Билет №10

1. Разомкнутый цикл с избыточным давлением – воздушная холодильная машина Н.Н.Кошкина ( схема, принцип действия).

По разомкнутой схеме работают воздушные холодильные машины с избыточным давлением (холодильная машина Кошкина Н.Н.) и с разрежением в камере (холодильные машины ТХМ).

На рис.2.7 приведена схема воздушной холодильной машины с избыточным давлением, в которой турбокомпрессор 6 сжимает атмосферный воздух до избыточного давления 0,2…0,3 МПа и направляет его в левый регенератор 5. Регенератор имеет насадку, способную аккумулировать тепло при прохождении через нее воздуха. Насадка регенератора может быть выполнена из колец Рашига, из металлических гофрированных, или бугорчатых лент собранных в диски. Соприкасаясь с холодной насадкой регенератора сжатый воздух охлаждается до температуры, которая на 3…5⁰С выше температуры на выходе из охлаждаемого объекта. После регенератора воздух расширяется в турбодетандере 2 с тормозом 3 до давления чуть выше атмосферного, охлаждаясь при этом еще на 40…50⁰С, и поступает в холодильную камеру 1.

2. Способы и системы оттаивания охлаждающих приборов

Во всех охлаждающих приборах, предназначенных для охлаждения воздуха, на наружной поверхности, в том числе на ребрах и трубках при температуре ниже 0⁰С образуется иней. Из-за сложности термодиффузионных процессов в настоящее время расчет толщины инея на поверхностях приборов охлаждения не представляется возможным. Приближенные расчеты представлены в работах [19, 20].

Экспериментально установлено, что при наличии слоя инея более 2мм падает холодопроизводитедьность системы охлаждения. Падение холодопроизводительности происходит по двум причинам:

- увеличение термического сопротивления, снижающего коэффициент теплопередачи;

- уменьшение коэффициента теплоотдачи воздуха из-за уменьшения скорости воздуха, обусловленной уменьшением поперечного сечения, а значит, и уменьшением объемного расхода по причине увеличения аэродинамического сопротивления в охлаждающем приборе.

  Поэтому существует необходимость периодического оттаивания воздухоохладителей непосредственного охлаждения, работающих при достаточно низкой температуре, при которой на их поверхности образуется слой инея. Периодичность оттаивания зависит от типа испарителя, установки и способа оттаивания. Большие гладкотрубные испарители, применяемые, например, на пивоваренных заводах, холодильниках и т. д., обычно оттаивают один или два раза в месяц. Оребренные воздухоохладители иногда оттаивают один или два раза в течение одного часа. В некоторых низкотемпературных установках испаритель оттаивается непрерывно.

Для оттаивания охлаждающих приборов промышленных холодильных установок используют следующие способы: наружный воздух, воду, рассол, электронагреватели, горячий пар.

Оттаивание при помощи наружного воздуха (естественное оттаивание)

Естественное оттаивание осуществляется перекрытием потока хладагента к испарителю и включением вентиляторов. Этот способ можно проводить только при температурах воздуха выше 0°С. Оттаивание охлаждающих приборов таким способом длится достаточно долго.

Оттаивание водой

Оттаивание водой может осуществиться очень быстро (от 10 до 15минут), если толщина инея не слишком велика. Процесс оттаивания можно еще ускорить, используя горячую воду из контура охлаждения компрессора. Устройства распыления воды и орошения приборов охлаждения должны быть такими, чтобы стекание воды после окончания оттаивания можно было бы полностью опорожнить все части устройства, в которых циркулировала вода. Трубопроводы водоснабжения также должны быть расположены таким образом, чтобы имелась возможность их опорожнения по окончании оттаивания.

Оттаивание рассолом

При использовании вместо воды рассола или другого незамерзающего раствора схемой должно быть предусмотрено его возвращение в резервуар и возможность повторного применения. В некоторых случаях требуются специальные средства для повторного нагревания раствора в резервуаре. Талая вода снижает концентрацию соли в растворе. Поэтому в системе, оттаивания необходимо наличие устройства для поддержания постоянной концентрации раствора.

Оттаивание с помощью злектронагревателей

Оттаивание оребренных воздухоохладителей, часто осуществляют с помощью электрических нагревателей. Для предотвращения замерзания талой воды в поддоне и сливном трубопроводе также размещают электронагреватели. Приборы охлаждения, поддон и сливной водяной трубопровод могут обогреваться трубчатыми электронагревателями (ТЭНами) и гибкими (ленточными) проволочными электронагревателями (ГЭНами). ТЭНы прикрепляют к нагреваемой поверхности на расстоянии 120…150 мм друг от друга. ГЭНы наматывают на трубы или прокладывают вдоль поверхности, прикрепляя к ней. Их чаще применяют для обогрева сливных труб. Этот способ применяется в небольших и средних холодильных установках, работающих на любых хладагентах, кроме аммиака. При этом наиболее распространенные значения мощности электронагревателей находятся в следующих пределах:

• для оребренных приборов охлаждения от 1200 до 1800Вт на 1м² поверхности;

• для накопительных баков от 1200 до 1800Вт на 1м² поверхности бака;

• для сливных трубопроводов от 50 до 100Вт на 1пог. метр трубы.

Большой расход электроэнергии является существенным недостатком этого способа, однако к его несомненным достоинствам следует отнести сравнительно легкую автоматизацию процесса оттаивания. Перед оттаиванием хладагент должен быть дренирован из охлаждающих приборов.

Оттаивание горячим паром хладагента

Оттаивание горячим паром хладагента осуществляется несколькими способами, причем во всех применяется горячий пар, нагнетаемый компрессором. Схема простейшего способа оттаивания горячим паром показана на рис.4.12. Нагнетательный трубопровод и испаритель соединяют байпасной линией с электромагнитным вентилем 5. Когда электромагнитный вентиль открывается, горячий пар, нагнетаемый компрессором, поступает в испаритель, минуя конденсатор. Оттаивание осуществляется горячим паром хладагента, который отдает свою теплоту холодному испарителю и конденсируется. Этот способ оттаивания горячим паром имеет существенный недостаток, который заключается в том, что жидкий хладагент поступает в компрессор в начале цикла оттаивания, что может вызвать его повреждение.

Указанный недостаток можно устранить, установив специальные средства для повторного испарения хладагента, конденсирующегося в испарителе, до поступления его в компрессор (рис.4.13). Во время нормального рабочего цикла охлаждения электромагнитный вентиль 12 на всасывающем трубопроводе открыт, а вентиль 10 на горячем трубопроводе закрыт, и пар хладагента из испарителя поступает в компрессор, минуя змеевик 14 повторного испарения, чем предотвращается существенное снижение давления во всасывающем трубопроводе. Через определенные интервалы времени (обычно через 3…6 ч) реле времени переключает установку на цикл оттаивания. При этом электромагнитный вентиль 10 на трубопроводе горячего пара открывается, а вентиль 12 на всасывающей байпасной линии 13 закрывается. Одновременно выключаются вентиляторы испарителя 2, а вентилятор змеевика повторного испарения 14 включается. Жидкость, сконденсировавшаяся в испарителе, повторно испаряется в змеевике, а пар всасывается компрессором, где он сжимается и затем снова нагнетается в испаритель 2. Цикл оттаивания завершается при срабатывании реле времени или реле температуры испарителя.

Установка переключается на цикл охлаждения, когда электромагнитный вентиль горячего пара 10 закрывается, а электромагнитный вентиль 12 на линии всасывания 13 открывается. При этом, вентилятор змеевика повторного испарения выключается, а вентиляторы испарителя 2 включаются.

Оттаивание горячим паром хладагента многоиспарительных систем

Если два или большее количество испарителей подсоединены к общему компрессорно-конденсаторному агрегату, то их можно оттаивать индивидуально. В этом случае работающий испаритель является аппаратом для повторного испарения хладагента, сконденсировавшегося в оттаиваемом испарителе. Схема такой системы показана на рис. 4.14.

Система оттаивания многоиспарительной установки может быть реализована подачей горячего пара в один из испарителей, с последующим гравитационным сливом конденсата из этого испарителя в линейный ресивер самотеком при условии выравнивания давлений по пару в нем и оттаиваемом испарителе.

Оттаивание горячим паром хладагента реверсивным циклом

При реверсивном цикле (цикле теплового насоса) конденсатор используют в качестве змеевика для повторного испарения хладагента, который сконденсировался в испарителе во время оттаивания. Автоматический регулирующий вентиль 9 служит для дозированной подачи жидкого хладагента в конденсатор при повторном испарении. На рис.4.15 приведены схемы оттаивания и охлаждения.

Оттаивание горячим паром хладагента (способом «Термобанк»)

При оттаивании испарителя горячим паром (способом «Термобанк», рис. 4.16) используют водяной бак 8 для сохранения части теплоты, содержащейся в нагнетаемом в конденсатор 6 паре хладагента во время работы установки в цикле охлаждения. Эта теплота расходуется на повторное испарение хладагента, сконденсировавшегося в испарителе при оттаивании.

При работе установки в цикле охлаждения (рис. 4.16, а) нагнетаемый компрессором 4 пар поступает сначала через нагревательный змеевик 7, находящийся в водяном баке 8, а затем подается в конденсатор 6. Часть теплоты, которая отводится в конденсаторе, поглощается водой в баке. Во время цикла охлаждения всасываемый пар проходит, минуя регулятор давления всасывания 9 и бак 8, чем предотвращается снижение давления во всасывающем трубопроводе и перегрев всасываемого пара в водяном баке. В нагревательном змеевике 7 имеется байпасная трубка, регулирующая температуру воды в баке. Размер байпасной трубки таков, что при повышении температуры воды в баке большая часть нагнетаемого пара подается в конденсатор, минуя нагревательный змеевик.

При образовании слоя инея определенной толщины холодильная, установка переключается на цикл оттаивания (рис.4.16, б) электрическим реле времени, которое открывает электромагнитный вентиль 10 на линии горячего пара, закрывает электромагнитный вентиль 2 на линии всасывания и останавливает вентиляторы испарителя. Горячий пар нагнетается в испаритель 3, оттаивая его. Хладагент в испарителе конденсируется и поступает через регулятор давления всасывания 9 в змеевик повторного испарения 1, погруженный в воду, находящуюся в баке 8. В баке происходит теплообмен между водой и хладагентом, который полностью испаряется в змеевике повторного испарения. Отводимая таким образом от воды в баке теплота интенсифицирует процесс оттаивания, а хладагент отсасывается компрессором в виде пара. Во время этого процесса вода, имеющаяся в баке, замерзает на наружной поверхности змеевика повторного испарения. Оттаивание осуществляется в течение 6 – 8 мин. Через несколько минут после периода оттаивания при открытом электромагнитном вентиле горячего пара 10 жидкий хладагент, оставшийся в змеевике и всасывающем трубопроводе, испарится. Реле времени переключает холодильную установку на режим охлаждения. При возобновлении процесса охлаждения в результате прохождения горячего пара через нагревательный змеевик температура воды в баке повышается.

Система оттаивания горячим паром с использованием отделителя жидкости

В схеме на рис.4.17, а показан аппарат «Вапот», который является главным в системе оттаивания горячим паром. Он представляет собой отделитель жидкости 2 специальной конструкции. Отделитель, смонтированный на всасывающем трубопроводе 3, отделяет жидкий хладагент, сконденсировавшийся в испарителе 10, и по спускной трубке 4 (рис.4.17, б) определенного диаметра непрерывно подает дозированное количество жидкости в компрессор вместе с всасываемым паром. Эта незначительная часть жидкости испаряется под действием теплоты сжатия, и пар поступает в испаритель. Отделитель жидкости, таким образом, является непрерывным источником теплоты для оттаивания испарителя и исключает одновременно возможность возврата большого количества жидкости в компрессор. Теплообменник 2 в аппарате отделителя «Вапот» не влияет на цикл оттаивания. Холодильная установка переключается на оттаивание при срабатывании реле времени, которое включает электромагнитный вентиль 6 горячего пара и останавливает вентиляторы испарителя. Реле температуры испарителя прекращает цикл оттаивания и переключает установку на режим оттаивания.

Способ оттаивания рассольных батарей

Cхема, представленная на рис.4.18, позволяет подготовить запас теплого рассола и, благодаря этому, ускорить оттаивание и уменьшить потери энергии на подогревание холодного рассола, отбираемого из батарей, и на охлаждение холодного рассола. В системе оттаивания предусмотрены баки холодного рассола 1 и теплого рассола 2. Циркуляция рассола осуществляется также при помощи отдельного насоса 3. На этажах, наряду с подающим ПК и обратным ОК коллекторами, предусматривают оттаивательные коллекторы для теплого рассола: подающий ПОК и обратный ООК, а также прокладывают отдельные магистрали теплого рассола. При подготовке теплого рассола открывают задвижки 11', 5', 7', 8', 10' и включают насос 3. Рассол циркулирует в контуре бойлера 4.

3 Способ регулирования перегрева терморегулирующим вентилем с внутренним выравниванием (применение, принцип действия).

ТРВ с внутренним уравниванием

Принципиальная схема ТРВ при работе на хладагенте R22 приведена на рис. 4.23.

Этот тип ТРВ используется при малом гидравлическом сопротивлении испарителя. Запорная игла ТРВ уравновешена, когда F_b = F₀ + F_r и ТРВ закрыт. Если Р₀ = 4,6 бар (t₀ = 4⁰C), а регулировочная пружина создает давлении Р_r = 1,4 бара, то эти два давления суммируются и создают давление закрытия, равное 6 бар. Следовательно, ТРВ не сможет открыться до тех пор, пока давление открытия Р_b в термобаллоне не превысит 6 бар, т.е. пока температура R22, содержащегося в термобаллоне не превысит 11⁰С.

Таким образом, настройка регулировочной пружины РВ на давление в 1,4 бара позволяет поддерживать постоянную разницу

в 7⁰С между температурой испарения и температурой термобаллона. Если изменить настройку регулировочной пружины, то изменится и величина перегрева хладагента в испарителе.

Правильно рассчитанная и смонтированная холодильная установка, у которой холодопроизводительность ТРВ соответствует холодопроизводительности испарителя, может быть настроена на перегрев в диапазоне от 5 до 8⁰С как в случае использования ее в торговом оборудовании, так и в кондиционерах.

Чрезмерно большой перегрев будет обусловлен нехваткой хладагента в системе, или, если отверстие ТРВ практически закрыто и пропускает очень мало жидкого хладагента. В этом случае холодопроизводительность испарителя уменьшается, а давление испарение падает и на выходе из ТРВ трубопровод снаружи покрывается инеем.

Чрезмерно малый перегрев будет обусловлен избыточным количеством хладагента в системе. В этом случае отверстие ТРВ полностью открыто и пропускает много жидкого хладагента, при этом холодопроизводительность испарителя высокая. Однако при таком режиме работы возможны гидроудары в компрессоре.

Билет №11

1. Рабочие вещества холодильных машин. Хладагенты высокого, среднего и низкого давления. Растворимость в хладагентах масел, взаимодействие их с водой и воздействие их на конструкционные материалы.

Международной организацией по стандартизации (ИСО) введен международный стандарт МС ИСО 817-94 на систему обозначений хладонов. Эта система включает наименование и число. Буква R означает холодильный агент или хладагент (refrigerant), а цифры связаны со структурой молекулы хладагента. У хладагентов неорганического происхождения цифры соответствуют их молекулярной массе увеличенной на 700 (например, вода имеет обозначение R718, аммиак – R717 и диоксид углерода – R744).

Для хладагентов органического происхождения (производные метана) соединения без атомов водорода записывают цифрой 1, к которой прибавляют цифру, определяющую число атомов фтора (например, фреон R12 соответствует химической формуле СF₂Сℓ₂, а фреон R14 – СF₄).

Для хладагентов органического происхождения (производные этана, пропана и бутана) соединения без атомов водорода перед цифрой, определяющей число атомов фтора, записываются соответственно 11, 21, 31 (например, фреон R112 соответствует химической формуле СF₂Сℓ₄, а фреон R317 − С₄ F₇ Сℓ).

При наличии атомов водорода у производных метана к первой цифре, а у производных этана, пропана и бутана – ко второй прибавляют число, равное числу незамещенных атомов водорода (например, фреон R21 соответствует химической формуле CHFCl, а фреон R 143 − C₂H₃F₃).

При наличии в молекуле хладагента атомов брома к числовому обозначению добавляют букву «В» и цифру, соответствующую числу атомов брома (например, фреон R 12B₂ соответствует химической формуле CF₂Br₂).

В качестве хладагентов используют не только однокомпонентные вещества, но и неозеотропные и азеотропные смеси.

В неозеотропных смесях в процессе кипения и конденсации изменяется процентный состав компонентов. Неозеотропная смесь отличается от однокомпонентной тем, что смесь газов циркулирует по системе раздельно и при утечке неизвестно сколько и какого газа ушло. Поэтому системы с неозеотропными смесями дозаправлять нельзя. В случае утечки неозеотропной смеси следует удалять ее полностью из системы и снова заправлять.

В азеотропных смесях в процессе кипения и конденсации процентный состав не изменяется, т. е. они ведут себя как однокомпонентные вещества.

По абсолютному давлению конденсации Р_к (при температуре конденсации t_к = 30^оС) хладагенты условно делят на следующие три группы:

1. хладагенты низкого давления при Р_к < 3 бар, используемые в высокотемпературных холодильных установках при температурах кипения t_о =

5…-15^оС;

2. хладагенты среднего давления при 3 бар < Р_к < 20 бар, используемые в среднетемпературных холодильных установках при температурах кипения t_о = -20…-70^оС;

3. хладагенты высокого давления при Р_к > 20 бар, используемые в низкотемпературных холодильных установках при температурах кипения t_о =

-75…-140^оС.

При выборе типа хладагента следует учитывать следующие особенности и требования.

1. Влияние типа хладагента на размеры холодильного компрессора и теплообменной аппаратуры

Размеры холодильного компрессора пропорциональны удельной объемной холодопроизводительности,

где удельная массовая холодопроизводительность при температуре кипения в приборе охлаждения (испарителе), ;

удельный объем всасываемых паров хладагента в компрессор, .

То есть, чем больше удельная объемная холодопроизводительность, тем будут меньше размеры компрессора.

Значения удельных объемных холодопроизводительностей озонобезопасных хладагентов и хладагента R22 при температуре кипения t₀ = - 15^оС приведены в таблице 5.1 (рассмотрены случаи всасываемого сухого насыщенного пара для соответствующих значений удельных теплот парообразования, равных удельным массовым холодопроизводительностям ).

Таблица 5.1

Удельные объемные холодопроизводительности

Хладагент
R744	16875	270
R717	2577	1311
R134А	1718	206
R404А	3273	180
R407С	2480	226
R410А	4369	240
R507А	3480	174
R22	2782	217

Из таблицы 5.1 следует, что если размеры компрессора на хладагенте R744 принять за единицу, то размеры компрессора на хладагентах R717 и R22 будут примерно в 6 раз больше.

Установлено, что удельная объемная холодопроизводительность влияет также и на размеры теплообменной аппаратуры (испарителя, конденсатора и др.). Так холодильная машина, работающая на хладагенте R134А должна иметь в 1,6 раза больше испаритель, чем на хладагенте R22.

2. Термодинамические свойства

Хладагент должен удовлетворять следующим требованиям:

• нормальная температура кипения соответствует атмосферному давлению) является пределом, ниже которой в системе холодильной установки будет вакуум, приводящий к подсосам воздуха и усложняющий эксплуатацию;

• температура замерзания − это тот предел, который ограничивает

возможность использования хладагента;

• удельная теплота парообразования (конденсации) должна быть максимальной для рабочего режима холодильной установки;

• критическая температура и критическое давление ограничивают область применения хладагента в жидком состоянии.

3. Физико-химические свойства

При выборе типа хладагента необходимо учитывать и следующие условия:

• растворимость масел в хладагентах;

• взаимодействие хладагентов с водой;

• воздействие хладагентов на конструкционные материалы;

• безопасность эксплуатации;

Ниже рассмотрено влияние каждого из перечисленных условий.

Растворимость масел в хладагентах

Смазочные масла применяют в компрессорах холодильных машин для создания масляной пленки между трущимися деталями, уменьшающей трение и износ. Кроме того масла также охлаждают детали и уплотняют зазоры.

Аммиак незначительно растворяет масло, что позволяет достаточно эффективно отделять масло от аммиака и выводить его из системы холодильной машины.

Большая растворимость масел во фреонах приводит к интенсивному пенообразованию в испарителях, хотя и к лучшим условиям смазки трущихся поверхностей в компрессорах, но вместе с тем приводит к повышенной вязкости хладагентов и ухудшению теплообмена.

Растворимость масла в сжиженном диоксиде углерода максимальная при температуре 10^оС и практически снижается до нуля при температуре около -30^оС. При понижении температуры плотность сжиженного диоксида углерода повышается, в то время как плотность масла падает, и оно всплывает на поверхность жидкого СО₂.

Взаимодействие хладагентов с водой

Наличие воды в хладагентах повышает его температуры и давления кипения, что приводит к уменьшению холодопроизводительности холодильной установки.

Вода неограниченно растворяется в аммиаке (допустимая растворимость воды в аммиаке при t ≈ 16^оС от 0,01 до 0,1% по массе).

Во фреонах вода практически не растворяется. Поэтому в этих системах особо строгие требования предъявляются к осушке перед зарядкой хладагентом, так как свободная вода может замерзнуть в дроссельном органе.

Особенно тщательной осушке подлежат системы фреоновых холодильных машин с герметичными компрессорами, имеющими встроенные электродвигатели, поскольку присутствие воды может привести к короткому замыканию и сгоранию обмотки его статора. Для обеспечения безопасного содержания воды (для R22 не более 0,0025% по массе) в системе холодильных машин устанавливают фильтры-осушители.

Растворимость воды в диоксиде углерода зависит от температуры. Так, например, среднее содержание влаги при температуре 15^оС составляет 0,09% масс, а при температуре -29^оС – 0,0195% масс.

Воздействие хладагентов на конструкционные материалы

Аммиак в присутствии воды и кислорода разрушает цветные металлы.

Фреоны инертны к металлам. Механизм действия диоксида углерода на металлы пока еще не установлен. Некоторые исследователи считают, что в его присутствии коррозия железа и меди несколько уменьшается. По мнению других он увеличивает коррозию большинства металлов вследствие образования углекислоты в тонких пленках влаги.

Безопасность эксплуатации

Наибольшую токсичную опасность и взрывоопасность представляет аммиак. При его содержании в воздухе более 0,5% по объему происходит отравление, а при концентрации в воздухе от 16 до 28% − взрыв. Токсическая опасность хладагентов оценивается предельно допустимой концентрацией хладагента в воздухе (ПДК). В таблице 5.3 приведены значения ПДК для некоторых хладагентов.