентиль под небольшим избыточным давлением (20 — 30 кПа), контролируемым манометром на этом аппарате.

Для того чтобы контролировать давление в испарительных системах разных температур кипения, предусмотрены манометры, соединенные с объектами (отделителями жидкости, циркуляционными ресиверами, испарителями) на каждую температуру кипения, а также манометр, позволяющий контролировать давление конденсации, присоединенный к конденсатору (что более правильно) или к маслоотделителю. Манометры следует присоединять к емкостям (сосудам), а не непосредственно к трубопроводам, так как в сосудах значительно сглаживаются пульсации давления, которые наблюдаются в трубопроводах поршневых компрессоров. Перед манометром необходимо устанавливать вентиль, что позволяет отсоединять манометр при его замене для ремонта или проверки, а также прикрытием вентиля уменьшать колебания стрелки прибора, вызванные пульсацией давления.

Устройство всасывающего коллектора в некоторых случаях может оказаться громоздким, и так как компрессоры большей частью закрепляют по температурам кипения, то всасывающие трубопроводы от объектов могут идти непосредственно к компрессорам (рис. 2а). Вентили на соединительных трубопроводах позволяют производить некоторые замены компрессоров, а также необходимые эксплуатационные манипуляции. В редких случаях, когда может потребоваться универсальность включения компрессоров (или насосов), т. е. возможность работы каждого компрессора (или насоса) на любом из объектов, необходимые переключения могут осуществляться с помощью моста (рис. 2б). Выполнение такого моста требует большого расхода запорной арматуры и специального места для ее размещения. Подобные мосты используются для присоединения резервных компрессоров или насосов к системе любой температуры кипения.

Рис.2. Узел присоединения всасывающих линий к компрессорам:
а — простая обвязка; б — с использованием моста

Узел конденсатора и линейного ресивера. Один из вариантов этого узла приведен на рис.3. По нагнетательному трубопроводу, а пар поступает в конденсатор 1. Образовавшаяся жидкость по сливному трубопроводу 3 стекает в линейный ресивер 5. Он предназначен для выполнения различных функций. Прежде всего линейный ресивер является сборником конденсата, благодаря чему жидкость в конденсаторе не затапливает его теплообменную поверхность. Для того чтобы обеспечить надежный сток жидкости, на аммиачных установках линейный ресивер устанавливается ниже конденсатора, а паровые пространства конденсатора и ресивера соединяются уравнительной линией 2, благодаря чему в обоих аппаратах давление выравнивается и жидкость под действием силы тяжести стекает из конденсатора.

Рис.3. Узел конденсатора и линейного ресивера:
1 — конденсатор; 2 — уравнительная линия; 3 — сливной трубопровод;
4 — отстойник; 5 — линейный ресивер; 6 — охладитель;
7 — коллектор; 1′ — заправочный вентиль

Другой функцией, выполняемой линейным ресивером, является компенсация неравномерности подачи хладагента в охлаждающие приборы потребителей холода. В соответствии с колебаниями тепловой нагрузки должно изменяться количество хладагента, подаваемого в испарители в единицу времени, а потому линейный ресивер используется как емкость, в которой накапливается хладагент при уменьшении количества подаваемой в испарители жидкости. Кроме того, в линейном ресивере создается запас хладагента, который должен компенсировать возможные утечки его из системы; этот запас регулярно пополняют при периодической дозарядке.

Линейный ресивер используют также как емкость для сбора хладагента из испарителей (или охлаждающих приборов) во время их ремонта или остановки на длительный срок. Наконец, в линейном ресивере создается гидравлический затвор, препятствующий перетеканию пара со стороны высокого давления в испарительную систему, что имело бы своим следствием уменьшение холодопроизводительности установки. Как видно из рис. 3, жидкий хладагент отводится из линейного ресивера по трубе, опущенной под уровень жидкости, что и предотвращает прорыв пара по этому трубопроводу в испарительную систему.

Контроль за уровнем жидкости в ресивере ведут по указателю уровня УУ. Конденсатор и ресивер снабжены предохранительными клапанами ПК с переключающим вентилем, от предохранительных клапанов выведены трубопроводы для аварийного сброса хладагента в атмосферу. У каждого из этих аппаратов на аммиачных установках имеются отстойники 4 для сбора масла и загрязнений; из отстойников эти примеси могут отводиться в маслособиратель (см. рис.1).

Из ресивера хладагент поступает в охладитель жидкости (переохладитель) 6, который должен включаться после ресивера (рис. 3). Если охладитель жидкости не используется, то жидкий хладагент может быть направлен по обводной линии мимо него.

От коллектора 7 регулирующей станции жидкий хладагент при ручном регулировании распределяется посредством регулирующих вентилей РВ по охлаждаемым объектам (в общем случае — разных температур кипения). В случае применения автоматических регуляторов подачи хладагента в испарительную систему коллектор 7 становится распределительным. При помощи запорных вентилей на этом коллекторе можно прекращать подачу хладагента во все объекты данной температуры кипения или в группу объектов. Регулирующие вентили коллектора могут использоваться при выходе из строя автоматических регуляторов подачи, расположенных у объектов.

Обычно как ручные, так и автоматические регулирующие вентили находятся между двумя запорными вентилями, что позволяет при засорении регулирующего вентиля легко отсоединить его от системы для осмотра и очистки, без нарушения режима работы других объектов. Иногда ограничиваются постановкой одного запорного вентиля перед регулирующим. В этом случае перед вскрытием неисправного регулирующего вентиля необходимо закрыть запорный вентиль и отсосать хладагент из всего трубопровода. На коллекторе предусматривают вентиль Г для зарядки и пополнения системы хладагентом.

На всех хладоновых установках и обычно на небольших аммиачных установках линейные ресиверы располагают на одном уровне с конденсатором.

В этом случае конденсатор и линейный ресивер не соединяются уравнительной линией, а жидкий хладагент выдавливается из конденсатора в линейный ресивер через обратный клапан ОК (или гидравлический затвор) давлением конденсации, так как в линейном ресивере давление ниже, чем в конденсаторе, из-за периодического открытия регулирующего вентиля и перепуска жидкого хладагента в охлаждающие приборы.

На крупных холодильных установках обычно приходится использовать несколько конденсаторов, которые могут быть соединены последовательно или параллельно. Для аппаратов одного типа применяют, как правило, параллельное соединение конденсаторов. При таком соединении гидравлические сопротивления всех конденсаторов с соединительными трубопроводами должны быть равны, в противном случае будут подтапливаться конденсатом аппараты с меньшим гидравлическим сопротивлением. Для того чтобы гарантировать равенство гидравлического сопротивления всех конденсаторов с трубопроводами, их сопротивление увеличивают, предусматривая отвод конденсата из коллектора по сливной трубе (рис. 4) с подъемом h, обеспечивающим дополнительное требуемое гидравлическое сопротивление Δp=ρgh.

Рис.4. Узел испарительных конденсаторов и линейного ресивера:
1 — испарительный конденсатор; 2 — водяной насос; 3 — линейный ресивер

Узел компрессоров двухступенчатого сжатия. На рис. 5 показана схема узла двухступенчатого сжатия, состоящего из двух одноступенчатых компрессоров. В данной схеме применен промежуточный сосуд 4 со змеевиком для охлаждения жидкого хладагента.

Рис.5. Узел компрессоров двухступенчатого сжатия:
1 — отделитель жидкости; 2 — компрессор ступени низкого давления; 3, 9 — маслоотделители;
4 — промежуточный сосуд; 5 — компрессор ступени высокого давления; 6, 7 — коллекторы;
8 — жидкостная линия; 1′, 2′ — запорные вентили

Энергетические показатели схемы с таким промежуточным сосудом ниже показателей схемы с промежуточным сосудом без змеевика из-за того, что жидкость в змеевике охлаждается не до температуры, соответствующей промежуточному давлению, а оказывается на 3-5 К выше этой температуры. Однако схема со змеевиковым промежуточным сосудом имеет важные практические достоинства. Во-первых, жидкий хладагент поступающий в змеевик промежуточного сосуда, охлаждается в нем, не соприкасаясь с кипящей жидкостью в сосуде 4, благодаря чему не загрязняется маслом, приносимым паром из компрессора ступени низкого давления 2. Во-вторых, жидкость в змеевике находится под давлением конденсации, т. е. под напором, достаточным для подачи в испарители и охлаждающие приборы, находящиеся в верхних этажах здания или помещениях, значительно удаленных от машинного отделения. В промежуточном сосуде без змеевика жидкий хладагент находится под промежуточным давлением, и это давление иногда (особенно в зимнее время) оказывается недостаточным для подачи жидкости в указанные выше помещения. На некоторых старых предприятиях по этой причине применена менее экономичная схема одноступенчатого дросселирования.

Между компрессором ступени низкого давления и промежуточным сосудом целесообразно предусматривать маслоотделитель 3, так как это не только освобождает промежуточный сосуд от несвойственных ему функций маслоотделения, но и предохраняет поверхность змеевика от замасливания и тем самым от ухудшения теплообмена через нее. На нагнетательной стороне компрессора ступени высокого давления устанавливают свой маслоотделитель 9.

На установках, выполненных по рассматриваемой схеме, жидкий хладагент из конденсатора или линейного ресивера поступает по линии 8, и часть его подается к коллектору 7 регулирующей станции для раздачи потребителям высоких температур кипения, входящих в систему одноступенчатого сжатия. Другая ее часть направляется через автоматический регулятор (РУ и СВ1) непосредственно в промежуточный сосуд для охлаждения napa, нагнетаемого компрессором ступени низкого давления 2, и для охлаждения жидкости, протекающей по змеевику. Большая часть жидкости направляется в змеевик, где и охлаждается до температуры, близкой к промежуточной температуре. Для того чтобы не произошло смешения потоков жидкости с разными температурами, хладагент после змеевика направляется к отдельному коллектору 6 регулирующей станции для раздачи по низкотемпературным объектам, охлаждаемым системой двухступенчатого сжатия. В зависимости от числа ступеней охлаждения жидкости необходимо иметь соответствующее число коллекторов на регулирующей станции.

Коллектор 7 снабжен вентилем Г для зарядки и пополнения системы хладагентом. Оба коллектора 6 и 7 соединены мостом с вентилем 2′, позволяющим в случае необходимости питать коллектор 6 жидкостью более высокой температуры, а также добавлять жидкость для пополнения системы низких температур.

Для обеспечения безопасных условий пуска компрессоров давление в промежуточном сосуде должно быть понижено до давления в испарительной системе (для облегчения их последующего пуска и исключения возможности гидравлического удара из-за вскипания жидкости в промежуточном сосуде). Поэтому соленоидные вентили СВ2 и СВЗ должны открываться при остановке компрессоров ступеней низкого и высокого давлений для снижения давления в промежуточном сосуде и всех трубопроводах до обратного клапана, установленного на нагнетательной линии компрессора ступени высокого давления 5. Сразу после пуска компрессоров эти вентили закрываются.

При использовании винтовых компрессоров появляются дополнительные возможности для реализации цикла двухступенчатого сжатия в одноступенчатом компрессоре с отбором пара промежуточного давления. В винтовом компрессоре, в отличие от поршневого, процесс сжатия распределен по длине винта. Иными словами, при фиксированном давлении всасывания каждому сечению по длине цилиндра соответствует определенное значение внутреннего давления сжатия. Это дает возможность выявить по длине цилиндра точку, давление в которой будет равно промежуточному. Если к этой точке подвести пар при промежуточном давлении, то появляется возможность осуществления двухступенчатого сжатия в одном цилиндре. Подобная схема включения винтового компрессора получила название схемы «экономайзер». При этом холод, производимый при промежуточной температуре кипения, может использоваться для различных целей. На рис. 6а приведена схема «экономайзер» (с промежуточным подсосом пара), используемая в отдельных случаях для винтовых компрессоров холодильных установок, работающих с конденсаторами воздушного охлаждения. В этом варианте, чтобы не сооружать градирню и систему водоснабжения для целей охлаждения масла, используют жидкий хладагент, подаваемый в маслоохладитель 4 из линейного ресивера и кипящий в нем при промежуточном давлении. Пар, с температурой кипения t’ всасывается тем же компрессором, работающим по схеме «экономайзер».

На рис. 6б показан вариант схемы включения винтового маслозанолненного одноступенчатого компрессора по схеме «экономайзер», обеспечивающей фактически двухступенчатое дросселирование с промежуточным отбором пара. В этом случае холодильник масла 4 охлаждается водой, однако в схему включен еще один дополнительный аппарат — переохладитель жидкого хладагента 5, выполняющий роль промежуточного сосуда без охлаждения пара. В этом аппарате основной поток жидкого хладагента, направляемый к регулирующему вентилю, охлаждается за счет кипения части потока в трубном пространстве этого теплообменника. Образующийся при кипении пар с промежуточной температурой t’ всасывается компрессором, работающим по схеме «экономайзер».

Рис.6. Схема «экономайзер» включения винтового компрессора:
1 — винтовой компрессор; 2 — маслоотделитель; 3 — шестеренчатый насос;
4 — маслоохладитель; 5 — переохладитель

Рассмотренный вариант позволяет повысить эффективность одноступенчатого цикла, фактически приравняв ее к эффективности двухступенчатого цикла за счет промежуточного отбора пара и уменьшения дроссельных потерь благодаря переохлаждению жидкого хладагента.

Применение центробежных компрессоров также может вносить некоторые изменения в схемы благодаря тому, что они в одном корпусе имеют число колес, как правило, больше одного и таким образом являются многоступенчатыми компрессорами. Так, при отношении давлений конденсации и кипения, при котором еще применяют одноступенчатые поршневой или винтовой компрессоры, использование центробежного компрессора позволяет применить схему с охлаждением жидкости многократным дросселированием и промежуточным отбором пара. Это, прежде всего, уменьшает энергетические потери, что особенно важно в хладоновых установках, поскольку в них велика роль этого вида потерь.

На рис. 7 показана схема с двухступенчатым дросселированием. Жидкость из конденсатора 2 поступает на первое дросселирование через поплавковый регулятор непрямого действия 4 в отделитель жидкости 3. Поступившая жидкость дросселируется вторично в поплавковом регуляторе непрямого действия 5, после чего направляется в испаритель 6. Образовавшийся при первом дросселировании пар всасывается в полость среднего колеса центробежного компрессора 1 и, смешиваясь с перегретым паром, выходящим из предыдущего колеса, осуществляет промежуточное охлаждение, что также выгодно, так как уменьшает затрачиваемую работу на сжатие пара в последующих колесах. Сравнительные расчеты показывают, что увеличение числа ступеней дросселирования больше трех не вызывает существенного дополнительного улучшения энергетических показателей цикла турбокомпрессорной холодильной установки.

Рис.7. Схема включения центробежного компрессора с двухступенчатым дросселированием:
1 — центробежный компрессор; 2 — конденсатор; 3 — отделитель жидкости;
4, 5 — поплавковые регуляторы уровня; 6 — испаритель

Другой особенностью центробежных компрессоров является возможность работы одним однокорпусным компрессором на несколько температур кипения. На рис. 8 в качестве примера приведена схема каскадной холодильной турбокомпрессорной установки на три температуры кипения: t₀₁ = -104 °С; t₀₂ = -40 °С и t₀₃ = 0 °С. В нижней ветви каскада для получения наиболее низкой из предусмотренных в данном случае температур применен двухкорпусный центробежный компрессор, работающий на этилене, а в верхней ветви — однокорпусный центробежный компрессор, работающий на пропане на две более высокие температуры кипения.

Рис.8. Схема каскадной холодильной турбокомпрессорной установки на три температуры кипения:
1, 2, 3, 4 — теплообменники для охлаждения компонентов А и Б; 5 — технологический аппарат;
6 — этиленовый компрессор ступени низкого давления;
7 — этиленовый компрессор ступени высокого давления; 8 — промежуточный теплообменник;
9 — водяной теплообменник; 10 — пропановый теплообменник;
11 — конденсатор-испаритель; 12 — этиленовый теплообменник;
13 — пропановый конденсатор; 14 — пропановый компрессор