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.

Температура кипения tкип при давлении р = 0,1 МПа, °С

Критическая температура, °С

Температура замерзания, tзам, °С

Скрытая теплота парообразования при tкип, кДж/кг

ИСПАРИТЕЛИ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН

Испарителем называют теплообменный аппарат, в котором отвод теплоты от охлаждаемой среды осуществляется за счёт кипения (испарения) холодильного агента.

По виду охлаждаемой среды испарители делятся на:

1. Испарители для охлаждения жидкости.

2. Испарители для охлаждения газа.

3. Испарители специального назначения.

Испарители специального назначения используются в аппаратах для охлаждения и замораживания пищевых продуктов.

В испарителях для охлаждения жидкости в качестве промежуточного хладоносителя используется: вода, рассол, водные растворы этиленгликоля, спирта и т.д.

В испарителях для охлаждения газа в качестве хладоносителя и основном используется как правило воздух, редко-специальная регулируемая газовая среда.

По уровню заполнения теплопередающей поверхности:

В зависимости от условий циркуляции хладоносителя:

К испарителям для охлаждения жидкости относят

1. Кожухотрубные испарители с межтрубным кипением холодильного агента (кожухотрубные затопленного типа).

2. Кожухотрубные испарители с кипением холодильного агента внутри труб.

3. Кожухотрубные оросительные испарители.

4. Пластинчатые испарители.

5. Вертикально-трубные испарители.

6. Панельные испарители.

Испарители для охлаждения газов бывают с принудительной и с естественной циркуляцией воздуха. Для крупных холодильных установок испарители с принудительной циркуляцией воздуха называют воздухоохладителями. Испарители с естественной циркуляцией воздуха — камерные батареи.

Кожухотрубные испарители с межтрубным кипением холодильного агента.

По конструкции кожухотрубные испарители аналогичны кожухотрубному конденсатору.

Холодильный агент после дросселирования поступает в нижнюю часть межтрубного пространства корпуса испарителя. Жидкий холодильный агент заполняет межтрубное пространство в аммиачных испарителях на 60-70 % диаметра, в хладоновых 40-50% диаметра.

Жидкий холодильный агент соприкасаясь с тёплой наружной с наружной поверхностью теплообменных труб кипит с поверхностью теплообменных труб кипит с образованием пузырьков пара. Образовавшийся пар поднимается в верхнюю часть испарителя и поднимается в верхнюю часть испарителя и выходит через верхний выходной патрубок. Тёплый хладоноситель поступает в нижнюю часть передней крышки через входной патрубок. Последовательно проходя несколько ходов внутри теплообменных труб, хладоноситель охлаждается на 3-5оС. Охлаждённый хладоноситель выходит из испарителя через верхней выходной патрубок передней крышки.

Отличия аммиачных и хладоновых испарителей :

1. В аммиачных испарителях применяются гладкие стальные теплообменные трубы, в хладоновых — медные с наружным оребрением.

2. В нижней части корпуса аммиачного испарителя имеется маслосборник. В хладоновых он отсутствует.

3. Весь внутренний объём корпуса аммиачных испарителя заполнен теплообменными трубами. В верхней части корпуса хладонового испарителя теплообменные трубы отсутствуют.

4. В верхней части аммиачного испарителя имеется отделитель жидкости – сухопарник.

1. Высокая интенсивность теплообмена.

2. Возможность очистки внутренней поверхности труб механическим способом.

3. Малые гидравлические потери со стороны холодильного агента.

4. Простота конструкции и эксплуатации.

1. Возможность разрыва труб при замерзании хладоносителя.

2. Влияние гидростатического столба жидкости на температуру кипения.

3. Большое количество заправляемого холодильного агента.

4. Большие гидравлические потери со стороны хладоносителя.

5. Возможные утечки холодильного агента через места развальцовки.

6. Возможность образования водяного камня.

Кожухотрубные испарители с внутритрубным кипением холодильного агента

Констукция такого испарителя похожа на конструкцию кожухотрубного испарителя затопленного типа. Принцип действия противоположный.

Холодильный агент после дросселирования поступает в нижнюю часть передней крышки испарителя. В специальном распределительном устройстве парожидкостная смесь равномерно распределяется по всем трубам первого хода. Последовательно проходя первый и второй ходы. Жидкий холодильный агент кипит, образовавшийся пар выходит из верхнего патрубка передней крышки. Тёплый хладоноситель поступает межтрубное пространство испарителя со стороны передней крышки. В межтрубном пространстве испарителя установлено несколько перегородок с сегментными отверстиями. В межтрубном пространстве хладоноситель совершает продольно – поперечное обтекание теплообменных труб, охлаждаясь при этом на 2-4 оС. Охлаждённый хладоноситель выходит через выходной патрубок расположенный около задней глухой крышки. Особенностью данного испарителя является то, что применяются теплообменные трубы с внутренним оребрением. В качестве внутреннего оребрения могут быть использованы 8-10 канальные алюминиевые звёздочки, внутренние продольные рёбра, спиральное оребрение.

Особенностью также является применение специальных распределительных устройств в виде форсунок, пяточков, пластин с отверстиями.

1. Исключается разрыв труб при замерзании хладоносителя.

2. В 4-5 раз меньше заполнение холодильным агентом, чем в испарителях затопленного типа.

3. Возможность получения «ледяной» воды.

4. Меньшие гидравлические потери со стороны хладоносителя.

1. Меньшая интенсивность теплообмена чем в испарителях затопленного типа.

2. Большие гидравлические потери со стороны холодильного агента.

3. Сложность конструкции.

4. Высокая стоимость.

Такие испарители нашли широкое применение в агрегатированных водоохлаждающих холодильных машинах.

Типы испарителей и принцип работы

Испаритель — это теплообменный аппарат в составе холодильного оборудования для передачи теплоты от охлаждаемой рабочей среды к хладагенту. В этом термодинамическом процессе происходит кипение и испарение хладагента. Именно испаритель отвечает за эфективное понижение температуры либо воздуха, либо жидкости выступающих в роли рабочей среды.

Основные конструктивные требования к испарителям:

• интенсивный теплообмен (чем выше коэффициент теплопередачи, тем лучше)
• надежность и безопасность
• простота и низкая цена

Типы испарителей

Испарители разделяют на типы по видам охлаждаемой среды:

• воздушные (охлаждается воздух, используются в кондиционерах)
• жидкостные (охлаждается вода или гликоль, используются в чиллерах)
• твердые тела (в скороморозильных аппаратах)

Жидкостные испарители по конструкции делятся на 3 типа:

Кожухотрубный тип испарителя

Кожухотрубный тип испарителя подходит для широкого спектра хладагентов: аммиак, фреоны. Это изделие представляет собой стальной цилиндр, внутри которого проходит множество трубок диаметром около двух сантиметров. Трубки могут иметь вертикальное и горизонтальное направление. Для повышения эффективности охлаждения имеется оребрение трубок. В затопленном типе кожухотрубного испарителя хладагент заполняет пространство между трубками, охлаждаемая среда протекает внутри трубок. Другой вариант — хладагент кипит внутри трубок (незатопленный тип). Простая конструкция, эффективная теплопередача, нетребовательность к качеству воды или гликоля — основные плюсы данного оборудования. Габариты и эксплутационные риски (замораживание воды при аварии) — минусы.

Пластинчатые испарители

Наиболее перспективными в холодильной промышленности являются пластинчатые испарители. Потоки охлаждаемой среды и хладагента направлены навстречу друг другу по отдельным трубкам, проходящим через стальные пластины. Между потоком хладагента и охлажаемой средой через пластины происходит теплообмен. Выпускаются разборные, полуразборные, паянные и сварные пластинчатые теплообменники.

Они более компактны, обладают более высоким кэффициентом теплопередачи, менее подвержены повреждениям от замораживания по сравнению с кожухотрубными испарителями, однако чувствительны к качеству хладоносителя

Пленочные испарители

В пленочных испарителях охлаждаемая среда поступает на теплообменную поверхность пластин сверху тонким слоем и собирается внизу. Внутри пластин циркулирует хладагент. Широко применяется в пищевой промышленности для среднетемпературного охлаждения среды (до 1С).

Обслуживание и ремонт испарителей

Испаритель, как один из узлов холодильной машины, требует регламентного обслуживания. Пластинчатый — наиболее простой и ремонтопригодный тип испарителя. Для него обязателен контроль качества хладоносителя. Далее по рейтингу простоты обслуживания идет пленочный. Для кожухотрубных испарителей присутствует риск механических повреждений от замерзания рабочей среды при аварийной остановке насосной группы, поэтому требуется квалифицированная эксплуатация холодильного оборудования.

Вам также может понравиться

Общие проблемы безнаддувных двигателей

Есть ли проблемы с двигателями без наддува?

Поперечный и продольный двигатель

Тот, кто любит водить машину и имеет машину в гараже

Как понять, что заправился плохим топливом и что делать

Горючее в баке автомобиля должно соответствовать предусмотренному

Как определить наличие присадок в масле двигателя?

Присадки для двигателя помогают «оживить» устаревший

Как определить, что стучит в двигателе

Стук в двигателе обычно является признаком проблем

Как в двигателе определить подсос воздуха

Если во время работы двигателя возникают странные моменты

Что делать, если вода попала в двигатель, и чем это может грозить?

Система работающего двигателя достаточно защищена от

Сломался термостат: чем это опасно для двигателя, и как определить причину неисправности?

Работу двигателя обеспечивают сразу несколько важнейших