Принцип работы холодильной машины

Жидкий фреон, являющийся в настоящее время основным хладагентом холодильной машины, находящийся в открытом сосуде при нормальном атмосферном давлении, немедленно вскипает. При этом происходит интенсивное поглощение тепла из окружающей среды, сосуд покрывается инеем из-за конденсации и замораживания паров воды из окружающего воздуха. Процесс кипения жидкого фреона будет продолжаться до тех пор, пока весь фреон не перейдет в газообразное состояние, либо давление над жидким фреоном не возрастет до определенного уровня и при этом не прекратится процесс испарения его из жидкой фазы.

Для того, чтобы процесс кипения хладагента в испарителе происходил непрерывно, необходимо постоянно из испарителя удалять газообразный и «подливать» жидкий хладагент.

Процесс конденсации паров жидкости происходит при температуре, зависящей от давления окружающей среды. Чем выше давление, тем выше температура конденсации. Пары фреона R-22 конденсируются в жидкость при давлении 23 атмосферы уже при температуре +55°С. Процесс конденсации паров хладагента в жидкость сопровождается выделением в окружающую среду большого количества тепла. В холодильной машине конденсация паров хладагента происходит в специальном, герметичном теплообменнике, называемом конденсатором.

Для отвода выделяемого тепла используется алюминиевый теплообменник с оребренной поверхностью, называемый конденсатором. Для удаления паров хладагента из испарителя и создания необходимого для конденсации давления используется специальный насос — компрессор.

Элементом холодильной установки является также регулятор потока хладагента, так называемая дроссилирующая капиллярная трубка. Все элементы холодильной машины соединяются трубопроводом в последовательную цепь, обеспечивая тем самым замкнутую систему.

Принцип работы холодильной машины

На сегодняшний день наш быт мы не можем представить без приборов, которые охлаждают продукты. Даже на производстве реализовать технологический процесс невозможно без холодильных машин. Так, получается, что холодильные установки необходимы нам повседневной жизни, включая производство и торговлю.

Использовать естественное охлаждение не всегда можно, учитывая сезонность, и возможность снизить температуру максимум до температуры воздуха, а летом это и вовсе не реально. И здесь начинается наша необходимость в приобретении холодильника. Принцип работы холодильной машины основан на том, чтобы при помощи техники реализовать процесс испарения и выработать конденсат.

Среди преимуществ холодильных установок можно выделить автоматическую работу поддержания постоянной низкой температуры, которая будет оптимальной для конкретной категории продуктов. Но это касается фактической пользы, а если брать во внимание и затраты на эксплуатацию, ремонт и техническое обслуживание, то холодильник и вовсе получается выгодной техникой.

Принцип работы холодильной установки

Принцип работы холодильной машины основан на охлаждении – физическом процессе, базирующимся на потреблении выделяемого машиной тепла в результате кипения жидкости. С каким показателем температуры жидкая среда доходит до кипения – будет зависеть от происхождения жидкости и уровня оказываемого давления.

Высокий показатель давления – высокая температура кипения. Ровно в такой же зависимости работает этот процесс и обратно: ниже давление – меньше температура закипания и испарения жидкости.

Химические свойства каждого вида жидкости качественно влияют на температуру, необходимую для закипания. Так, например, вода, закипает при 100 градусах, а жидкому азоту необходимо -174 градуса по Цельсию.

Рассмотрим жидкий фреон. Этот хладагент является самым популярным веществом, которым насыщена вся система холодильного оборудования. Кстати, фреон в обычных условиях в открытой емкости может закипеть даже при нормальном показателе атмосферного давления. Причем, этот процесс начнется немедленно, как только фреон сконтактирует с воздухом.

Данное явление непременно сопровождается поглощением окружающего тепла. Вы сможете наблюдать, как сосуд будет покрываться инеем, потому что происходит конденсация и замораживание водных паров воздуха. Это действие завершится только тогда, когда хладагент примет газообразное состояние, или не увеличится давление над фреоном, чтобы прекратить испарение и остановить превращение жидкого фреона в газообразный.

Закипающий в испарителе хладагент переходит в активную фазу поглощения тепла, исходящего от шланг узла-теплообменника. А трубки, а точнее их материал, будут омываться жидкостью, а это напрямую связано с процессом охлаждения воздуха. Такой процесс не должен прерываться, он постоянный. Для его поддержания необходимо регулярное кипение фреона в испарителе, а значит – постоянное удаление газообразного хладагента и добавление его в жидком состоянии.

Конденсация пара жидкого фреона требует температуру ровно такую, какой она будет в зависимости от атмосферного давления. Выше показатель давления – выше градус для конденсации. Давление в 23 атмосферы необходимо, что конденсировать пары фреона R22, в то время как температура будет равна +55 градусам.

Пары хладагента во время превращения их в жидкость выделяют большое количество тепла в окружающую среду. Холодильник для такого процесса имеет специальный, абсолютно герметичный тепловой обменник, называемым конденсатором. Он предназначен для отвода выделенной тепловой энергии. Выглядит конденсатор как алюминиевый элемент, имеющий ребристую поверхность.

Чтобы пары фреона вывести из испарителя, а давление создать такое, которое будет оптимально благоприятным для конденсации, необходимо специальное насосное устройство – компрессор. Кроме того, в холодильной установке не обойтись без работы регулятора потока фреона. Эта функция отведена дросселирующей капиллярной трубке. Каждый из элементов холодильной системы соединяется между собой трубопроводом, образуя последовательную цепочку – так круг системы замыкается.

Принцип работы холодильной установки на фреоне

Принцип работы холодильной установки на фреоне предполагает выполнение реального цикла, который существенно отличается от теоретического. Разница заключается в присутствии такого понятия, как потеря давления. Происходит это во время реального цикла на клапанах компрессора (подробнее о видах компрессора читайте здесь: https://megaholod.ru/articles/kakie_byvayut_kompressory_v_kholodilnikakh/) и на его обвязке в частности. Такие потери в последствии необходимо компенсировать.

Для этого следует добиться увеличения работы сжатия, что понизит результативность цикла. В суть этого параметра вложены соотношение мощности агрегата и мощности, необходимой для работы компрессора. А вот насколько эффективно работает установка – параметр сравнительный, который никак не отражается на производительности холодильника.

Устройство холодильного оборудования

Сведения об основных принципах устройства холодильного оборудования помогут Вам использовать его возможности наиболее полно, при этом сохранив его работоспособность на долгое время.

Устройство наибольшего количества холодильных машин базируется на компрессионном цикле охлаждения, основными конструктивными элементами которого являются — компрессор, испаритель, конденсатор и регулятор потока (терморегулирующий вентиль или капиллярная трубка), соединенные трубопроводами и представляющие собой замкнутую систему, в которой циркуляцию хладагента (фреона) осуществляет компрессор. Кроме обеспечения циркуляции, компрессор поддерживает в конденсаторе (на линии нагнетания) и высокое давление, порядка 20-23 атм.

Охлаждение в холодильной машине обеспечивается непрерывной циркуляцией, кипением и конденсацией хладагента в замкнутой системе. Кипение хладагента происходит при низком давлении и низкой температуре. Парообразный хладагент всасывается компрессором, и подается в конденсатор, давление хладагента повышается до 15-20 атм., а его температура повышается до 70-90?С.

Проходя через конденсатор, горячий парообразный хладагент охлаждается и конденсируется, т. е. переходит в жидкую фазу. Конденсатор может быть либо воздушным, либо с водяным охлаждением — в зависимости от типа холодильной системы.

На выходе из конденсатора хладагент находится в жидком состоянии при высоком давлении. Размеры конденсатора выбираются таким образом, чтобы газ полностью сконденсировался внутри конденсатора. Поэтому температура жидкости на выходе из конденсатора оказывается несколько ниже температуры конденсации. Переохлаждение в конденсаторах с воздушным охлаждением обычно составляет примерно 4-7?С. При этом температура конденсации примерно на 10-20?С выше температуры атмосферного воздуха.

Затем хладагент в жидкой фазе при высокой температуре и давлении поступает в регулятор потока, где давление смеси резко уменьшается — часть жидкости при этом может испариться, переходя в парообразную фазу. Таким образом, в испаритель попадает смесь пара и жидкости. Жидкость кипит в испарителе, забирая тепло у окружающего воздуха, и вновь переходит в парообразное состояние.

Размеры испарителя выбираются таким образом, чтобы жидкость в нем полностью улетучилась. Поэтому температура пара на выходе из испарителя оказывается выше температуры кипения — происходит так называемый перегрев хладагента в испарителе. В этом случае даже самые маленькие капельки хладагента, и в компрессор не попадает жидкость.

Следует отметить, что в случае попадания жидкого хладагента в компрессор — так называемого гидравлического удара — возможны повреждения и поломки клапанов и других деталей компрессора. Для конденсаторов с воздушным охлаждением величина перегрева составляет 5-8?С. Перегретый пар выходит из испарителя, и цикл возобновляется.

Таким образом, хладагент постоянно циркулирует по замкнутому контуру, меняя свое агрегатное состояние с жидкого на парообразное и наоборот. Несмотря на то, что существует много типов компрессионных холодильных машин, принципиальная схема цикла в них практически одинакова.

Опишем устройство отдельных агрегатов, узлов и деталей холодильного оборудования:

АГРЕГАТ

Холодильный агрегат состоит из следующих основных деталей и узлов: компрессора, ресивера, конденсатора, испарителя, терморегулирующего вентиля (ТРВ), осушительного патрона.

Холодильные агрегаты выпускаются на базе герметичных, экранированных, полугерметичных и сальниковых компрессоров. По своему конструктивному исполнению компрессоры, используемые в холодильных агрегатах, делятся на две основные категории: поршневые и ротационные, спиральные, винтовые.

Принципиальное отличие ротационных, спиральных и винтовых компрессоров от поршневых заключается в том, что всасывание и сжатие хладагента осуществляется не за счет возвратно-поступательного движения поршней в цилиндрах, а за счет вращательного движения пластин, спиралей и винтов.

В герметичных компрессорах электродвигатель и компрессор расположены в едином герметичном корпусе. Такие компрессоры широко используются в холодильных машинах малой и средней мощностей и в бытовых кондиционерах. Преимуществом герметичных агрегатов является их относительно невысокая стоимость и меньший уровень шума. Недостатком является невозможность ремонта компрессора даже при незначительных повреждениях, например, при выходе из строя клапана.

В экранированных компрессорах статор электродвигателя вынесен из фреономасляной среды. Агрегаты данного типа менее чувствительны к наличию влаги в холодильном контуре и, что немаловажно, позволяют все работы по монтажу и замене статора электродвигателя компрессора при его сгорании производить на месте эксплуатации, не нарушая герметичности всей системы.

В полугерметичных компрессорах электродвигатель и компрессор расположены в едином разборном корпусе. Эти компрессоры производятся различной мощности, что позволяет использовать их в агрегатах средней и большой мощности. Преимуществом является возможность ремонта и надежность в работе, недостатком — высокая по сравнению с герметичными компрессорами цена, повышенная шумность и необходимость технического обслуживания.

В сальниковых компрессорах электродвигатель расположен снаружи. Вал компрессора через сальники выведен за пределы корпуса и приводятся в движение электродвигателем с помощью ременной передачи. Такая конструкция способствует повышенной утечке хладагента через сальниковые уплотнения и требует регулярного технического обслуживания.

В настоящее время агрегаты на базе сальниковых компрессоров для торгового оборудования практически не выпускаются. Преимуществ в конструкциях с сальниковыми компрессорами на данный момент нет, ремонт подобных холодильных машин отличается невысокой надежностью.

Конденсатор

Конденсатор представляет собой теплообменный аппарат, который передает тепловую энергию хладагента окружающей среде. В холодильных агрегатах для торгового оборудования чаще всего применяют конденсаторы воздушного охлаждения. По сравнению с конденсаторами водяного охлаждения, они экономичнее в работе и проще в эксплуатации.

Конденсатор может быть смонтирован на раме агрегата или быть установленным отдельно от него. Преимущество выносного конденсатора заключается в том, что он менее требователен к температуре воздуха в машинном отделении и практически не требует дополнительной вентиляции в машинном отделении.

Как правило, воздушный конденсатор для холодильных или морозильных камер устанавливается на открытом воздухе. Но, несмотря на преимущество выносного конденсатора, при работе холодильной установки в зимний период есть определенные проблемы:

• возможность повреждения компрессора при пуске;
• опасность попадания жидкого хладагента в компрессор;
• обмерзание теплообменника при длительной работе;
• уменьшение холодопроизводительности.

Для устранения этих причин используется дополнительный комплект автоматики: реле давления или регулятор скорости вращения электродвигателя, дифференциальный клапан, обратный клапан и регулятор давления конденсации.

Ресивер

Ресивер – резервуар, служащий для сбора жидкого хладагента с целью обеспечения его равномерного поступления к терморегулирующему вентилю и в испаритель. В малых хладоновых машинах ресивер предназначен для сбора хладагента во время ремонта машины, а также для охлаждения газа и отделения капель масла и влаги.

Испаритель— это аппарат, в котором жидкий хладагент кипит при низком давлении, отводя тепло от охлаждаемых объектов (продуктов). Чем ниже давление, поддерживаемое в испарителе, тем ниже температура кипящего хладагента. Температуру кипения, как правило, поддерживают на 10—15°С ниже температуры воздуха в камере. Температура воздуха в камере зависит от вида охлаждаемого продукта. Испаритель может быть расположен непосредственно в охлаждаемом объеме (камере, шкафе) или находиться за его пределами.

В соответствии с этим по назначению различают испарители для непосредственного охлаждения среды и испарители для охлаждения промежуточного хладоносителя (вода, рассол, воздух, и др.). Конструкция испарителя зависит от вида охлаждающей среды, необходимой холодопроизводительности, свойств самого хладагента. Как правило, это пластинчатые теплообменники с медными или алюминиевыми трубками и ребрами из алюминия, меди или оцинкованной стали.

Терморегулирующий вентиль

Терморегулирующий вентиль (ТРВ)устанавливается в магистраль нагнетания перед испарителем и обеспечивает заполнение испарителя жидким хладагентом в оптимальных пределах. Избыток хладагента в испарителе может привести попаданию в компрессор жидкой фазы хладагента, что приведёт к поломке компрессора. Недостаток хладагента в испарителе резко снижает эффективность работы испарителя.

Осушительный патрон

Осушительные патроны предназначены для очистки циркулирующего по системе холодильного агрегата хладагента от механических частиц и влаги. Часто осушительные патроны используют для понижения кислотности среды внутри системы холодильного агрегата. Осушительные патроны могут устанавливаться как на магистрали нагнетания, так и на стороне всасывания.

ВОЗДУХООХЛАДИТЕЛЬ

Воздухоохладитель — аппарат для охлаждения воздуха внутри охлаждаемого объема. Состоит из испарителя и вентилятора (вентиляторов). Вентилятор прогоняет охлаждаемый воздух через испаритель и направляет на охлаждаемые продукты.

МОНОБЛОК

Машина холодильная моноблочная (моноблок) предназначена для создания искусственного холода в торговом холодильном оборудовании. Особенностью моноблока является то, что он не требует монтажа отдельных узлов на месте эксплуатации, а просто монтируется на холодильной камере. В отличие от сплит-систем, моноблок обладает меньшей стоимостью при одинаковых параметрах.

ТЕРМОСТАТ

Это устройство для отключения и включения компрессора, с целью поддержания определенной температуры в охлаждаемом объеме. Электронные термостаты основаны на принципе термопары, где электронное устройство — в зависимости от сопротивления температурного датчика — управляет временем работы компрессора.

Электромеханические термостаты работают на принципе расширения сильфонной гармошки, заполненной хладагентом. При охлаждении давление внутри сильфона понижается, сильфонная гармошка сжимается и контакты, через которые питается компрессор, размыкаются. При нагревании все происходит в обратной последовательности.

ХЛАДАГЕНТЫ

Хладагенты — это рабочие вещества паровых холодильных машин, с помощью которых обеспечивается получение низких температур.

Хладон-12 (R-12) имеет химическую формулу CHF₂C1₂ (дифтордихлорметан). Он представляет собой газообразное бесцветное вещество со слабым специфическим запахом, который начинает ощущаться при объемном содержании его паров в воздухе свыше 20%. Хладон-12 обладает хорошими термодинамическими свойствами

Хладон-22 (R-22) , или дифтормонохлорметан (CHF₂C1), так же как и хладон-12, обладает хорошими термодинамическими и эксплуатационными свойствами. Отличается он более низкой температурой кипения и более высокой теплотой парообразования. Объемная холодопроизводительность Хладона-22 примерно в 1,6 раза больше, чем Хладона-12.