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

СХЕМЫ И ЦИКЛЫ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН

Схема охлаждения с использованием холодильной машины. От охлаждаемого воздуха холодильной камеры, имеющего низкую температуру Т0, теплоноситель (хладагент) отнимает теплоту и передает ее внешней среде, имеющей более высокую температуру Т (рис. 30.5). При этом хладагент, циркулирующий в холодильной машине, совершает обратный круговой процесс, или холодильный цикл. Из энергетического баланса видно, что теплота, передаваемая холодильной машиной внешней среде q, больше теплоты, отбираемой от камеры охлаждения q₀, на величину механической работы /, затрачиваемой холодильной машиной:

Эффективность работы холодильной машины оценивается холодильным коэффициентом

где q₀ — количество теплоты, удаляемой от охлаждаемого продукта, или удельная холодопроизводительность, Дж/кг; ζ—удельная механическая работа, Дж/кг.

Холодильный коэффициент в холодильной технике аналогичен термическому КПД тепловых машин, работающих по прямому циклу Карно

Компрессионные холодильные машины. В зависимости от применяемого рабочего вещества компрессионные холодильные машины разделяют на газовые (воздушные) и паровые.

Воздушная холодильная машина — самая старая из всех холодильных машин. Промышленное получение холода впервые осуществлено в таких машинах. Принцип действия воздушной холодильной машины состоит в следующем (рис. 30.6, а).

Воздух из охлаждаемого помещения I засасывается компрессором II и после адиабатического сжатия выталкивается в охладитель III, где охлаждается водой при постоянном давлении. Далее воздух поступает в детандер (расширительный цилиндр) IV и совершает в нем полезную работу в процессе адиабатического расширения до первоначального давления. При этом температура воздуха снижается до -60. -70 «С. Воздух поступает в охлаждаемое помещение.

На рисунке 30.6 теоретический цикл воздушной холодильной машины изображен на диаграммах в координатах «давление р — удельный объем v» и «температура Т—энтропия.

В координатах р—v (рис. 30.6, а) рабочий процесс выглядит следующим образом. Параметры воздуха в охлаждаемом помещении Т соответствуют состоянию точки 1. В компрессоре II воздух сжимается адиабатически до состояния, соответствующего точке 2. Линия 1—2 является адиабатой сжатия. Далее в охладителе III сжатый воздух охлаждается при постоянном давлении до состояния, характеризуемого точкой 3. Перейдя в расширительный цилиндр IV, воздух расширяется адиабатически до начального давления р_о, соответствующего точке 4, и направляется в камеру охлаждения I, где отдает свою теплоту, а сам нагревается при постоянном давлении до состояния, соответствующего исходной точке 1. При расширении в расширительном цилиндре воздух совершает механическую работу, идущую на частичную компенсацию затрат энергии при сжатии воздуха в компрессоре. Итак, полный цикл преобразования параметров в данной холодильной машине состоит из двух адиабат 1—2 и 3—4 и двух изобар 2—3 и 4—1.

Площадь l-2-a-b-l на диаграмме соответствует работе, совершаемой компрессором; площадь З-4-b-а-З — работе, совершаемой сжатым воздухом в расширительном цилиндре. Разность этих площадей, равная площади фигуры 1-2-3-4-1, остается некомпенсированной и должна быть подведена к компрессору от внешнего источника работы.

В диаграмме T—s (рис. 30.6, в) теоретический цикл холодильной машины выглядит следующим образом. Изоэнтропическое сжатие в компрессоре изображается вертикалью, соответствующей процессу с постоянной энтропией. Эта вертикаль проводится от точки 1, лежащей на изобаре р₀ = const, до изобары р — const. Точку 1 на изобаре р₀ = const выбирают соответствующей начальной температуре Т₁. Точка 2 на изобаре р — const соответствует температуре конца процесса сжатия Т₂. Процесс охлаждения в охладителе III, протекающий при постоянном давлении, изображается отрезком изобары р = const, на котором точка 3 соответствует температуре окончания охлаждения Т₃. Процесс адиабатического расширения в цилиндре IV изображается изоэнтропой 3—4, так как протекает при постоянной энтропии, или без потерь энергии. Точке 4 соответствует температура окончания расширения Т₄. Процесс отдачи теплоты охлажденным воздухом в камере охлаждения, или процесс его нагревания в данной камере, происходит по изобаре р₀ = const до состояния точки 1.

На диаграмме T—s (см. рис. 30.6, в) хорошо виден основной недостаток воздушной холодильной машины. Работа цикла этой машины l соответствует площади 1-2-3-4-1; она равна разности работ компрессора (площадь d-2-3-c-d) и расширительного цилиндра (площадь с-4-l-d-c). Работа же обратного цикла Карно l_к, состоящего из двух адиабат 1—2′ и 3—4′ и двух изотерм 2’—3 и 4’— 1, значительно меньше, т. е. l_к

Поэтому фактический холодильный коэффициент £ф = q/1 бу­дет меньше холодильного коэффициента eK = q/lK, который был бы, если бы машина работала по обратному циклу Карно, т. е. £ф

Основные компоненты холодильного контура. Цикл парокомпрессионной холодильной машины

Отвод тепла с помощью теплоты плавления льда

В основе действия холодильных машин лежит второй закон (или второе начало) термодинамики, который применительно к холодильным машинам гласит: для передачи теплоты от менее нагретого тела (холодного) к более нагретому (горячему) необходимо затратить энергию.Иными словами, чтобы охладить какое-либо тело, необходимо отвести от него теплоту, используя для этого какое либо техническое устройство.

В системах охлаждения используется явление увеличения теплосодержания вещества во время плавления и кипения при постоянной температуре. Самый простой способ отвода тепла от определенной области осуществляется при помощи ледяного блока. При плавлении лед поглощает тепло из окружающей атмосферы и продуктов, а продукт плавления льда отводится за пределы ледника—в окружающую среду.

Поскольку теплота парообразования во много раз больше теплоты плавления, во время процесса кипения поглощается большее количество теплоты при постоянной температуре. Поэтому рекомендуется производить перенос теплоты при температуре кипения вещества. В этом состоит преимущество компрессионных систем охлаждения. В дальнейшем в данном курсе будут рассмотрены особенности монтажа парокомпрессионных систем охлаждения.

Рассмотрим цикл работы холодильной установки на примере бытового холодильника.

Цикл холодильной установки (бытовой холодильник)

Холодильник оснащен теплообменником (испарителем), куда поступает хладагент в парожидкостной фазе (смесь пара с жидкостью). В испарителе за счет кипения рабочего вещества теплота отводится от охлаждаемой среды — воздуха в системе непосредственного охлаждения (как в рассматриваемом примере), воды или рассола в системе с промежуточным хладоносителем.

При температуре +5°C внутри холодильника температура кипения хладагента в испарителе составит около -15°C, которая в случае использования хладагента R134a соответствует абсолютному давлению 1,7 бар. Тепло из внутренней части холодильника отводится более холодным испарителем, где кипит хладагент. Температура внутри холодильника снижается.

Компрессор откачивает пары хладагента из испарителя, сжимает их и направляет в другой теплообменник – конденсатор, расположенный на внешней части холодильной камеры.

В конденсаторе теплота отводится от конденсирующегося рабочего вещества с помощью охлаждающей среды — воздуха или воды— которая при этом нагревается. Хладагент меняет агрегатное состояние на жидкое.

Обычно температура окружающего конденсатор воздуха (комнатная) составляет от 20 до 25°C. Для обеспечения правильного отвода теплоты от конденсатора в окружающую среду температура конденсации должна превышать температуру окружающей среды в данном случае на 20-30 К. Для хладагента R134a и предполагаемой температуры конденсации 50°C абсолютное давление в конденсаторе составляет 13,2 бар.

Таким образом, задача компрессора состоит не только в удалении паров хладагента из испарителя, но и в их сжатии.

Жидкое рабочее вещество из конденсатора проходит через регулирующий (дроссельный) вентиль, где происходит процесс дросселирования (расширения рабочего тела без совершения внешней работы). Этот вентиль (в данном случае капиллярная трубка) расположен между конденсатором и испарителем, в котором хладагент расширяется и его давление снижается до давления кипения. Здесь замыкается цикл охлаждения.

Ниже приведена схема холодильного цикла в условных обозначениях

Принципиальная схема парокомпрессионной холодильной машины: КМ — компрессор; КД — конденсатор; РВ — регулирующий вентиль; И — испаритель; /, 2,3,4 — точки цикла

Процессы, обозначенные на схеме:

4—1—кипение рабочего вещества (хладагента) в испарителе, при этом теплота Q0 отводится от охлаждаемой среды
1—2—сжатие паров рабочего вещества в компрессоре;
2—3—конденсация паров рабочего вещества в конденсаторе, при этом теплота Q передается окружающей или нагреваемой среде;
3—4—дросселирование рабочего вещества в регулирующем вентиле.

Таким образом, парокомпрессионная холодильная машина должна иметь четыре обязательных элемента: компрессор, конденсатор, испаритель и регулирующий вентиль.

Температура кипения рабочего вещества в испарителе зависит от давления кипения р₀, а оно, в свою очередь,— от производительности компрессора. Температуру кипения поддерживают такой, чтобы обеспечить необходимую (заданную) температуру охлаждаемой среды. Для понижения температуры кипения необходимо понизить давление кипения, что можно сделать, увеличив производительность компрессора.

Температура конденсации рабочего вещества и соответствующее ей давление конденсации зависят главным образом от температуры среды, используемой для охлаждения конденсатора. Чем она ниже, тем ниже будут температура и давление конденсации. Величины давлений кипения и конденсации в значительной мере влияют на производительность компрессора. Они же в основном определяют и количество энергии, которое необходимо для его работы.

Представление цикла холодильной машины в термодинамических диаграммах

Теоретические циклы холодильных машин изображают на термодинамических диаграммах, которые позволяют лучше понять принцип их действия. Термодинамические диаграммы, кроме того, служат теоретической базой для расчета холодильных машин в целом и их отдельных элементов.

Наиболее распространены диаграммы энтальпия — давление (i, lgp -диаграмма) и энтропия — температура (s, T-диаграмма). Первую применяют для тепловых расчетов, вторую — для анализа термодинамической эффективности циклов. При этом используют следующие параметры:

• температуру в °С или абсолютную температуру Т в К;
• давление в Па или производных единицах (1кПа=10 3 Па, 1 МПа= 10 6 Па= 10,2 кгс/см 2 = 10 бар);
• удельный объем ν в м 3 /кг;
• плотность в кг/м 3 , (величина, обратная удельному объему).
  Кроме простых измеряемых параметров, используют также сложные расчетные параметры:
• энтальпию I в кДж;
• энтропию S в кДж/К.
  На диаграммах и в расчетах применяют обычно удельную энтальпию i в кДж/кг, т. е. отнесенную к единице массы хладагента. Логарифмическая ось давления принимается в целях уменьшения масштаба диаграммы.

На i, lgр и s, T-диаграммах из точки К, соответствующей критическому состоянию хладагента, расходятся две так называемые пограничные кривые, разделяющие поле на три зоны: переохлажденной жидкости (ПЖ), парожидкостной смеси (Ж+П) и перегретого пара (ПП).

Если на i, lgp-диаграмме провести линию постоянного давления (p = const) — изобару, а на s, Т-диаграмме—линию постоянной температуры (T=const) — изотерму, то они пересекут пограничные кривые в точках А и В. В точке А хладагент находится в состоянии насыщенной жидкости, а в точке В — насыщенного пара.

Фазовый переход от жидкости к пару на диаграммах идет слева направо. При подводе теплоты (энтальпия и энтропия возрастают) переохлажденная жидкость, достигнув состояния насыщения в точке А, начинает кипеть. По мере дальнейшего подвода теплоты содержание жидкости в единице массы хладагента уменьшается, а содержание пара – увеличивается, достигая в точке В 100 %. Образуется насыщенный пар. Паросодер-жание х хладагента на левой пограничной кривой равно 0, а на правой—1. Состояние при х=1 называют также сухим насыщенным паром, чтобы подчеркнуть, что пар не содержит частиц жидкости в отличие от влажного пара, представляющего собой смесь пара и жидкости (П + Ж).

Фазовый переход от пара к жидкости на диаграммах идет справа налево. При отводе теплоты происходит процесс конденсации хладагента. Он начинается в точке В и заканчивается в точке A.

На i, lgр-диаграмме разность значений энтальпий i в точках А и В будет равна величине r в кДж/кг, которую, в зависимости от направления процесса (от А к В или от В к А), называют удельной (скрытой) теплотой парообразования или удельной теплотой конденсации.

На s, Т-диаграмме величине r будет соответствовать площадь (заштрихованная) под процессом А — В.

Параметры, соответствующие состоянию хладагента на левой пограничной кривой (х = 0), обозначают с одним штрихом, а на правой (х = 1) — с двумя.

В процессах кипения и конденсации давление и температура насыщения остаются неизменными, так как подводимая или отводимая теплота расходуется на изменение агрегатного состояния хладагента. При этом температура насыщения зависит от давления. При его увеличении она повышается, а при уменьшении — понижается.

Если после подвода определенного количества теплоты и достижения хладагентом состояния насыщенного пара в точке В продолжать подводить теплоту при постоянном давлении (p = const), то этот процесс В — С будет сопровождаться повышением температуры: Т_С>Т_В. Насыщенный пар перейдет в точке С в состояние, называемое перегретым паром.

Аналогично, если после окончания процесса конденсации В — А продолжать отводить теплоту, то дальнейший процесс А — D будет сопровождаться понижением температуры. Насыщенная жидкость перейдет в точке D в состояние, называемое переохлажденной жидкостью.

На i, lgp-диаграмме изотермы (T = const) в зоне ПЖ идут почти вертикально вверх, параллельно изоэнтальпам—линиям постоянной удельной энтальпии (i=const), а в зоне ПП—резко вниз.

На s, T-диаграмме изотермы горизонтальны. Изобары (р=const) в зоне ПЖ идут резко вниз и почти совпадают с пограничной кривой (x = 0), в зоне ПП — поднимаются круто вверх. Изоэнтальпы (i =const) спускаются круто вниз.

Линии постоянной удельной энтропии (s = const) Ha s, T-диаграмме вертикальны, а на i, lgр-диаграмме располагаются примерно под углом 45° к горизонтали.

С небольшим подъемом от горизонтали идут на обеих диаграммах линии постоянного удельного объема (ν = const). Большим давлениям р соответствует меньший удельный объем ν.

Поскольку при работе парокомпрессионной холодильной машины в установившемся (стационарном) режиме давления кипения р₀ и конденсации рк хладагента постоянны, количество подводимой или отводимой теплоты изображается на i, lgр-диаграмме в виде отрезка прямой линии и равно разности энтальпий в начале и конце процесса. В этом заключается достоинство i, lgp-диаграммы, которое обусловило ее широкое использование для расчета парокомпрессионных холодильных машин.