Холодильные машины, схемы, принцип действия и идеальный цикл.
Холодильник — устройство, поддерживающее низкую температуру в теплоизолированной камере. Обычно их применяют для хранения пищи и других предметов, требующих хранения в холодном месте. Работа холодильника основана на применении теплового насоса, переносящего теплоту из рабочей камеры холодильника наружу, где она отдается внешней среде. В промышленных холодильниках объём рабочей камеры может достигать десятков и сотен м 3 .
Холодильники могут подразделяться на 2 вида: среднетемператур-ные камеры для хранения продуктов и низкотемпературные морозильники. Однако в последнее время наибольшее распространение получили двухкамерные холодильники, включающие в себя оба компонента.
Холодильники бывают четырех типов: 1 — компрессионные; 2 — абсорбционные; 3 — термоэлектрические; 4 — с вихревыми охладителями.
 |
Рис. 21. Схема работы холодильника: 1 — конденсатор; 2 — капилляр; 3 — испаритель; 4 — компрессор.
Основными составляющими частями холодильника являются: 1 -компрессор, получающий энергию от электрической сети;
2- конденсатор, находящийся снаружи холодильника; 3 — испаритель, находящийся внутри холодильника; 4 — терморегулирующий расширительный вентиль (ТРВ), являющийся дросселирующим устройством; 5 — хладагент (циркулирующее в системе вещество с определёнными физическими характеристиками, которым обычно является фреон).
1. Принцип действия компрессионного холодильника.
Теоретической основой, на которой построен принцип работы холодильников, схема которых показана на рис. 21, является второе начало термодинамики. Охлаждающий газ в холодильниках совершает так называемый обратный цикл Карно. При этом основная передача теплоты основана не на цикле Карно, а на фазовых переходах — испарении и конденсации. В принципе возможно создание холодильника использующего только цикл Карно, но при этом для достижения высокой производительности потребуется или компрессор, создающий очень высокое давление, или очень большая площадь охлаждающего и нагревающего теплообменника.
Хладагент поступает в испаритель под давлением через дросселирующее отверстие (капилляр или ТРВ), где за счёт резкого уменьшения
давления происходит испарение жидкости и превращение ее в пар. При этом хладагент отнимает теплоту у внутренних стенок испарителя, за счёт чего происходит охлаждение внутреннего пространства холодильника. Компрессор засасывает из испарителя хладагент в виде пара, сжимает его, за счёт чего температура хладагента повышается и выталкивает в конденсатор. В конденсаторе нагретый в результате сжатия хладагент остывает, отдавая теплоту во внешнюю среду, и конденсируется, т.е. превращается в жидкость. Процесс повторяется вновь.
Таким образом, в конденсаторе хладагент (обычно фреон) под воздействием высокого давления конденсируется и переходит в жидкое состояние, выделяя теплоту, а в испарителе под воздействием низкого давления хладагент вскипает и переходит в газообразное, поглощая теплоту.
Терморегулирующий вентиль (ТРВ) необходим для создания необходимой разности давлений между конденсатором и испарителем, при которой происходит цикл теплопередачи. Он позволяет правильно (наиболее полно) заполнять внутренний объем испарителя вскипевшим хладагентом. Пропускное сечение ТРВ изменяется по мере снижения тепловой нагрузки на испаритель, причем при понижении температуры в камере количество циркулирующего хладагента уменьшается. Капилляр — это аналог ТРВ. Он не меняет свое сечение, а дросселирует определенное количество хладагента, зависящее от давления на входе и выходе капилляра, его диаметра и типа хладагента.
При достижении необходимой температуры температурный датчик размыкает электрическую цепь и компрессор останавливается. При повышении температуры (за счёт внешних факторов) датчик вновь включает компрессор.
2. Принцип действия абсорбционного холодильника.
В абсорбционном водо-аммиачном холодильнике используется свойство одного из широко распространённых хладагентов — аммиака -хорошо растворяться в воде (до 1000 объёмов аммиака на 1 объём воды). В этом случае требуемое для любого испарительного холодильника удаление газообразного хладагента из змеевика испарителя ведут поглощением его водой, раствор аммиака в которой затем перекачивают в специальную ёмкость (десорбер/генератор) и там подвергают разложению на аммиак и воду путём нагрева. Пары аммиака и воды из неё под давлением поступают в устройство разделения (ректификационная колонна), где пары аммиака отделяются от воды. Далее практически чистый аммиак попадает в конденсатор, где, охлаждаясь, конденсируется и через дроссель снова поступает в испаритель для испарения. Такая тепловая машина может использовать для перекачки раствора хладагента разнообразные
приспособления, в том числе и струйные насосы, и не иметь движущихся механических частей. Помимо аммиака и воды, могут использоваться и другие пары веществ — например, раствор бромистого лития, ацетилен и ацетон. Преимущества абсорбционных холодильников — бесшумность работы, отсутствие движущихся механических частей, возможность работы от нагрева прямым сжиганием топлива, недостаток — низкая холо-допроизводительность на единицу объёма.
3. Принцип действия термоэлектрического холодильника. Термоэлектрический холодильник основан на элементах Пельтье.
Он бесшумен, но распространен мало из-за дороговизны охлаждающих термоэлектрических элементов. Однако небольшие автомобильные холодильники и охладители питьевой воды часто производят с охлаждением от элементов Пельтье.
4. Принцип действия холодильника на вихревых охладителях. Охлаждение осуществляется за счёт расширения предварительно
сжатого компрессором воздуха в блоках специальных вихревых охладителей. Они распространены мало из-за большой шумности, необходимости подвода сжатого (до 10-20 атм) воздуха и очень большого его расхода, низкого КПД. Достоинства — большая безопасность (не используется электричество, нет движущихся частей и опасных химических соединений), долговечность и надёжность.
Холодильные установки компрессорно-конденсаторные (тип АКК) или компрессорно-рессиверные (тип АКР) предназначены для работы с поддержанием температуры от +15 до -40 °С в камерах объёмом от 12 до 2500 м 3 .
В состав холодильной установки входят: 1 — компрессорно-конденсаторный или компрессорно-рессиверный агрегат; 2 — воздухоохладитель; 3 — терморегулирующий вентиль (ТРВ); 4 — соленоидный вентиль; 5 — щит управления.
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.
Устройство и принцип действия холодильной машины
Машинный способ является наиболее распространенным способом получения холода за счет изменения агрегатного состояния рабочего вещества, кипения его при низких температурах, с отводом от охлаждаемого тела или среды необходимой для этого теплоты парообразования.
Одним из условий эффективной работы торгового холодильного оборудования является применение в качестве рабочих веществ холодильных агентов, обладающих хорошими термодинамическими, теплофизическими, физико-химическими, физиологическими и озонобезопасными свойствами. Важное значение имеют также их стоимость и доступность. Холодильные агенты не должны быть ядовиты, вызывать удушья и раздражения слизистых оболочек глаз, носа и дыхательных путей человека.
Различают естественные и искусственные холодильные агенты. К естественным хладагентам относятся: аммиак (R717), воздух (R729), вода (R718), углекислота (R744) и др., к искусственным — хладоны (смеси различных фреонов).
В настоящее время существует три типа фторуглеводородных хладагентов:
хлорфторуглероды (CFC), обладающие высоким потенциалом истощения озона. Например: R12, R13, R502, R503;
гидрохлорфторуглероды (HCFC), которые содержат атомы водорода, что приводит к более короткому периоду существования этих хладагентов в атмосфере по сравнению с CFC, например хладагент R22;
гидрофторуглероды (HFC), которые не содержат хлора. Они не разрушают озоновый слой Земли и имеют короткий период существования в атмосфере. Например: R134A, R404A.
В связи с этим проблема использования в качестве хладагентов природных веществ, и в первую очередь аммиака, наиболее актуальна сейчас у производителей холодильного оборудования. В России потребность в холоде для стационарных холодильников в основном обеспечивается аммиачными холодильными установками, так как аммиак не разрушает озоновый слой, не оказывает прямого воздействия на глобальный тепловой эффект, обладает отличными термодинамическими свойствами, имеет высокий коэффициент теплоотдачи при кипении и конденсации и доступность производства.
К негативным свойствам аммиака относятся токсичность, пожаро- и взрывоопасность, резкий неприятный запах. Любая авария с аммиаком ведет к серьезным последствиям.
В торговле в основном используют компрессионные холодильные машины, которые состоят из следующих основных узлов: компрессора, конденсатора воздушного охлаждения, терморегулирующего вентиля (ТРВ) и испарителя. Холодильная машина, кроме перечисленных основных частей, имеет приборы автоматики, фильтры, осушители, теплообменники и т.п.
Компрессор — наиболее сложный и важный узел холодильной машины. Он служит для отсасывания паров хладагента из испарителя, сжатия и нагнетания в конденсатор. Основным показателем работы компрессора является его холодопроизводительность (количество теплоты, которое холодильная машина получает за единицу времени от охлаждаемой среды).
Конденсатор воздушного охлаждения — теплообменный аппарат, в котором поступающий из компрессора парообразный хладагент превращается в жидкость. Этот процесс протекает при отдаче хладагентом теплоты во внешнюю среду.
Испаритель — теплообменный аппарат, осуществляющий отбор тепла от охлаждаемой среды.
Терморегулирующий вентиль служит для автоматической подачи необходимого количества хладагента в испаритель. Он контролирует и поддерживает заданную температуру паров хладона на выходе из испарителя.
Приборы автоматики обеспечивают пуск, остановку холодильной машины, защиту ее от перегрузок, поддержание заданного температурного режима в охлаждаемой среде, оптимальное заполнение испарителя хладагентов, своевременное оттаивание снеговой шубы с испарителей.
Реле давления автоматически поддерживает заданное давление на линии всасывания путем включения и выключения компрессора.
Ресивер — резервуар, который собирает жидкий хладагент в целях обеспечения его равномерного поступления к ТРВ и в испаритель. Фильтр служит для удаления механических загрязнений. Осушитель предназначен для поглощения влаги из хладагента при заполнении им системы и во время эксплуатации машины. Теплообменник служит для перегрева паров хладагента, идущих от испарителя к компрессору, и переохлаждения хладагента, идущего от конденсатора к ТРВ.
Принцип действия холодильной машины заключается в следующем.
1. В испарителе, установленном в охлаждающем объеме, происходит кипение жидкого хладагента при низком давлении и температуре за счет отбора тепла из окружающей среды.
2. Из испарителя пары хладона проходят через теплообменник и паровой фильтр, затем они отсасываются компрессором, сжимаются и в перегретом состоянии нагнетаются в конденсатор, при этом температура и давление повышаются.
3. В охлаждаемом воздухом конденсаторе они конденсируются, т.е. превращаются в жидкость.
4. Жидкий хладон стекает по трубам конденсатора и скапливается в ресивере, откуда под давлением проходит через жидкостный фильтр и теплообменник.
5. Очищенный хладон, проходя через узкое отверстие ТРВ, дросселируется, распыляется и при резком снижении температуры и давления поступает в испаритель.
Цикл повторяется. Циркулируя по такому замкнутому кругу, хладагент попеременно меняет свое агрегатное состояние, т. е. происходит скачкообразный переход хладагента из жидкого состояния в газообразное и наоборот.
В настоящее время в торговом холодильном оборудовании используются различные системы холодоснабжения: встроенные, выносные и централизованные.
Теплопритоки в торговые залы магазинов от встроенных в оборудование холодильных агрегатов приводят к снижению товарооборота и росту непредусмотренных расходов, в том числе:
создаются некомфортные для покупателей условия (высокая температура воздуха в торговом зале и высокий уровень шума, неприятные посторонние запахи);
некомфортные для продавцов и обслуживающего персонала условия приводят к снижению качества обслуживания, падает имидж предприятия и уменьшается товарооборот;
срок службы встроенных холодильных агрегатов в 2. 3 раза ниже, чем при использовании систем выносного холодоснабжения, и в 4. 6 раз ниже, чем при использовании централей;
происходят частые выходы из строя оборудования;
возникают дополнительные расходы на кондиционирование и на энергопотребление.
Выносное холодоснабжение представляет собой систему холодоснабжения на базе автономных компрессорно-конденсаторных агрегатов, расположенных в машинном отделении и изолированных от торговых помещений. При этом каждый агрегат может обеспечивать холодом нескольких потребителей.
Одним из важнейших условий эффективного развития предприятий торговли является использование централизованных систем холодоснабжения, представляющих собой несколько параллельно включенных компрессоров на единой раме с дополнительным оборудованием. Каждый центральный агрегат оборудован микропроцессорным блоком управления, осуществляющим регулирование холодопроизводительности агрегата и обеспечивающим равномерную работу каждого компрессора и конденсатора.
Основные достоинства использования централизованной системы холодоснабжения следующие:
центральные агрегаты компактны и занимают значительно меньше места;
достигается заметная экономия электроэнергии, так как крупные компрессоры имеют более высокий коэффициент полезного действия;
для крупных супермаркетов централизованная система холодоснабжения экономически выгоднее традиционного варианта холодоснабжения; увеличивается товарооборот;
обеспечивается высокая надежность за счет использования нескольких компрессоров;
в случае выхода из строя одного или несколько компрессоров остальные компрессоры обеспечат поддержание требуемой температуры для предотвращения потери продукции до устранения неисправности;