Парокомпрессионные холодильные машины

Холодильная машина является комплексом элементов, при помощи которых рабочее вещество совершает обратный термодинамический цикл (холодильный цикл) за счет затраты работы или теплоты. Процессы в элементах холодильной машины взаимосвязаны, и на них оказывают влияние как окружающая среда, так и охлаждаемые объекты.

Промышленные холодильные машины, работающие в области умеренного холода, можно подразделить на три основные группы: компрессионные – паровые и газовые, теплоиспользующие (используют тепловую энергию) и термоэлектрические (используют электрическую энергию).

Парокомпрессионные холодильные машины используют механическую работу. Они получили наибольшее распространение в холодильной технике и технологии для охлаждения, замораживания и хранения пищевых продуктов из-за их энергетической эффективности (меньший расход энергии по сравнению с другими машинами) и меньшей экологической опасности.

На рис. 1.6. показан принцип работы парокомпрессионных холодильных машин. Для осуществления холодильного цикла необходимо иметь четыре основных элемента: компрессор, конденсатор, испаритель и регулирующий вентиль, соединенных трубопроводом, в котором непрерывно циркулирует рабочее вещество – хладагент.

Рис.1.6. Принцип работы парокомпрессионных холодильных машин

Испаритель располагают в охлаждаемом помещении (холодильной камере, шкафу). В нем при низкой температуре (ниже температуры охлаждаемой среды) кипит жидкий хладагент, воспринимая тепло из холодильной камеры в количестве Q₀. Пары хладагента из испарителя отсасываются компрессором, сжимаются до давления Р_к, соответствующего температуре конденсации t_к, и нагнетаются в конденсатор, охлаждаемый окружающим воздухом. При отводе от конденсатора теплоты в количестве Q_к пары хладагента превращаются в жидкость, которая через регулирующий вентиль поступает опять в испаритель. В регулирующем вентиле происходит процесс дросселирования, при этом небольшая часть жидкого хладагента мгновенно испаряется, а оставшаяся жидкость охлаждается до температуры кипения.

Таким образом, хладагент выполняет непрерывный круговой (холодильный) цикл, циркулируя с помощью компрессора внутри замкнутой системы, изменяя температуру, давление, свое фазовое состояние, поглощая или отдавая при этом тепло.

В холодильных машинах в качестве хладагентов используют аммиак и фреоны (хладоны) при непосредственном охлаждении, и хладоносители – вода, рассолы (льдосоляные смеси хлористого натрия или хлористого кальция), антифризы (этиленгликоль, пропиленгликоль, метанол, глицерин), карбонат калия, жидкий диоксид углерода, водные растворы ацетата калия и формиата калия, экосолы (вода и этилкарбитол) – при косвенном охлаждении.

Главными элементами парокомпрессионных холодильных машин являются компрессор, конденсатор, испаритель, регулирующий вентиль.

1) КОМПРЕССОР. Компрессор является главным элементом холодильной машины. Он обеспечивает циркуляцию хладагента в системе холодильной машины, создает высокое давление, достаточное для перехода хладагента из парообразного состояния в жидкое в конденсаторе, и низкое давление, при котором он кипит в испарителе при заданной низкой температуре. Таким образом, он переносит вместе с парами хладагента теплоту, отведенную от охлаждаемой среды.

2) ИСПАРИТЕЛЬ. Испаритель – это теплообменный аппарат, предназначен для отвода (принятия) теплоты от охлаждаемой среды и хладагента. В испарителе происходит непосредственный теплообмен между охлаждаемым объектом и хладагентом (воздухоохладители, батареи, технологические аппараты непосредственного охлаждения). В испарителе обычно происходит кипение хладагента и превращение его в пар. Выделяют различные конструкции испарителей. На рис. 1.7 б) показан общий вид кожухотрубного испарителя затопленного типа, где: 1 – патрубок, куда подается жидкий хладагент, 2 – корпус аппарата, представляет собой сваренную из стального листа обечайку, по торцам к которой приварены трубные решетки 6 с отверстиями, в которые вставлены трубы 7. Снаружи к решеткам на шпильках крепятся крышки 3 и 9, одна из которых имеет штуцеры 4 и 5 для входа и выхода рассола. В центре обечайки вверху приварен сухопарник 8, через который пары хладагента отсасываются компрессором.

3) КОНДЕНСАТОР. Конденсатор – это теплообменный аппарат, который предназначен для превращения в жидкость поступающих из компрессорапаров хладагента. В конденсаторе возможно осуществить охлаждение жидкого хладагента ниже температуры конденсации (переохлаждение). Оба эти процесса сопровождаются отводом теплоты от хладагента к внешней среде. Существуют различные конструкции конденсаторов. На рис. 1.10а представлен кожухотрубный конденсатор.

4) РЕГУЛИРУЮЩИЙ ВЕНТИЛЬ. Об эффекте дросселирования, которое происходит в регулирующем вентиле, было упомянуто выше, сущность которого заключается в том, что при прохождении жидкого хладагента через суженное отверстие под действием разности давлений в конденсаторе и испарителе падение давления сопровождается понижением температуры всего потока. Хладагент дросселируется и теплообмен между ним и окружающей средой не осуществляется. При увеличении скорости движения в узком сечении внутренняя энергия молекул возрастает и повышенное внутримолекулярное трение приводит к тому, что часть жидкости переходит в парообразное состояние. При этом температура всего потока понижается до температуры кипения хладагента в испарителе. Поэтому только часть циркулирующего хладагента кипит в испарителе и производит полезное охлаждение.

Рис. 1.7. а) Кожухотрубный конденсатор; б) кожухотрубный испаритель затопленного типа

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое фазовые переходы веществ?

2. Какие имеются способы получения искусственного холода?

3. Какую функцию выполняет компрессор в холодильных машинах?

4. Что такое источники низкой и высокой температур?

Тесты

1) В каком диапазоне лежит область низких температур для холодильной техники:

а) –120÷–273⁰С; б) +30÷–120⁰С; в) +20÷–120⁰С; г) +20÷–110 ⁰С; д) 0 ÷–150⁰С.

2) При каких условиях существует тройная точка воды:

а) 617 Па; 0,0098 ⁰С; б) 617 Па; 0,98 ⁰С; в) 517 Па; 0,098 ⁰С; г) 417 Па; 0 ⁰С.

3) При каких условиях сухой лед (твердая двуокись углерода) переходит из твердого в газообразное состояние:

а) 1 атм; –70⁰С; б) 1 атм; –78,9⁰С; в) 3 атм; +15⁰С; г) 2 атм; –20⁰С; д) 1 атм; –67⁰С.

4) Какую энергию используют парокомпрессионные холодильные машины:

а) механическую работу; б) тепловую; в) электрическую энергию.

5) Сублимация – это процесс перехода вещества:

а) из жидкого состояния в парообразное; б) из жидкого состояния в пар; в) из твердого состояния в газообразное, минуя жидкость; г) из газообразного состояния в твердое, минуя жидкость.