Устройство современных холодильников

 

Рассмотрим компоновку основных элементов холодильников, они практически все на виду: испарители расположены внутри камер, конденсатор — с внешней стороны задней стен­ки, компрессор — сзади в поддоне, элементы управления находятся под верхней крышкой или в дверце.

Компрессор предназначен для нагрева хла­дагента и нагнетания его под высоким давлени­ем (более 10 атмосфер) в холодильный контур. Внешний вид компрессора, который использует­ся в бытовых холодильниках, показан на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4. Внешний вид компрессора

 

В зависимости от назначения бытовых холодиль­ников, в них может устанавливаться один или два компрессора. [19]

Виды компрессоров

Поршневые компрессоры. Конструкции поршневых компрессоров могут различаться по нескольким параметрам:

- числу цилиндров — одноцилиндровые и многоцилиндровые;

-  расположению осей цилиндров — горизонтальные, вертикаль­ные, V-образные, W-образные, веерообразные;

- виду привода — с коленчатым валом, с эксцентриковым приводом.

Принцип действия. Несмотря на различие конструктивных особенностей, все поршневые компрессоры имеют одинаковый прин­цип действия (рисунок 1.5).

В начальном положении (рисунок 1.5, а) поршень компрессора на­ходится в верхней части цилиндра, занимая положение, получив­шее название «верхняя мертвая точка», или ВМТ. При вращении вала компрессора по направлению, указанному стрелкой, пор­шень начинает перемещаться вниз. Небольшое количество паро­образного хладагента, находящееся над поршнем в ВМТ, расши­ряется и давление хладагента начинает понижаться. Как только давление в цилиндре станет немного ниже давления кипения (дав­ления всасывания), откроется всасывающий или впускной кла­пан (рисунок 1.5, б). При открытом впускном клапане поршень пере­мещается вниз и достигает самого нижнего положения, получив­шего название «нижняя мертвая точка», или НМТ. В этом положе­нии изменяется направление движения поршня и он начинает перемещаться вверх (рисунок 1.5, в). При этом закрывается впускной клапан и находящийся в полости цилиндра хладагент начинает сжиматься. Процесс сжатия будет продолжаться до тех пор, пока давление в полости цилиндра не превысит давление конденсации (давление нагнетания). В этот момент откроется нагнетательный или выпускной клапан (рисунок 1.5, г) и начнется нагнетание сжа­того хладагента в конденсатор. После достижения поршнем ВМТ цикл работы компрессора заканчивается.

 

а — положение поршня в верхней мертвой точки; б — процесс всасывания;

в - положение поршня в нижней мертвой точке; г — процесс нагнетания

Рисунок 1.5. Цикл работы поршневого компрессора

 

Из цилиндра компрессора в кон­денсатор нагнетается не весь парообразный хладагент. Некоторое его ко­личество остается в зазоре между пор­шнем и днищем цилиндра, в каналах клапанов. Объем, который занимает ос­тавшийся в цилиндре хладагент, по­лучил название «мертвый объем». Чем меньше величина мертвого объема, тем меньше потери компрессора и лучше характеристики работы компрессора.

Ротационные компрессоры относятся к объемным компрессо­рам. Сжатие парообразного хладагента осуществляется при умень­шении объема рабочей полости. Различают ротационный комп­рессор с катящимся ротором и с вращающимся. Ротационный компрессор с катящимся ротором состоит из (рисунок 1.6) цилинд­ра 1, по внутренней поверхности которого катится ротор комп­рессора 2. Ротор устанавливается на вал 7 со смещением и при вращении вала ротор прокатывается по внутренней поверхности цилиндра, образуя в зазоре между цилиндром и ротором рабочие полости с изменяемыми объемами.

Когда ротор 2 компрессора выступающий частью, находящей­ся в постоянном контакте со стенкой цилиндра, обращен к ло­пасти 5, в цилиндре образуется одна рабочая полость, заполнен­ная хладагентом, поступающим из испарителя по всасывающему трубопроводу 6 (рисунок 6, а).

1 — цилиндр; 2 — ротор компрессора; 3, 6 — трубопровод; 4 — пружина;

5 — лопасть; 7 — вал

 Рисунок 1.6. Ротационный компрессор с катящимся ротором

Дальнейший поворот вала 7 компрессора приводит к тому, что серповидная рабочая полость начинает уменьшаться (рисунок 1.6, б), а давление парообразного хладагента в ней повышается. Одновре­менно начинает появляться полость всасывания, заполняемая парообразным хладагентом из испарителя. При максимальном уда­лении ротора 2 компрессора от лопасти 5 в цилиндре 1 образуют­ся две полости (рисунок 6, в) — нагнетания и всасывания. При даль­нейшем повороте вала 7 компрессора происходит завершение про­цессов нагнетания (рисунок 1.6, г) и всасывания. Цикл работы ком­прессора повторяется.

Ротационные компрессоры изготавливаются, как правило, в герметичном исполнении, и они используются в составе компрессорно-конденсаторных агрегатов холодильных машин для тор­гового холодильного оборудования. Эти компрессоры работают на фреонах.

Спиральные компрессоры относятся к компрессорам объем­ного действия, т.е. сжатие хладагента происходит за счет умень­шения объема, в котором находится хладагент. Это совершенно новый тип компрессоров, который в настоящее время все чаще используется в системах кондиционирования воздуха и в холо­дильных машинах холодопроизводительностью до 40 кВт.

Конструктивно рабочий элемент спирального компрессора со­стоит из двух вложенных одна в другую спиралей (рисунок 1.7).

Одна из спиралей установлена неподвижно, а вторая соверша­ет эксцентрическое движение. Все процессы, присущие объем­ным компрессорам (например, поршневому компрессору) — вса­сывание, сжатие, нагнетание — реализуются в полостях, образуе­мых боковыми поверхностями спиралей. Принцип действия спи­рального компрессора показан на рисунке. Отличительной осо­бенностью спирального компрессора является отсутствие всасы­вающего и нагнетательного клапанов и практически отсутствие мертвого объема.

а                                       б

а — неподвижная спираль; б — подвижная спираль

Рисунок 1.7. Рабочий элемент спирального компрессора

 

 

 В процессе всасывания (рисунок 1.8, а) хладагент из испарителя заполняет расширяющуюся полость между неподвиж­ной (черная линия) и подвижной (серая линия) спиральными компрессорами. Направление движения хладагента показано на рисунке стрелкой. Дальнейшее перемещение подвижной спирали отсекает объем, заполненный хладагентом, от линии всасывания (рисунок 1.8, б). В процессе движения подвижной спирали отсечен­ный объем перемещается к центральной части спиралей (рисунок 1.8, в, г), при этом происходит уменьшение объема и соответственно повышение давления. Достигнув центральной части, сжатый хла­дагент подается в нагнетательный патрубок (положение г) и за­тем в конденсатор холодильной машины.

 

Рисунок 1.8. Принцип действия спирального компрессора

мертвого объема

 

Число витков спиралей, их форма и радиус перемещения под­вижной спирали подобраны так, что одновременно рабочий про­цесс компрессора реализуется в шести полостях и процесс нагне­тания хладагента практически непрерывный (рисунок 1.8, д).

Конструктивно спиральный компрессор может иметь верти­кально расположенный электродвигатель, размещенный в герме­тичном кожухе. В верхней части установлены неподвижная и под­вижная спирали. Компрессор оснащен патрубками для присоеди­нения к линиям всасывания (к испарителю) и нагнетания (к кон­денсатору).

Отсутствие движущихся возвратно-поступательно частей суще­ственно снижает уровень вибрации компрессора и шума. Высокая эффективность и простота в обслуживании при эксплуатации спо­собствуют увеличению числа компрессоров данного типа для хо­лодильных машин и кондиционеров.

Винтовые компрессоры. Винтовые компрессоры относятся к классу объемных компрес­соров, в которых сжатие хладагента осуществляется за счет умень­шения объема рабочей полости. Рабочая полость образуется в ци­линдре при определенном положении двух роторов — винтов. Ци­линдр снабжен всасывающим и нагнетательным окнами, впуск­ные и нагнетательные клапаны отсутствуют.

Конструктивная схема двухроторного холодильного винтового компрессора приведена на рисунке 1.9.

В корпусе компрессора в подшипниках 6, 7 установлены два ротора (винта). Один из винтов 5 имеет выступы и называется ведущим. Второй винт 4 имеет впадины (их число обычно больше выступов) и называется ведомым.

При вращении винтов в пространстве между внутренней стен­кой цилиндра, выступами и впадинами винтов 4 и 5 периодичес­ки образуется рабочая полость (на рисунке — заштрихована). Эта по­лость заполняется парообразным хладагентом из испарителя. Со­вместное вращение винтов приводит к тому, что хладагент пере­мещается вдоль оси винтов и сжимается.

 

1 — камера всасывания; 2 — кор­пус; 3 — задняя крышка; 4 — ве­домый винт (ротор); 5 — ведущий винт (ротор); 6,7— подшипники винтов компрессор

Рисунок 1.9. Винтовой холодиль­ный компрессор

 

Сжатие паров хладагента продолжается до тех пор, пока рабочая полость не достигнет на­гнетательного окна в стенке корпуса цилиндра. Сжатый парооб­разный хладагент через нагнетательный патрубок подается в кон­денсатор холодильной машины.

В силу того, что при вращении роторы не соприкасаются друг с другом и стенками цилиндров, их можно выполнять без смазки. Этот тип винтовых компрессоров получил название «сухие комп­рессоры». Однако на практике чаще всего применяют маслозаполненные компрессоры. В таких компрессорах масло в виде очень мелких капель впрыскивается в рабочую полость. Образующаяся на поверхностях роторов (винтов) и цилиндра тонкая масляная пленка позволяет лучше уплотнить элементы и обеспечить более высокую степень сжатия паров хладагента. Кроме того, масло ис­пользуется как охлаждающая среда для корпуса компрессора. Не­достатком маслозаполненных компрессоров является необходи­мость в эффективных маслоотделителях, устанавливаемых на ли­нии нагнетания хладагента.

Винтовые компрессоры имеют меньшие размеры и массу, чем поршневые той же производительности. Отсутствие элементов, движущихся возвратно-поступательно, обеспечивает хорошую уравновешенность компрессора. Надежность винтовых компрес­соров при эксплуатации также достаточно велика. Это обусловле­но отсутствием впускных и выпускных клапанов, а также трения между элементами компрессора. К недостатку винтовых компрес­соров следует отнести высокий уровень шума, использование спе­циального привода для обеспечения высокой частоты вращения винтов, сложную систему смазки.

Винтовые компрессоры используются в крупных одно- и двух­ступенчатых холодильных машинах, работающих на аммиаке или фреонах.

Центробежные компрессоры. Центробежные компрессоры используются в холодильных ма­шинах большой производительности, работающих на фреонах и аммиаке, преимущественно в системах кондиционирования воздуха.

Сжатие паров хладагента в центробежном компрессоре осно­вано на увеличении скорости хладагента в рабочем колесе и по­следующем преобразовании его кинетической энергии в потен­циальную. Принцип действия центробежного компрессора пока­зан на рисунке 1.10.

Хладагент в парообразном состоянии поступает во всасываю­щий патрубок 3 компрессора и затем в рабочее колесо 2. Рабочее колесо вращается в корпусе компрессора с большой скоростью. Центробежной силой парообразный агент лопатками отбрасывается к периферии (наружной части) рабочего колеса.

 

1 — нагнетательный патрубок; 2 — рабочее колесо с лопатками;

3 — всасывающий патрубок; I—V— ступени компрессора; С, D, Е, F,

Рисунок 1.10. Устройство центробежного компрессора

 

После рабо­чего колеса 2 хладагент подается в обратный направляющий ап­парат, в котором скорость движения хладагента значительно сни­жается, а давление его повышается.

Обычно давления, создаваемого одним рабочим колесом и од­ним обратным направляющим аппаратом с диффузором, бывает недостаточно. Поэтому хладагент сжимают последовательно в не­скольких рабочих колесах, получивших название «ступени сжатия компрессора» или просто — ступени компрессора.

Число ступеней сжатия центробежного компрессора определя­ется условиями работы холодильной машины и свойствами ис­пользуемого хладагента. [17]

Конденсатор — это теплообменник, который при переходе хладагента из газообразного в жидкое состояние обеспечивает отвод избыточ­ного тепла в окружающую среду. Обычно он рас­положен с внешней стороны задней стенки холо­дильника и представляет собой определенным образом изогнутую металлическую трубку (обыч­но, изгибается в виде «змейки»), соединенную с объемной ребристой поверхностью для эффек­тивного отвода тепла (рисунок 1.11).

Рисунок 1.11. Конденсатор

Испаритель — это тот же теплообменник, но он уже используется для поглощения тепла (выделения холода) в фазе испарения (при пе­реходе хладагента из жидкого в парообразное состояние). Он представляют собой ту же труб­ку, прикрепленную к металлической пластине. Испарители, в зависимости от компоновки холо­дильников, имеют различные конструктивные исполнения — они могут располагаться как не­посредственно внутри камер, так и встраиваться непосредственно в стенки холодильного шкафа.

Пусковое реле служит для обеспечения за­пуска мотора компрессора путем кратковремен­ной подачи на его пусковую обмотку питающего напряжения. Тепловое реле служит для защиты компрессора от перегрузок. Оба реле располага­ются рядом с компрессором.

Капилляр представляет собой тонкую метал­лическую трубку с малым внутренним диамет­ром. Она является основным функциональным узлом при выполнении фазы расширения холо­дильного цикла при переходе жидкого хладагента из состояния высоких давления и температуры в низкие показатели этих парамет­ров. Внешний вид капиллярной трубки показан на рисунке 1.12.

Рисунок 1.12. Капилляр

 

Основное назначение фильтра-осушите­ля — удаление из системы воды и очистка хла­дагента от механических загрязнений. Внешний вид фильтра-осушителя показан на рисунке 1.13.

Рисунок 1.13. Фильтр осушителя

Датчики-реле температуры (терморегу­ляторы) предназначены для поддержания за­данной температуры в холодильной и (или) моро­зильной камерах холодильников (Рисунок 1.14). Они являются основным узлом системы контроля температуры. Терморегуляторы работают в заданном темпера­турном коридоре (последний в определенных пределах можно корректировать с помощью спе­циального механического регулятора и котиро­вочных винтов). Если температура камеры холо­дильника выше верхней границы этого темпера­турного коридора, то реле включает мотор комп­рессора, а когда температура опускается ниже заданной границы – реле отключает мотор. Эти приборы достаточно просты — они имеют в своем составе электрические контактные группы (используются в цепи питания компрессора), управляемые специальным манометрическим датчиком с капиллярной трубкой (часть указан­ной трубки помещается в камеру холодильника для контроля температуры).

Рисунок 1.14. Датчики-реле температуры (терморегу­ляторы)

 

Однако, похоже, терморегуляторы отживают свой век. В настоящее время на рынке появи­лись бытовые холодильники с электронными си­стемами управления (СУ). Кроме основной функ­ции — контроля и поддержания заданных темпе­ратурных режимов в камерах холодильников, эти системы обеспечивают выполнение дополните­льных функций и режимов.