Устройство и принцип действия компрессионной

Холодильной машины

Холодильные машины предназначены для понижения температуры окружающей среды и непрерывности поддержания заданной низкой температуры. Тепло, отнимаемое от охлаждаемого объекта, воспринимается холодильным агентом и передается им окружающей среде. Принципиальная схема машинного охлаждения представлена на рис. 4.3.

Тепло от объекта Q₀, например, от воздуха камеры хранения мороженых продуктов, при низкой температуре t₀ передается рабочему веществу холодильной машины. Далее в процессе сжатия паров холодильного агента затрачивается работа L, в результате чего повышается температура рабочего вещества, и тепло, отнятое от охлаждаемого объекта, вместе с теплом, эквивалентным затраченной работе (Q₀+L), передается окружающей среде, например воздуху или воде, поступающей на конденсатор, имеющей более высокую температуру t.

При этом холодильный агент (рабочее вещество), циркулирующее в холодильной машине, совершает обратный круговой процесс – холодильный цикл.

Для осуществления этого цикла затрачивается работа L. Общее количество тепла, передаваемого в окружающую среду с температурой t, в соответствии с законом сохранения энергии составляет

Q=Q₀+L, Вт (1)

Равенство (1) называется уравнением энергетического (теплового) баланса паровой компрессионной холодильной машины.

Количество тепла, отводимое в единицу времени от охлаждаемого объекта, называется холодопроизводительностью установки.

Тепло, отводимое от охлаждаемого объекта одним килограммом холодильного агента, т.е. тепло q₀, называется его удельной холодопроизводительностью.

Дж/кг (2)

где Q₀ – холодопроизводительность установок, Вт;

G – количество хладона, циркулирующего в системе, кг/с.

Эффективность работы холодильной машини оценивается холодильным коэффициентом e, представляющим собой отношение холодопроизводительности установки Q₀ к затраченной работе L.

или (3)

Наиболее экономично (e=3¸5) работают компрессионные холодильные машины при температурах кипения от -15° до +5°С. Поэтому они широко применяются для получения умеренного холода, в частности в торговом холодильном оборудовании. При снижении температуры кипения холодильный коэффициент резко уменьшается.

Компрессионная холодильная машина (рис. 4.4.) состоит из следующих основных узлов: испарителя, компрессора, конденсатора, ресивера, фильтра-осушителя, терморегулирующего вентиля. Автоматическое действие машины обеспечивается терморегулирующим вентилем и регулятором давления. К вспомогательным аппаратам, способствующим повышению экономичности и надежности работы машины, относятся: ресивер, фильтр, теплообменник, осушитель. Машина привидятся в действие электродвигателем.

Испаритель – охлаждающая батарея, которая поглощает тепло окружающей среды за счет кипящего в ней при низкой температуре хладагента. В зависимости от вида охлаждаемой среды различают испарители для охлаждения жидкости и воздуха.

Компрессор предназначен для отсасывания паров хладагента из испарителя, сжатия и нагнетания их в перегретом состоянии в конденсатор. В малых холодильных машинах применяют поршневые и ротационные компрессоры, причем наибольшее распространение получили поршневые.

Конденсатор – теплообменный аппарат, служащий для сжижения паров хладагента путем их охлаждения. По виду охлаждающей среды конденсаторы выпускают с водяным и воздушным охлаждением. Конденсаторы с принудительным движением воздуха имеют вертикально расположенные плоские змеевики из медных или стальных оребренных труб. Естественное воздушное охлаждение применяется только в холодильных машинах бытовых электрохолодильников. Конденсаторы с водяным охлаждением бывают кожухозмеевиковые и кожухотрубные.

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.

Фильтр состоит из медных или латунных сеток и суконных прокладок. Он служит для очистки системы и хладагента от механических загрязнений, образовавшихся в результате недостаточной очистки их при изготовлении монтаже и ремонте. Фильтры бывают жидкостные и паровые. Жидкостный фильтр устанавливается после ресивера перед терморегулирующим вентилем, паровой – на всасывающей линии компрессора.

Для предотвращения попадания ржавчины и механических частиц в цилиндры малых фреоновых холодильных машин, во всасывающую полость компрессора вставляют фильтр в виде стаканчика из латунной сетки.

Терморегулирующий вентиль обеспечивает равномерное поступление хладона в испаритель, распыляет жидкий хладагент, тем самым понижает давление конденсации до давления испарения. При недостаточном заполнении испарителя жидкостью часть поверхности его не используется, что ведет к нарушению нормального режима работы машины и температуры испарения хладагента.

Регулятор давления состоит из прессостата (регулятора низкого давления) и маноконтроллера (выключателя высокого давления). Для регулировки температурного режима в определенных пределах необходимо, чтобы холодопроизводительность холодильной машины всегда превышала приток тепла к ней. Поэтому в нормальных условиях нет необходимости в непрерывной работе холодильной машины.

Периодическое включение холодильной машины осуществляется прессостатом автоматически. Требуемый автоматический режим достигается путем регулирования продолжительности перерывов работы холодильной машины. Маноконтроллер служит для защиты от чрезмерного повышения давления в линии нагнетания. При повышении давления в конденсаторе свыше 10 атм (норма - 6¸8 атм) он размыкает цепь катушки магнитного пускателя, питание электродвигателя отключается и холодильная машина останавливается.

Работа холодильной машины происходит следующим образом. Легкоиспаряющаяся жидкость (хладон) поступает через терморегулирующий вентиль в испаритель. Попадая в условия низкого давления, она кипит, превращаясь в пар, и при этом отбирает тепло у воздуха, окружающего испаритель. Из испарителя пары хладона отсасываются компрессором, сжижаются и в перегретом от сжатия состоянии нагнетаются в конденсатор. В охлаждаемом водой или воздухом конденсаторе они превращаются в жидкость. Жидкий хладон стекает по трубам конденсатора и скапливается в ресивере, откуда под давлением проходит через фильтр, где задерживаются механические примеси (песок, окалина и др.). Очищенный от примеси хладон, проходя через узкое отверстие терморегулирующего вентиля, дросселируется (мнется), распыляется и при резком снижении и температуры поступает в испаритель, после чего цикл повторяется.

Рабочий цикл холодильной машины с учетом взаимодействия приборов автоматики состоит в следующем. При включенном электродвигателе контакты реле давления разомкнуты, терморегулирующий вентиль не пропускает жидкий хладон из конденсатора в испаритель, так как игла до конца вошла в седловину и плотно закрыла проходное сечение. В испарителе в это время продолжается процесс кипения оставшегося после включения жидкого хладагента. От притока внешнего тепла температура испарителя постепенно повышается и, следовательно, давление скопившихся в нем паров возрастает. Давление в испарителе будет расти до тех пор, пока прессостат реле давления не замкнет контакты и машина не вступит в работу.

При включении машины начинается отсос перегретых паров из испарителя в компрессор. Это влечет за собой повышение температуры и давления в чувствительном патроне терморегулирующего вентиля, вследствие чего игольчатый клапан открывает проходное отверстие. Жидкий хладагент, интенсивно кипя, устремляется в трубы испарителя. Кипение сопровождается значительным понижением температуры парожидкостной смеси, в результате чего охлаждаются стенки испарителя, окружающий его воздух и скоропортящиеся продукты.

Понижение температуры окружающей среды снижает величину теплопритока. Кипение становится менее интенсивным, сокращается количество пара, падает давление в испарителе до предела, при котором реле давления размыкает контакты и машина останавливается. Через несколько секунд после остановки машины давление в термобаллоне и испарителе сравнивается и игольчатый клапан терморегулирующего вентиля закрывается.

Холодильные агенты

Хладагенты – это рабочие вещества паровых холодильных машин, с помощью которых обеспечивается получение низких температур. Наиболее распространенные из них – хладон и аммиак.

При выборе хладагента руководствуются его термодинамическими, теплофизическими, физико-химическими и физиологическими свойствами. Важное значение имеет также его стоимость и доступность. Хладегенты не должны быть ядовиты, не должны вызывать удушья и раздражения слизистых оболочек глаз, носа и дыхательных путей человека.

Было установлено, что хлоросодержащие хладагенты, достигая стратосферы, разлагаются там ультрафиолетовыми лучами и высвобождают хлор, быстро реагирующий с озоном, разрушая таким образом озоновый слой.

В 1995 г. в Вене была принята Конвенция о защите озонового слоя. К ней присоединились 127 государств. В 1989 г. вступил в силу Монреальский протокол о постепенном сокращении, а затем о полном прекращении в 2030 г. выпуска озоноразрушающих хладагентов. К опасным группам были отнесены хладоны R-11, R-12, R-113, R-114, R-115, R-12 B1, R-13 B1, R-114 B2. В 90-х годах текст протокола был ужесточен путем введения ограничений не только на производство, но и на торговлю, экспорт и импорт любой холодильной техники, содержащей озоноразрушающие вещества.

В настоящий момент установлены следующие сроки запрета производства и применения озоноразрушающих хладагентов:

- R-11, R-12, R-502 – полное прекращение производства 1 января 1996 г.

- R-22 – отнесен к группе соединений, имеющих меньшую экологическую опасность. Он должен быть практически полностью исключен из рынка хладагентов в 2020 г.

Для замены R-12, R-502 и R-22 основными производителями химической продукции были разработаны и выпускаются переходные (с содержанием хлорфторуглеродов) и озонобезопасные (состоящие только из фторуглеродов) смеси хладагентов (табл. 1 и табл. 2).

Таблица 1

Переходные (сервисные хладагенты)

Таблица 2

Свободные от хлора HFC

На предприятиях торговли в настоящее время используются холодильные машины работающие на хладагентах R22, R134а и в перспективе на R717 (аммиаке).

R22 (CHF₂Cl) – бесцветный газ, обладающий положительными физико-химическими, физиологическими и др. свойствами.

Коэффициент теплоотдачи R-22 на 30% выше, чем R12. При замене R12 на R22 холодопроизводительность компрессора при том же температурном режиме увеличивается на 60%, а удельный расход электроэнергии уменьшается на 6% благодаря меньшим дроссельным потерям в компрессоре. Широко применяется R22 в низкотемпературных холодильных установках и установках кондиционирования воздуха.

R134а (CF₃CFH₂) – нетоксичен и неогнеопасен, но при соприкосновении с пламенем и горячими поверхностями разлагается с образованием высокотоксичных продуктов. В целом R134а по энергетическим характеристикам проигрывает R-12. Ввиду значительного значения потенциала глобального потепления R134а рекомендуется применять в герметичных холодильных системах. В тоже время озоносберегающий потенциал R134а близок к 0. Применение R134а вместо R22 потребует существенных изменений в размерах оборудования (большой диаметр труб теплообменных устройств, увеличение размеров компрессора). Все это должно привести к значительному увеличению стоимости холодильного оборудования. Таким образом для производителей все более трудным становится рациональный подбор хладагента применительно к конкретному объекту. Поэтому проблема использования в качестве хладагентов природных веществ, и в первую очередь аммиака, наиболее актуальна у производителей холодильного оборудования.

R 717 (NH₃ - аммиак)используется уже много лет в крупных промышленных холодильных установках. Аммиак не обладает озоноразрушающей способностью и не увеличивает парниковый эффект. Энергетическая эффективность использования R717 в холодильном оборудовании столь же высока, как и при применении R22. Кроме того R717 обладает низкой стоимостью, производство его доступно, проблемы его воспламеняемости и токсичности сегодня разрешимы, что делает его привлекательным для производителей холодильного оборудования.