Типы холодильных машин, системы охлаждения

Типы холодильных машин. Холодильные машины по принципу получения холода делятся на две группы: работа одной из них связана с затратой механической энергии, другой — с затратой тепла.

К первой группе относятся наиболее распространенные в современной технике компрессионные холодильные машины, ко второй — абсорбционные и пароэжекторные.

Принцип работы компрессионных машин основан на сжатии хладагентов компрессором для их конденсации, в абсорбционных машинах хладагенты поглощаются особыми веществами — абсорбентами с последующим их выпариванием при более высоком давлении, соответствующем давлению конденсации.

В пароэжекторной водяной холодильной машине испарение воды происходит при низком давлении, создаваемом струйным аппаратом — паровым эжектором.

Для получения холода применяют также газовые холодильные машины, роль хладагента в которых выполняет воздух. Такие машины входят в состав установок по получению азота, кислорода и аргона из воздуха;
Холодильной установкой называется объединение холодильной машины с другими элементами, осуществляющими процессы распределения и потребления холода (например, с рассольной системой).

Для получения холода иногда используются машины с незамкнутым циклом, т. е. без возврата испарившегося хладагента, например, установки для получения твердой углекислоты.

Наиболее эффективный способ непрерывного охлаждения связан с процессами кипения жидкого хладагента и его последующей конденсацией в паровых холодильных машинах. Все рассматриваемые в этой главе холодильные машины относятся к паровым.

Системы охлаждения. В зависимости от условий использования холода, температурного уровня, конструктивных возможностей и назначения аппаратов, потребляющих холод, а также от требований техники безопасности, применяют систему охлаждения: с промежуточным хладоносителем или непосредственного испарения.

В системе с промежуточным хладоносителем вода, раствор солей или жидкость с низкой температурой замерзания охлаждаются в испарителе холодильной машины и по трубопроводам циркуляционными насосами подаются к местам потребления холода.

Такие системы используют при передаче холода на значительные расстояния, при разветвленной сети, а также в случаях, когда контакт хладагента с охлаждаемой средой опасен.

В системах с промежуточным хладоносителем процесс теплопередачи происходит дважды: от охлаждаемой среды к хладоносителю и от него в испарителе — к хладагенту, поэтому холодильная установка должна работать с более низкой температурой, чем в системе без промежуточного хладоносителя. Лишь при этом условии будет достигнут необходимый температурный перепад между охлаждаемой средой и хладоносителем.

На циркуляцию хладоносителя, помимо этого, затрачивается энергия, расходуемая насосом.

Все это увеличивает вес и стоимость оборудования холодильной установки, вызывает необходимость изготовления и монтажа оборудования для приготовления, хранения, охлаждения и циркуляции хладоносителя.

В системах непосредственного испарения холодильный агент кипит в аппаратах, потребляющих холод. Эти системы применяются в холодильных установках всех диапазонов, особенно при низких температурах охлаждения, когда выбор хладоносителя затруднен. В этих установках тепло сразу передается от охлаждаемой среды к хладагенту. Отпадает необходимость поддержания двойного температурного перепада. Становятся излишними громоздкие системы приготовления и циркуляции хладоносителя. Установки непосредственного испарения экономичнее систем с хладоносителем, однако им также присущи недостатки:
отсутствие способности аккумулировать (накапливать) холод;
усложнение конструкции аппаратов потребителей холода;
необходимость разводки большого количества хладагента, зачастую более взрывоопасного и токсичного, чем хладоноситель, большая опасность его утечки в помещения, где находятся потребители холода;
трудность регулирования подачи хладагента к потребителям с колеблющимся притоком тепла.

Кроме того, системы непосредственного испарения нецелесообразно применять при подаче холода из крупных холодильных установок на большие расстояния; при заполнении разветвленных систем дорогостоящими хладагентами (например, фреонами); при большом влиянии давления столба жидкого хладагента на температуру его кипения; в установках кондиционирования воздуха при использовании токсичных хладагентов.

По мере усовершенствования способов автоматического регулирования подачи хладагента, оснащения промышленности машинами, защищенными от гидравлических ударов, и перехода на безопасные хладагенты, системы непосредственного испарения, как более экономичные, будут вытеснять системы с промежуточным хладоносителем.

В установках кондиционирования воздуха на мясо- и рыбохолодильниках пользуются системой воздушного охлаждения. Здесь воздух, подаваемый в помещения, предварительно охлаждается в специальных аппаратах — воздухоохладителях, т. е. он по существу является промежуточным хладоносителем.

Тепловой насос. В любой холодильной машине при затрате подведенной извне работы тепло передается от холодного испарителя к теплому конденсатору.

Подбирая хладагенты, имеющие высокие температуры конденсации, или уменьшая подачу воды на конденсатор, можно получить такую температуру охлаждающей воды после конденсатора, которая позволит использовать ее для отопления зданий, горячего водоснабжения, нужд технологии и т. д. Такая машина будет работать в режиме теплового насоса, т. е. будет передавать тепло от холодного испарителя к горячему теплоносителю.

Тепловые насосы могут использоваться для установок сезонного отопления и охлаждения зданий. В качестве хладагента применяются фреон-12, фреон-142 и фреон-11.

Комбинированное производство тепла и холода позволяет использовать одни и те же установки для кондиционирования воздуха — летом и для отопления помещений с подачей тепла или холода на кондиционеры — зимой.

Тепловые насосы позволяют использовать тепло низкого потенциала, применение которого для других целей практически невозможно.

Вода с температурой 30÷40°С, нагретая за счет снятия тепла в химических или металлургических производствах, подается на конденсаторы холодильной установки, работающей в режиме теплового насоса, где нагревается до температуры 60÷70°С и используется для горячего водоснабжения.

Контрольные вопросы
1. Перечислите основные типы холодильных машин.

2. Какие системы охлаждения вам известны?

3. Расскажите о преимуществах и недостатках основных систем охлаждения.

4. Что такое «тепловой насос»?

5. Расскажите о принципах агрегатирования холодильных машин.

6. Перечислите основные виды агрегатов компрессионных холодильных машин.

7. Какие аммиачные и фреоновые агрегатированные холодильные машины вы знаете?

8. Как работает холодильная машина АДС-50?

9. Расскажите о работе фреонового турбохолодильного агрегата.

10. Что такое абсорбция?

11. Расскажите о бинарном растворе.

12. Чем объясняется применение водоаммиачного раствора и раствора бромистого лития?

13. Поясните схему работы абсорбционной холодильной машины.

14. Как работает воздухоотделитель абсорбционной холодильной машины?

15. Назовите особенности устройства аппаратуры бромистолитиевых холодильных машин.

16. Как работает пароэжекторная холодильная машина?

17. Перечислите недостатки пароэжекторных холодильных машин.

Классификация холодильных машин

Работа холодильных систем и тепловых насосов основана на реализации обратных термодинамических циклов, когда теплота перемещается от низких температур к высоким. Холодильное оборудование отводит тепло от объектов с температурой ниже, чем температура в окружающей среде, чем дополнительно снижает их температуру. Отводимое тепло может использоваться затем в хозяйственных нуждах: для ГВС или организации отопления.

Конструкции и принцип работы холодильных установок и тепловых насосов во многом похожи. Отличие, в основном, в уровне рабочих параметров.

Классификация холодильных машин

Холодильные машины (агрегаты) разделяют на виды по типу физического процесса, заложенного в основе работы.

• Парокомпрессионные, абсорбционные, эжекторные. Этот тип машин использует процессы фазового перехода рабочего состава из жидкого состояния в газообразное.
• Воздушные детандерные. Работают на основе процесса расширения воздуха, при этом производится внешняя работа.
• Воздушные вихревые. Основаны на том же принципе, но без производства внешней работы.
• Термоэлектрические. Функционируют на основе эффекта Пелье.

По типу потребляемой энергии холодильные машины делят на следующие виды.

• Работающие на основе механической энергии – компрессионные.
• Потребляющие тепло – эжекторные, абсорбционные и ряд компрессорных, имеющих турбинный привод.
• Потребляющие электроэнергию – термоэлектрические.

В зависимости от условий работы и необходимого результата холодильные машины разделяется по холодопроизводительности на малые, средние и крупные установки. К малым относятся машины до 15 кВт, к средним – от 15 до 120 кВт, крупными считаются установки с холодопроизводительностью выше 120 кВт.

По температурным характеристикам обслуживаемого объекта машины подразделяются на низко-, средне- и высокотемпературные. Температура соответственно: ниже -30 о С, от -30 о С до -10 о С и выше -10 о С.

По назначению холодильное оборудование может быть универсальным или специализированным. Работает холодильная техника в разных термодинамических циклах, в соответствии с этим меняется схема установки. По этому признаку машины делят на 1-, 2-, многоступенчатые и каскадные.

Варьируется и рабочее тело, в качестве которого в холодильных машинах может использоваться: фреон, пропан, аммиак, этан, воздух, пар и вода и др. Большинство существующих машин относятся к парокомпрессионным, и работают на разных типах компрессоров: поршневых (самые распространенные), ротационных, винтовых, центробежных.

Особенности различных типов холодильных машин

Парокомпрессионные машины на поршневых компрессорах получили заслуженное уважение благодаря высоким энергетическим коэффициентам. У этого типа оборудования высокое отношение давлений кипений и конденсации, но есть и свои недостатки. К ним относятся: высокая вибрация и сравнительно с другими типами оборудования небольшая надежность.

Основным недостатком машин на центробежных компрессорах считается низкая энергетическая эффективность. К плюсам можно отнести: небольшие габариты, высокую надежность и уравновешенность, сравнительную простоту регулирования производительности.

Проблемой машин с винтовыми масляными компрессорами считают именно металлоемкую масляную систему и большие потери в нерасчетных режимах. Тем не менее, они отличаются высокой надежностью и производительностью.

При выборе холодильной техники приходится учитывать много факторов: габариты, производительность, условия и стоимость эксплуатации, виброакустические показатели. К сожалению, универсального оборудования, лучшего по всем показателям, в настоящий момент не существует – на каждом конкретном случае используют те машины, которые оптимально подходят по сумме различных показателей.

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