книги из ГПНТБ / Калинушкин М.П. Гидравлические машины и холодильные установки учебник

Г л а в а VI

\

ХОЛОДИЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ

§ VI.1. НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ХОЛОДИЛЬНЫ Х УСТАНОВОК

Холодильные установки широко применяют для охлаждения и хранения пищевых продуктов, замораживания грунтов при про­ изводстве строительных работ и во многих других случаях. В теплогазоснабжении и вентиляции холодильные установки использу­ ют главным образом в системах кондиционирования воздуха для его охлаждения, причем стоимость такой установки обычно состав­ ляет 20—60% от стоимости всей системы.

Такие установки могут работать на принципе испарения неко­ торых сжиженных газов (паровые) или расширения газов (газо­ вые), эффекте Пельтье (термоэлектрическое охлаждение), эффек­ те Ранка (вихревое охлаждение).

В системах кондиционирования в настоящее время более ши­ роко применяют паровые холодильные установки, которые могут

мышленного применения пока не получили. Охлаждать продукты и другие вещества можно и при непосредственном использовании льда или холодной воды из источников (например, артезианских).

§ VI.2. СХЕМА ДЕЙСТВИЯ КОМПРЕССИОННОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ

УСТАНОВКИ

Компрессор 1 сжимает газ (рис. IV. 1), обладающий определен­ ными свойствами, и нагнетает его в конденсатор 2, охлаждаемый водой или воздухом.

При охлаждении нагнетаемый газ конденсируется, в сжижен­ ном состоянии просачивается через дросселирующий клапан 3 и поступает в испаритель 4. Здесь ввиду значительного понижения давления жидкость опять переходит в газообразное состояние и обратно засасывается в компрессор для сжатия. На испарение расходуется большое количество тепла, которое отдают омываю­ щие испаритель вода или воздух, используемые для нужного охлаждения.

Действительная схема компрессорной холодильной установки значительно сложнее принципиальной — за компрессором может

130

В качестве компрессора можно применить не только поршне­ вой нагнетатель (чаще всего), но и лопаточный (турбинный), пла­ стинчатый, а также струйный (паровой инжектор, см. рис. VI.12). Своеобразным компрессором в абсорбционных холодильных уста­ новках служит кипятильник с абсорбером (см. рис. VI. 13).

§ ѴІ.З. ХОЛОДИЛЬНЫ Е ЖИДКОСТИ*

Жидкости, используемые для охлаждения, не должны быть ядовитыми, горючими, взрывоопасными и действующими разруша­ юще на аппаратуру.

В теплотехническом отношении холодильные жидкости должны при испарении поглощать большое количество тепла, иметь малый удельный объем в' парообразном виде, умеренное давление при испарении и конденсации и т. д.

Атмосферный воздух, хотя инертен, доступен и дешев, однако обладает чрезвычайно малой объемной хладопроизводительностью. Также инертна и дешева вода, поглощающая при испарении мно­ го тепла. Но удельный объем образующихся при испарении водя­

этому воду, так же как и воздух, применяют в качестве холодиль-

* Применяемые в холодильных установках вещества часто называют холо­ дильными агентами (хладоагентами), что по названию менее удачно, так как они являются жидкостями, находящимися в газообразном или капельном со­ стоянии.

131

поп жидкости только в тех случаях, когда в холодильных уста­ новках используют высокопроизводительные турбинные (лопаточ­ ные) млн струнные нагнетатели.

До недавнего времени в холодильных установках технологиче­ ского назначения с поршневыми компрессорами применяли в ка­ честве холодильных жидкостей аммиак, сернистый ангидрид, угле­ кислоту и др.

Большое распространение как охладитель имел аммиак N H 3 . Это бесцветный, резко и неприятно пахнущий газ, ядовитый даже при небольших концентрациях; он воспламеняется при нагревании, образует при определенных условиях взрывчатую смесь и разру­ шающе действует на медь и ее сплавы. Аммиак, однако, выгоден в теплотехническом отношении и его продолжают применять в хо­ лодильных установках технологического назначения.

В последние годы не только в холодильных установках систем кондиционирования воздуха, но повсеместно и в установках тех­ нологического назначения в качестве холодильных жидкостей применяют фреоны. Они представляют собой производные метана, этана, пропана и бутана, включая в себя атомы углерода С, водо­ рода Н, фтора F и хлора С1.

сывают цифру, определяющую количество атомов фтора. При на­ личии атомов водорода цифровой ряд записывают в том же поряд­ ке, но вторую цифру (для производной от метана — первую) уве­ личивают на число атомов водорода. Например, фреон CF2 CI2 (дифтордихлорметан), являющийся производным от метана, обоз­ начают Ф12, производный от этана — Ф143.

Рассмотрим более подробно свойства наиболее распространен­ ного фреона Ф12. Он, равно как и другие фреоны, бесцветен, не имеет запаха, совершенно инертен — не горит, не взрывается, не действует разрушающе на материалы аппаратуры. Фреон Ф12 не растворяет воду, а поэтому необходимо обеспечивать сухость цир­ куляционной системы перед заполнением, так как в противном случае замерзающие капельки воды могут нарушить работу дрос­ селирующего клапана. Зато фреон Ф12 хорошо растворяет смазоч­ ные вещества. Фреон Ф12 обладает повышенной проницаемостью, а поэтому,, учитывая отсутствие запаха, необходимо предъявлять повышенные требования при монтаже и плотности всех соедине­ ний. По ряду теплотехнических и энергетических показателей Ф12 уступает аммиаку, но зато он несравненно более предпочтителен в эксплуатации.

Фреон Ф22 (дихлормонохлорметан) весьма перспективен для холодильных машин с поршневыми компрессорами, так как обла­

132

дает высокой объемной хладопроизводительностыо, близкой к ам­ миаку. Он также инертен, но несколько более ядовит по сравне­ нию с Ф12.

Для холодильных машин с турбокомпрессорами применяют фреоны Ф142, Ф11, Ф113, Ф114, имеющие меньшую объемную хладопронзводительность. Подробное описание указанных и других холодильных жидкостей приведено в справочниках и специальной литературе.

§ ѴІ.4. КОМПРЕССОРЫ ХОЛОДИЛЬНЫ Х УСТАНОВОК

Такие компрессоры принципиально не отличаются от обычных воздушных, но по работе они неразрывно связаны, с действием конденсаторов, испарителей и других элементов холодильных ус­ тановок. Поэтому производительность компрессоров холодильных установок обычно определяют не в объемах (м5/сек), а в калори­ ях {ккал/сек). Кроме того, в зависимости от вида используемых холодильных жидкостей видоизменяют отдельные конструктивные элементы.

В холодильных установках сравнительно небольших по произ­

700 000 ккал/ч) обычно обслуживают турбинные и струйные комп­ рессоры. Пластинчатые и зубчатые компрессоры (см. стр. 17) в холодильных установках систем кондиционирования воздуха ши­ рокого применения не получили.

Расчет компрессоров, основанный на учете термодинамических процессов, возникающих при сжатии газов, рассматривается в чи­ таемом для студентов этой же специальности курсе «Термодина­ мика, теплопередача и тепловые двигатели» и здесь не шриводится.

§ ѴІ.5. ПОРШ НЕВЫ Е КОМПРЕССОРЫ

Поршневые компрессоры (рис. VI.2) действуют аналогично ■поршневым насосам (см. стр. 1 0 1 ), но в отличие от воды газ в ци­ линдрах сильно сжимается и нагревается. Движение поршня про­ исходит со скоростью 2—4 м/сек.

Разнообразные типы и конструкции поршневых компрессоров можно классифицировать в зависимости от способа сжатия газа, расположения цилиндров, вида сжимаемого газа и других фак­ торов.

Сжимать газ можно в одном и в нескольких цилиндрах, соеди­

133

Кроме того, сжатие можно осуществлять одной или обеими сторо­ нами поршня, в зависимости от чего компрессоры называют простого (рис. VI.3,в) .и двойного (рис. ѴІ.З,г) действия. Сжатие может производиться сплошным или проходным поршнем, вследствие че­ го компрессоры называют непрямоточными (рис. ѴІ.З, в) и прямо­ точными. (рис. ѴІ.З, (3).

При одноступенчатом сжатии, начиная с некоторого давления (для воздуха 5— 6 ати), ввиду значительного повышения темпера­ туры резко понижается к. п.д. и затрудняется смазка. Поэтому для получения больших давлений процесс сжатия разбивают на не­ сколько ступеней, а между отдельными ступенями или группами ступеней устанавливают холодильники для понижения температу­ ры газа.

Повторно сжимать газ можно в полости одного и того же ци­ линдра. Параллельно цилиндры соединяют для увеличения произ­ водительности. При наличии проходного' поршня обеспечивают, вне зависимости от его хода, Неизменное по направлению прямоточное движение газа.

134

групповом получают, однако, существенную экономию занимаемой площади, износ происходит равномернее, лучше производить смаз­ ку. Вертикальные компрессоры по сравнению с горизонтальными

Существенно влияют на выбор типа компрессора его конструк­ тивное исполнение, а также вид сжимаемого газа, т. е. его физи­ ческие и химические свойства (плотность, вязкость, критические температуры, взаимодействие с материалами и смазкой, инерт­ ность и т. д.).

К более широко применяемым в холодильных установках отно­ сят аммиачные и фреоновые, а также обычные воздушные комп­ рессоры. '

Одним из признаков, по которому производят классификацию поршневых компрессоров, является способ охлаждения цилиндров водой или воздухом. Водяное охлаждение осуществляют пропу­ ском холодной проточной воды через полости вокруг цилиндров (водяные рубашки), а воздушное — принудительным обдуванием цилиндров, снабженных для лучшей теплоотдачи ребрами с вьіступами.

Фреоновые компрессоры, как правило, изготовляют с воздуш­ ным охлаждением, так как температура сжатого фреона относи­ тельно невелика.

Отметим, что в настоящее время почти во всех случаях гори­ зонтальные компрессоры вытесняются более компактными, быст­ роходными и надежными вертикальными или наклонными.

Современные вертикальные и наклонные компрессоры холо­ дильных установок обычно выполняют прямоточными, с односту­ пенчатым сжатием и многоцилиндровыми (2—4 параллельно дей­ ствующих цилиндра).

§ ѴІ.6, КОНСТРУКЦИИ ПОРШ НЕВЫ Х КОМПРЕССОРОВ

Компрессор имеет следующие основные элементы: станину, ци­ линдры (один или несколько), поршни, клапаны, шатуны (также иногда и крейцкопфы), вал, подшипники, сальники. Кроме того, компрессоры оборудуют маслоподающими устройствами, регуля­ торами, предохранителями, запорной арматурой, контрольными приборами и пр.

Станина объединяет отдельные части компрессора и облегчает его установку.

135

Для вертикальных бескрейцкопфовых компрессоров малой и средней мощности станиной может служить картер. Цилиндры отливают из чугуна и по возможности целиком. Внутреннюю по­ верхность шлифуют, а иногда внутрь впрессовывают гильзу из ма­ териала повышенной прочности. В случае водяного охлаждения цилиндра в его стенках предусматривают пустоты для протока воды (водяная рубашка), а в случае воздушного — ребра и высту­ пы для лучшей теплоотдачи. В крышках цилиндра обычно распо­ лагают клапаны.

ние между поршнем и внутренней поверхностью цилиндра созда­ ют с помощью съемных металлических колец из металла более мягкого, чем металл цилиндра. На поршень, в специальные канав-, ки, надевают 3—4 уплотняющих кольца, а затем 1—2 кольца для «слизывания» масла. Кольца имеют косой разрез и при надевании •ввиду упругости растягиваются.

Клапаны чаще всего применяют самодействующие, пластинча­ тые с подъемом в 2—4 мм. Шатуны с поршнями соединяют с по­

(рис. ѴІ.4а) и мембранного (рис. ѴІ.4,б) типов. Смазку цилинд­ ров производят разбрызгиванием масла, собирающегося в карте­ ре, а также нагнетанием профильтрованного масла специальным насосом.

С 1961 г. отечественная промышленность серийно выпускает поршневые компрессоры для холодильных установок, в которых блок цилиндров в картер представляет единую отливку. Основные детали и узлы унифицированы, их выполняют одинаковыми для целого ряда различных по производительности машин. Одновре­ менно предусмотрена унификация машин и по холодильным жид­ костям (например, аммиачные поршневые компрессоры при сме­ не цилиндровых гильз можно использовать для работы на фрео­ не). Предусмотрено производство бессальниковых фреоновых компрессоров со встроенным в картер электродвигателем, а также мелких машин, которые вместе с электродвигателем помещены в запаянный кожух.

136

На рис. VI.5 и VI. 6 показаны фреоновые компрессоры мелкого и крупного размеров. В приложении XI приведены данные о порш­ невых компрессорах для холодильных установок в соответствии с новой номенклатурой.

Рис. VI.5. Поршневой бессальниковый компрессор со встроен­ ным электродвигателем

§ VI.7. ТУРБОКОМПРЕССОРЫ

ч

Турбокомпрессор работает аналогично вентилятору, но посколь­ ку он должен создавать значительно большее давление, его обыч­

Обычно применяют центробежные колеса, которые по сравне­ нию с осевыми имеют больший коэффициент давления, как было показано выше.

Турбокомпрессор по сравнению с поршневой машиной более компактен, трение поверхностей внутри не происходит и не требу­ ется смазка, отсутствуют клапаны и его эксплуатация более на­ дежная'. Он особенно выгоден при больших объемных производи­ тельностях.

В холодильных установках турбокомпрессоры раньше применя­ ли только при большой их производительности, но с каждым годом увеличивается применение турбокомпрессоров и сравнительно ма­ лой производительности.

137

Рис. VI.7. Турбокомпрессор

§ VI.8. ДРУГИЕ ТИПЫ КОМПРЕССОРОВ

Пластинчатые, или ротационные компрессоры работают анало­ гично поршневым, но при более удобном вращательном движении и без клапанов (о принципе действия см. выше на стр. 14). Объем газа, заключенный между двумя пластинами, при движении по­ степенно уменьшается вследствие эксцентрицитета, чем определя­ ется процесс сжатия.

Стенки кожуха пластинчатого компрессора в условиях продол­ жительной непрерывной работы необходимо охлаждать, применяя водяную рубашку.

Пластинчатые компрессоры очень чувствительны к загрязне­ нию, а поэтому их следует снабжать на всасывании фильтром. Для улавливания масла, обильно покрывающего стенки кожуха, за компрессором следует устанавливать маслоуловитель. Для уве­ личения сжатия пластинчатые компрессоры можно устанавливать последовательно, но при обязательном промежуточном охлаж­ дении.

В качестве компрессоров низкого давления (воздуходувок) используют зубчатые нагнетатели с двумя парами зубьев, имею­ щих форму восьмерки (ри-с..VI.8 ).

Весьма интересны по принципу устройства так называемые во­ докольцевые насосы, относящиеся к пластинчатым компрессорам

139