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
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.
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
Парокомпрессорные холодильные машины схема
Компрессорные холодильные машины в настоящее время самые распространенные источники получения искусственного холода и тепла. Технологическая схема снижения температуры охлаждаемых тел в паровой компрессионной холодильной машине не претерпела изменений с момента изобретения её английским врачом Перкинсом в 1834 году.
1 – компрессор; 2 – теплообменник для отвода теплоты от рабочего тела; 3 – расширитель рабочего тела; 4 – теплообменник, в котором рабочее тело забирает теплоту от охлаждаемой среды; 5 – ввод-вывод среды (газа, жидкости) для охлаждения рабочего тела; 6 – ввод-вывод охлаждаемой среды.
Один из вариантов работы представленной на рис.1 холодильной машины заключается в повторении следующих процессов:
Компрессор 1 рабочее тело, находящееся в парообразном состоянии, сжимается. Сжатие сопровождается соответствующим повышением температуры. Степень сжатия определяет степень повышения температуры. После компрессора, таким образом, можно достичь необходимого значения температуры рабочего тела. В теплообменнике 2 от рабочего тела, имеющего высокую температуру, можно отвести теплоту с помощью охлаждающей среды. В качестве охлаждающей среды могут применяться различные газы (в том числе и воздух) и жидкости (в том числе и вода). Температура охлаждающей среды, применяемой в этом теплообменнике, и определяет температуру, следовательно, и степень сжатия рабочего тела в компрессоре. Температура рабочего тела, поступающего в этот теплообменник, должна быть выше температуры охлаждающей среды. В теории и практике холодильных машин рабочее тело называется холодильным агентом.
В расширителе 3 происходит снижение давления холодильного агента и понижение его температуры. Расширение может совершаться за счет передачи работы внешнему источнику (детандерное расширение) и за счет затрат внутренней энергии самого хладагента. В этом случае расширение осуществляется в дросселирующих устройствах. В качестве последних наиболее часто применяются регулирующие вентили и система капилляров. В теплообменном аппарате 4 холодильный агент (после снижения давления и температуры в расширителе 3) забирает теплоту от охлаждаемой среды и опять поступает в компрессор. Цикл изменения давления и температуры рабочего тела после этого повторяется.
Циркуляция холодильного агента осуществляется по замкнутому контуру, что предопределяет экономическую эффективность холодильных машин этого типа. Однажды заправленный рабочим телом герметичный контур длительное время может выполнять свои функции. При применении дорогостоящих рабочих тел (хладагентов) эта особенность парокомпрессорных холодильных машин оказывает существенное влияние на их экономические показатели.
В описанном выше холодильном цикле осуществляется перенос теплоты от охлаждаемой в теплообменнике 4 среды с низкой температурой к охлаждающей среде теплообменника 5 , который имеет более высокую температуру. Холодильная машина не производит холод. Она лишь переносит теплоту от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой, т.е. против естественного хода процессов переноса теплоты. При этом на перенос теплоты затрачивается работа. В описанной выше машине это работа компрессора. Однако в холодильной технике устойчиво определился термин «холод» и «холодопроизводительность» холодильных машин. В технической терминологии традиционно процесс охлаждения (отвода теплоты) от охлаждаемых тел называется производством холода. Введение этих терминов, как здесь показано , не отражает характера физических процессов, но позволяет существенно упростить и сократить речевые обороты. Эти термины давно и устойчиво применяются в мировой науке и практике применения низкотемпературных технологий.
Холодопроизводительность машины равна количеству теплоты, которое переносится холодильному агенту при отводе её от охлаждаемой в теплообменнике 4 среды. Дляч описанной выше машины это количество теплоты можно рассчитать по зависимости:
Где L – расход циркулирующего в цикле холодильного агента, м 2 /с;
ρ, c – объемная масса и теплоемкость холодильного агента, соответственно кг/м 2 и Дж/кг·К;
T1 и T2 – температура холодильного агентана выходе и входе в теплообменник 4, К.
Анализ зависимости показывает, что ввиду малой теплоемкости газов (
1000 Дж/кг·К) получение большой холодопроизводительности связано с увеличением расхода циркулирующего хладагента и с большими энергетическими затратами на его перемещение.
Описанная выше холодильная машина относится к классу воздушных (газовых) холодильных машин. Отличительной особенностью этих машин является то, что холодильный агент (воздух или другой газ) циркулирует по замкнутому циклу без изменения агрегатного состояния.
Рассмотрим другой вариант представленной на рис.2 машины.
Принципиальная схема парокомпрессорной холодильной машины
Для любого вещества имеющего температуру ниже критической и находящейся в газообразном состоянии, существует давление, при котором (в случае подвода теплоты) будет конденсироваться. И наоборот, для каждой температуры существует давление, при котором (в случае подвода теплоты) вещество, находящееся в жидкой фазе будет кипеть. Эти факты и использованы при организации цикла парокомпрессорных холодильных машин.
Температура и давление в теплообменнике 2 выбирается таким образом, чтобы холодильный агент в нем конденсировался, а в теплообменнике 4 – кипел. В этом случае теплообменники будут называться соответственно конденсатором и испарителем рис.2. Процессы конденсации и кипения осуществляются при постоянном давлении и температуре. Температура хладагента меняется только в компрессоре (повышается при сжатии) и в расширяющем устройстве (снижается при снижении давления. В этом случае холодороизводительность машины может быть определена по зависимости:
Здесь r – удельная теплота парообразования, Дж/кг.
Удельная теплота парообразования, например, для воды примерно в 640 раз больше теплоемкости. По этой причине расход циркулирующего в машине холодильного агента при использовании в цикле фазовых переходов будет значительно меньше (в r/c(T1 – T2) раз); меньше будет ей материалоемкость и затраты энергии на эксплуатацию.
В общем случае описанный здесь холодильный цикл может иметь и некоторые отличия. Например, в конденсаторе после полной конденсации моно реализовать переохлаждение хладагента, а в испарителе – перегрев его паров.
Представленные выше факты показывают, что в цикле компрессорной холодильной машины осуществляются процессы сжатия, расширения (дросселирования), конденсации, испарения, которые чередуются в определенной последовательности и завершаются над веществами, применение которых возможно и целесообразно при производстве холода с помощью данного типа машин.
Холодильная машина является комплексом элементов, при помощи которых рабочее вещество совершает обратный термодинамический цикл (холодильный цикл) за счет затраты работы или теплоты. Процессы в элементах холодильной машины взаимосвязаны, и на них оказывают влияние как окружающая среда, так и охлаждаемые объекты.
Промышленные холодильные машины, работающие в области умеренного холода, можно подразделить на три основные группы: компрессионные – паровые и газовые, теплоиспользующие (используют тепловую энергию) и термоэлектрические (используют электрическую энергию).
Парокомпрессионные холодильные машины используют механическую работу. Они получили наибольшее распространение в холодильной технике и технологии для охлаждения, замораживания и хранения пищевых продуктов из-за их энергетической эффективности (меньший расход энергии по сравнению с другими машинами) и меньшей экологической опасности.
На рис. 1.6. показан принцип работы парокомпрессионных холодильных машин. Для осуществления холодильного цикла необходимо иметь четыре основных элемента: компрессор, конденсатор, испаритель и регулирующий вентиль, соединенных трубопроводом, в котором непрерывно циркулирует рабочее вещество – хладагент.
Рис.1.6. Принцип работы парокомпрессионных холодильных машин
Испаритель располагают в охлаждаемом помещении (холодильной камере, шкафу). В нем при низкой температуре (ниже температуры охлаждаемой среды) кипит жидкий хладагент, воспринимая тепло из холодильной камеры в количестве Q0. Пары хладагента из испарителя отсасываются компрессором, сжимаются до давления Рк, соответствующего температуре конденсации tк, и нагнетаются в конденсатор, охлаждаемый окружающим воздухом. При отводе от конденсатора теплоты в количестве Qк пары хладагента превращаются в жидкость, которая через регулирующий вентиль поступает опять в испаритель. В регулирующем вентиле происходит процесс дросселирования, при этом небольшая часть жидкого хладагента мгновенно испаряется, а оставшаяся жидкость охлаждается до температуры кипения.
Таким образом, хладагент выполняет непрерывный круговой (холодильный) цикл, циркулируя с помощью компрессора внутри замкнутой системы, изменяя температуру, давление, свое фазовое состояние, поглощая или отдавая при этом тепло.
В холодильных машинах в качестве хладагентов используют аммиак и фреоны (хладоны) при непосредственном охлаждении, и хладоносители – вода, рассолы (льдосоляные смеси хлористого натрия или хлористого кальция), антифризы (этиленгликоль, пропиленгликоль, метанол, глицерин), карбонат калия, жидкий диоксид углерода, водные растворы ацетата калия и формиата калия, экосолы (вода и этилкарбитол) – при косвенном охлаждении.
Главными элементами парокомпрессионных холодильных машин являются компрессор, конденсатор, испаритель, регулирующий вентиль.
1) КОМПРЕССОР. Компрессор является главным элементом холодильной машины. Он обеспечивает циркуляцию хладагента в системе холодильной машины, создает высокое давление, достаточное для перехода хладагента из парообразного состояния в жидкое в конденсаторе, и низкое давление, при котором он кипит в испарителе при заданной низкой температуре. Таким образом, он переносит вместе с парами хладагента теплоту, отведенную от охлаждаемой среды.
2) ИСПАРИТЕЛЬ. Испаритель – это теплообменный аппарат, предназначен для отвода (принятия) теплоты от охлаждаемой среды и хладагента. В испарителе происходит непосредственный теплообмен между охлаждаемым объектом и хладагентом (воздухоохладители, батареи, технологические аппараты непосредственного охлаждения). В испарителе обычно происходит кипение хладагента и превращение его в пар. Выделяют различные конструкции испарителей. На рис. 1.7 б) показан общий вид кожухотрубного испарителя затопленного типа, где: 1 – патрубок, куда подается жидкий хладагент, 2 – корпус аппарата, представляет собой сваренную из стального листа обечайку, по торцам к которой приварены трубные решетки 6 с отверстиями, в которые вставлены трубы 7. Снаружи к решеткам на шпильках крепятся крышки 3 и 9, одна из которых имеет штуцеры 4 и 5 для входа и выхода рассола. В центре обечайки вверху приварен сухопарник 8, через который пары хладагента отсасываются компрессором.
3) КОНДЕНСАТОР. Конденсатор – это теплообменный аппарат, который предназначен для превращения в жидкость поступающих из компрессорапаров хладагента. В конденсаторе возможно осуществить охлаждение жидкого хладагента ниже температуры конденсации (переохлаждение). Оба эти процесса сопровождаются отводом теплоты от хладагента к внешней среде. Существуют различные конструкции конденсаторов. На рис. 1.10а представлен кожухотрубный конденсатор.
4) РЕГУЛИРУЮЩИЙ ВЕНТИЛЬ. Об эффекте дросселирования, которое происходит в регулирующем вентиле, было упомянуто выше, сущность которого заключается в том, что при прохождении жидкого хладагента через суженное отверстие под действием разности давлений в конденсаторе и испарителе падение давления сопровождается понижением температуры всего потока. Хладагент дросселируется и теплообмен между ним и окружающей средой не осуществляется. При увеличении скорости движения в узком сечении внутренняя энергия молекул возрастает и повышенное внутримолекулярное трение приводит к тому, что часть жидкости переходит в парообразное состояние. При этом температура всего потока понижается до температуры кипения хладагента в испарителе. Поэтому только часть циркулирующего хладагента кипит в испарителе и производит полезное охлаждение.
Рис. 1.7. а) Кожухотрубный конденсатор; б) кожухотрубный испаритель затопленного типа
Вопросы для самоконтроля
1. Что такое фазовые переходы веществ?
2. Какие имеются способы получения искусственного холода?
3. Какую функцию выполняет компрессор в холодильных машинах?
4. Что такое источники низкой и высокой температур?
Тесты
1) В каком диапазоне лежит область низких температур для холодильной техники:
а) из жидкого состояния в парообразное; б) из жидкого состояния в пар; в) из твердого состояния в газообразное, минуя жидкость; г) из газообразного состояния в твердое, минуя жидкость.
