Схема охлаждения с использованием холодильной машины. От охлаждаемого воздуха холодильной камеры, имеющего низкую температуру Т0, теплоноситель (хладагент) отнимает теплоту и передает ее внешней среде, имеющей более высокую температуру Т (рис. 30.5). При этом хладагент, циркулирующий в холодильной машине, совершает обратный круговой процесс, или холодильный цикл. Из энергетического баланса видно, что теплота, передаваемая холодильной машиной внешней среде q, больше теплоты, отбираемой от камеры охлаждения q0, на величину механической работы /, затрачиваемой холодильной машиной:
Эффективность работы холодильной машины оценивается холодильным коэффициентом
где q0 — количество теплоты, удаляемой от охлаждаемого продукта, или удельная холодопроизводительность, Дж/кг; ζ—удельная механическая работа, Дж/кг.
Холодильный коэффициент в холодильной технике аналогичен термическому КПД тепловых машин, работающих по прямому циклу Карно
Компрессионные холодильные машины. В зависимости от применяемого рабочего вещества компрессионные холодильные машины разделяют на газовые (воздушные) и паровые.
Воздушная холодильная машина — самая старая из всех холодильных машин. Промышленное получение холода впервые осуществлено в таких машинах. Принцип действия воздушной холодильной машины состоит в следующем (рис. 30.6, а).
Воздух из охлаждаемого помещения I засасывается компрессором II и после адиабатического сжатия выталкивается в охладитель III, где охлаждается водой при постоянном давлении. Далее воздух поступает в детандер (расширительный цилиндр) IV и совершает в нем полезную работу в процессе адиабатического расширения до первоначального давления. При этом температура воздуха снижается до -60. -70 «С. Воздух поступает в охлаждаемое помещение.
На рисунке 30.6 теоретический цикл воздушной холодильной машины изображен на диаграммах в координатах «давление р — удельный объем v» и «температура Т—энтропия.
В координатах р—v (рис. 30.6, а) рабочий процесс выглядит следующим образом. Параметры воздуха в охлаждаемом помещении Т соответствуют состоянию точки 1. В компрессоре II воздух сжимается адиабатически до состояния, соответствующего точке 2. Линия 1—2 является адиабатой сжатия. Далее в охладителе III сжатый воздух охлаждается при постоянном давлении до состояния, характеризуемого точкой 3. Перейдя в расширительный цилиндр IV, воздух расширяется адиабатически до начального давления ро, соответствующего точке 4, и направляется в камеру охлаждения I, где отдает свою теплоту, а сам нагревается при постоянном давлении до состояния, соответствующего исходной точке 1. При расширении в расширительном цилиндре воздух совершает механическую работу, идущую на частичную компенсацию затрат энергии при сжатии воздуха в компрессоре. Итак, полный цикл преобразования параметров в данной холодильной машине состоит из двух адиабат 1—2 и 3—4 и двух изобар 2—3 и 4—1.
Площадь l-2-a-b-l на диаграмме соответствует работе, совершаемой компрессором; площадь З-4-b-а-З — работе, совершаемой сжатым воздухом в расширительном цилиндре. Разность этих площадей, равная площади фигуры 1-2-3-4-1, остается некомпенсированной и должна быть подведена к компрессору от внешнего источника работы.
В диаграмме T—s (рис. 30.6, в) теоретический цикл холодильной машины выглядит следующим образом. Изоэнтропическое сжатие в компрессоре изображается вертикалью, соответствующей процессу с постоянной энтропией. Эта вертикаль проводится от точки 1, лежащей на изобаре р0 = const, до изобары р — const. Точку 1 на изобаре р0 = const выбирают соответствующей начальной температуре Т1. Точка 2 на изобаре р — const соответствует температуре конца процесса сжатия Т2. Процесс охлаждения в охладителе III, протекающий при постоянном давлении, изображается отрезком изобары р = const, на котором точка 3 соответствует температуре окончания охлаждения Т3. Процесс адиабатического расширения в цилиндре IV изображается изоэнтропой 3—4, так как протекает при постоянной энтропии, или без потерь энергии. Точке 4 соответствует температура окончания расширения Т4. Процесс отдачи теплоты охлажденным воздухом в камере охлаждения, или процесс его нагревания в данной камере, происходит по изобаре р0 = const до состояния точки 1.
На диаграмме T—s (см. рис. 30.6, в) хорошо виден основной недостаток воздушной холодильной машины. Работа цикла этой машины l соответствует площади 1-2-3-4-1; она равна разности работ компрессора (площадь d-2-3-c-d) и расширительного цилиндра (площадь с-4-l-d-c). Работа же обратного цикла Карно lк, состоящего из двух адиабат 1—2′ и 3—4′ и двух изотерм 2’—3 и 4’— 1, значительно меньше, т. е. lк
Поэтому фактический холодильный коэффициент £ф = q/1 будет меньше холодильного коэффициента eK = q/lK, который был бы, если бы машина работала по обратному циклу Карно, т. е. £ф
Источник статьи: http://infopedia.su/11xa78.html
Холодильные машины и установки. Устройство, виды, принцип действия холодильных машин.
1. Общие сведения о холодильных машинах
Холодильные машины и установки предназначены для искусственного снижения и поддержания пониженной температуры ниже температуры окружающей среды от 10 °С и до -153 °С в заданном охлаждаемом объекте. Машины и установки для создания более низких температур называются криогенными. Отвод и перенос теплоты осуществляется за счет потребляемой при этом энергии. Холодильная установка выполняется по проекту в зависимости от проектного задания, определяющего охлаждаемый объект, необходимого интервала температур охлаждения, источников энергии и видов охлаждающей среды (жидкая или газообразная).
Холодильная установка может состоять из одной или нескольких холодильных машин, укомплектованных вспомогательным оборудованием: системой энерго- и водоснабжения, контрольно-измерительными приборами, приборами регулирования и управления, а также системой теплообмена с охлаждаемым объектом. Холодильная установка может быть установлена в помещении, на открытом воздухе, на транспорте и в разных устройствах, в которых надо поддерживать заданную пониженную температуру и удалять излишнюю влагу воздуха.
Система теплообмена с охлаждаемым объектом может быть с непосредственным охлаждением холодильным агентом, по замкнутой системе, по разомкнутой, как при охлаждении сухим льдом, или воздухом в воздушной холодильной машине. Замкнутая система может также быть с промежуточным хладагентом, который переносит холод от холодильной установки к охлаждаемому объекту.
Началом развития холодильного машиностроения в широких размерах можно считать создание Карлом Линде в 1874 году первой аммиачной паро-компрессорной холодильной машины. С тех пор появилось много разновидностей холодильных машин, которые можно сгруппировать по принципу работы следующим образом: паро-компрессионнные, упрощенно называемые компрессорные, обычно с электроприводом; теплоиспользующие холодильные машины: абсорбционные холодильные машины и пароэжекторные; воздушно-расширительные, которые при температуре ниже -90 °С экономичнее компрессорных, и термоэлектрические, которые встраиваются в приборы.
Каждая разновидность холодильных установок и машин имеет свои особенности, по которым выбирается их область применения. В настоящее время холодильные машины и установки применяются во многих областях народного хозяйства и в быту.
2. Термодинамические циклы холодильных установок
Перенос теплоты от менее нагретого к более нагретому источнику становится возможным в случае организации какого-либо компенсирующего процесса. В связи с этим циклы холодильных установок всегда реализуются в результате затрат энергии.
Чтобы отводимая от «холодного» источника теплота могла быть отдана «горячему» источнику (обычно — окружающему воздуху), необходимо поднять температуру рабочего тела выше температуры окружающей среды. Это достигается быстрым (адиабатным) сжатием рабочего тела с затратой работы или подводом к нему теплоты извне.
В обратных циклах количество отводимой от рабочего тела теплоты всегда больше количества подводимой теплоты, а суммарная работа сжатия больше суммарной работы расширения. Благодаря этому установки, работающие по подобным циклам, являются потребителями энергии. Такие идеальные термодинамические циклы холодильных установок уже рассмотрены выше в пункте 10 темы 3. Холодильные установки различаются применяемым рабочим телом и принципом действия. Передача теплоты от «холодного» источника «горячему» может осуществляться за счет затраты работы или же затрат теплоты.
2.1. Воздушные холодильные установки
В воздушных холодильных установках в качестве рабочего тела используется воздух, а передача теплоты от «холодного» источника «горячему» осуществляется за счет затраты механической энергии. Необходимое для охлаждения холодильной камеры понижение температуры воздуха достигается в этих установках в результате быстрого его расширения, при котором время на теплообмен ограничено, и работа в основном совершается за счет внутренней энергии, в связи, с чем температура рабочего тела падает. Схема воздушной холодильной установки показана на рис 7.14
Температура воздуха, поступающего из холодильной камеры ХК в цилиндр компрессора К, поднимается в результате адиабатного сжатия (процесс 1 — 2) выше температуры Т3 окружающей среды. При протекании воздуха по трубкам теплообменника ТО его температура при неизменном давлении понижается — теоретически до температуры окружающей среды Тз. При этом воздух отдает в окружающую среду теплоту q (Дж/кг). В результате удельный объем воздуха достигает минимального значения v3, и воздух перетекает в цилиндр расширительного цилиндра — детандера Д. В детандере, вследствие адиабатного расширения (процесс 3-4) с совершением полезной работы, эквивалентной затемненной площади 3-5-6-4-3, температура воздуха опускается ниже температуры охлаждаемых в холодильной камере предметов. Охлажденный подобным образом воздух поступает в холодильную камеру. В результате теплообмена с охлаждаемыми предметами температура воздуха при постоянном давлении (изобара 4-1) повышается до своего исходного значения (точка 1). При этом от охлаждаемых предметов к воздуху подводится теплота q2 (Дж/кг). Величина q 2, называемая хладопроизводительностью, представляет собой количество теплоты, получаемой 1 кг рабочего тела от охлаждаемых предметов.
2.2. Парокомпрессорные холодильные установки
В парокомпрессорных холодильных установках (ПКХУ) в качестве рабочего тела применяют легкокипящие жидкости (табл. 1), что позволяет реализовать процессы подвода и отвода теплоты по изотермам. Для этого используются процессы кипения и конденсации рабочего тела (хладагента) при постоянных значениях давлений.
Физические параметры хладагентов
Температура кипения tкип при давлении р = 0,1 МПа, °С
Критическая температура, °С
Температура замерзания, tзам, °С
Скрытая теплота парообразования при tкип, кДж/кг
Источник статьи: http://eti.su/articles/over/over_1534.html
Схемы холодильных установок
Схемой холодильной установки называется упрощенное изображение реальной или проектируемой установки, дающее представление как о наличии машин, аппаратов, приборов и других элементов, необходимых для эксплуатации установки, так и об их взаимном расположении и взаимодействии. Одновременно под схемой понимают своеобразное сочетание машин и аппаратов, позволяющее осуществить заданный процесс.
На холодильных установках имеются трубопроводы для хладагента, хладоносителя, охлаждающей воды, смазочного масла. В соответствии с этим различают схемы трубопроводов хладагента, хладоносителя, воды, масла.
В работе холодильных установок имеются особенности, значительно усложняющие работу обслуживающего персонала: большое количество охлаждаемых объектов, нередко находящихся на значительном удалении от машинного отделения; разветвленные системы трубопроводов; применение в ряде случаев токсичных холодильных агентов; возможность резких колебаний тепловых нагрузок.
В связи с этим схема холодильной установки должна отвечать следующим требованиям:
обеспечивать надежное поддержание заданного режима в охлаждаемых объектах и быть гибкой в эксплуатации, для чего следует предусматривать возможность необходимых переключений машин и аппаратов, позволяющих изменять условия их работы, обеспечивать замену в случае отказа или ремонта;
быть по возможности простой и не требующей больших затрат для ее выполнения;
быть наглядной и удобной для обслуживания, способствовать осуществлению быстрых и безошибочных переключений и иных действий обслуживающего персонала;
обеспечивать безопасность обслуживающего персонала и долговечность установленного оборудования.
Применение средств автоматики в значительной степени облегчает выполнение всех этих требований.
Схемы холодильных установок можно представить скомпонованными из нескольких характерных узлов со своими специфическими особенностями. Такие узлы могут быть образованы из элементов холодильной установки по их функциональному назначению. Узлы оборудования, относящиеся к машинному отделению, отличаются некоторыми особенностями, обусловленными применением различных способов охлаждения (непосредственного или косвенного), различным числом ступеней сжатия и температур кипения, типом применяемого оборудования и числом установленных единиц.
Узел одноступенчатых компрессоров при наличии нескольких температур кипения. Схема узла для трех температур кипения показана на рис.1. В схеме может быть применен любой тип: центробежный, винтовой. Однако на рисунке изображены поршневые компрессоры. Каждый из трех компрессоров (или группа параллельно включенных) предназначен для работы на свою температуру кипения (в соответствии с номером). Пар из каждой испарительной системы проходит через отделитель жидкости 2 и по отдельному для каждой температуры кипения трубопроводу поступает в общий всасывающий трубопровод 3. Вентили на коллекторе позволяют направить пар в компрессор своей температуры кипения и в случае необходимости заменить один компрессор другим или сосредоточить на одной температуре кипения два.
Соединение сторон всасывания компрессоров общим трубопроводом оказывается полезным и при ремонте, так как позволяет освободить компрессор, подлежащий ремонту, от хладагента путем отсасывания его из этого компрессора другим.
На всасывающих трубопроводах перед всасывающим вентилем устанавливают фильтр 4, предназначенный для очистки поступающего пара от механических загрязнений. В некоторых конструкциях фильтры встраивают непосредственно во всасывающий коллектор. Сжатый компрессором пар нагнетается в конденсатор по общему нагнетательному трубопроводу 5. Если магистральные и общие коллекторы располагаются выше компрессоров (верхняя разводка), то присоединять всасывающие и нагнетательные трубы от компрессоров к магистральным следует не снизу, а сверху, как показано на рисунке. Это выполняют в связи с тем, что одновременно могут работать не все компрессоры и в трубопроводах, относящихся к неработающим компрессорам, при присоединении труб снизу возможно скопление жидкого агента или масла, что может вызвать гидравлический удар при пуске холодильной установки.
На нагнетательном трубопроводе, предназначенного для автоматического пуска с открытым байпасом, поставлен обратный клапан ОК. У винтовых и центробежных компрессоров обратные клапаны устанавливают как на нагнетательных, так и на всасывающих линиях, во избежание возникновения обратного потока пара. Обратные клапаны на стороне нагнетания разгружают компрессоры при их остановке от высокого давления на стороне нагнетания. Кроме того, обратные клапаны защищают компрессорное помещение от прорывов хладагента из аппаратов стороны высокого давления при авариях с компрессором. Так как в аппаратах стороны высокого давления (конденсаторах, линейных ресиверах) находится обычно значительное количество хладагента, то наличие обратного клапана позволяет уменьшить последствия аварии.
На пути пара между компрессором и конденсатором устанавливают маслоотделитель 8, предназначенный для освобождения пара хладагента от увлеченного им из компрессора смазочного масла. За маслоотделителем к магистрали присоединяют оттаивательный трубопровод 7 подачи пара с нагнетательной стороны в охлаждающие приборы непосредственного охлаждения для плавления инея (удаления снеговой шубы) с их поверхности.
У одного из компрессоров желательно иметь мост переключений с вентилями 3′ и 4′, позволяющий удалять (отсасывать) пар из нагнетательного трубопровода и конденсатора при их ремонте. Так как любое вскрытие трубопроводов, аппаратов и машин холодильной установки возможно только после того, как давление в них будет понижено до атмосферного, то, чтобы не допустить потерь хладагента, в схемах предусматривают возможность удаления пара из этих элементов установки путем отсасывания компрессором. Например, при ремонте конденсатора жидкое рабочее тело из него удаляется в ресивер или испарительную систему. Оставшийся пар отсасывается. Для этого закрывают всасывающий Г и нагнетательный 2′ вентили, а вместо них открывают вентили 3′ и 4′.
Так как обратный клапан пропускает пар только в одном направлении, то на случай отсасывания пара из конденсатора в обход обратного клапана выполнен обводной мост с вентилем, который при нормальной работе установки должен быть закрыт и запломбирован. Таким образом, в случае необходимости пар из конденсатора отсасывается компрессором 1 по нагнетательной линии 5, через вентиль 3′ поступает в компрессор и через вентиль 4′ нагнетается во всасывающий трубопровод 3. Разумеется, такой процесс осуществим только в то время, когда остальные компрессоры не работают. Нередко ограничиваются соединением оттаивательной линии с всасывающим коллектором, что позволяет перед ремонтом понизить давление в конденсаторе или нагнетательном трубопроводе; полностью же аппараты освобождают выпусканием хладагента в воздух или воду.
Выпускать масло (при ручном обслуживании) непосредственно из аппаратов высокого давления недопустимо, так как это может быть опасным для персонала. Поэтому масло из маслоотделителя аммиачных установок периодически выпускают по трубопроводу 9 в маслособиратель 10, который соединен со стороной низкого давления, врезка которого должна осуществляться до отделителя жидкости, что позволяет понизить давление в маслособирателе до значения, близкого к атмосферному (после того как закрыт вентиль9), и выпускать масло через нижний вентиль под небольшим избыточным давлением (20 — 30 кПа), контролируемым манометром на этом аппарате.
Для того чтобы контролировать давление в испарительных системах разных температур кипения, предусмотрены манометры, соединенные с объектами (отделителями жидкости, циркуляционными ресиверами, испарителями) на каждую температуру кипения, а также манометр, позволяющий контролировать давление конденсации, присоединенный к конденсатору (что более правильно) или к маслоотделителю. Манометры следует присоединять к емкостям (сосудам), а не непосредственно к трубопроводам, так как в сосудах значительно сглаживаются пульсации давления, которые наблюдаются при использовании поршневых компрессоров. Перед манометром необходимо устанавливать вентиль, что позволяет отсоединять манометр при его замене для ремонта или проверки, а также прикрытием вентиля уменьшать колебания стрелки прибора, вызванные пульсацией давления.
Устройство всасывающего коллектора в некоторых случаях может оказаться громоздким, то всасывающие трубопроводы от объектов могут идти непосредственно к компрессорам (рис. 2а). Вентили на соединительных линиях позволяют производить некоторые замены компрессоров, а также необходимые эксплуатационные манипуляции. В редких случаях, когда может потребоваться универсальность включения, т.е. возможность работы каждого компрессора (или насоса) на любом из объектов, необходимые переключения могут осуществляться с помощью моста (рис. 2б). Выполнение такого моста требует большого расхода запорной арматуры и специального места для ее размещения. Подобные мосты используются для присоединения резервных агрегатов или насосов к системе любой температуры кипения.
Рис.2. Узел присоединения всасывающих линий к компрессорам: а — простая обвязка; б — с использованием моста
Узел конденсатора и линейного ресивера. Один из вариантов этого узла приведен на рис.3. По нагнетательному трубопроводу, а пар поступает в конденсатор 1. Образовавшаяся жидкость по сливному трубопроводу 3 стекает в линейный ресивер 5. Он предназначен для выполнения различных функций. Прежде всего, линейный ресивер является сборником конденсата, благодаря чему жидкость в конденсаторе не затапливает его теплообменную поверхность. Для того чтобы обеспечить надежный сток жидкости, на аммиачных установках линейный ресивер устанавливается ниже конденсатора, а паровые пространства конденсатора и ресивера соединяются уравнительной линией 2, благодаря чему в обоих аппаратах давление выравнивается, и жидкость под действием силы тяжести стекает из конденсатора.
Другой функцией, выполняемой линейным ресивером, является компенсация неравномерности подачи хладагента в охлаждающие приборы потребителей холода. В соответствии с колебаниями тепловой нагрузки должно изменяться количество хладагента, подаваемого в испарители в единицу времени, а потому линейный ресивер используется как емкость, в которой накапливается хладагент при уменьшении количества подаваемой в испарители жидкости. Кроме того, в линейном ресивере создается запас хладагента, который должен компенсировать возможные утечки его из системы; этот запас регулярно пополняют при периодической дозарядке.
Линейный ресивер используют также как емкость для сбора хладагента из испарителей (или охлаждающих приборов) во время их ремонта или остановки на длительный срок. Наконец, в линейном ресивере создается гидравлический затвор, препятствующий перетеканию пара со стороны высокого давления в испарительную систему, что имело бы своим следствием уменьшение холодопроизводительности установки. Как видно из рис. 3, жидкий хладагент отводится из линейного ресивера по трубе, опущенной под уровень жидкости, что предотвращает прорыв пара по этому трубопроводу в испарительную систему.
Контроль за уровнем жидкости в ресивере ведут по указателю уровня УУ. Конденсатор, ресивер снабжены предохранительными клапанами ПК с переключающим вентилем, от предохранительных клапанов выведены трубопроводы для аварийного сброса хладагента в атмосферу. У каждого из этих аппаратов на аммиачных установках имеются отстойники 4 для сбора масла и загрязнений; из отстойников эти примеси могут отводиться в маслособиратель (см. рис.1).
Из ресивера хладагент поступает в охладитель жидкости (переохладитель) 6, который должен включаться после ресивера (рис. 3). Если охладитель жидкости не используется, то жидкий хладагент может быть направлен по обводной линии мимо него.
От коллектора 7 регулирующей станции жидкий хладагент при ручном регулировании распределяется посредством регулирующих вентилей РВ по охлаждаемым объектам (в общем случае — разных температур кипения). В случае применения автоматических регуляторов подачи хладагента в испарительную систему коллектор 7 становится распределительным. При помощи запорных вентилей на этом коллекторе можно прекращать подачу хладагента во все объекты данной температуры кипения или в группу объектов. Регулирующие вентили коллектора могут использоваться при выходе из строя автоматических регуляторов подачи, расположенных у объектов.
Обычно как ручные, так и автоматические регулирующие вентили находятся между двумя запорными вентилями, что позволяет при засорении регулирующего вентиля легко отсоединить его от системы для осмотра и очистки, без нарушения режима работы других объектов. Иногда ограничиваются постановкой одного запорного вентиля перед регулирующим. В этом случае перед вскрытием неисправного регулирующего вентиля необходимо закрыть запорный вентиль и отсосать хладагент из всего трубопровода. На коллекторе предусматривают вентиль Г для зарядки и пополнения системы хладагентом.
На всех хладоновых установках и обычно на небольших аммиачных установках линейные ресиверы располагают на одном уровне с конденсатором.
В этом случае конденсатор и линейный ресивер не соединяются уравнительной линией, а жидкий хладагент выдавливается из конденсатора в линейный ресивер через обратный клапан ОК (или гидравлический затвор) давлением конденсации, так как в линейном ресивере давление ниже, чем в конденсаторе, из-за периодического открытия регулирующего вентиля и перепуска жидкого хладагента в охлаждающие приборы.
На крупных холодильных установках обычно приходится использовать несколько конденсаторов, которые могут быть соединены последовательно или параллельно. Для аппаратов одного типа применяют, как правило, параллельное соединение конденсаторов. При таком соединении гидравлические сопротивления всех конденсаторов с соединительными трубопроводами должны быть равны, в противном случае будут подтапливаться конденсатом аппараты с меньшим гидравлическим сопротивлением. Для того чтобы гарантировать равенство гидравлического сопротивления всех конденсаторов с трубопроводами, их сопротивление увеличивают, предусматривая отвод конденсата из коллектора по сливной трубе (рис. 4) с подъемом h0, обеспечивающим дополнительное требуемое гидравлическое сопротивление Δp=ρgh0.
Компрессионные холодильные машины. В зависимости от применяемого рабочего вещества компрессионные холодильные машины разделяют на газовые (воздушные) и паровые.
