3. Принцип устройства, работы и назначение основных элементов паровой компрессионной машины

 

1). Простейшая компрессионная холодильная машина состоит из 4 основных элементов: испарителя(1); компрессора (2); конденсатора (3);  регулирующего вентиля (4), объединенных в герметичную систему трубопроводами (5). Холодильная машина оснащается приборами автоматики, пусковыми, защитными и вспомогательными  (теплообменники, фильтры, осушители, ресивер и др.) устройствами.

  В системе машины циркулирует холодильный агент, который переходит из одного агрегатного состояния в другое и вновь возвращается в первоначальное (жидкое – газообразное - жидкое).

  1.Испаритель устанавливается в охлаждаемой камере и обеспечивает охлаждение воздуха в ней. В испаритель  холодильный агент поступает в жидком состоянии; за счет отнятия тепла у воздуха (продукта) охлаждаемой камеры кипит (при низкой температуре и низком давлении) и  переходит в парообразное состояние. Но чтобы поддерживалось низкое давление в испарителе, образующиеся пары холодильного агента из него необходимо удалять. Как только давление в испарителе становится выше заданного, срабатывают приборы автоматики и включают компрессор.

  2.Компрессор отсасывает пары холодильного агента из испарителя, сжимает их до давления конденсации  и нагнетает  в конденсатор.

  3.Для непрерывности холодильного процесса необходимо чтобы пары холодильного агента перешли в жидкое состояние. В конденсаторе пары холодильного агента отдают тепло (забранное у продукта и "полученное" в компрессоре) промежуточной среде (воздуху или воде) и конденсируются (переходят в жидкое состояние).

  4.Для поддержания заданной в охлаждаемой камере температуры необходимо чтобы в испаритель поступало определенное количество холодильного агента. Регулирующий регулирует подачу определенного количества холодильного агента в испаритель и изменяет его давление.

 

4. Холодильные агенты и хладоносители

 

С помощью холодильного агента (рабочего тела) совершается какой-либо термодинамический процесс или цикл. В качестве холодильного агента используются жидкости, имеющие низкую температуру кипения при атмосферном давлении.

Холодильный агент должен обладать определенными термодинамическими, теплофизическими (это вязкость, теплопроводность, плотность и др.) и физико-химическими свойствами (растворимость холодильных агентов в смазочных маслах и воде, инертность к металлам, взрывоопасность, воспламеняемость), от которых зависят конструкция холодильной машины и расход энергии.

Холодильные агенты должны, удовлетворять следующим требованиям.

1. Давление холодильного агента в конденсаторе не должно быть высоким. С повышением давления в конденсаторе повышаются требования к прочности элементов холодильной машины, в связи с чем увеличивается расход металла на их изготовление.

Давление в испарителе не должно быть ниже атмосферного, в противном случае в систему может подсасываться воздух, а вместе с ним и влага. Наличие воздуха в системе нарушает ее работу и приводит к перерасходу энергии. Вода вызывает коррозию металла и образование ледяных пробок в системе, что нарушает циркуляцию холодильного агента.

2. Теплота парообразования холодильных агентов должна быть как можно больше, а удельный объем их как можно меньше. При большом значении теплоты парообразования, а, следовательно, и удельной холодопроизводительности в системе будет циркулировать меньшее количество холодильного агента, что позволит уменьшить размеры холодильной машины и эксплуата­ционные расходы. Это необходимо для машин большой и средней холодопроизводительности. Для холодильных машин малой холодопроизводительности применяют холодильные агенты с небольшой удельной холодопроизводительностью.

3. Температура замерзания холодильного агента должна быть  низкой, что обеспечивает получение низких температур в испарителе.

4. Холодильный агент должен обладать низкой вязкостью, хорошей теплопроводностью и плохой растворяемостью в смазочном масле. Холодильный агент низкой вязкости проходит по трубопроводам системы с меньшим сопротивлением. Высокий коэффициент теплопроводности холодильного агента обеспечивает хорошую работу теплообменных аппаратов.

5. Холодильный агент должен быть нейтральным по отношению к металлам. 6. Он не должен быть горючим, взрывоопасным.

7. Стоимость холодильного агента должна быть невысокой.

По происхождению холодильные агенты могут быть органического и неорганического происхождения; по структуре – однокомпонентные и многокомпонентные (зеотропные,квазиазеотропные, азеотропные смеси). В качестве (органического происхождения) холодильных агентов применяются галогенопроизводные предельных углеводородов, получаемые путем замены атомов H в насыщенном углеводороде C_nH_2n+2 атомами фтора, хлора, брома (C_nH_x, F_y,Cl_zBr_u)-назывались хладоны (фреоны).

Обозначение любого  холодильного агента R-N. R-символ, указывающий холодильный агент; N- номер хладона, или присвоенный номер для других холодильных агентов (R с тремя цифрами после Rcdu: c –сотни-число атомов углерода, уменьшенного на единицу, d-десятки-число атомов водорода, увеличенного на единицу, u-единицы-число атомов фтора). Для хладонов номер расшифровывается следующим образом. Первая цифра в двузначном номере или первые две цифры в трехзначном номере обозначают насыщенный углеводород С_nН_2n+2, на базе которого получен хладон. Цифры в номере означают следующее: 1  -  СН₄ (метан); 11  -  С₂Н₄ (этан); 21  -  С₃Н₈ (пропан); 31  -  С₄Н₁₀ (бутан). Справа указывают число атомов фтора в хладоне: C Cl₃F-R11,C Cl₂F₂-R12, С₃F₄С1₄-R214,  CCl₄-R10. При наличии в хладоне незамещенных атомов водорода число их добавляют к числу десятков номера: CHFCl₂-R21, CH C1F₂-R22. При наличии в хладоне атомов брома после основного номера пишут букву В, а за ней  -  число атомов брома: CF₂Br₂-R12B2.

Цифрами, начиная с 500 обозначаются азеотропные смеси, с 400-неазеотропные (зеотропные) и квазиазеотропные смеси, с 600-различные органические (углеводородные) соединения; холодильным агентам неорганического происхождения (аммиак, вода) присваиваются номера, равные их молекулярной массе, увеличенные на 700.

Азеотропные смеси - не изменяют заметно ни своего объемного состава, ни температуры насыщения при испарении или конденсации с постоянным давлением. Как испарение, так и конденсация происходят при постоянных значениях давления и температуры.

Квазиазеотропные смеси - происходит лишь незначительный "сдвиг" (glide) температуры испарения и конденсации при изменении состояния, которое, однако, не имеет заметного влияния на технические параметры, функционирование и безопасность работы установки.  Квазиазеотропные смеси имеют особенности, схожие с зеотропными, однако подобные изменения менее значительны и вызываемые ими последствия могут быть существенно меньшими и почти не сказываться на рабочих характеристиках установки.

Зеотропные смеси - имеют отличные от предыдущих групп характеристики, ввиду того, что температура испарения и конденсации заметно изменяется при изменении состояния хладагента, заметно изменяется также объемный состав.

Нефторированные (чистые) хладагенты – к этой группе относятся такие альтернативные хладагенты как аммиак или углеводороды. Токсичность и горючесть этих хладагентов ограничивают их использование герметичным оборудованием с небольшой дозой зарядки хладагента, а также некоторыми типами промышленных холодильников.

Традиционно применяемые хладагенты (R12, R22, R502, R114) являются озоноразрушающими. Поэтому с 1992 г. ведущие фир­мы начали выпуск холодильной техники на новых экологически чистых озонобезопасных химических соединений: однокомпонентных (R134a-тетрафторэтан, R290-пропан, R600-n-бутан, R600a - изобутан), двухкомпонентных (R290/R600,R290/R600a) и трехкомпонентных (R401A или МР39) хладагентах. В настоящее время предпочтение отдается двум хладагентам: R134a в США, Канаде и Японии; смеси R290/R600 с отношением массовых долей 50/50 в странах Западной Европы. Герметичные компрессоры на R134a имеют более низкие энергетические коэффициенты, чем на R12, особенно при температурах ниже -15 °С. Компрессоры на смеси хладагентов R290/R600a имеют показатели, не уступающие таковым на R12. Замена хладагента предполагает изменение характеристик компрессора, конденсатора и марки масла. Конечно, R290, R600a и R600 имеют низкие значения предела распространения пламени, но их масса, содержащаяся в агрегате, столь мала (в два-три раза меньше R12), что образование опасной концентрации невозможно.

Большинство холодильной техники зарубежного производства так же выполнены без применения FKW, веществ способствующих возникновению парникового эффекта. В связи с этим маркировка холодильной техники с безопасными хладагентами осуществляется со значком CFC-free.

Хладоносители (теплоносители) – вещества, с помощью которых тепло отводится от охлаждаемого объекта и передается холодильному агенту, подразделяют на жидкие и твердые. В холодильной технике теплоносители применяются на установках, в которых нельзя использовать непосредственное охлаждение (охлаждение холодильным агентом). Теплоносители должны иметь низкую температуру замерзания; высокую теплоемкость и теплопроводность; малую вязкость и небольшой удельный вес; химическую нейтральность по отношению к металлам и прокладочным материалам; безвредность; невысокую стоимость.

Доступным теплоносителем является вода, но вследствие высокой температуры замерзания ее используют только в кондиционерах при температуре выше 0 °С. К жидким относятся водные растворы солей  -  рассолы и однокомпонентные вещества, замерзающие при низких температурах (этиленгликоль, кремнийорганическая жидкость). Применяют водные растворы солейNaCI, MgCl₂, СаСl₂, температура замерзания которых до известного предела (состояния криогидратной точки) зависит от концентрации рассола. Для раствора NaCI криогидратная точка  - 21,2°С, для MgCl₂  -  33,6°С, для СаСl₂  -  55°С. Для уменьшения коррозирующего действия рассолов на металлические части оборудования в них добавляют пассиваторы: силикат натрия, хромовую соль, фосфорные кислоты.

Этиленгликоль в зависимости от концентрации в воде может иметь температуру замерзания от 0°С (вода) до -67,2°С при концентрации 70% по объему.

Твердые хладоносители  -  это эвтектический лед, образующийся при криогидратной температуре, представляющий собой смесь льда и соли и имеющий постоянную температуру плавления.