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.

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;

Устройство холодильного оборудования

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 — компрессор, испаритель, конденсатор 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), осушительного патрона.

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

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.

Осушительный патрон

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). Вентилятор 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.

ТЕРМОСТАТ

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 CHF₂C1₂ (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 (CHF₂C1), 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.