Принцип работы холодильной машины

Жидкий фреон, являющийся в настоящее время основным хладагентом холодильной машины, находящийся в открытом сосуде при нормальном атмосферном давлении, немедленно вскипает. При этом происходит интенсивное поглощение тепла из окружающей среды, сосуд покрывается инеем из-за конденсации и замораживания паров воды из окружающего воздуха. Процесс кипения жидкого фреона будет продолжаться до тех пор, пока весь фреон не перейдет в газообразное состояние, либо давление над жидким фреоном не возрастет до определенного уровня и при этом не прекратится процесс испарения его из жидкой фазы.

Для того, чтобы процесс кипения хладагента в испарителе происходил непрерывно, необходимо постоянно из испарителя удалять газообразный и «подливать» жидкий хладагент.

Процесс конденсации паров жидкости происходит при температуре, зависящей от давления окружающей среды. Чем выше давление, тем выше температура конденсации. Пары фреона R-22 конденсируются в жидкость при давлении 23 атмосферы уже при температуре +55°С. Процесс конденсации паров хладагента в жидкость сопровождается выделением в окружающую среду большого количества тепла. В холодильной машине конденсация паров хладагента происходит в специальном, герметичном теплообменнике, называемом конденсатором.

Для отвода выделяемого тепла используется алюминиевый теплообменник с оребренной поверхностью, называемый конденсатором. Для удаления паров хладагента из испарителя и создания необходимого для конденсации давления используется специальный насос — компрессор.

Элементом холодильной установки является также регулятор потока хладагента, так называемая дроссилирующая капиллярная трубка. Все элементы холодильной машины соединяются трубопроводом в последовательную цепь, обеспечивая тем самым замкнутую систему.

Устройство и принцип работы холодильной установки

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.

Как работает холодильная машина

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.

Принцип работы холодильной машины

На сегодняшний день наш быт мы не можем представить без приборов, которые охлаждают продукты. Даже на производстве реализовать технологический процесс невозможно без холодильных машин. Так, получается, что холодильные установки необходимы нам повседневной жизни, включая производство и торговлю.

Использовать естественное охлаждение не всегда можно, учитывая сезонность, и возможность снизить температуру максимум до температуры воздуха, а летом это и вовсе не реально. И здесь начинается наша необходимость в приобретении холодильника. Принцип работы холодильной машины основан на том, чтобы при помощи техники реализовать процесс испарения и выработать конденсат.

Среди преимуществ холодильных установок можно выделить автоматическую работу поддержания постоянной низкой температуры, которая будет оптимальной для конкретной категории продуктов. Но это касается фактической пользы, а если брать во внимание и затраты на эксплуатацию, ремонт и техническое обслуживание, то холодильник и вовсе получается выгодной техникой.

Принцип работы холодильной установки

Принцип работы холодильной машины основан на охлаждении – физическом процессе, базирующимся на потреблении выделяемого машиной тепла в результате кипения жидкости. С каким показателем температуры жидкая среда доходит до кипения – будет зависеть от происхождения жидкости и уровня оказываемого давления.

Высокий показатель давления – высокая температура кипения. Ровно в такой же зависимости работает этот процесс и обратно: ниже давление – меньше температура закипания и испарения жидкости.

Химические свойства каждого вида жидкости качественно влияют на температуру, необходимую для закипания. Так, например, вода, закипает при 100 градусах, а жидкому азоту необходимо -174 градуса по Цельсию.

Рассмотрим жидкий фреон. Этот хладагент является самым популярным веществом, которым насыщена вся система холодильного оборудования. Кстати, фреон в обычных условиях в открытой емкости может закипеть даже при нормальном показателе атмосферного давления. Причем, этот процесс начнется немедленно, как только фреон сконтактирует с воздухом.

Данное явление непременно сопровождается поглощением окружающего тепла. Вы сможете наблюдать, как сосуд будет покрываться инеем, потому что происходит конденсация и замораживание водных паров воздуха. Это действие завершится только тогда, когда хладагент примет газообразное состояние, или не увеличится давление над фреоном, чтобы прекратить испарение и остановить превращение жидкого фреона в газообразный.

Закипающий в испарителе хладагент переходит в активную фазу поглощения тепла, исходящего от шланг узла-теплообменника. А трубки, а точнее их материал, будут омываться жидкостью, а это напрямую связано с процессом охлаждения воздуха. Такой процесс не должен прерываться, он постоянный. Для его поддержания необходимо регулярное кипение фреона в испарителе, а значит – постоянное удаление газообразного хладагента и добавление его в жидком состоянии.

Конденсация пара жидкого фреона требует температуру ровно такую, какой она будет в зависимости от атмосферного давления. Выше показатель давления – выше градус для конденсации. Давление в 23 атмосферы необходимо, что конденсировать пары фреона R22, в то время как температура будет равна +55 градусам.

Пары хладагента во время превращения их в жидкость выделяют большое количество тепла в окружающую среду. Холодильник для такого процесса имеет специальный, абсолютно герметичный тепловой обменник, называемым конденсатором. Он предназначен для отвода выделенной тепловой энергии. Выглядит конденсатор как алюминиевый элемент, имеющий ребристую поверхность.

Чтобы пары фреона вывести из испарителя, а давление создать такое, которое будет оптимально благоприятным для конденсации, необходимо специальное насосное устройство – компрессор. Кроме того, в холодильной установке не обойтись без работы регулятора потока фреона. Эта функция отведена дросселирующей капиллярной трубке. Каждый из элементов холодильной системы соединяется между собой трубопроводом, образуя последовательную цепочку – так круг системы замыкается.

Принцип работы холодильной установки на фреоне

Принцип работы холодильной установки на фреоне предполагает выполнение реального цикла, который существенно отличается от теоретического. Разница заключается в присутствии такого понятия, как потеря давления. Происходит это во время реального цикла на клапанах компрессора (подробнее о видах компрессора читайте здесь: https://megaholod.ru/articles/kakie_byvayut_kompressory_v_kholodilnikakh/) и на его обвязке в частности. Такие потери в последствии необходимо компенсировать.

Для этого следует добиться увеличения работы сжатия, что понизит результативность цикла. В суть этого параметра вложены соотношение мощности агрегата и мощности, необходимой для работы компрессора. А вот насколько эффективно работает установка – параметр сравнительный, который никак не отражается на производительности холодильника.

Схема и принцип работы компрессионной холодильной машины

Парокомпрессионные холодильные машины являются наиболее распространёнными и универсальными устройствами. Если рассматривать холодильную технику, задействованную в сфере сервиса, то парокомпрессионная холодильная машина является главной частью любой установки и называется компрессионным холодильным агрегатом.

Холодильный агрегат компрессионного типа предназначен для осуществления главного процесса — охлаждения продуктов, жидкостей или воздуха, т.е. отбора их тепла и передачи его в окружающую среду. Иначе говоря, он предназначен для производства холода.

Компрессионный холодильный агрегат — это замкнутая герметичная система, внутри которой принудительно циркулирует хладагент, рабочее тело холодильной машины.

В качестве хладагента в современных холодильных установках используют газы, не разрушающие озоновый слой, и являющиеся различными производными углеводородов, как правило, это фреоны. Фреоны — это в нормальных условиях газы, жидкости, которых кипят при температурах: —29——50 °С. Основное назначение хладагента — перенос тепла продуктов во внешнюю среду. При работе агрегата компрессионного типа, вследствие совершения механической работы сжатия, происходит изменение агрегатного состояния хладагента из газа в жидкость, которая, испаряясь, отнимает теплоту продуктов, жидкостей или воздуха, а затем, на этапе конденсации (превращения газа в жидкость), отдает его в окружающую среду.

Рис. 2.1. Схема типового компрессионного холодильного агрегата : 1 — компрессор (осуществляет сжатие хладагента); 2- конденсатор (теплообменный аппарат, в котором происходит конденсация хладагента); 3 — фильтр осушитель; 4- капиллярная трубка (является дросселирующим элементом холодильного аппарата); 5 — испаритель (теплообменный аппарат, в котором происходит испарение хладагента); 6 — охлаждаемые продукты или среды; 7 — всасывающая трубка.

Поясним, принцип работы холодильного агрегата на примере холодильника для охлаждения продуктов. При включении холодильного агрегата начинает работать мотор-компрессор 1, который представляет собой поршневой насос, приводимый в движение электромотором. Хладагент сжимается поршнем компрессора до давления 8-10 атм. около 50 раз в секунду. Вследствие сжатия, температура хладагента повышается до уровня на 15-20 °С выше, чем температура окружающей среды. Из-за малой продолжительности сжатия хладагента, он не успевает отдать это тепло в окружающую среду, т.е. реализуется ^адиабатное сжатие (процесс, происходящий без изменения внутренней энергии, теплообмена). Затем сжатый до давления 8-10 атм. и «горячий» (на 15-20 °С выше температуры окружающей среды) хладагент попадает в конденсатор 2 —теплообменный аппарат, выполненный в виде трубчатого оребрённого змеевика (рёбра необходимы для увеличения площади теплообмена, т.е. повышения его эффективности при минимальных размерах). В теплообменном аппарате происходит охлаждение горячего хладагента, окружающим змеевик воздухом. Из-за чего и происходит конденсация, т.е. превращение хладагента в жидкость (давление в конденсаторе 8-10 атм. на входе и несколько ниже на выходе из него входе , температура на входе на 15-20 °С выше температуры окружающей среды, а на выходе близка к ней).

Из конденсатора жидкий хладагент, с температурой окружающей среды, попадает в фильтр-осушитель 3. В фильтре-осушителе, заполненном металлическими сетками с гранулами селикагеля, происходит задержание механических примесей и воды, содержащихся в хладагенте. Механические примеси образуются вследствие работы компрессора, а вода из-за химических реакций между хладагентом, маслом и присадками, необходимыми для предотвращения коррозии элементов агрегата.

Из фильтра-осушителя жидкий хладагент попадает в дросселирующий элемент агрегата — капиллярную трубку 4 (дросселирование — процесс понижения давления жидкости или газа вследствие сужения внутреннего диаметра трубопровода и трения о его внутренние стенки). Капиллярная трубка имеет проходной диаметр 0,8 — 1 мм и длину 5 — 6 м, диаметр капиллярной трубки много меньше, чем диаметр фильтра-осушителя. В ней происходит падение давления жидкого хладагента с 8-10 атм. до 1 атм. за счет трения жидкости о стенки капиллярной трубки. Однако вследствие трения происходит выделение тепла, что приводит к частичному закипанию жидкости (образование пузырьков). Для уменьшения такого нагревания хладагента капиллярная трубка «наматывается» на холодную всасывающую трубку.

Затем жидкий закипающий хладагент попадает в испаритель 5, представляющий собой листотрубный теплообменный аппарат, внутри которого находятся продукты. Вследствие испарения, а диаметр трубки испарителя 8-10 мм, происходит отбор тепла от продуктов, а температура опускается до температуры, близкой к температуре кипения (у современных холодильников -18^ -24 °С и даже ниже) при этом давление хладагента остаётся неизменным , т.е. около 1 атм. Эта температура несколько ниже, чем температура кипения из-за частичного закипания хладагента в капиллярной трубке и других потерь.

Холодные пары хладагента по всасывающей трубке 7 попадают в компрессор, и цикл продолжается пока он работает. Температура на входе всасывающей трубки -18 + -24 «С, а на выходе +15 + +20°С.

Таким образом, пока работает компрессор, продукты охлаждаются. Экономия электроэнергии достигается отключением компрессора, что приводит к медленному повышению температуры продуктов. Как только эта температура повышается до установленного терморегулятором предела, компрессор вновь включается и температура понижается, т.е. автоматически организуется экономичная прерывистая работа компрессора.

— простота конструкции; — наличие трущихся частей в -технологичность изготовления и компрессоре;

ремонта; — шум при работе, который

— экономичность при работе; возрастает при длительной

— простота эксплуатации; эксплуатации.

В зависимости от вида холодильного компрессора парокомпрессионные машины подразделяются на поршневые, турбокомпрессорные, ротационные и винтовые. Для повышения экономической эффективности холодильной машины (снижения затрат энергии на единицу отнятого от охлаждаемого тела количества теплоты) иногда перегревают пар. всасываемый компрессором, и переохлаждают жидкость перед дросселированием. По этой же причине для получения температур ниже -30 °С используют многоступенчатые или каскадные холодильные машины. В многоступенчатых холодильных машин сжатие пара производится последовательно в несколько ступеней с охлаждением его между отдельными ступенями. При этом в двухступенчатых холодильных машинах получают температуру кипения хладагента до -80 °С (см. рис.2.2). В каскадных холодильных машинах, представляющих собой несколько последовательно включенных холодильных машин, которые работают на различных, наиболее подходящих по своим термодинамическим свойствам для заданных температурных условий хладагентах, получают и более низкую температуру кипения.

Рис. 2.2. Двухкаскадная компрессионная холодильная машина.