Основные части и детали холодильного оборудования. Как работает холодильник: принципы, циклы, режимы

Сегодня в охлаждении нуждается огромное количество продуктов, а еще без холода невозможно реализовать многие технологические процессы. То есть с необходимостью применения холодильных установок мы сталкиваемся в быту, в торговле, на производстве. Далеко не всегда удается использовать естественное охлаждение, ведь оно сможет понизить температуру лишь до параметров окружающего воздуха.

На выручку приходят холодильные установки. Их действие основано на реализации несложных физических процессов испарения и конденсации. К преимуществам машинного охлаждения относится поддержание в автоматическом порядке постоянных низких температур, оптимальных для определенного вида продукта. Также немаловажными являются незначительные удельные эксплуатационные, ремонтные затраты и расходы на своевременное техническое обслуживание.

Для получения холода используется свойство холодильного агента корректировать собственную температуру кипения при изменении давления. Чтобы превратить жидкость в пар, к ней подводится определенное количество теплоты. Аналогично конденсация парообразной среды наблюдается при отборе тепла. На этих простых правилах и основывается принцип работы холодильной установки.

Это оборудование включает в себя четыре узла:

компрессор
конденсатор
терморегулирующий вентиль
испаритель

Между собой все эти узлы соединяются в замкнутый технологический цикл при помощи трубопроводной обвязки. По этому контуру подается холодильный агент. Это вещество, наделенное способностью кипеть при низких отрицательных температурах. Этот параметр зависит от давления парообразного хладагента в трубках испарителя. Более низкое давление соответствует низкой температуре кипения. Процесс парообразования будет сопровождаться отнятием тепла от той окружающей среды, в которую помещено теплообменное оборудование, что сопровождается ее охлаждением.

При кипении образуются пары хладагента. Они поступают на линию всасывания компрессора, сжимаются им и поступают в теплообменник-конденсатор. Степень сжатия зависит от температуры конденсации. В данном технологическом процессе наблюдается повышение температуры и давления рабочего продукта. Компрессором создают такие выходные параметры, при которых становится возможным переход пара в жидкую среду. Существуют специальные таблицы и диаграммы для определения давления, соответствующего определенной температуре. Это относится к процессу кипения и конденсации паров рабочей среды.

Конденсатор – это теплообменник, в котором горячие пары хладагента охлаждаются до температуры конденсации и переходят из пара в жидкость. Это происходит путем отбора от теплообменника тепла окружающим воздухом. Процесс реализуется при помощи естественной или же искусственной вентиляции. Второй вариант зачастую применяется в промышленных холодильных машинах.

После конденсатора жидкая рабочая среда поступает в терморегулирующий вентиль (дроссель). При его срабатывании давление и температура понижается рабочих параметров испарителя. Технологический процесс вновь идет по кругу. Чтобы получить холод необходимо подобрать температуру кипения хладагента, ниже параметров охлаждаемой среды.

На рисунке представлена схема простейшей установки, рассмотрев которую можно наглядно представить принцип работы холодильной машины. Из обозначений:

«И» — испаритель
«К» -компрессор
«КС» — конденсатор
«Д» — дроссельный вентиль

Стрелочками указано направление технологического процесса.

Помимо перечисленных основных узлов, холодильная машина оснащается приборами автоматики, фильтрами, осушителями и иными устройствами. Благодаря им установка максимально автоматизируется, обеспечивая эффективную работу с минимальным контролем со стороны человека.

В качестве холодильного агента сегодня в основном используются различные фреоны. Часть из них постепенно выводится из употребления ввиду негативного воздействия на окружающую среду. Доказано, что некоторые фреоны разрушают озоновый слой. Им на смену пришли новые, безопасные продукты, такие как R134а, R417а и пропан. Аммиак применяется лишь в масштабных промышленных установках.

Теоретический и реальный цикл холодильной установки

На этом рисунке представлен теоретический цикл простейшей холодильной установки. Видно, что в испарителе происходит не только непосредственно испарение, но и перегрев пара. А в конденсаторе пар превращается в жидкость и несколько переохлаждается. Это необходимо в целях повышения энергоэффективности технологического процесса.

Левая часть кривой – это жидкость в состоянии насыщения, а правая – насыщенный пар. То, что между ними – паро-жидкостная смесь. На линии D-A` происходит изменение теплосодержания холодильного агента, сопровождающееся выделением тепла. А вот отрезок В-С` наоборот, указывает на выделение холода в процессе кипения рабочей среды в трубках испарителя.

Реальный рабочий цикл отличается от теоретического ввиду наличия потерь давления на трубопроводной обвязке компрессора, а также на его клапанах.

Чтобы компенсировать данные потери работа сжатия должна быть увеличена, что снизит эффективности цикла. Данный параметр определяется отношением холодильной мощности, выделяемой в испарителе к мощности, потребляемой компрессором и электрической сети. Эффективность работы установки – это сравнительный параметр. Он не указывает непосредственно на производительность холодильника. Если данный параметр 3,3, это будет указывать, что на единицу электроэнергии, потребляемой установкой, приходится 3,3 единицы произведенного ею холода. Чем больше этот показатель, тем выше эффективность установки.

Устройство и принцип работы холодильной установки

Охлаждение подразделяется на естественное и искусственное. На первое энергия не тратится. Причем температура объекта стремится к температуре окружающего воздуха. Искусственное охлаждение представляет собой снижение температуры объекта до уровня ниже такого же показателя среды. Для такого охлаждения нужны холодильные машины или устройства. Обычно они применяются в промышленности для достижения нужных условий хранения, течения химических реакций, безопасности. Тепловые и холодильные машины очень широко применяются и в быту. Их принцип работы базируется на явлениях сублимации и конденсации.

Охлаждение льдом

Это самый доступный и простой вид охлаждения. Особенно удобен он в районах, где есть возможность накопления естественного льда.

В качестве средства охлаждения лед используется в процессе заготовки и хранения рыбы, при краткосрочном хранении овощной продукции, транспортировке пищевых продуктов в охлажденном виде. Лед применяется в погребах и ледниках. В таком оборудовании очень важна теплоизоляция. В стационарных ледниках стены гидро- и теплоизолированы. Они рассчитаны на температурный диапазон +5...+8°С.

Льдосоляное охлаждение

Льдосоляной метод охлаждения позволяет достичь поддержки еще более низких температурных условий в объеме, подвергаемом охлаждению. Совместное использование льда и соли дает возможность снизить температуру, при которой лед тает. Таков принцип. Принцип холодильной машины.

Для этой цели смешивается лед и хлористый натрий. В зависимости от концентрации соли температура льда колеблется от -1,8 до -21,2°С.

До минимума температура плавления доходит, если соли в смеси 23%. В этом случае лед не тает при минимальном показателе.

Сухой лед служит для поддержания низких температур в процессе хранения фруктов, мороженого, овощей, полуфабрикатов. Так называют твердое состояние углекислоты. При атмосферном давлении и нагреве она из твердой становится газообразной, пропуская фазу жидкости. Производительность холода у сухого льда вдвое больше, чем у водяного. Когда происходит сублимация сухого льда, получается углекислый газ, который, помимо всего прочего, выполняет консервирующие функции, способствуя сохраннности продуктов.

Методы охлаждения с использованием льда имеют и ряд недостатков, ограничивающих их применение. В связи с этим главным методом генерации холода становится машинное охлаждение.

Искусственное охлаждение

Машинное охлаждение представляет собой производство холода, которое производят холодильные машины и установки. У этого способа есть несколько достоинств:

в автоматическом режиме сохраняется неизменный уровень температуры, различный для разных групп продуктов;
оптимально задействовано охлаждаемое пространство;
удобно эксплуатировать охлаждаемые помещения;
небольшие затраты на техобслуживание.

Как работает

Принцип работы холодильной машины таков. Безусловно, человеку, который только лишь пользуется холодильной машиной или разыскивает ее, совсем не обязательно глубоко и всесторонне разбираться в работе холодильных машин. При этом знание основополагающих принципов работы таких установок будет совсем не лишним. Эта информация способна оказать помощь в осознанном выборе оборудования и облегчит беседу с профессионалами при выборе холодильного оборудования.

Также важно разбираться, как происходит работа холодильной машины. В ситуациях, когда холодильное оборудование отказывает и требуется вызов специалиста, имеет смысл вникнуть в принцип действия подобных машин. Ведь понимание объяснений специалиста о том, что нужна замена или ремонт какой-либо детали холодильной машины, позволит не потерять лишних денег.

Главный принцип работы холодильной машины - отвод тепла от объекта, подвергаемого охлаждению, и его перенос к другому объекту. Важно понимание того, что нагревание или сжатие объекта сопровождается передачей ему энергии, а охлаждение и расширение отбирает энергию. На этом основана передача тепла.

Для переноса тепла холодильные машины используют хладагенты - специальные вещества, отнимающие теплоту у объекта охлаждения в ходе кипения и расширения при постоянной температуре. В дальнейшем после сжатия энергия передается охлаждающей среде посредством конденсации.

Назначение отдельных узлов

Компрессором холодильной машины обеспечивается кругооборот хладагента в системе, его кипение в испарителе с нагнетанием в блок конденсатора.

Он призван отсасывать хладагент фреон в газообразном состоянии из испарителей, и, сжимая, нагнетать в конденсатор, где он превращается в жидкость. Затем фреон в жидком состоянии накапливается в ресивере. Этот узел оборудован входными и выходными запорными вентилями. Дальнейший путь хладагента - из ресивера в фильтр-осушитель. Здесь остатки влаги и примеси удаляются и поступают в испаритель.

В испарителе хладагент достигает кипения, что отбирает теплоту у охлаждаемого объекта. Далее хладагент уже в газообразном состоянии попадает из испарителя в компрессор, очищаясь через фильтр от загрязнений. Далее рабочий цикл агрегата повторяется, это и есть принцип. Принцип холодильной машины.

Холодильный агрегат

Объединение совокупности деталей и узлов холодильной машины на едином каркасе принято называть холодильным агрегатом. Совмещение узлов холодильной машины производителем делает удобнее монтаж, и происходит он быстрее.

Холодопроизводительность таких агрегатов - параметр, представляющий собой количество тепла, отнимаемое у среды, подвергаемой охлаждению за один час. При различных режимах работы производительность холода варьируется в широком диапазоне. Когда растет температура конденсации и понижается градус испарения, производительность уменьшается.

Хладагенты

Холодильные машины, используемые в торговых организациях, в роли хладагентов используют хладон или фреон, а для заморозки в промышленных масштабах - аммиак.

Хладон представляет собой тяжелый газ без цвета и со слабым запахом, ощутимым, лишь когда его концентрация в воздухе достигает 20%. Газ не горюч и не взрывчат. В хладоне хорошо растворимы смазочные масла. При больших температурах они составляют с ним однородную смесь. Хладон не влияет на вкусовые качества, аромат и цвет продуктов.

В холодильных установках с хладоном не должно быть более 0,006% массы влаги. Иначе она замерзает в тонких трубках, препятствуя работе холодильной машины. Из-за высокой текучести газа нужна хорошая герметизация агрегатов.

Аммиак - бесцветный резко пахнущий газ, опасный для человеческого организма. Его допустимое содержание в воздухе — 0,02 мг/л. Когда концентрация доходит до 16%, возможен взрыв. При содержании газа свыше 11% и открытом пламени рядом начинается горение.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Опишем устройство отдельных агрегатов, узлов и деталей холодильного оборудования:

АГРЕГАТ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Ресивер

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

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

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

Терморегулирующий вентиль

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

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

ВОЗДУХООХЛАДИТЕЛЬ

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

МОНОБЛОК

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

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

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

ХЛАДАГЕНТЫ

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

Хладон-12 (R -12) имеет химическую формулу CHF 2 C1 2 (дифтордихлорметан). Он представляет собой газообразное бесцветное вещество со слабым специфическим запахом, который начинает ощущаться при объемном содержании его паров в воздухе свыше 20%. Хладон-12 обладает хорошими термодинамическими свойствами

Хладон-22 (R -22) , или дифтормонохлорметан (CHF 2 C1), так же как и хладон-12, обладает хорошими термодинамическими и эксплуатационными свойствами. Отличается он более низкой температурой кипения и более высокой теплотой парообразования. Объемная холодопроизводительность Хладона-22 примерно в 1,6 раза больше, чем Хладона-12.

Рефрижерация - это процесс, при котором температура помещения снижается ниже температуры наружного воздуха.

Кондиционирование воздуха - это регулирование температуры и влажности в помещении с одновременным осуществлением фильтрации воздуха, циркуляции и частичной его замены в помещении.

Вентиляция - это циркуляция и замена воздуха в помещении без изменения его температуры. За исключением специальных процессов, таких как замораживание рыбы, воздух обычно используется как промежуточное рабочее тело, передающее теплоту. Поэтому для осуществления рефрижерации, кондиционирования и вентиляции применяют вентиляторы и воздухопроводы. Три названные выше процесса тесно связаны между собой и совместно обеспечивают заданный микроклимат для людей, машин и груза.

Для снижения температуры в грузовых трюмах и в провизионных кладовых при рефрижерации применяют систему охлаждения работа которой обеспечивается холодильной машиной. Отобранная теплота передается другому телу -- холодильному агенту при низкой температуре. Охлаждение воздуха при кондиционировании представляет собой аналогичный процесс.

В простейших схемах холодильных установок передача теплоты осуществляется дважды: сначала в испарителе, где холодильный агент, имеющий низкую температуру, отбирая теплоту от охлаждаемой среды, снижает ее температуру, затем в конденсаторе, где холодильный агент охлаждается, отдавая теплоту воздуху или воде. В наиболее распространенных схемах морских рефрижераторных установок осуществляется паровой компрессионный цикл. В компрессоре давление пара холодильного агента повышается и соответственно повышается его температура.

Схема паровой компрессорной холодильной установки:

1 - испаритель; 2 - термочувствительный баллон; 3 - компрессор; 4 - маслоотделитель; 5 - конденсатор; 6 - осушитель; 7 - трубопровод для масла; 8 - регулирующий вентиль; 9 - терморегулирующий вентиль.

Этот горячий пар, имеющий повышенное давление, нагнетается в конденсатор, где в зависимости от условий применения установки пар охлаждается воздухом или водой. Ввиду того что этот процесс осуществляется при повышенном давлении, пар полностью конденсируется. Жидкий холодильный агент направляется по трубопроводу к регулирующему вентилю, который регулирует подачу жидкого холодильного агента в испаритель, где поддерживается низкое давление. Воздух из охлаждаемого помещения или кондиционируемый воздух проходит через испаритель, вызывает кипение жидкого холодильного агента и сам, отдавая теплоту, при этом охлаждается. Подача холодильного агента в испаритель должна быть отрегулирована так, чтобы в испарителе весь жидкий холодильный агент выкипел, а пар слегка перегрелся перед тем, как он снова поступит при низком давлении в компрессор для последующего сжатия. Таким образом, теплота, которая была передана от воздуха к испарителю, переносится холодильным агентом по системе до тех пор, пока не достигнет конденсатора, где она будет передана наружному воздуху или воде. В установках, где применяется конденсатор с воздушным охлаждением, как, например, в малой провизионной холодильной установке, должна быть предусмотрена вентиляция для отвода теплоты, выделенной в конденсаторе. Конденсаторы с водяным охлаждением с этой целью прокачивают пресной или забортной водой. Пресная вода применяется в тех случаях, когда и другие механизмы машинного отделения охлаждаются пресной водой, которая затем охлаждается забортной водой в централизованном водоохладителе. В этом случае из-за более высокой температуры воды, охлаждающей конденсатор, температура выходящей из конденсатора воды будет выше, чем при охлаждении конденсатора непосредственно забортной водой.

Холодильные агенты и хладоносители. Охлаждающие рабочие тела делятся в основном на первичные - холодильные агенты и вторичные - хладоносители.

Холодильный агент под воздействием компрессора циркулирует через конденсатор и испарительную систему. Холодильный агент должен обладать определенными свойствами, отвечающими предъявленным требованиям, например кипеть при низкой температуре и избыточном давлении и конденсироваться при температуре, близкой к температуре забортной воды, и умеренном давлении. Холодильный агент также должен быть нетоксичен, взрывобезопасен, негорюч, не вызывать коррозии. Некоторые холодильные агенты имеют низкую критическую температуру, т. е. температуру, выше которой пар холодильного агента не конденсируется. Это один из недостатков холодильных агентов, в частности углекислоты, которая применялась много лет на судах. Вследствие низкой критической температуры углекислоты значительно затруднялась эксплуатация судов с углекислотными холодильными установками в широтах с высокими температурами забортной воды и из-за этого приходилось использовать дополнительные охлаждающие конденсатор системы. Кроме того, к недостаткам углекислоты относится очень высокое давление, при котором система работает, что в свою очередь приводит к увеличению массы машины в целом. После углекислоты в качестве холодильных агентов определенное распространение имели хлористый метил и аммиак. В настоящее время хлористый метил на судах не применяется из-за его взрывоопасности. Аммиак имеет некоторое применение до сих пор, но ввиду высокой токсичности при его использовании необходимы специальные вентиляционные системы. Современные холодильные агенты - это соединения фторированного углеводорода, имеющие различные формулы, за исключением холодильного агента R502 (в соответствии с международным стандартом (MС) НСО 817 - для обозначения холодильных агентов применяется условное обозначение холодильного агента, которое состоит из символа R (refrigerant) и определяющего числа. В связи с этим при переводе введено обозначение холодильных агентов R.), который представляет собой азеотропную (с фиксированной точкой кипения) смесь (специфическая смесь различных веществ, обладающая свойствами, отличными от свойств каждого вещества в отдельности.) холодильных агентов R22 и R115. Эти холодильные агенты известны под названием фреоны (Согласно ГОСТ 19212 -- 73 (изменение 1) для фреона установлено название хладон), а каждый из них имеет определяющее число.

Холодильный агент R11 имеет очень низкое рабочее давление, для получения значительного охлаждающего эффекта необходима интенсивная циркуляция агента в системе. Преимущество этого агента особенно проявляется при использовании в установках кондиционирования воздуха, поскольку для воздуха требуются относительно малые затраты мощности.

Первым из фреонов, после того как они были открыты и стали доступны, получил широкое практическое применение фреон R12. К его недостаткам относится низкое (ниже атмосферного) давление кипения, в результате чего из-за любых неплотностей в системе появляется подсос в систему воздуха и влаги.

В настоящее время наиболее распространенным холодильным агентом является R22, благодаря которому обеспечивается охлаждение на достаточно низком температурном уровне при избыточном давлении кипения. Это позволяет получить некоторый выигрыш в объеме цилиндров компрессора установки и другие преимущества. Объем, описываемый поршнем компрессора, работающего на фреоне R22, составляет примерно 60% по сравнению с описываемым объемом поршня компрессора, работающего на фреоне R12 при тех же условиях.

Примерно такой же выигрыш получается при применении фреона R502. Кроме того, из-за более низкой температуры нагнетания компрессора уменьшается вероятность коксования смазочного масла и поломки нагнетательных клапанов.

Все названные холодильные агенты не вызывают коррозии и могут применяться в герметических и бессальниковых компрессорах. В меньшей степени воздействует на лаки и пластические материалы применяемый в электродвигателях и компрессорах холодильный агент R502. В настоящее время этот перспективный холодильный агент стоит еще достаточно дорого и поэтому не получил широкого применения.

Хладоносители применяются в крупных установках кондиционирования воздуха и в холодильных установках, охлаждающих грузы. В этом случае через испаритель циркулирует хладоноситель, который затем направляется в помещение, подлежащее охлаждению. Хладоноситель применяется тогда, когда установка велика и разветвлена, для того чтобы исключить необходимость в циркуляции в системе большого количества дорогостоящего холодильного агента, который имеет очень высокую проникающую способность, т. е. может проникать через малейшие неплотности, поэтому очень существенно свести к минимуму число соединений трубопроводов в системе. Для установок кондиционирования воздуха обычным хладоносителем является пресная вода, которая может иметь добавку раствора гликоля.

Наиболее распространенным хладоносителем в больших рефрижераторных установках является рассол -- водный раствор хлористого кальция, к которому для уменьшения коррозии добавляют ингибиторы.

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:

состояния хладагента;
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.