, и какие процессы происходят во время её работы. Для конечного потребителя холодильного оборудования, человека, которому необходим искусственный холод на его предприятии, будь это хранение или заморозка продукции, кондиционирование помещения или , воды и т.д., не обязательно детально знать и понимать теорию фазовых превращений в холодильном оборудовании. Но основные знания в этой сфере помогут ему в правильном и поставщика.

Холодильная машина предназначена для забора тепла (энергии) от охлаждаемого тела. Но по закону сохранения энергии, тепло просто так никуда не исчезнет, следовательно, взятую энергию необходимо перенести (отдать).

Процесс охлаждения основан на физическом яв лении поглощения тепла при кипении (испарении) жидкости (жидкого хладагента). предназначен для отсасывания газа из испарителя и сжатия, нагнетания его в конденсатор. При сжатии и нагревании паров хладагента мы сообщаем им энергию (или тепло), охлаждая и расширяя, мы отбираем энергию. Это основной принцип, на основе которого происходит перенос тепла и работает холодильная установка. В холодильном оборудовании для переноса тепла применяют хладагенты.

Холодильный компрессор 1 отсасывает газообразный хладагент (фреон) из (теплообменник или возду-хоохладитель) 3, сжимает его и нагнетает в 2 (воздушный или водяной). В конденсаторе 2 хладагент конденсируется (охлаждается потоком воздуха от вентилятора или потоком воды) и переходит в жидкое состояние. Из конденсатора 2 жид-кий хладагент (фреон) попадает в ресивер 4, где происходит его накопление. Также ресивер необходим для постоянного поддержания необходимого уровня хладагента. Ресивер оснащен запорными вентилями 19 на входе и выходе. Из ресивера хладагент поступает в фильтр-осушитель 9, где происходит удаление остатков влаги, приме-сей и загрязнений, после этого проходит через смотровое стекло с индикатором влажности 12, соленоид-ный вентиль 7 и дросселируется терморегулирующим вентилем 17 в испаритель 3.

Терморегулирующий вентиль применяется для регулирования подачи хладагента в испаритель

В испарителе хладагент кипит, забирая тепло от объекта охлаждения. Пары хладагента из испа-рителя через фильтр на всасывающей магистрали 11, где происходит очис-тка их от загрязнений, и отделитель жидкости 5 поступают в компрессор 1. Затем цикл работы холо-дильной машины повторяется.

Отделитель жидкости 5 предотвращает попадание жидкого хладагента в компрессор.

Для обеспечения гарантированного возврата масла в картер компрес-сора на выходе из компрессора устанавливаться маслоотделитель 6. При этом масло через запорный вентиль 24, фильтр 10 и смотровое стекло 13 по линии возврата масла поступает в компрессор.

Виброизоляторы 25, 26 на всасывающей и нагнетательной магистралях обес-печивают гашение вибраций при работе компрессора и препятствуют их распространению по холо-дильному контуру.

Компрессор оснащён картерным нагревателем 21 и двумя запорными вентилями 20.

Картерный нагреватель 21 необходим для выпаривания хладагента из масла, предотвращения конденсации хладагента в картере компрессора во время его стоянки и поддержания необходи-мой температуры масла.

В холодильных машинах с полугерметичными , у которых в системе смазки используется масляный насос, применяется реле контроля давления масла 18. Это реле предназначено для аварийного отключения компрессора в случае снижения давления масла в системе смазки.

В случае установки агрегата на улице он должен быть допол-нительно укомплектован гидравлическим регулятором давления конденсации, для обеспечения стабильной работы в зимних условиях и поддержания необходимого давления конденсации в холодное время года.

Реле высокого давления 14 управляют включением/выключением вентиляторов конденсатора, для поддержания необходимого давления конденсации.

Реле низкого давления 15 управляет включением/выключением компрессора.

Аварийное реле высокого и низкого давлений 16 предназначено для аварийного отключения компрессора в случае пониженного или повышенного давления.

На молочном комбинате используют одноступенчатую схему холодильной установки.

1 - компрессор; 2 - конденсатор; 3 - испарителей; 4 - ресивер ;

5 - отделитель жидкости; 6 - маслоотделитель; 7 - соленоидный вентиль;

9 - фильтр-осушитель; 10 - фильтр; 11 - фильтр на всасывающей магистрали; 12 - смотровое стекло с индикатором влажности; 13 - смотровое стекло;

14 - реле высокого давления; 15 - реле низкого давления; 16 - аварийное реле высокого и низкого давлений; 17 - терморегулирующим вентиль; 18 - реле контроля давления масла; 19 - запорный вентиль ресивера; 20 - запорный вентиль компрессора; 21 - картерный нагреватель; 25, 26 - виброизоляторы.

Рисунок 4 - Схема холодильной установки

Процесс охлаждения основан на физическом явлении поглощения тепла при кипении (испарении) жидкости (жидкого хладагента). Компрессор холодильной машины предназначен для отсасывания газа из испарителя и сжатия, нагнетания его в конденсатор. При сжатии и нагревании паров хладагента мы сообщаем им энергию (или тепло), охлаждая и расширяя, мы отбираем энергию. Это основной принцип, на основе которого происходит перенос тепла и работает холодильная установка. В холодильном оборудовании для переноса тепла применяют хладагенты.

Холодильный компрессор (1) отсасывает газообразный хладагент из испарителей (3), сжимает его и нагнетает в конденсатор (2) (воздушный или водяной). В конденсаторе (2) хладагент конденсируется и переходит в жидкое состояние. Из конденсатора (2) жидкий хладагент попадает в ресивер (4), где происходит его накопление. Также ресивер необходим для постоянного поддержания необходимого уровня хладагента. Ресивер оснащен запорными вентилями (19) на входе и выходе. Из ресивера хладагент поступает в фильтр-осушитель (9), где происходит удаление остатков влаги, примесей и загрязнений, после этого проходит через смотровое стекло с индикатором влажности (12), соленоидный вентиль(7) и дросселируется терморегулирующим вентилем (17) в испаритель (3).

Терморегулирующий вентиль применяется для регулирования подачи хладагента в испаритель.

В испарителе хладагент кипит, забирая тепло от объекта охлаждения. Пары хладагента из испарителя через фильтр на всасывающей магистрали (11), где происходит очистка их от загрязнений, и отделитель жидкости (5) поступают в компрессор (1). Затем цикл работы холодильной машины повторяется.

Отделитель жидкости (5) предотвращает попадание жидкого хладагента в компрессор.

Для обеспечения гарантированного возврата масла в картер компрессора на выходе из компрессора устанавливаться маслоотделитель (6). При этом масло через запорный вентиль (24), фильтр (10) и смотровое стекло (13) по линии возврата масла поступает в компрессор.

Виброизоляторы (25),(26) на всасывающей и нагнетательной магистралях обеспечивают гашение вибраций при работе компрессора и препятствуют их распространению по холодильному контуру.

Компрессор оснащён картерным нагревателем (21) и двумя запорными вентилями (20).

Картерный нагреватель (21) необходим для выпаривания хладагента из масла, предотвращения конденсации хладагента в картере компрессора во время его стоянки и поддержания необходимой температуры масла.

В холодильных машинах с полугерметичными поршневыми компрессорами, у которых в системе смазки используется масляный насос, применяется реле контроля давления масла (18). Это реле предназначено для аварийного отключения компрессора в случае снижения давления масла в системе смазки.

В случае установки агрегата на улице он должен быть дополнительно укомплектован гидравлическим регулятором давления конденсации, для обеспечения стабильной работы в зимних условиях и поддержания необходимого давления конденсации в холодное время года.

Реле высокого давления (14) управляют включением/выключением вентиляторов конденсатора, для поддержания необходимого давления конденсации.

Реле низкого давления (15) управляет включением/выключением компрессора.

Аварийное реле высокого и низкого давлений (16) предназначено для аварийного отключения компрессора в случае пониженного или повышенного давления.

Охлаждение различных объектов - продуктов питания, воды, других жидкостей, воздуха, технических газов и др. до температур ниже температуры окружающей среды происходит с помощью холодильных машин различных типов. Холодильная машина по большому счету не производит холод, она является лишь своеобразным насосом, который переносит теплоту от менее нагретых тел к более нагретым. Основан же процесс охлаждения на постоянном повторении т.н. обратного термодинамического или другими словами холодильного цикла. В самом распространенном парокомпрессионном холодильном цикле перенос теплоты происходит при фазовых превращениях хладагента – его испарении (кипении) и конденсации за счет потребления подведенной извне энергии.

Основными элементами холодильной машины, с помощью которых реализуется ее рабочий цикл, являются:

• компрессор – элемент холодильного цикла, обеспечивающий повышение давления хладагента и его циркуляцию в контуре холодильной машины;
• дросселирующее устройство (капиллярная трубка, терморегулирующий вентиль) служит регулирования количества хладагента, попадающего в испаритель в зависимости от перегрева на испарителе.
• испаритель (охладитель) – теплообменник, в котором происходит кипение хладагента (с поглощением тепла) и непосредственно сам процесс охлаждения;
• конденсатор – теплообменник, в котором в результате фазового перехода хладагента из газообразного состояния в жидкое, отведенная теплота сбрасывается в окружающую среду.

При этом необходимо наличие в холодильной машине других вспомогательных элементов, – электромагнитные (соленоидные) вентили, контрольно-измерительные приборы, смотровые стекла, фильтры-осушители и т.д. Все элементы соединены между собой в герметичный внутренний контур с помощью трубопроводов с теплоизоляцией. Контур холодильной машины заполняется хладагентом в необходимом количестве. Основной энергетической характеристикой холодильной машины является холодильный коэффициент, который определяется отношением количества тепла, отведенного от охлаждаемого источника, к затраченной энергии.

Холодильные машины в зависимости от принципов работы и применяемого хладагента бывают нескольких типов. Наиболее распространенные парокомпрессионные, пароэжекторные, абсорбционные, воздушные и термоэлектрические.

Хладагент

Хладагент – рабочее вещество холодильного цикла, основной характеристикой которого является низкая температура кипения. В качестве хладагентов чаще всего применяют различные углеводородные соединения, которые могут содержать атомы хлора, фтора или брома. Также хладагентом могут быть аммиак, углекислый газ, пропан и т.д. Реже в качестве хладагента применяют воздух. Всего известно около сотни типов хладагентов, но изготавливается промышленным способом и широко применяется в холодильной, криогенной технике, кондиционировании воздуха и других отраслях всего около 40. Это R12, R22, R134A, R407C, R404A, R410A, R717, R507 и другие. Основная область применения хладагентов – это холодильная и химическая промышленность. Кроме того, некоторые фреоны используют в качестве пропеллентов при производстве различной продукции в аэрозольной упаковке; вспенивателей при производстве полиуретановых и теплоизолирующих изделий; растворителей; а также в качестве веществ, тормозящих реакцию горения, для систем пожаротушения различных объектов повышенной опасности – тепловых и атомных электростанций, гражданских морских судов, боевых кораблей и подводных лодок.

Терморегулирующий вентиль (ТРВ)

Терморегулирующий вентиль (ТРВ) – один из основных компонентов холодильных машин, известен как наиболее распространенный элемент для дросселирования и точного регулирования подачи хладагента в испаритель. ТРВ использует в качестве регулятора расхода хладагента клапан игольчатого типа, примыкающий к основанию тарельчатой формы. Количество и расход хладагента определяется проходным сечением ТРВ и зависит от температуры на выходе из испарителя. При изменении температуры хладагента на выходе из испарителя, давление внутри этой системы меняется. При изменении давления меняется проходное сечение ТРВ и, соответственно, меняется расход хладагента.

Термосистема заполнена на заводе-изготовителе точно определенным количеством того же хладагента, который является рабочим веществом данной холодильной машины. Задача ТРВ – дросселирование и регулирование расхода хладагента на входе в испаритель таким образом, чтобы в нем наиболее эффективно проходил процесс охлаждения. При этом хладагент должен полностью перейти в парообразное состояние. Это необходимо для надежной работы компрессора и исключения его работы т.н. «влажным» ходом (т.е. сжатие жидкости). Термобаллон крепится на трубопровод между испарителем и компрессором, причем в месте крепления необходимо обеспечить надежный термический контакт и теплоизоляцию от воздействия температуры окружающей среды. Последние 15-20 лет в холодильной технике стали получать широкое распространение электронные ТРВ. Они отличаются тем, что у них отсутствует выносная термосистема, а ее роль играет терморезистор, закрепленный на трубопроводе за испарителем, связанный кабелем с микропроцессорным контролером, который в свою очередь управляет электронным ТРВ и вообще всеми рабочими процессами холодильной машины.

Соленоидный вентиль служит для двухпозиционного регулирования («открыто-закрыто») подачи хладагента в испаритель холодильной машины либо для открытия-закрытия от внешнего сигнала определенных участков трубопроводов. При отсутствии питания на катушке тарелка клапана под воздействием специальной пружины удерживает соленоидный вентиль закрытым. При подаче питания сердечник электромагнита, соединенный штоком с тарелкой, преодолевает усилие пружины, втягивается в катушку, тем самым приподнимая тарелку и открывая проходное сечение вентиля для подачи хладагента.

Смотровое стекло в холодильной машине предназначено для определения:

1. состояния хладагента;
2. наличие влаги в хладагенте, которое определяется цветом индикатора.

Смотровое стекло обычно монтируют в трубопроводе на выходе из накопительного ресивера. Конструктивно смотровое стекло представляет собой металлический герметичный корпус с окном из прозрачного стекла. Если при работе холодильной машины в окне наблюдается поток жидкости с отдельными пузырями парообразного хладагента, то это может свидетельствовать о недостаточной заправке или других неисправностях в ее функционировании. Может устанавливаться и второе смотровое стекло на другом конце указанного выше трубопровода, в непосредственной близости от регулятора расхода, которым может быть соленоидный вентиль, ТРВ или капиллярная трубка. Цвет индикатора показывает наличие или отсутствие влаги в холодильном контуре.

Фильтр-осушитель или цеолитовый патрон еще один важный элемент контура холодильных машин. Он необходим для удаления влаги и механических загрязнений из хладагента, тем самым защищая от засорения ТРВ. Обычно он монтируется с помощью паяных или штуцерных соединений непосредственно в трубопровод между конденсатором и ТРВ (соленоидным вентилем, капиллярной трубкой). Чаще всего конструктивно представляет собой отрезок медной трубы диаметром 16…30 и длиной 90…170 мм, закатанный с обеих сторон и с присоединительными патрубками. Внутри по краям установлены две металлические фильтрующие сетки, между которыми расположен гранулированный (1,5…3,0 мм) адсорбент, обычно это синтетический цеолит. Это т.н. разовый фильтр-осушитель, но существуют многоразовые конструкции фильтров с разборным корпусом и резьбовыми трубопроводными соединениями, требующими только время от времени замены внутреннего цеолитового картриджа. Замена разового фильтра- осушителя или картриджа необходима после каждого вскрытия внутреннего контура холодильной машины. Существуют одно-направленные фильтры, предназначенные для работы в системах «только холод» и дву-направленные, используемые в агрегатах «тепло-холод».

Ресивер

Ресивер – герметичный цилиндрический накопительный бак различной емкости, изготовленный из стального листа, и служащий для сбора жидкого хладагента и его равномерной подачи к регулятору расхода (ТРВ, капиллярная трубка) и в испаритель. Существуют ресиверы как вертикального, так и горизонтального типа. Различают линейные, дренажные, циркуляционные и защитные ресиверы. Линейный ресивер устанавливается с помощью паяных соединений в трубопровод между конденсатором и ТРВ и выполняет следующие функции:

• обеспечивает непрерывную и бесперебойную работу холодильной машины при различных тепловых нагрузках;
• является гидравлическим затвором, препятствующим попаданию пара хладагента в ТРВ;
• выполняет функцию масло- и воздухоотделителя;
• освобождает трубы конденсатора от жидкого хладагента.

Дренажные ресиверы служат для сбора и хранение всего количества заправленного хладагента на время ремонтных и сервисных работ, связанных с разгерметизацией внутреннего контура холодильной машины.

Циркуляционные ресиверы применяют в насосно-циркуляционных схемах подачи жидкого хладагента в испаритель для обеспечения непрерывной работы насоса и монтируют в трубопровод после испарителя в точку с самой низкой отметкой по высоте для свободного слива в него жидкости.

Защитные ресиверы предназначены для безнасосных схем подачи фреона в испаритель, их устанавливают совместно с отделителями жидкости во всасывающий трубопровод между испарителем и компрессором. Они служат для защиты компрессора от возможной работы «влажным» ходом.

Регулятор давления – автоматически управляемый регулирующий клапан, применяемый для снижения либо поддержания давления хладагента путем изменения гидравлического сопротивления потоку проходящего через него жидкого хладагента. Конструктивно состоит из трех основных элементов: регулирующего клапана, его исполнительного механизма и измерительного элемента. Исполнительный механизм непосредственно воздействует на тарелку клапана, изменяя или закрывая проходное сечение. Измерительный элемент сравнивает текущее и заданное значение давления хладагента и формирует управляющий сигнал для исполнительного механизма регулирующего клапана. В холодильной технике существуют регуляторы низкого давления, чаще называемые прессостатами. Они управляют давлением кипения в испарителе, их устанавливают во всасывающий трубопровод за испарителем. Регуляторы высокого давления называют маноконтроллерами. Их чаще всего применяют в холодильных машинах с воздушным охлаждением конденсатора для поддержания минимально необходимого давления конденсации при понижении температуры наружного воздуха в переходный и холодный период года, обеспечивая тем самым т.н. зимнее регулирование. Маноконтроллер устанавливают в нагнетательный трубопровод между компрессором и конденсатором.

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. : 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.

Таблица 1.

В XX веке в качестве хладагентов широко применяли различные фреоны на основе фторхлоруглеродов. Они вызывали активное разрушение озонового слоя, в связи, с чем в настоящее время их применение ограничено, и в качестве основного хладагента используют хладагент К- 134А (открыт в 1992 году) на основе этана. Его термодинамические свойства близки к свойствам фреона К-12. У обоих хладагентов несущественно различаются молекулярные массы, теплоты парообразования и температуры кипения, но, в отличие от К-12, хладагент К-134А не агрессивен по отношению к озоновому слою Земли.

Схема ПКХУ и цикл в T-s-координатах показаны на рис. 15 и 16. В ПКХУ понижение давления и температуры осуществляется дросселированием хладагента при его протекании через редукционный вентиль РВ, проходное сечение которого может изменяться.

Хладагент из холодильной камеры ХК поступает в компрессор К, в котором адиабатно сжимается в процессе 1 -2. Образующийся при этом сухой насыщенный пар поступает в КД, где конденсируется при постоянных значениях давления и температуры в процессе 2-3. Выделяющаяся теплота q1 отводится к «горячему» источнику, которым в большинстве случаев является окружающий воздух. Образовавшийся конденсат дросселируется в редукционном вентиле РВ с переменным проходным сечением, что позволяет изменять давление выходящего из него влажного пара (процесс 3-4).

Рис. 15. Принципиальная схема (а) и цикл в T-s-координатах (б) парокомпрессорной холодильной установки : КД - конденсатор; К - компрессор; ХК - холодильная камера; РВ - редукционный вентиль

Поскольку протекающий при неизменном значении энтальпии (h3 - h) процесс дросселирования необратим, его изображают пунктирной линией. Полученный в результате процесса влажный насыщенный пар небольшой степени сухости попадает в теплообменник холодильной камеры, где при постоянных значениях давления и температуры испаряется за счет теплоты q2b отбираемой от находящихся в камере предметов (процесс 4-1).

Рис. 16. : 1 - холодильная камера; 2 - теплоизоляция; 3 - компрессор; 4 - сжатый горячий пар; 5 - теплообменник; 6 - охлаждающий воздух или охлаждающая вода; 7 - жидкий хладагент; 8 - дроссельный вентиль (расширитель); 9 - расширившаяся, охлажденная и частично испарившаяся жидкость; 10 - охладитель (испаритель); 11 - испарившийся теплоноситель

В результате «подсушивания» степень сухости хладагента растет. Количество теплоты, отбираемой у охлаждаемых в холодильной камере предметов, в Т-Б-координатах определяется площадью прямоугольника под изотермой 4-1.

Использование в ПКХУ легкокипящих жидкостей в качестве рабочего тела позволяет приблизиться к обратному циклу Карно.

Вместо дросселирующего вентиля для понижения температуры можно использовать и расширительный цилиндр - детандер (см. рис. 14). При этом установка будет работать по обратному циклу Карно (12-3-5-1). Тогда теплота, отбираемая у охлаждаемых предметов, будет большей - она определится площадью под изотермой 5-4-1. Несмотря на частичную компенсацию затрат энергии на привод компрессора положительной работой, получаемой при расширении хладагента в расширительном цилиндре, такие установки не применяют ввиду их конструктивной сложности и больших габаритных размеров. К тому же в установках с дросселем переменного сечения гораздо проще регулировать температуру в холодильной камере.

Рис 17.

Для этого достаточно лишь изменить площадь проходного сечения дросселирующего вентиля, что приводит к изменению давления и соответствующей ему температуры насыщенных паров хладагента на выходе из вентиля.

В настоящее время вместо поршневых компрессоров в основном используют лопаточные компрессоры (рис. 18). О большей экономичности ПКХУ по сравнению с воздушными установками свидетельствует и тот факт, что отношение холодильных коэффициентов ПКХУ и обратного цикла Карно

В реальных парокомпрессорных установках из теплообменника- испарителя холодильной камеры в компрессор поступает не влажный, а сухой или даже перегретый пар (рис. 17). Это увеличивает отводимую теплоту q2, уменьшает интенсивность теплообмена хладагента со стенками цилиндра и улучшает условия смазывания поршневой группы компрессора. В подобном цикле в конденсаторе происходит некоторое переохлаждение рабочего тела (участок изобары 4-5).

Рис. 18.

2.3. Пароэжекторные холодильные установки

Цикл пароэжекторной холодильной установки (рис. 19 и 20) также осуществляют за счет затраты тепловой, а не механической энергии.

Рис. 19. : ХК - холодильная камера; Э - эжектор; КД - конденсатор; РВ - редукционный вентиль; Н - насос; КА - котельный агрегат

Рис. 20.

При этом компенсирующим является самопроизвольный перенос теплоты от более нагретого тела к менее нагретому телу. В качестве рабочего тела может использоваться пар любой жидкости. Однако обычно используют самый дешевый и доступный хладагент - водяной пар при низких значениях давления и температуры.

Из котельной установки пар поступает в сопло эжектора Э. При истечении пара с большой скоростью в камере смешения за соплом создается разрежение, под действием которого в камеру смешения подсасывается хладагент из холодильной камеры ХК. В диффузоре эжектора скорость смеси уменьшается, а давление и температура растут. Затем паровая смесь поступает в конденсатор КД, где превращается в жидкость в результате отведения в окружающую среду теплоты q1. В связи с многократным уменьшением удельного объема в процессе конденсации давление понижается до значения, при котором температура насыщения приблизительно равна 20 °С. Одна часть конденсата перекачивается насосом Н в котельный агрегат КА, а другая - подвергается дросселированию в вентиле РВ, в результате чего при понижении давления и температуры образуется влажный пар с небольшой степенью сухости. В теплообменнике-испарителе ХК этот пар подсушивается при постоянной температуре, отбирая теплоту q2 у охлаждаемых предметов, а затем вновь поступает в паровой эжектор.

Поскольку затраты механической энергии на перекачивание жидкой фазы в абсорбционных и пароэжекторных холодильных установках крайне малы, ими пренебрегают, и эффективность таких установок оценивают коэффициентом теплоиспользования, представляющим собой отношение отбираемой от охлаждаемых предметов теплоты к теплоте, используемой для реализации циклов.

Для получения низких температур в результате переноса теплоты к «горячему» источнику принципиально могут использовать и иные принципы. Например, температуру можно понижать в результате испарения воды. Этот принцип применяют в условиях жаркого и сухого климата в испарительных кондиционерах.

3. Бытовые и промышленные холодильники

Холодильник - устройство, поддерживающее низкую температуру в теплоизолированной камере. Обычно их применяют для хранения пищи и других предметов, требующих хранения в холодном месте.

На рис. 21 показана схема работы однокамерного холодильника, а на рис. 22 - назначение основных частей холодильника.

Рис. 21.

Рис. 22.

Работа холодильника основана на применении теплового насоса, переносящего теплоту из рабочей камеры холодильника наружу, где оно отдается внешней среде. В промышленных холодильниках объём рабочей камеры может достигать десятков и сотен м3.

Холодильники могут быть двух видов: среднетемпературные камеры для хранения продуктов и низкотемпературные морозильники. Однако в последнее время наибольшее распространение получили двухкамерные холодильники, включающие в себя оба компонента.

Холодильники бывают четырех типов: 1 - компрессионные; 2 - абсорбционные; 3 - термоэлектрические; 4 - с вихревыми охладителями.

Рис. 23. : 1 - конденсатор; 2 - капилляр; 3 - испаритель; 4 - компрессор

Рис. 24.

Основными составляющими частями холодильника являются:

1 - компрессор, получающий энергию от электрической сети;

2 - конденсатор, находящийся снаружи холодильника;

3 - испаритель, находящийся внутри холодильника;

4 - терморегулирующий расширительный вентиль (ТРВ), являющийся дросселирующим устройством;

5 - хладагент (циркулирующее в системе вещество с определёнными физическими характеристиками - обычно им является фреон).

3.1. Принцип работы компрессионного холодильника

Теоретической основой, на которой построен принцип работы холодильников, схема которых показана на рис. 23, является второе начало термодинамики. Охлаждающий газ в холодильниках совершает так называемый обратный цикл Карно . При этом основная передача теплоты основана не на цикле Карно, а на фазовых переходах - испарении и конденсации. В принципе возможно создание холодильника использующего только цикл Карно, но при этом для достижения высокой производительности потребуется или компрессор, создающий очень высокое давление, или очень большая площадь охлаждающего и нагревающего теплообменника.

Хладагент поступает в испаритель под давлением через дросселирующее отверстие (капилляр или ТРВ), где за счёт резкого уменьшения давления происходит испарение жидкости и превращение ее в пар. При этом хладагент отнимает теплоту у внутренних стенок испарителя, за счёт чего происходит охлаждение внутреннего пространства холодильника. Компрессор засасывает из испарителя хладагент в виде пара, сжимает его, за счёт чего температура хладагента повышается и выталкивает в конденсатор. В конденсаторе нагретый в результате сжатия хладагент остывает, отдавая теплоту во внешнюю среду, и конденсируется , т.е. превращается в жидкость. Процесс повторяется вновь. Таким образом, в конденсаторе хладагент (обычно им является фреон) под воздействием высокого давления конденсируется и переходит в жидкое состояние, выделяя теплоту, а в испарителе под воздействием низкого давления хладагент вскипает и переходит в газообразное, поглощая теплоту.

Терморегулирующий вентиль (ТРВ) необходим для создания необходимой разности давлений между конденсатором и испарителем, при которой происходит цикл теплопередачи. Он позволяет правильно (наиболее полно) заполнять внутренний объем испарителя вскипевшим хладагентом. Пропускное сечение ТРВ изменяется по мере снижения тепловой нагрузки на испаритель, причем при понижении температуры в камере количество циркулирующего хладагента уменьшается. Капилляр - это аналог ТРВ. Он не меняет свое сечение, а дросселирует определенное количество хладагента, зависящее от давления на входе и выходе капилляра, его диаметра и типа хладагента.

При достижении необходимой температуры температурный датчик размыкает электрическую цепь и компрессор останавливается. При повышении температуры (за счёт внешних факторов) датчик вновь включает компрессор.

3.2. Принцип работы абсорбционного холодильника

В абсорбционном водо-аммиачном холодильнике используется свойство одного из широко распространённых хладагентов - аммиака - хорошо растворяться в воде (до 1000 объёмов аммиака на 1 объём воды). Принцип работы абсорбционной холодильной установки показан на рис. 26, а ее принципиальная схема - на рис. 27.

Рис. 26.

Рис. 27. : ГП - генератор пара; КД - конденсатор; РВ1, РВ2 - редукционные вентили; ХК - холодильная камера; Аб - абсорбер; Н - насос

В этом случае требуемое для любого испарительного холодильника удаление газообразного хладагента из змеевика испарителя ведут поглощением его водой, раствор аммиака в которой затем перекачивают в специальную ёмкость (десорбер/генератор) и там подвергают разложению на аммиак и воду путём нагрева. Пары аммиака и воды из неё под давлением поступают в устройство разделения (ректификационная колонна), где пары аммиака отделяются от воды. Далее практически чистый аммиак попадает в конденсатор, где, охлаждаясь, конденсируется и через дроссель снова поступает в испаритель для испарения. Такая тепловая машина может использовать для перекачки раствора хладагента разнообразные приспособления, в том числе и струйные насосы, и не иметь движущихся механических частей. Помимо аммиака и воды, могут использоваться и другие пары веществ - например, раствор бромистого лития, ацетилен и ацетон. Преимущества абсорбционных холодильников - бесшумность работы, отсутствие движущихся механических частей, возможность работы от нагрева прямым сжиганием топлива, недостаток - низкая холодопроизводительность на единицу объёма.

3.3. Принцип работы термоэлектрического холодильника

Существуют устройства, основанные на эффекте Пельтье, заключающемся в поглощении теплоты одним из спаев термопар (разнородных проводников) при выделении ее на другом спае в случае пропускания через них тока. Этот принцип используют, в частности, в сумках-кулерах. Возможно как понижение, так и повышение температуры с помощью предложенных французским инженером Ранком вихревых трубок, в которых температура существенно изменяется по радиусу движущегося в них закрученного вихревого воздушного потока.

Термоэлектрический холодильник основан на элементах Пельтье. Он бесшумен, но распространен мало из-за дороговизны охлаждающих термоэлектрических элементов. Однако небольшие автомобильные холодильники и охладители питьевой воды часто производят с охлаждением от элементов Пельтье.

3.4. Принцип работы холодильника на вихревых охладителях

Охлаждение осуществляется за счёт расширения предварительно сжатого компрессором воздуха в блоках специальных вихревых охладителей. Они распространены мало из-за большой шумности, необходимости подвода сжатого (до 1,0-2,0 МПа) воздуха и очень большого его расхода, низкого КПД. Достоинства - большая безопасность (не используется электричество, нет движущихся частей и опасных химических соединений), долговечность и надёжность.

4. Примеры холодильных установок

Некоторые схемы и описания холодильных установок различного назначения, а также их фотографии показаны на рис. 27-34.

Рис. 27.

Рис. 28.

Рис. 29.

Рис 32.

Рис. 33.

Например, холодильные установки компрессорно-конденсаторные (тип АКК) или компрессорно-рессиверные (тип АКР), показанные на рис. 34, предназначены для работы c поддержанием температуры от +15 °С до -40 °С в камерах объёмом от 12 до 2500 м3.

В состав холодильной установки входят: 1 - компрессорно-конденсаторный или компрессорно -рессиверный агрегат; 2 - воздухоохладитель; 3 - терморегулирующий вентиль (ТРВ); 4 - соленоидный вентиль; 5 - щит управления.

Устройство, а также принцип работы холодильника поверхностно изучается на уроках физики, однако, не каждый взрослый человек представляет, как работает холодильник? Рассмотрение и анализ основных технических аспектов поможет на практике продлить срок эксплуатации и улучшить работу бытового холодильника.

Устройство компрессионного холодильника

Устройство холодильника лучше всего рассматривать на примере компрессионного образца, поскольку в быту чаще всего используются именно такие аппараты:

1. – устройство, которое с помощью поршня проталкивает хладагент (газ), создавая разное давление на разных участках системы;
2. Испаритель – емкость, в которую попадает разжиженный газ, впитывающий тепло из холодильной камеры;
3. Конденсатор – емкость, в которой сжатый газ отдает тепло в окружающее пространство;
4. Терморегулирующий вентиль – устройство поддерживающее необходимое давление хладагента;
5. Хладагент – смесь газов (чаще всего используют фреон), которая под воздействием работы компрессора циркулирует в системе, забирая и отдавая тепло на разных ее участках.

Работа холодильника

Устройство холодильника, а также принцип работы холодильника с одной камерой можно понять, просмотрев соответствующее видео:

Самым важным аспектом в понимании работы компрессионного аппарата является то, что он не создает холод как таковой. Холод возникает вследствие отбора тепла внутри устройства и отправки его наружу. Эту функцию выполняет фреон. Попадая в испаритель, который обычно состоит из алюминиевых трубок или, спаянных между собой пластин, пары фреона поглощают тепло.

Это нужно знать: в холодильниках старого образца корпус испарителя одновременно является корпусом морозильной камеры. При размораживании этой камеры нельзя пользоваться острыми предметами для устранения льда, поскольку через пробитый корпус испарителя весь фреон выветрится. Холодильник без хладагента становится нерабочим и подлежит дорогостоящему ремонту.

Далее под воздействием компрессора пары фреона покидают испаритель и переходят в конденсатор (система из трубок, которые располагаются внутри стенок и на задней части агрегата). В конденсаторе хладагент остывает, постепенно становясь жидким. По пути в испаритель газовая смесь осушается в фильтре-осушителе, а также проходит через капиллярную трубку. На входе в испаритель за счет увеличения внутреннего диаметра трубки давление падает и газ становится парообразным. Цикл повторяется до тех пор, пока не будет достигнута необходимая температура.

Как работает компрессор?

При помощи поршня компрессор перегоняет хладагент из одной системы трубок в другую, попеременно меняя физическое состояние фреона. При подаче хладагента в конденсатор компрессор его сильно сжимает, отчего фреон нагревается. Пройдя длинный путь по лабиринту трубок конденсатора, охлажденный фреон через расширенную трубку попадает в испаритель. От резкой перемены давления хладагент быстро охлаждается. Теперь пары фреона способны поглотить определенную дозу тепла и перейти в систему трубок конденсатора.

В бытовых приборах используют полностью герметичные корпуса компрессоров, которые не пропускают рабочую газовую смесь. С целью герметичности электродвигатель, который приводит в движение поршень, тоже располагается внутри корпуса компрессора. Все трущиеся детали внутри мотор-компрессора смазаны специальным маслом.

Электрическая схема холодильника может стать полезной для тех, кто готов к самостоятельной диагностике и ремонту холодильника:

Устройство и принцип работы двухкамерного холодильника

Устройство двухкамерного холодильника отличается от однокамерного тем, что в каждом отсеке есть свой испаритель. В отличие от предшественников, в двухкамерных аппаратах оба отсека изолированы друг от друга. В таких устройствах морозилка, как правило, располагается, внизу, а холодильная часть – вверху. Принцип работы двухкамерного холодильника заключается в том, что рабочая газовая смесь сначала остужает испаритель морозилки до определенной минусовой температуры. Только после этого фреон переходит в испаритель холодильного отсека. После того, как испаритель холодильной камеры достигнет определенной минусовой температуры срабатывает терморегулятор, останавливающий работу мотора.

В быту чаще используются двухкамерные аппараты с одним компрессором. В агрегатах с двумя моторами принцип работы холодильника существенно не меняется, просто один компрессор работает на морозилку, другой – на холодильную камеру. Принято считать, что работа холодильника с одним компрессором более экономична, но на деле это не всегда так. Ведь в аппарате с двумя моторами можно отключать одну из камер, в работе которой нет нужды. Работа двухкамерного холодильника с одним компрессором всегда предполагает одновременное охлаждение обеих камер.

Холодильник и температура внешней среды

В инструкции по эксплуатации большинства бытовых холодильников указано при какой температуре лучше всего его эксплуатировать. Минимально допустимым показателем является температура +5 по Цельсию. Может ли холодильник работать в условиях холода, особенно, на морозе? Рассмотрим возможные проблемы:

• Неправильная работа термостата. В обычных условиях терморегулятор разрывает электрическую цепь при достижении необходимой температуры. Когда воздух внутри прогреется, термостат снова замкнет электрическую цепь, и мотор возобновит свою работу. В условиях минусовой температуры внешней среды термостат, скорее всего, повторно не включит компрессор, так как теплу внутри камеры попросту неоткуда взяться;
• Затрудненный запуск компрессора. В старых аппаратах чаще всего применялись хладагенты R12 и R22. Для нормальной работы использовались рефрижераторные масла, которые при температуре ниже +5С становятся слишком густыми, а это значит, что запуск и движение поршня будет затруднительным;
• Возникновение эффекта «влажного хода». Поскольку тепла в холодильнике нет, то нарушается работа испарителя. В компрессор поступает насыщенный каплями пар. В результате продолжительной работы в таких условиях вся механика мотора будет повреждена.

Простыми словами, щадящее отношение к устройству значительно продлит срок его работы.

Принцип работы абсорбционного холодильника

В абсорбционном аппарате охлаждение связано с испарением рабочей смеси. Чаще всего таким веществом является аммиак. Передвижение хладагента происходит в результате растворения аммиака в воде. Из абсорбера раствор аммиака поступает в десорбер, а далее – в дефлегматор, в котором смесь разделяется на первоначальные составляющие. В конденсаторе аммиак становится жидким и снова направляется в испаритель.

Перемещение жидкости обеспечивают струйные насосы. Кроме воды и аммиака в системе присутствует водород или другой инертный газ.

Чаще всего абсорбционный холодильник востребован там, где невозможно использовать обычный компрессионный аналог. В быту такие аппараты применяются редко, так как они сравнительно недолговечны, а хладагент представляет собой ядовитое вещество.

Режим работы и отдыха компрессионного холодильника

Многим пользователям интересен вопрос: сколько должен работать холодильник? Единственно верным критерием нормальной работы домашнего аппарата является достаточная степень заморозки и охлаждения продуктов в нем.

Сколько холодильник может работать, а сколько должен отдыхать не прописано ни в одной инструкции, однако, существует понятие «оптимального коэффициента рабочего времени». Для его вычисления продолжительность рабочего цикла разделяют на сумму рабочего и нерабочего цикла. Так, например, холодильник, проработавший 15 минут с дальнейшим 25-минутным отдыхом, будет иметь коэффициент 15/(15+25) = 0,37. Чем меньше этот коэффициент, тем лучше работает холодильник. Если в результате подсчета получится число меньше 0,2, то, скорее всего, неправильно выставлена температура в холодильнике. Коэффициент больше 0,6 означает, что герметичность агрегата нарушена.

Как работает холодильник No Frost?

В холодильниках с системой no frost («без инея») есть только один испаритель, который спрятан в морозилке за пластиковой стенкой. Холод от него передается при помощи вентилятора, который расположен за испарителем. Через технологические отверстия холодный воздух поступает в морозильную, а далее – в холодильную камеру.

Вконтакте