Цикл Карно 6 страница

Агрегаты рассчитаны на работу с ТРВ или капиллярной трубкой. Их комплектуют фильтром-осушителем, который устанавливается в процессе монтажа холодильного оборудования.

Сравнительно с агрегатами с сальниковыми компрессорами, герметичные холодильные агрегаты отличаются меньшими габаритами и массой, бесшумностью, малой вибрацией, высокой надежностью в эксплуатации и обслуживании.

Однако, как отмечено ранее, при оценке эксплуатационных достоинств и недостатков герметичных компрессоров, при утечке холодильного агента из холодильной машины, обмотка электродвигателя компрессора может сгореть. Поэтому на базе компрессоров с экранированным ротором созданы холодильные агрегаты типа ВСэ (рис. 12.9). Эксплуатационные качества таких агрегатов вытекают из эксплуатационных достоинств и недостатков установленных в них герметичных компрессоров с экранированным ротором.

Холодильные агрегаты используют главным образом для охлаждения воздуха в холодильных камерах торгового холодильного оборудования.

12.5. Комплексные компрессорно-конденсаторные агрегаты

Приоритетным направлением развития холодильной техники в области агрегатирования является создание комплексных агрегатов, объединяющих в единой механически прочно связанной конструкции все элементы холодильной машины. Эта задача решается с учетом конструктивных особенностей торгового холодильного оборудования. Например, в большинстве типов домашних холодильниках, агрегат не является конструктивно жестко связанным с основными элементами (рис. 12.8).

Равным образом это можно отнести к так называемым сплит-системам (рис.12.10, 12.11).

12.5.1. Сплит-системы

Сплит-системыиспользуются преимущественно в установках кондиционирования воздуха в помещениях офисов, торговых залах системы массового питания, предприятий торговли.

Они представляют собой объединенные между собой посредством трубопроводов отдельно оформленные два блока. Один - включает в себя компрессорно-конденсаторный агрегат с приборами автоматического регулирования и контроля температуры в охлаждаемом объеме, в другом - находится воздухоохладитель с дросселирующим устройством.

Сплит-системыимеют многообразное техническое исполнение. Например, они могут различаться направлением воздушного потока, проходящего через воздухоохладитель (рис. 12.10 и рис. 12.11). В воздухоохладителе (рис. 12.10) воздух поступает снизу, выходит в горизонтальном направлении. В воздухоохладителе (рис. 12.11) воздух не меняет направление движения.

Компрессорно-конденсаторный агрегат располагают снаружи здания или внутри его, но за пределами охлаждаемого помещения.

Достоинство сплит-систем состоит в отсутствии шума в рабочих помещениях офисов или торговом зале предприятия, в удалении теплоты конденсации от работающего холодильного оборудования за пределы здания, что принципиально важно в летнее время.

Недостаток сплит-систем состоит в том, что они, как комплекс, не являются системами полной заводской сборки и потому требуют квалифицированного и качественного монтажа на месте их установки. Кроме того, тепло конденсации выбрасывается на улицу, что энергетически неразумно и потому возникает естественный вопрос о его утилизации.

Логическим продолжением объединения элементов холодильной машины в единый жестко связанный комплекс является моноблок (рис. 12.12, 12.13, 12.14). Технические характеристики моноблочных холодильных машин MAZ и BAZ отражены в приложении, табл. 12.1, 12.2.

12.5.2. Моноблочные холодильные машины

Моноблочная холодильная машина является изделием заводской сборки. Как правило, холодильная машина не имеет соединений трубок посредством накидных гаек, ниппелей. Вся сборка обеспечивается сваркой (пайкой) трубопроводов и потому холодильная машина является герметичной. Утечки холодильного агента из такой машины практически исключены.

При традиционной сборке элементов моноблочной холодильной машины (рис. 12.13), использующей ниппельные соединения (трубки присоединяются накидными гайками), необходим контроль герметичности системы.

На рис. 12.14 представлена схема моноблочной холодильной машины, используемой в холодильных шкафах ШХ-0,71 и ШХ-1,4.

Достоинство моноблочных холодильных машин заключено в заводском способе монтажных работ, что обеспечивается высокой культурой и технологичностью производства. Моноблочные холодильные машиныкомпактны, надежны, простоты в обслуживании.

Недостатком моноблочных машин является относительно большая масса комплекса, что предполагает жесткость конструкции, на которой моноблок крепится. С увеличением холодопроизводительности холодильной машины эта проблема становится все более актуальной.

В современном холодильном оборудовании моноблочные холодильные машины, применяют в основном в сборных холодильных камерах, холодильных камерах контейнерного типа, шкафах для хранения продуктов.

Контрольные вопросы

75. Какие принципы заложены в классификацию холодильных агрегатов?

76. Какой смысл вкладывается в понятие “техническая характеристика холодильного агрегата”?

77. В чем состоит различие холодильных агрегатов компрессорно-конденсаторных и комплексных?

78. Каким образом обеспечивается экономия воды, подаваемой на конденсатор с водяным охлаждением?

79. В чем состоят эксплуатационные достоинства сплит-систем?

80. Чем отличается сплит-система от моноблочной холодильной машины?

Глава 13

13. Дополнительное оборудование холодильных машин

К числу дополнительного оборудования холодильной машины, необходимого для ее нормальной работы, относят ресиверы, отделители жидкости, фильтры-осушители, вентили.

Менее значимым элементом холодильной машины, непосредственно не влияющим на ее работу, но достаточно важным в части контроля состояния влаги в холодильном агенте, является указатель потока жидкости визуального наблюдения.

13.1. Ресиверы

Ресиверявляется составной частью холодильного агрегата. Он представляет емкость, в которой находится холодильный агент. Ресивер устанавливают в холодильный агрегат в заполненном холодильным агентом состоянии.

Емкость ресивера зависит от холодопроизводительности холодильной машины. Например, емкость ресивера агрегата ВС-0.45~3 холодопроизводительностью 552 Вт (450 ккал/ч.) составляет 0.9 литра, для агрегата ВС-0.7~3 холодопроизводительностью 812 Вт (700 ккал/ч.) соответственно - 1.4 литра.

В соответствии с требованиями техники безопасности, при работе с сосудами под давлением, емкость ресивера должна быть больше количества заполняющего ее холодильного агента на 30…40%.

Ресиверявляется сосудом, в котором при работе холодильной машины постоянно находится определенная часть холодильного агента. В этом плане он является циркуляционным ресивером, сглаживающим неравномерность тепловой нагрузки на испаритель и, как следствие этого, неравномерность расхода холодильного агента, проходящего через ресивер.

При незначительной утечке холодильного агента из холодильной машины, ресивер обеспечивает ее работоспособность до тех пор, пока эти потери не будут ощутимы или, при небольших потерях холодильного агента, они не будут устранены.

Таким образом, ресивер является многофункциональным дополнительным холодильным оборудованием, способствующим нормальной работе холодильной машины.

По конструктивному исполнению ресиверы подразделяют на вертикальные (рис. 13.1) и горизонтальные (рис. 13.2).

Вертикальные ресиверы применяются в холодильных агрегатах преимущественно малых холодильных машин холодопроизводительностью до 800 Вт. Они монтируются на общей плоской металлической раме, устанавливаемой на амортизирующих устройствах. Таковыми являются - резиновые коврики, пружины, установленные на анкерных болтах, цементного фундамента или несущей конструкции торгового холодильного оборудования.

Горизонтальные ресиверы являются составной частью холодильных агрегатов. Они большей частью устанавливаются в холодильных агрегатах открытого типа холодопроизводительностью 0.8….3.0 кВт.

13.2. Отделители жидкости

Отделители жидкости(ОЖ), как отмечалось ранее, выполняют свою непосредственную функцию, т.е. обеспечивает отделение капельно-жидкой влаги холодильного агента от паров. Эта функция необходима для подачи в компрессор сухого насыщенного пара.

Наряду с удалением из холодильного агента влаги, отделитель жидкости функционально необходим при удалении с поверхности испарителя инея (при оттайке испарителя). При удалении инея с поверхности испарителя горячими парами холодильного агента, поступающими из конденсатора, пары холодильного агента частично конденсируются в испарителе и в виде парожидкостной смеси вместе с маслом поступают в отделитель жидкости.

Масло скапливается в нижней части отделителя жидкости и при переходе холодильной машины в нормальный режим через калиброванное отверстие поступает в компрессор. Жидкий холодильный агент докипает в отделители жидкости (отделитель жидкости не теплоизолирован) и в виде паров поступает в компрессор.

13.3. Фильтры-осушители

Фильтры-осушители(рис. 13.3) решают комплекс проблем. Они удаляют влагу из холодильного агента и обеспечивают очистку системы от грязи. Дополнительной функцией фильтров-осушителей является нейтрализация в холодильном агенте кислоты.

Кислота образуется как следствие использования флюсов при пайке трубопроводов. При наличии влаги в холодильном агенте флюс растворяется, образуя кислоту.

13.4. Вентили

Вентили предназначены для обеспечения доступа холодильного агента в аппараты холодильной машины. Вентили разделяют на одно- и двухходовые.

Одноходовой вентиль представлен на рис. 13.2. При вращении по часовой стрелке закрывается выход холодильного агента из ресивера.

Двухходовые вентили (рис. 13.3) отличаются от одноходовых вентилей тем, что на конце шпинделя имеются два конуса. При вращении вентиля по часовой стрелке передняя часть конуса закрывает выход холодильного агента из ресивера. При вращении шпинделя в обратную сторону задняя часть конуса перекрывает вход холодильного агента в прилив, к которому может крепиться прибор автоматики остановки и пуска компрессора - реле давления и, при необходимости, мановакууметр, для контроля давления в аппаратах холодильной машины.

13.5. Указатели потока жидкости

Указатели потока жидкостиустанавливают на жидкостном трубопроводе холодильной машины, что дает возможность визуально определить, достаточно ли холодильного агента в холодильной машине. Если холодильного агента в холодильной машине мало, то через смотровое стекло видны пузырьки пара в потоке жидкости.

Указатели потока жидкостиустанавливают вблизи ресивера, не в непосредственной близости от вентилей.

Наличие пузырьков в жидкости указывает на то, что жидкий холодильный агент дросселируется в жидкостном трубопроводе вследствие повышенного перепада давления. Пузырьки исчезают только при снижении перепада давления в трубопроводе или большем переохлаждении жидкого холодильного агента.

На дне указателя потока жидкости устанавливают пластинку, которая меняет цвет в зависимости от наличия влаги в холодильном агенте. Интенсивность цвета указывает на концентрацию в холодильном агенте растворенных компонентов, преимущественно флюсов.

Контрольные вопросы

81. Для какой цели в холодильной машине устанавливают ресивер?

82. На сколько целесообразно применение отделителей жидкости в холодильной машине?

83. Какую функцию выполняют фильтры-осушители?

84. В чем состоят конструктивные особенности вентилей?

85. Для какой цели в схеме холодильной машины используют указатель потока?

Глава 14

14. Автоматизация холодильных машин и установок

14.1. Холодильные машины и установки как объекты автоматизации

Холодильная машина, какпонятие,включаетсовокупность четырех основных элементов: испаритель, компрессор, конденсатор и дросселирующее устройство.

Холодильная установка- это совокупность объекта охлаждения и холодильной машины. Таким образом, холодильный шкаф или, например, холодильная витрина есть ни что иное, как разновидности холодильных установок.

Автоматизация холодильной машины и установкипредполагает решение основной и вспомогательной задач.

Основная задача автоматизациисостоит в поддержании температуры охлаждаемой среды в технологически заданных пределах при изменении внешних параметров, воздействующих на работу холодильной машины.

К вспомогательным задачам, способствующим решению основной, относят: заполнение испарителя, поддержание давления конденсации, защита от опасных режимов и т.д.

Решение основной задачи иллюстрируется схемой (рис. 14.1).

В охлаждаемый объем холодильной камеры (Охл. кам.) поступает тепло Qн. В простейшем случае, можно считать, что это тепло является только теплом, проникающим через теплоизоляцию. Для поддержания постоянной технологически заданной температуры это тепло следует отводить. Это тепло Qоотводится при помощи испарителя холодильной машины (Х.М.).

Выполняя работу, холодильная машина потребляет энергию Е, Вт. От теплопередающей поверхности конденсатора холодильной машины тепло Qк, Вт отводится в теплоотводящую среду.

Анализ теплоотвода свидетельствует, что выполнение основной задачи - поддержание технологически заданной температуры tвк,оС сводится к созданию условий равенства тепловых потоков Qни Qо. Равенство тепловых потоков может быть достигнуто двумя путями: воздействием на поток Qн, или на поток Qо.

Воздействие на поток Qн. Этот метод применяют в основном в специальных условиях. Например, если температура воздуха в холодильной камере низка, то ее можно повысить, не меняя режима работы холодильной машины, а установив в камере нагревательный элемент, который обеспечит решение этой задачи. Естественно, что метод энергетически затратен и потому может быть рекомендован, как лабораторно - испытательный метод.

Воздействие на поток Q_о. При применении этого метода изменение температуры tвк,оС компенсируют изменением величины потока Qо. Этот метод энергетически приоритетен, он является основным и самым распространенным.

Количество тепла, отнимаемое от воздуха в охлаждаемом объеме, составляет:

,Вт (14.1)

где: - коэффициент теплопередачи испарителя, Вт/(м2×К),

- площадь поверхности испарителя, м2,

- температура воздуха камеры и температура кипения холодильного агента, ^оС.

Количество тепла, которое может быть отведено при помощи холодильного агента рабочим веществом (холодильным агентом) в теплообменном аппарате:

,Вт (14.2)

где: G_х.а. - расход холодильного агента, кг/с.,

i_вых, i_вх - энтальпии холодильного агента на выходе и входе из теплообменного аппарата, Дж/кг.

При равенстве холодопроизводительностей Qoи Qнполучают решение относительно температуры охлаждаемой среды (tх.к):

, ^оС. (14.3)

Из выражения (14.3) следует, что температура охлаждаемой среды в охлаждаемом объеме (tх.к,оС) зависит от:

- температуры кипения холодильного агента to.,оС,

- расхода холодильного агента, Gх.а., кг/с.,

- площади поверхности теплообмена испарителя, F_o, м2,

- коэффициента теплопередачи испарителя ko,Вт/(м2×K).

Выбор метода регулирования температуры охлаждаемой среды зависит от совокупности условий, отражающих особенности эксплуатации холодильной установки.

14.1.1. О процессах самоустановления(саморегулирования) в холодильной машине.

Работа холодильной установки протекает при нестационарных условиях тепловой нагрузки на аппараты холодильной машины. Поэтому представляет интерес ответ на вопрос, в какой мере параметры процессов протекающих в холодильной машине способны к восстановлению исходного состояния. Это дает возможность в процессах, протекающих при переменных условиях, найти закономерности, позволяющие установить направление изменения параметров, стремящихся к некоторым равновесным состояниям, облегчает регулирование этих параметров, а в ряде случаев позволяет отказаться от их регулирования. Например, в домашнем холодильнике (рис. 14.2) снижение уровня жидкого холодильного агента в испарителе (от точки А до точки А¢), вызванное увеличением тепловой нагрузки, приводит к увеличению уровня в конденсаторе от (Б до Б¢). Переполнение конденсатора (Кд) увеличивает давление конденсации, что, в свою очередь, вызывает увеличение подачи хладона через капиллярную трубку (КТр) в испаритель (И). Таким образом, высокая степень самовыравнивания (снижение уровня в испарителе увеличивает подачу жидкости) позволяет обойтись без автоматического регулятора заполнения испарителя.

В холодильных машинах торгового холодильного оборудования устанавливается ресивер, т.е. емкость для сбора жидкого холодильного агента, образующегося в конденсаторе. При использовании ресивера, изменение уровня в испарителе практически не оказывает влияния на изменении давления в конденсаторе. Степень самовыравнивания мала и потому приходится регулировать заполнение испарителя холодильным агентом при помощи приборов автоматики.

14.1.2. Параметры, подлежащие регулированиюв холодильной машине.

Преувеличение в выборе параметров регулирования холодильной машины усложняют и удорожают холодильную машину и установку в целом.

Работа холодильной машины протекает в условиях нестационарности процессов в ее аппаратах. Наличие комплекса элементов холодильной машины определяет интерес к взаимосвязи процессов между собой. Иными словами, представляет интерес, в какой мере, например, процессы, протекающие в испарителе и компрессоре взаимосвязаны.

Холодопроизводительность испарителя выражают соотношением:

, Вт. (14.4)

Холодопроизводительность компрессора выражают соотношением:

, Вт. (14.5)

Обе эти характеристики зависят от температуры кипения. Выражения (14.4) и (14.5) могут быть представлены графически (рис. 14.3). Температура конденсации и температура воздуха охлаждаемого объема приняты постоянными.

Линии (I) представляет собой характеристики компрессора при различной температуре конденсации t1, t2, t3, причем (t3>t2>t1). Прямая (II) - характеристика испарителя. Угол наклона a линии (II) определяется отношением холодопроизводительности испарителя отнесенной к разности температур охлаждаемого объема (t_вк) и кипения (t_о).

, (14.6)

Равенство холодопроизводительностей компрессора и испарителя, при понижающихся значениях температуры конденсации (t3<t2<t1), достигается при понижающихся значениях температуры кипения (tо3<tо2<tо1). Точки “А1, А2, А3” называют рабочими точками.

Произведение “kоFo” называется “качеством” работы испарителя. Изменение величин, входящих в это произведение, вызывает перемещение рабочей точки и меняет режим работы холодильной машины (рис.14.4). Так, например, образование инея на поверхности испарителя, что эквивалентно уменьшению площади поверхности испарителя, приводит к понижению температуры кипения холодильного агента в испарителе.

Тепловой баланс испарителя, компрессора и тепла, проникающего через наружные ограждения Qн, Вт позволяет найти графическим путем равновесную температуру охлаждаемого объема. Если из слагаемых теплового баланса охлаждаемого объема принять только то тепло, которое проникает через наружные ограждения то величину теплопритока через наружное ограждение можно отобразить выражением:

,Вт (14.7)

где: К_н - коэффициент теплопередачи наружного ограждения, Вт/(м2×К),

F_н - площадь поверхности ограждения, м2,

tвн,tвк- температуры наружного воздуха и воздуха охлаждаемого объема, оС.

Равенство холодопроизводительностей компрессора, испарителя и охлаждаемого объекта отображено на рисунке 14.5.

Установление соответствия между количеством холодильного агента, поступающего в испаритель и в компрессор, определяется регулирующим вентилем.

При снижении теплопритока (рис. 14.5) в охлаждаемый объем Qн,Вт, равновесие в системе может быть достигнуто посредством уменьшения площади поверхности испарителя, что возможно лишь при более низкой температуре кипения to,оС. Так, как понижение температуры кипения связано с возрастанием энергетических затрат, то целесообразно, не понижая температуру кипения, уменьшить холодо производительность компрессора.

Одним из путей уменьшения холодопроизводительности компрессора, является его периодическая работа. Это эквивалентно замене данного компрессора менее мощным компрессором, но работающим непрерывно при средней температуре кипения ,оС. Характеристика этого компрессора обозначена индексом (I¢) (рис. 14.5).

Периодичность работы компрессора характеризуется коэффициентом рабочего времени b. Он представляет собой отношение длительности рабочей части цикла - ( ,с) к полному времени цикла ( ,с.), включающему в себя длительность работы компрессора и длительность его пребывания в отключенном состоянии ( ,с.), т. е. или, что эквивалентно, .

Регулирование холодопроизводительности компрессора методом остановки и пуска компрессора происходит при неустановившемся состоянии, но это не отрицает тенденции к стремлению системы к достижению равновесия во всех ее элементах.

14.1.3. Соотношение холодопроизводительностей компрессора и испарителяхолодильной машины в неустановившемся состоянии

Как отмечено ранее, процессы в каждом из элементов холодильной машины взаимосвязаны. Они в значительной мере зависят, например, от величины теплопритока к поверхности испарителя, от температуры среды, отводящей тепло от поверхности конденсатора и т. д.

Количество паров, образующихся в испарителе, зависит от величины теплопритоков к его поверхности. Выполнение технологических требований, состоящих в поддержании заданной температуры в охлаждаемом объеме, предполагает, что при любом температурном режиме компрессор должен отводить все образующиеся пары из испарителя. В противном случае пары скапливаются в испарителе, повышается давление кипения, температура кипения и процесс кипения прекращается. Следовательно, холодопроизводительность компрессора всегда должна быть рассчитана на наибольшую величину тепловой нагрузки. Если это требование проиллюстрировать выбором компрессора для домашнего холодильника, то компрессор должен быть установлен такой, что бы он обеспечивал работу холодильной машины даже при экстремальных условиях эксплуатации холодильника, т.е., при температуре наружного воздуха tвн=32оС и при условии полной загрузки холодильника продуктами (требование ГОСТ). Поэтому, компрессор холодильной машины домашнего холодильника, как, впрочем, и любого типа торгового холодильного оборудования, рассчитывается на максимальную величину теплопритоков в охлаждаемый объём, которые воспринимаются поверхностью испарителя.

Таким образом, обязательным требованием в выборе элементов холодильных машин торгового холодильного оборудования, является соответствие холодопроизводительности компрессора максимальной холодопроизводительности испарителя. При иных, не экстремальных по тепловой нагрузке на испаритель условиях работы холодильной машины, работа компрессора должна приводить к понижению в испарителе давления и температуры кипения to,oC (рис. 14.6).

Поскольку температура воздуха в охлаждаемом объёме tвк,оС зависит от температуры кипения, температура воздуха также понижается. Понижение температуры воздуха меньше, чем изменение температуры кипения холодильного агента в испарителе. Однако даже эти небольшие колебания температуры воздуха в охлаждаемом объёме технологически неприемлемы.

При хранении охлаждённых продуктов температура воздуха может понизиться ниже технологически заданной температуры tвк,оС, что недопустимо, поскольку возможно замерзание продукта, изменение его исходных свойств. Поэтому при достижении заданной предельно низкой температуры кипения холодильного агента в испарителе (точка “а”, рис. 14.6) или воздуха в охлаждаемом объёме, следует отключить электродвигатель компрессора. При повышении температуры кипения холодильного агента до температуры tmax,оС, (точка “в”, рис. 14.6 ) компрессор включается.

Регулировать холодопроизводительность компрессора можно различными способами: посредством изменения удельной объемной холодопроизводительности компрессора, изменением (ухудшением) коэффициента подачи компрессора, перепуском части холодильного агента из нагнетательного трубопровода во всасывающую полость цилиндра компрессора (байпасирование), ухудшением коэффициента подачи компрессора, а также ступенчатым или плавным (в основном для двигателей постоянного тока) изменением скорости вращения ротора электродвигателя, и т.д.

Выбор метода регулирования холодопроизводительности компрессора в значительной мере определяется практической целесообразностью принятого технического решения, технико-экономическими соображениями и простотой технической конструкции.

Изменение удельной объемной холодопроизводительности компрессора достигается дросселированием всасываемого пара в вентиле постоянного давления (ВПД) “до себя” (а, рис.14.7).

Вентиль постоянного давления обеспечивает сохранение постоянного давления по ходу холодильного агента “до себя” или после себя“.

При понижении давления кипения ро, МПа, клапан 1 прикрывает проходное сечение вентиля, благодаря чему понижается давление всасывания и уменьшается холодопроизводительность компрессора.

Плавное байпасирование, т.е. перепуск части холодильного агента из нагнетательной линии во всасывающую, обеспечивается установкой ВПД “после себя” (в, рис. 14.7).

Вентиль постоянного давления (ВПД) используют и для поддержания двух температур кипения при одном компрессоре (рис. 14.8). В данном случае используется вентиль “до себя”, позволяющий в охлаждаемом объеме с более высокой температурой кипения поддерживать и более высокую температуру воздуха.

Вентиль установлен на паровой линии, идущей от испарителя камеры с более высокой температурой воздуха tk2. Величина давления кипения задается положением установочного винта 3 (рис. 14.7). При понижении давления кипения в испарителе клапан 1 закрывает отверстие вентиля. Продолжающееся образование пара повышает давление и температуру кипения до тех пор, пока давление не окажется достаточным для преодоления усилия пружины 2. Тогда вентиль открывается, и образовавшийся пар начнет поступать в компрессор. Проходя через вентиль, он дросселируется до давления кипения, соответствующего температуре кипения в испарителе камеры с более низкой температурой t_к1 и при этом давлении пар всасывается компрессором.

При остановке компрессора пар из испарителя с высокой температурой кипения и, соответственно, с высоким давлением кипения, может перетекать через открытый ВПД в испаритель с низкой температурой кипения. В испарителе он станет конденсироваться. Чтобы этого не допустить, на паровой линии с низкой температурой кипения устанавливают обратный клапан (Об.К.).