Парокомпрессионная холодильная машина состоит из следующих основных элементов: испарителя, компрессора, конденсатора, теплообменника, фильтра-осушителя и дросселирующего элемента, соединенных между собой трубопроводами в замкнутую герметичную систему, заполненную холодильным агентом.

Испаритель содержит кипящий холодильный агент. Кипение холодильного агента в испарителе происходит за счет дросселирования и поддерживаемого компрессором низкого давления. Температура кипения холодильного агента в испарителе обычно на 15 °С ниже температуры охлаждаемой среды. Через поверхность испарителя воздух отдает свое тепло холодильному агенту, который при этом превращается в пар. Таким образом, в испарителе холодильный агент кипит при низкой температуре, отбирая тепло от охлаждаемого воздуха.

Компрессор всасывает пары холодильного агента из испарителя и поддерживает в нем низкое давление, обеспечивающее низкую температуру кипения. Кроме того, компрессор нагнетает пары в конденсатор и сжимает их до такого давления, при котором они превращаются в жидкость при условии охлаждения их окружающей средой.

Конденсатор обеспечивает охлаждение сжатых паров холодильного агента окружающим воздухом в целях понижения температуры паров до температуры конденсации (состояния насыщения) и конденсации насыщенных паров в жидкое состояние.

Для создания гидравлического затвора и равномерной подачи жидкого хладагента в дроссель вместимость конденсатора завышают, и его нижняя часть выполняет функции ресивера. Перед дросселирующим элементом устанавливают фильтр-осушитель. Фильтр-осушитель улавливает различные механические загрязнения (опилки, ржавчину и т. п.) холодильного агента и поглощает влагу, находящуюся в системе. При дросселировании давление конденсации холодильного агента понижается до давления кипения. Кроме того, дроссель обеспечивает необходимое заполнение испарителя жидким холодильным агентом, подавая в единицу времени столько жидкости, сколько паров успевает за это время всосать компрессор.

Процесс дросселирования жидкого холодильного агента сопровождается изменением агрегатного состояния холодильного агента. Часть жидкости, прошедшей через дроссель, превращается в насыщенный пар, охлаждая при этом остальную часть холодильного агента до температуры кипения. Поэтому из дросселя выходит смесь жидкости и насыщенного пара (влажный пар). Жидкость в испарителе кипит при давлении кипения, поглощая тепло от воздуха через стенки испарителя. Пары, поступающие из дросселя и образовавшиеся при кипении, всасывает компрессор. Температура и давление кипения зависят от подачи компрессора и интенсивности теплообмена между кипящим хладагентом и воздухом.

Пары холодильного агента по мере продвижения по испарителю в результате теплообмена через стенки последнего дополнительно подогреваются. Поэтому их температура на выходе из испарителя обычно на 7 °С выше температуры кипения.

Сжатие паров холодильного агента в компрессоре от давления кипения до давления конденсации сопровождается, кроме того, возрастанием их внутренней энергии и температуры. Температура паров в конце сжатия зависит от разности давлений на входе и выходе из компрессора и достигает 120...190°С.

В конденсаторе происходит три процесса: охлаждение сжатых паров до состояния насыщения, их конденсация и переохлаждение жидкого холодильного агента. Давление и температура конденсации зависят от температуры охлаждающей среды, величины теплопередающей поверхности конденсатора и интенсивности теплопередачи. Как правило, температура конденсации на 10 °С превышает температуру охлаждающей среды. Температура переохлаждения в воздушном конденсаторе достигает 4 °С.

Жидкий холодильный агент из конденсатора через фильтр-осушитель поступает в дроссель, и цикл повторяется. Таким образом, холодильный агент, совершая движение по замкнутому циклу, отнимает тепло от воздуха в охлаждаемом помещении и отдает его воздуху, обдувающему конденсатор.

К недостаткам парокомпрессионных холодильных машин следует отнести: необходимость постоянного обслуживания высококвалифицированным персоналом; высокую вероятность выхода из строя из-за большого количества движущихся деталей (5 % по международным стандартам); высокий уровень шума.

Однако одно достоинство делает парокомпрессионные холодильные машины самыми привлекательными из всех перечисленных. В условиях, в которых работают бытовые кондиционеры, холодильный коэффициент теоретически равен 3. Это значит, что на каждый киловатт затрачиваемой электроэнергии (с использованием теплоты воздуха окружающей среды) производится три киловатта холода или четыре киловатта тепла.

Основные принципы работы паровой компрессионной холодильной машины.

В основе получения холода при помощи паровой компрессионной холодильной машины лежит отвод тепла от охлаждаемой среды при кипении рабочего вещества в испарителе (5) (рис. 7.7). Кипение холодильного агента осуществляется при отводе тепла от охлаждаемой среды qo, Дж/кг.

Процессы в аппаратах холодильной машины (1,2,3,4) отражены на диаграммах состояния холодильного агента T--S и LgP--г (рис. 7.8).

На диаграммах T--S и LgP--i (рис. 7.8) представлены цикл Карно и теоретический цикл паровой компрессионной холодильной машины. Теоретический цикл отличается как от реальных условий работы холодильной машины, так и от идеального цикла Карно.

В испарителе 5 (рис. 7.7) холодильной машины кипит холодильный агент. Процесс кипения холодильного агента в испарителе холодильной машины, работающей на основе цикла Карно 4-1, обеспечивается выполнением двух условий: подводом тепла к испарителю (отводом тепла от охлаждаемой среды) и отводом паров, скапливающихся в испарителе.

Теоретический цикл паровой компрессионной холодильной машины в диаграммах Т= S и LgP--I

Последнюю функцию выполняет компрессор холодильной машины.

Компрессор 2 отводит пары из испарителя, сжимает их до давления конденсации и перемещает пары в конденсатор 3. При сжатии пара повышается давление холодильного агента от давления кипения Ро, МПа до давления конденсации Р, МПа (1-2). Процесс сжатия сопровождается повышением температуры холодильного агента. Пар становится сухим насыщенным (точка 2). В нем отсутствует капельно-жидкая влага.

Сухой насыщенный пар поступает в конденсатор 3, где при постоянном давлении конденсации охлаждается до состояния насыщения (точка 3), превращаясь в жидкость.

В холодильной машине, работающей по циклу Карно, жидкий холодильный агент поступает в расширительный цилиндр 4 (детандер), где, расширяясь, совершает полезную работу. Расширение сопровождается понижением давления и температуры до температуры кипения холодильного агента в испарителе. Холодо производительность холодильной машины соответствует площади (4-1 -b-a-А) под изотермой кипения (4-1).

Отличия теоретического цикла паровой компрессионной холодильной машины от цикла Карно.

В цикле Карно всасывание паров холодильного агента в цилиндр компрессора осуществляется в состоянии влажного пара (точка 1).

пар обусловливает в своем составе наличие капель жидкого холодильного агента. Поступление в цилиндр компрессора жидкого холодильного агента влечет за собой последствия, которые следует учитывать в условиях работы холодильной машины. Поскольку жидкости несжимаемы, то попадание жидкого холодильного агента в цилиндр компрессора может привести к явлению, которое носит название «гидравлический удар». Суть явления состоит в том, что при сжатии несжимаемой жидкости возможно разрушение конструктивных элементов компрессора. Наиболее уязвимой частью компрессора, подверженной разрушению при гидравлическом ударе, является всасывающий клапан. Он может разрушиться. Особенно это опасно для герметичных компрессоров, поскольку последствия подобного предполагают отправку компрессора в ремонт.

Гидравлический удар как явление при эксплуатации малых холодильных машин бывает скорее исключением из правил, чем правилом. Более неприятным явлением, связанным с поступлением в цилиндр компрессора небольшого количества капель жидкого холодильного агента, является вскипание этих капель непосредственно в самом компрессоре. Образование пара в компрессоре, как отмечалось ранее, приводит к уменьшению коэффициента подачи компрессора X (к. п. д. компрессора). Его холодопроизводительность падает, что приводит к повышению температуры воздуха в охлаждаемом объеме:

. л ...Вт

где

q- Удельная объемная холодопроизводительность, кДж/м3;

Vh -- часовой объем, описываемый поршнем (поршнями), с.

Таким образом, сравнительно с циклом Карно логически обоснован переход от холодильного агента в состоянии влажного пара (точка 1) к сухому насыщенному пару (точка Г), т. е. пару, не имеющему в своем составе жидкости.

Переход от состояния холодильного агента (рис. 7.8, точка 1) к состоянию (точка) обеспечивает работу компрессора «сухим ходом», что позволяет достичь наибольшего значения коэффициента подачи и увеличить холодопроизводительность компрессора ?Дж/кг, на величину, эквивалентную площади b-d--1-b. Однако одновременно с увеличением холодопроизводительности, Дж/кг, возросла и величина энергетических затрат в виде работы /, Дж/кг. Величина адиабатной работы эквивалентна площади 1-1/-2/-2-1.

Рис. 7.9 Конструкция отделителя жидкости

а) -- отделитель жидкости (Ож), б) -- отделитель жидкости совместно с компрессором (Км) холодильной машины: 1 -- дозирующее отверстие для масла, 2 -- отражатель

Поскольку приращение площади, эквивалентной работе, больше площади, эквивалентной холодопроизводительности, энергетически данный процесс менее эффективен, чем процесс, протекающий в рамках цикла Карно. Однако практическая целесообразность превалирует над соображениями, связанными с энергетическими затратами.

Таким образом, для увеличения холодопроизводительности холодильной машины необходимо обеспечить подачу в цилиндр компрессора сухого насыщенного пара в состоянии точки Г (рис. 7.8) или пара в состоянии перегрева.

Обеспечить подачу в компрессор пара без капель жидкости можно двумя путями -- либо предварительно отделяя жидкость от пара в отделителе жидкости (Ож) (рис. 7.9), либо нагревая (перегревая) пар в испарителе посредством изменения расхода холодильного агента, проходящего через прибор автоматического регулирования расхода холодильного агента -- ТРВ.

Отделение жидкого холодильного агента от пара в отделителе жидкости.

В отделитель жидкости холодильный агент поступает из испарителя вместе с маслом. Поток холодильного агента ударяется в отражатель 2, масло опускается на дно отделителя жидкости, а капли жидкого холодильного агента превращаются в пар и поступают в компрессор. Пары холодильного агента поступают в верхнюю часть V-образной трубки и далее в компрессор. Масло всасывается в компрессор через калиброванное отверстие 1, обеспечивающее дозированную его подачу.

Отделители жидкости устанавливают в основном в низкотемпературных холодильных машинах. Недостатком отделителя жидкости является его металлоемкость.

Перегрев пара в испарителе при помощи терморегулирующего вентиля (ТРВ)

Процесс дросселирования осуществляется в соответствии с закономерностями гидравлики: путем создания для потока жидкого холодильного агента «местного сопротивления» или «сопротивления по длине».

Первый метод реализован в технических конструкциях, называемых терморегулирующими вентилями (ТРВ), второй метод -- дросселированием холодильного агента в капиллярной трубке (тонкая длинная трубка). Капиллярная трубка выполняет только одну функцию -- дросселирует жидкий холодильный агент, проходящий через нее.

Схема терморегулирующего вентиля приведена на рис. 7.10. Величина перегрева пара, т. е. нагрев пара относительно температуры кипения холодильного агента в испарителе (At, °С, рис. 7.11), обеспечивается прибором автоматики -- терморегулирующим вентилем (ТРВ).

Регулирование заполнения испарителя холодильным агентом, точнее регулирование расхода холодильного агента, протекающего через дросселирующее устройство (через ТРВ) и соответственно через испаритель, осуществляется вращением регулирующего винта 2 терморегулирующего вентиля (рис. 7.10).

Объем под мембраной в ТРВ соединен с выходом из испарителя. При увеличении усилия сжатия пружины Рпр клапан уменьшает проходное сечение, уменьшается расход холодильного агента, протекающего через ТРВ. При малом количестве холодильного агента в испарителе пар, выходящий из испарителя, перегревается, давление холодильного агента в термобаллоне (8), плотно прижатом к испарителю, повышается. Устанавливается новое равенство давлений на мембрану с каждой из сторон: снизу -- давление пружины Рпр и давление кипения Ро, сверху -- давление холодильного агента, создаваемого в термобаллоне Ртб.

Таким образом, основная функция ТРВ состоит в регулировании величины перегрева паров, выходящих из испарителя, а не температуры кипения и соответственно не температуры воздуха в охлаждаемом объеме. Температура воздуха в охлаждаемом объеме устанавливается регуляторами температуры или давления кипения холодильного агента в испарителе.

Вместе с тем следует отметить, что при вращении регулировочного винта ТРВ вследствие дросселирования холодильного агента и изменения эффективной площади теплообмена испарителя в определенной мере изменяется давление кипения холодильного агента в испарителе и, следовательно, температура воздуха в охлаждаемом объеме.

Рис. 2. Терморегулирующий вентель.

1-испаритель,2-регулирующий,винт,3-регулирующаяпружина,4-игла(клапан),5-толкатель,6-мембрана,7-капилярная трубка,8-термобалон

Рис.3. Теоретический цикл.паровой компрессионной холодильной машины с ТРВ, Процессы:3-4-дросселирование в ТРВ, 1--перегрев пара в испарителе

Переохлаждение жидкого холодильного агента перед его дросселированием.

В цикле Карно расширение жидкого холодильного агента протекает в расширительном цилиндре (рис. 7.8, процесс 3-4). В теоретическом цикле паровой компрессионной холодильной машины реализован принцип дросселирования жидкого холодильного агента (рис. 7.8, процесс 3-4') с предварительным его охлаждением.

Охлаждение жидкого холодильного агента перед его дросселированием может осуществляться в конденсаторе холодильной машины достаточно простым способом -- путем увеличения площади поверхности конденсатора или в простейшем случае путем увеличения длины трубки конденсатора (рис. 7.12).

Применение способа сопряжено с увеличением размеров и массы конденсатора. Поэтому в холодильной технике применяется более эффективный способ, позволяющий сочетать понижение температуры жидкого холодильного агента перед его дросселированием с дополнительным нагревом (перегревом) паров холодильного агента на всасывании в компрессор. Для этих целей используют теплообменные аппараты, называемые теплообменниками. Конструкция одного из них представлена на рис. 7.13.

Регенеративный теплообменник (рис. 7.13) решает две практические задачи: охлаждает жидкий холодильный агент, выходящий из конденсатора (рис. 7.14, отрезок 3-3"), и нагревает пар, поступающий из испарителя в компрессор (отрезок 1-1"). Кроме того, применение теплообменника обеспечивает эффективность использования площади поверхности испарителя и хороший возврат масла в компрессор.

Переохлаждение холодильного агента перед дросселированием и перегрев пара на всасывании обеспечивают дополнительное увеличение холодопроизводительности холодильной машины (площади с-а 4--c и b-d--1-b, почему теплообменник является необходимым и обязательным элементом холодильной машины.

2 Холодильные камеры

Камер и холодильных машин отражены в табл. 15.1-15.4 приложения. Панели трехслойные -- пенополиуретан в оболочке из оцинкованной стали, покрытой эмалью -- толщиной, например, 65,100 и 150 мм, коэффициент теплопроводности соответственно 0,38,0,24 и 0,17 Вт/(м * К).

Модульные холодильные камеры комплектуются навесными моноблочными холодильными машинами (приложение, табл. 15.2-15.4).

Низкотемпературные камеры Moiyr быть укомплектованы половыми панелями с электрическим обогревом (15-25 Вт/м2), выдерживающими нагрузку до 3000 кг/м2, дверями с электрообогревом по периметру, а также с электрообогревом наружного стекла, если дверь трехслойная, стеклянная.

Модульная холодильная камера

Перспективным направлением исполнения холодильных камер являются сборные камеры, имеющие в своем составе открытую витрину для хранения части запаса фасованного продукта на полках и в контейнерах. Такие камеры-витрины привлекательны для покупателей, поскольку имеют свободный доступ к продукту. Кроме того, такие камеры позволяют сократить время и затраты труда на осуществление погрузочно-разгрузочных работ. Витрина может быть неотъемлемой частью единого блока (камера-витрина) полной заводской готовности или поставляться отдельно и пристраиваться как к сборной, так и к стационарной камере.

Сборные холодильные камеры с моноблочными холодильными машинами производства СП «Совиталпродмаш» выпускаются объемом от 4 до 18 м3. Технические характеристики камер отражены в табл. 15.4 приложения.

Своеобразной формой холодильной камеры, которую лишь отчасти можно уподобить сборной холодильной камере, является камера, выполненная на основе контейнера, например, 20- и 40-футового (рис. 15.30, табл. 15.5 приложения).В контейнерах может поддерживаться температура воздуха в широком температурном диапазоне (-22.„0 °С).

Библиография

1. Дячек П.И. Холодильные машины и установки: Учебное пособие. - Ростов н/Д: Феникс, 2007. - 424 с