Принцип действия холодильной установки. Устройство и принцип действия холодильной машины. Принцип работы абсорбционных холодильников
Холодильная машина предназначена для забора тепла (энергии) от охлаждаемого тела. Но по закону сохранения энергии, тепло просто так никуда не исчезнет, следовательно, взятую энергию необходимо перенести (отдать).
Процесс охлаждения основан на физическом яв лении поглощения тепла при кипении (испарении) жидкости (жидкого хладагента). предназначен для отсасывания газа из испарителя и сжатия, нагнетания его в конденсатор. При сжатии и нагревании паров хладагента мы сообщаем им энергию (или тепло), охлаждая и расширяя, мы отбираем энергию. Это основной принцип, на основе которого происходит перенос тепла и работает холодильная установка. В холодильном оборудовании для переноса тепла применяют хладагенты.
Холодильный компрессор 1 отсасывает газообразный хладагент (фреон) из (теплообменник или возду-хоохладитель) 3, сжимает его и нагнетает в 2 (воздушный или водяной). В конденсаторе 2 хладагент конденсируется (охлаждается потоком воздуха от вентилятора или потоком воды) и переходит в жидкое состояние. Из конденсатора 2 жид-кий хладагент (фреон) попадает в ресивер 4, где происходит его накопление. Также ресивер необходим для постоянного поддержания необходимого уровня хладагента. Ресивер оснащен запорными вентилями 19 на входе и выходе. Из ресивера хладагент поступает в фильтр-осушитель 9, где происходит удаление остатков влаги, приме-сей и загрязнений, после этого проходит через смотровое стекло с индикатором влажности 12, соленоид-ный вентиль 7 и дросселируется терморегулирующим вентилем 17 в испаритель 3.
Терморегулирующий вентиль применяется для регулирования подачи хладагента в испаритель
В испарителе хладагент кипит, забирая тепло от объекта охлаждения. Пары хладагента из испа-рителя через фильтр на всасывающей магистрали 11, где происходит очис-тка их от загрязнений, и отделитель жидкости 5 поступают в компрессор 1. Затем цикл работы холо-дильной машины повторяется.
Отделитель жидкости 5 предотвращает попадание жидкого хладагента в компрессор.
Для обеспечения гарантированного возврата масла в картер компрес-сора на выходе из компрессора устанавливаться маслоотделитель 6. При этом масло через запорный вентиль 24, фильтр 10 и смотровое стекло 13 по линии возврата масла поступает в компрессор.
Виброизоляторы 25, 26 на всасывающей и нагнетательной магистралях обес-печивают гашение вибраций при работе компрессора и препятствуют их распространению по холо-дильному контуру.
Компрессор оснащён картерным нагревателем 21 и двумя запорными вентилями 20.
Картерный нагреватель 21 необходим для выпаривания хладагента из масла, предотвращения конденсации хладагента в картере компрессора во время его стоянки и поддержания необходи-мой температуры масла.
В холодильных машинах с полугерметичными , у которых в системе смазки используется масляный насос, применяется реле контроля давления масла 18. Это реле предназначено для аварийного отключения компрессора в случае снижения давления масла в системе смазки.
В случае установки агрегата на улице он должен быть допол-нительно укомплектован гидравлическим регулятором давления конденсации, для обеспечения стабильной работы в зимних условиях и поддержания необходимого давления конденсации в холодное время года.
Реле высокого давления 14 управляют включением/выключением вентиляторов конденсатора, для поддержания необходимого давления конденсации.
Реле низкого давления 15 управляет включением/выключением компрессора.
Аварийное реле высокого и низкого давлений 16 предназначено для аварийного отключения компрессора в случае пониженного или повышенного давления.
Обычному человеку, как правило, нет необходимости разбираться в принципе действия холодильной машины, для него важен результат. Результатом работы холодильной установки является: охлажденные продукты – от замороженных овощей, до мясо-молочной продукции или например охлажденный воздух, если речь идет о сплит-системах.
Другое же дело, когда холодильные машины выходит из строя и для проведения ремонта холодильных установок требуется вызов специалиста. В данном случае уже было бы не плохо разбираться в принципе работы таких агрегатов. Хотя бы для того, чтобы понимать необходимость замены или ремонта составляющей холодильной машины.
Основное назначение холодильной установки – это забор тепла от охлаждаемого тела и перенос этого тепла или энергии другому объекту или телу. Для понимания процесса требуется уяснить простую вещь – если мы нагреваем или сжимаем тело, то мы сообщаем этому телу энергию (или тепло), охлаждая и расширяя, мы отбираем энергию. Это основной принцип, на основе которого и построен перенос тепла.
В холодильной машине для переноса тепла применяются хладагенты – рабочие вещества холодильной машины, которые при кипении и в процессе изотермического расширения отнимают теплоту от охлаждаемого объекта и затем после сжатия передают её охлаждающей среде за счёт конденсации
Холодильный компрессор 1 отсасывает газообразный хладагент – фреон из испарителей 3, сжимает его и нагнетает в конденсатор 2. В конденсаторе 2 фреон конденсируется и переходит в жидкое состояние. Из конденсатора 2 жидкий хладагент попадает в ресивер 4, где происходит его накопление. Ресивер оснащен запорными вентилями 19 на входе и выходе. Из ресивера хладагент поступает в фильтр-осушитель 9, где происходит удаление остатков влаги, примесей и загрязнений, после этого проходит через смотровое стекло с индикатором влажности 12, соленоидный вентиль 7 и дросселируется терморегулирующим вентилем 17 в испаритель 3.
В испарителе хладагент кипит, забирая тепло от объекта охлаждения. Пары хладагента из испарителя через фильтр на всасывающей магистрали 11, где они отчищаются от загрязнений, и отделитель жидкости 5 поступают в компрессор 1. Затем цикл работы холодильной установки повторяется.
Отделитель жидкости 5 предотвращает попадание жидкого хладагента в компрессор. Для обеспечения гарантированного возврата масла в картер компрессора, на выходе из компрессора устанавливаться маслоотделитель 6. При этом масло через запорный вентиль 24, фильтр 10 и смотровое стекло 13 по линии возврата – поступает в компрессор.
Виброизоляторы 25, 26 на всасывающей и нагнетательной магистралях гасят вибрации при работе компрессора и препятствуют их распространению по холодильному контуру.
Компрессор оснащён картерным нагревателем 21 и двумя запорными вентилями 20. Картерный нагреватель 21 выпаривает хладагент из масла, предотвращая конденсацию хладагента в картере компрессора во время его стоянки и поддержания заданной температуры масла.
Хладопроизводительность - это количество тепла, которое холодильная установка способна отвести от охлаждаемой жидкости. Именно это является важнейшим показателем, отражающим эффективность работы холодильного агрегата и влияет на его стоимость, поэтому при выборе того или холодильного оборудования необходимо главным образом обращать внимание на хладопроизводительность данного агрегата. Хладопроизводительность рассчитывается при подборе агрегата и может варьироваться от нескольких единиц, до нескольких тысяч кВт.
Хладагент - рабочее вещество холодильной машины, которое при кипении и в процессе изотермического расширения отнимает теплоту от охлаждаемого объекта и затем после сжатия передаёт её охлаждающей среде за счёт конденсации (воде, воздуху и т. п.). Ранее в холодильных машинах чаще всего использовался фреон, однако сейчас его заменяют альтернативными веществами, так как он наносит вред экологии.
Мощность - это количество холода, вырабатываемого агрегатом за единицу времени. Низкотемпературное оборудование, как правило, обладает большей мощностью, чем средне-температурное, однако не всегда. Чем больше мощность, тем быстрее холодильный агрегат вырабатывает необходимую температуру и точнее корректирует последующую работу холодильной машины при изменении условий окружающей среды.
Площадь выкладки - это пространство, предусмотренное для размещения товара, который видит покупатель. Чем больше соотношение площади выкладки и общей площади торгового оборудования, тем лучше. Например: площадь выкладки в данном случае состоит из полки внутри застеклённой витрины и небольшой верхней полки, находящейся снаружи. Глубина выкладки при этом составляет 775 мм (585 + 190) при истинной глубине витрины 795 мм. Площадь выкладки несомненно увеличивается, если витрина является многоярусной, однако и в этом случае надо помнить, что если между ярусами будет слишком маленькое расстояние, или они все полки будут одной длинны, то они будут перекрывать товар, размещённый на нижних полках.
Энергопотребление - это количество электроэнергии, потребляемой холодильной машиной. Существуют различные показатели энергопотребления - сколько электричества агрегат потребляет в сутки, в неделю, в год, или на единицу товара. Этот параметр является крайне важным при выборе холодильного оборудования и типа холодильного агрегата (выносного или встроенного), так как энергозатраты на эксплуатацию данного оборудования могут существенно варьироваться.
Температура внешней среды так же играет немаловажную роль при выборе холодильного оборудования. Это происходит так как хладагент в процессе работы через стенки трубок постоянно соприкасается с внешней средой (воздухом). В результате термообмена и идёт охлаждение воздуха, однако, если температура окружающей среды не соответствует положенной, то хладагент не успевает пройти весь цикл преобразований из жидкого состояние в газообразное, что приводит к ухудшению работы холодильного оборудования, или его поломке. Исходя из этого параметра, холодильное оборудование может быть предназначено для установки только в помещении, или на улице.
2. Принцип работы холодильного оборудования
Холодильный агрегат представляет собой закрытую цикличную систему, целью которой является охлаждение воздуха. Главными составными частями являются испаритель, компрессор, ресивер и конденсатор. Между собой эти элементы связаны соединительными трубками, внутри которых находится хладагент (вещество, которое, благодаря своей теплопроводности и способности легко переходить из одного состояния в другое, отнимает тепловую энергию охлаждаемого вещества и передает ее окружающей среде).
Компрессор вытягивает газообразный хладагент из испарителя и направляет его в конденсатор, где он быстро остывает под действием прохладного воздуха, нагнетаемого вентиляторами, и переходит в жидкое состояние, отдавая тепло. На следующем этапе, в ресивере, хладагент накапливается. В силу высокой теплопроводности, когда вещество попадает в испаритель, оно закипает и превращается в пар, тем самым, забирая тепло из окружающего его воздуха. Именно на этом этапе агрегат вырабатывает холод. Парообразный хладагент затем так же, под действием компрессора попадает в конденсатор.
Таким образом, холодильный агрегат вырабатывает как холод, так и тепло. Это крайне важно, когда речь идёт о выборе выносной или встроенной холодильной установки.
Для больших помещений (от 100 м²) нередко используются выносные агрегаты, включающие в себя автономный компрессор, испаритель и конденсатор. Они устанавливаются в отдельном помещении вне торгового зала и при помощи специальных труб поставляют холодный воздух непосредственно в холодильные машины. Так как холодильный агрегат вынесен за пределы торгового зала это, во-первых, позволяет увеличить площадь выкладки, так как не занимает место непосредственно внутри холодильного оборудования, во-вторых, не производит никакого шума. К тому же каждый холодильный агрегат вырабатывает тепло в окружающую среду. Чем больше холодильных агрегатов находятся в помещении, тем острее возникает вопрос об охлаждении, кондиционировании данного помещения, тем самым это требует больших затрат энергии. Выносной агрегат позволяет избежать данной проблемы, так как всё тепло, вырабатываемое данной установкой, естественным путём выходит за пределы помещения. К тому же выносной холодильный агрегат, вырабатывающий холод для нескольких холодильных машин значительно более экономичен с точки зрения энергопотребления. Однако есть и некоторые недостатки - обслуживание и устанавливка выносной системы генерации холода - это достаточно трудоёмкий процесс, который может выполнить только специалист.
Для небольших помещений (менее 100 м²) больше подходит оборудование со встроенным агрегатом. Эксплуатация и установка оборудования со встроенным холодильным агрегатом значительно проще, чем оборудование с выносным холодом и не требует дополнительного помещения вне торгового зала. Недостатками в данном случае является шум, производимый агрегатом, и сокращение площади выкладки из-за расположения блока агрегата непосредственно внутри холодильной машины. При большом количестве холодильных машин со встроенным агрегатом возникает вопрос об устранении тепла, которое они вырабатывают при работе. Таким образом, оборудование со встроенным агрегатом значительно менее экономично, чем холодильные машины с выносным холодом.
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. : 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.
Таблица 1.
В XX веке в качестве хладагентов широко применяли различные фреоны на основе фторхлоруглеродов. Они вызывали активное разрушение озонового слоя, в связи, с чем в настоящее время их применение ограничено, и в качестве основного хладагента используют хладагент К- 134А (открыт в 1992 году) на основе этана. Его термодинамические свойства близки к свойствам фреона К-12. У обоих хладагентов несущественно различаются молекулярные массы, теплоты парообразования и температуры кипения, но, в отличие от К-12, хладагент К-134А не агрессивен по отношению к озоновому слою Земли.
Схема ПКХУ и цикл в T-s-координатах показаны на рис. 15 и 16. В ПКХУ понижение давления и температуры осуществляется дросселированием хладагента при его протекании через редукционный вентиль РВ, проходное сечение которого может изменяться.
Хладагент из холодильной камеры ХК поступает в компрессор К, в котором адиабатно сжимается в процессе 1 -2. Образующийся при этом сухой насыщенный пар поступает в КД, где конденсируется при постоянных значениях давления и температуры в процессе 2-3. Выделяющаяся теплота q1 отводится к «горячему» источнику, которым в большинстве случаев является окружающий воздух. Образовавшийся конденсат дросселируется в редукционном вентиле РВ с переменным проходным сечением, что позволяет изменять давление выходящего из него влажного пара (процесс 3-4).
Рис. 15. Принципиальная схема (а) и цикл в T-s-координатах (б) парокомпрессорной холодильной установки : КД - конденсатор; К - компрессор; ХК - холодильная камера; РВ - редукционный вентиль
Поскольку протекающий при неизменном значении энтальпии (h3 - h) процесс дросселирования необратим, его изображают пунктирной линией. Полученный в результате процесса влажный насыщенный пар небольшой степени сухости попадает в теплообменник холодильной камеры, где при постоянных значениях давления и температуры испаряется за счет теплоты q2b отбираемой от находящихся в камере предметов (процесс 4-1).
Рис. 16. : 1 - холодильная камера; 2 - теплоизоляция; 3 - компрессор; 4 - сжатый горячий пар; 5 - теплообменник; 6 - охлаждающий воздух или охлаждающая вода; 7 - жидкий хладагент; 8 - дроссельный вентиль (расширитель); 9 - расширившаяся, охлажденная и частично испарившаяся жидкость; 10 - охладитель (испаритель); 11 - испарившийся теплоноситель
В результате «подсушивания» степень сухости хладагента растет. Количество теплоты, отбираемой у охлаждаемых в холодильной камере предметов, в Т-Б-координатах определяется площадью прямоугольника под изотермой 4-1.
Использование в ПКХУ легкокипящих жидкостей в качестве рабочего тела позволяет приблизиться к обратному циклу Карно.
Вместо дросселирующего вентиля для понижения температуры можно использовать и расширительный цилиндр - детандер (см. рис. 14). При этом установка будет работать по обратному циклу Карно (12-3-5-1). Тогда теплота, отбираемая у охлаждаемых предметов, будет большей - она определится площадью под изотермой 5-4-1. Несмотря на частичную компенсацию затрат энергии на привод компрессора положительной работой, получаемой при расширении хладагента в расширительном цилиндре, такие установки не применяют ввиду их конструктивной сложности и больших габаритных размеров. К тому же в установках с дросселем переменного сечения гораздо проще регулировать температуру в холодильной камере.
Рис 17.
Для этого достаточно лишь изменить площадь проходного сечения дросселирующего вентиля, что приводит к изменению давления и соответствующей ему температуры насыщенных паров хладагента на выходе из вентиля.
В настоящее время вместо поршневых компрессоров в основном используют лопаточные компрессоры (рис. 18). О большей экономичности ПКХУ по сравнению с воздушными установками свидетельствует и тот факт, что отношение холодильных коэффициентов ПКХУ и обратного цикла Карно
В реальных парокомпрессорных установках из теплообменника- испарителя холодильной камеры в компрессор поступает не влажный, а сухой или даже перегретый пар (рис. 17). Это увеличивает отводимую теплоту q2, уменьшает интенсивность теплообмена хладагента со стенками цилиндра и улучшает условия смазывания поршневой группы компрессора. В подобном цикле в конденсаторе происходит некоторое переохлаждение рабочего тела (участок изобары 4-5).
Рис. 18.
2.3. Пароэжекторные холодильные установки
Цикл пароэжекторной холодильной установки (рис. 19 и 20) также осуществляют за счет затраты тепловой, а не механической энергии.
Рис. 19. : ХК - холодильная камера; Э - эжектор; КД - конденсатор; РВ - редукционный вентиль; Н - насос; КА - котельный агрегат
Рис. 20.
При этом компенсирующим является самопроизвольный перенос теплоты от более нагретого тела к менее нагретому телу. В качестве рабочего тела может использоваться пар любой жидкости. Однако обычно используют самый дешевый и доступный хладагент - водяной пар при низких значениях давления и температуры.
Из котельной установки пар поступает в сопло эжектора Э. При истечении пара с большой скоростью в камере смешения за соплом создается разрежение, под действием которого в камеру смешения подсасывается хладагент из холодильной камеры ХК. В диффузоре эжектора скорость смеси уменьшается, а давление и температура растут. Затем паровая смесь поступает в конденсатор КД, где превращается в жидкость в результате отведения в окружающую среду теплоты q1. В связи с многократным уменьшением удельного объема в процессе конденсации давление понижается до значения, при котором температура насыщения приблизительно равна 20 °С. Одна часть конденсата перекачивается насосом Н в котельный агрегат КА, а другая - подвергается дросселированию в вентиле РВ, в результате чего при понижении давления и температуры образуется влажный пар с небольшой степенью сухости. В теплообменнике-испарителе ХК этот пар подсушивается при постоянной температуре, отбирая теплоту q2 у охлаждаемых предметов, а затем вновь поступает в паровой эжектор.
Поскольку затраты механической энергии на перекачивание жидкой фазы в абсорбционных и пароэжекторных холодильных установках крайне малы, ими пренебрегают, и эффективность таких установок оценивают коэффициентом теплоиспользования, представляющим собой отношение отбираемой от охлаждаемых предметов теплоты к теплоте, используемой для реализации циклов.
Для получения низких температур в результате переноса теплоты к «горячему» источнику принципиально могут использовать и иные принципы. Например, температуру можно понижать в результате испарения воды. Этот принцип применяют в условиях жаркого и сухого климата в испарительных кондиционерах.
3. Бытовые и промышленные холодильники
Холодильник - устройство, поддерживающее низкую температуру в теплоизолированной камере. Обычно их применяют для хранения пищи и других предметов, требующих хранения в холодном месте.
На рис. 21 показана схема работы однокамерного холодильника, а на рис. 22 - назначение основных частей холодильника.
Рис. 21.
Рис. 22.
Работа холодильника основана на применении теплового насоса, переносящего теплоту из рабочей камеры холодильника наружу, где оно отдается внешней среде. В промышленных холодильниках объём рабочей камеры может достигать десятков и сотен м3.
Холодильники могут быть двух видов: среднетемпературные камеры для хранения продуктов и низкотемпературные морозильники. Однако в последнее время наибольшее распространение получили двухкамерные холодильники, включающие в себя оба компонента.
Холодильники бывают четырех типов: 1 - компрессионные; 2 - абсорбционные; 3 - термоэлектрические; 4 - с вихревыми охладителями.
Рис. 23. : 1 - конденсатор; 2 - капилляр; 3 - испаритель; 4 - компрессор
Рис. 24.
Основными составляющими частями холодильника являются:
1 - компрессор, получающий энергию от электрической сети;
2 - конденсатор, находящийся снаружи холодильника;
3 - испаритель, находящийся внутри холодильника;
4 - терморегулирующий расширительный вентиль (ТРВ), являющийся дросселирующим устройством;
5 - хладагент (циркулирующее в системе вещество с определёнными физическими характеристиками - обычно им является фреон).
3.1. Принцип работы компрессионного холодильника
Теоретической основой, на которой построен принцип работы холодильников, схема которых показана на рис. 23, является второе начало термодинамики. Охлаждающий газ в холодильниках совершает так называемый обратный цикл Карно . При этом основная передача теплоты основана не на цикле Карно, а на фазовых переходах - испарении и конденсации. В принципе возможно создание холодильника использующего только цикл Карно, но при этом для достижения высокой производительности потребуется или компрессор, создающий очень высокое давление, или очень большая площадь охлаждающего и нагревающего теплообменника.
Хладагент поступает в испаритель под давлением через дросселирующее отверстие (капилляр или ТРВ), где за счёт резкого уменьшения давления происходит испарение жидкости и превращение ее в пар. При этом хладагент отнимает теплоту у внутренних стенок испарителя, за счёт чего происходит охлаждение внутреннего пространства холодильника. Компрессор засасывает из испарителя хладагент в виде пара, сжимает его, за счёт чего температура хладагента повышается и выталкивает в конденсатор. В конденсаторе нагретый в результате сжатия хладагент остывает, отдавая теплоту во внешнюю среду, и конденсируется , т.е. превращается в жидкость. Процесс повторяется вновь. Таким образом, в конденсаторе хладагент (обычно им является фреон) под воздействием высокого давления конденсируется и переходит в жидкое состояние, выделяя теплоту, а в испарителе под воздействием низкого давления хладагент вскипает и переходит в газообразное, поглощая теплоту.
Терморегулирующий вентиль (ТРВ) необходим для создания необходимой разности давлений между конденсатором и испарителем, при которой происходит цикл теплопередачи. Он позволяет правильно (наиболее полно) заполнять внутренний объем испарителя вскипевшим хладагентом. Пропускное сечение ТРВ изменяется по мере снижения тепловой нагрузки на испаритель, причем при понижении температуры в камере количество циркулирующего хладагента уменьшается. Капилляр - это аналог ТРВ. Он не меняет свое сечение, а дросселирует определенное количество хладагента, зависящее от давления на входе и выходе капилляра, его диаметра и типа хладагента.
При достижении необходимой температуры температурный датчик размыкает электрическую цепь и компрессор останавливается. При повышении температуры (за счёт внешних факторов) датчик вновь включает компрессор.
3.2. Принцип работы абсорбционного холодильника
В абсорбционном водо-аммиачном холодильнике используется свойство одного из широко распространённых хладагентов - аммиака - хорошо растворяться в воде (до 1000 объёмов аммиака на 1 объём воды). Принцип работы абсорбционной холодильной установки показан на рис. 26, а ее принципиальная схема - на рис. 27.
Рис. 26.
Рис. 27. : ГП - генератор пара; КД - конденсатор; РВ1, РВ2 - редукционные вентили; ХК - холодильная камера; Аб - абсорбер; Н - насос
В этом случае требуемое для любого испарительного холодильника удаление газообразного хладагента из змеевика испарителя ведут поглощением его водой, раствор аммиака в которой затем перекачивают в специальную ёмкость (десорбер/генератор) и там подвергают разложению на аммиак и воду путём нагрева. Пары аммиака и воды из неё под давлением поступают в устройство разделения (ректификационная колонна), где пары аммиака отделяются от воды. Далее практически чистый аммиак попадает в конденсатор, где, охлаждаясь, конденсируется и через дроссель снова поступает в испаритель для испарения. Такая тепловая машина может использовать для перекачки раствора хладагента разнообразные приспособления, в том числе и струйные насосы, и не иметь движущихся механических частей. Помимо аммиака и воды, могут использоваться и другие пары веществ - например, раствор бромистого лития, ацетилен и ацетон. Преимущества абсорбционных холодильников - бесшумность работы, отсутствие движущихся механических частей, возможность работы от нагрева прямым сжиганием топлива, недостаток - низкая холодопроизводительность на единицу объёма.
3.3. Принцип работы термоэлектрического холодильника
Существуют устройства, основанные на эффекте Пельтье, заключающемся в поглощении теплоты одним из спаев термопар (разнородных проводников) при выделении ее на другом спае в случае пропускания через них тока. Этот принцип используют, в частности, в сумках-кулерах. Возможно как понижение, так и повышение температуры с помощью предложенных французским инженером Ранком вихревых трубок, в которых температура существенно изменяется по радиусу движущегося в них закрученного вихревого воздушного потока.
Термоэлектрический холодильник основан на элементах Пельтье. Он бесшумен, но распространен мало из-за дороговизны охлаждающих термоэлектрических элементов. Однако небольшие автомобильные холодильники и охладители питьевой воды часто производят с охлаждением от элементов Пельтье.
3.4. Принцип работы холодильника на вихревых охладителях
Охлаждение осуществляется за счёт расширения предварительно сжатого компрессором воздуха в блоках специальных вихревых охладителей. Они распространены мало из-за большой шумности, необходимости подвода сжатого (до 1,0-2,0 МПа) воздуха и очень большого его расхода, низкого КПД. Достоинства - большая безопасность (не используется электричество, нет движущихся частей и опасных химических соединений), долговечность и надёжность.
4. Примеры холодильных установок
Некоторые схемы и описания холодильных установок различного назначения, а также их фотографии показаны на рис. 27-34.
Рис. 27.
Рис. 28.
Рис. 29.
Рис 32.
Рис. 33.
Например, холодильные установки компрессорно-конденсаторные (тип АКК) или компрессорно-рессиверные (тип АКР), показанные на рис. 34, предназначены для работы c поддержанием температуры от +15 °С до -40 °С в камерах объёмом от 12 до 2500 м3.
В состав холодильной установки входят: 1 - компрессорно-конденсаторный или компрессорно -рессиверный агрегат; 2 - воздухоохладитель; 3 - терморегулирующий вентиль (ТРВ); 4 - соленоидный вентиль; 5 - щит управления.
На молочном комбинате используют одноступенчатую схему холодильной установки.
1 - компрессор; 2 - конденсатор; 3 - испарителей; 4 - ресивер ;
5 - отделитель жидкости; 6 - маслоотделитель; 7 - соленоидный вентиль;
9 - фильтр-осушитель; 10 - фильтр; 11 - фильтр на всасывающей магистрали; 12 - смотровое стекло с индикатором влажности; 13 - смотровое стекло;
14 - реле высокого давления; 15 - реле низкого давления; 16 - аварийное реле высокого и низкого давлений; 17 - терморегулирующим вентиль; 18 - реле контроля давления масла; 19 - запорный вентиль ресивера; 20 - запорный вентиль компрессора; 21 - картерный нагреватель; 25, 26 - виброизоляторы.
Рисунок 4 - Схема холодильной установки
Процесс охлаждения основан на физическом явлении поглощения тепла при кипении (испарении) жидкости (жидкого хладагента). Компрессор холодильной машины предназначен для отсасывания газа из испарителя и сжатия, нагнетания его в конденсатор. При сжатии и нагревании паров хладагента мы сообщаем им энергию (или тепло), охлаждая и расширяя, мы отбираем энергию. Это основной принцип, на основе которого происходит перенос тепла и работает холодильная установка. В холодильном оборудовании для переноса тепла применяют хладагенты.
Холодильный компрессор (1) отсасывает газообразный хладагент из испарителей (3), сжимает его и нагнетает в конденсатор (2) (воздушный или водяной). В конденсаторе (2) хладагент конденсируется и переходит в жидкое состояние. Из конденсатора (2) жидкий хладагент попадает в ресивер (4), где происходит его накопление. Также ресивер необходим для постоянного поддержания необходимого уровня хладагента. Ресивер оснащен запорными вентилями (19) на входе и выходе. Из ресивера хладагент поступает в фильтр-осушитель (9), где происходит удаление остатков влаги, примесей и загрязнений, после этого проходит через смотровое стекло с индикатором влажности (12), соленоидный вентиль(7) и дросселируется терморегулирующим вентилем (17) в испаритель (3).
Терморегулирующий вентиль применяется для регулирования подачи хладагента в испаритель.
В испарителе хладагент кипит, забирая тепло от объекта охлаждения. Пары хладагента из испарителя через фильтр на всасывающей магистрали (11), где происходит очистка их от загрязнений, и отделитель жидкости (5) поступают в компрессор (1). Затем цикл работы холодильной машины повторяется.
Отделитель жидкости (5) предотвращает попадание жидкого хладагента в компрессор.
Для обеспечения гарантированного возврата масла в картер компрессора на выходе из компрессора устанавливаться маслоотделитель (6). При этом масло через запорный вентиль (24), фильтр (10) и смотровое стекло (13) по линии возврата масла поступает в компрессор.
Виброизоляторы (25),(26) на всасывающей и нагнетательной магистралях обеспечивают гашение вибраций при работе компрессора и препятствуют их распространению по холодильному контуру.
Компрессор оснащён картерным нагревателем (21) и двумя запорными вентилями (20).
Картерный нагреватель (21) необходим для выпаривания хладагента из масла, предотвращения конденсации хладагента в картере компрессора во время его стоянки и поддержания необходимой температуры масла.
В холодильных машинах с полугерметичными поршневыми компрессорами, у которых в системе смазки используется масляный насос, применяется реле контроля давления масла (18). Это реле предназначено для аварийного отключения компрессора в случае снижения давления масла в системе смазки.
В случае установки агрегата на улице он должен быть дополнительно укомплектован гидравлическим регулятором давления конденсации, для обеспечения стабильной работы в зимних условиях и поддержания необходимого давления конденсации в холодное время года.
Реле высокого давления (14) управляют включением/выключением вентиляторов конденсатора, для поддержания необходимого давления конденсации.
Реле низкого давления (15) управляет включением/выключением компрессора.
Аварийное реле высокого и низкого давлений (16) предназначено для аварийного отключения компрессора в случае пониженного или повышенного давления.
