6.2. Холодильні машини
Принципова схема компресійної холодильної машини.
Комплекс механізмів і апаратів, що здійснюють холодильний цикл, називається холодильною машиною. Вона є замкнутою системою, заповненою робочою речовиною (хладоном), яка циркулюючи віднімає теплоту від охолоджуваного середовища і, здійснивши круговий процес, повертається в первинний стан. Це дозволяє здійснювати безперервне охолоджування за допомогою однієї і тієї ж кількості робочої речовини. Для повернення робочої речовини в первинний стан теплота, відібрана від охолоджуваного середовища, віддається в оточуюче середовище. Холодильні машини, в яких для отримання низьких температур використовують кипіння рідин при низьких температурах, називають паровими холодильними машинами. Принципова схема такої машини представлена на мал. 90.
Основні її елементи — компресор 2, конденсатор 1, регулюючий вентиль 5 і випарник 3, розміщений в охолоджуваній камері 4. Всі апарати послідовно сполучені між собою трубопроводами. Компресор відсмоктує пари хладону, з випарника з тиском кипіння Ро, стискає їх до тиску конденсації Рк і нагнітає в конденсатор.
Мал.90. Принципова схема компресійної холодильної машини
Теоретичний процес роботи компресора
В конденсаторі (мал.90) пари робочої речовини віддають теплоту навколишньому середовищу (повітрю або воді) і конденсуються. Рідка робоча речовина, проходячи через регулюючий вентиль, дроселює, і тиск знижується від Р до Ро. Одночасно знижується і температура: від температури конденсації Тк до температури кипіння То. У випарнику робоча речовина кипить при постійному тиску Ро і температурі То за рахунок теплоти, відібраної від охолоджуваної камери. Утворені при кипінні пари відсмоктуються компресором.
Характеристика холодильних агентів і холодоносіїв
Для здійснення зворотного кругового процесу в холодильних машинах застосовуються хладони. В результаті кипіння хладона при низьких температурах теплота відводиться від охолоджуваного середовища і віддається навколишньому середовищу при його конденсації.
До хладона пред'являється ряд вимог:
1. Термодинамічні:
температура кипіння у випарнику повинна бути достатньо низької, а тиск кипіння вище атмосферного (щоб уникнути розрідження і попадання в систему повітря);
тиск в конденсаторі не повинен бути надмірно високим, оскільки збільшується небезпека витоку хладона через нещільність, потрібна велика міцність машини;
температура замерзання хладона повинна бути значно нижчою за його температуру кипіння при робочому режимі (щоб уникнути замерзання хладона у випарнику);
критична температура хладона повинна бути високою, щоб не утворювалася у великих кількостях пара при дросилюванні хладона в регулюючому вентилі;
об'ємна холодопродуктивність хладона для поршневих компресійних холодильних машин повинна бути високою, оскільки при цьому менше об'єм пари, засмоктуваної в компресор, що дозволяє зменшити розміри компресора.
2. Фізико-хімічні:
густина хладона і його в'язкість повинна бути невеликою, щоб гідравлічний опір і втрати тиску в трубопроводах і клапанах був незначним;
хладон повинен мати високі коефіцієнти теплопровідності і тепловіддачі, що підвищує інтенсивність процесу тепловіддачі і покращує роботу випарника і конденсатора;
хладон повинен добре розчинятися у воді (щоб уникнути утворення крижаних пробок в системі холодильної машини, порушуючих циркуляцію);
хладон не повинен вступати в хімічну взаємодію з металами і матеріалами, що застосовуються в машині, він є вибухонебезпечним і горючим, а при дії низьких і високих температур розкладатися на складові елементи.
Крім того, хладон не повинен надавати шкідливої дії на організм людини і харчові продукти, а вартість його не повинна бути високою.
Характеристика хладонів. Вода як охолоджуюче середовище застосовується в системах кондиціонування повітря для отримання температур не нижче +5°С. Вуглекислота використовується для виробництва «сухого льоду».
Аміак — безбарвний газ з різким запахом. Температура кипіння при атмосферному тиску складає —33,4 °С, тиск в конденсаторі не перевищує 1,3 МПа.
Фреон-12—прозорий важкий (в 3—3,5 рази важче за повітря) газ із слабким запахом. Температура кипіння при нормальному атмосферному тиску —29,8 °С, тиск в конденсаторі не перевищує 1,2 МПа.
Густина сухої насиченої пари фреону-12 в п'ять-шість разів більша, ніж аміаку, тому для зменшення гідравлічного опору і втрат тиску в циклі швидкість руху пари фреону-12 в 2—2,5 рази зменшують в порівнянні з швидкістю руху пари аміаку, що досягається збільшенням діаметра трубопроводів і площі прохідних перетинів.
Фреон-12 добре розчиняє масло, внаслідок чого він легко виноситься з компресора. Щоб забезпечити повернення масла з випарника в компресор, подачу рідкого фреону у випарник проводять зверху, а пари відсмоктуються знизу. Крім того, для мастила компресора застосовують спеціальні, більш в'язкі, масла.
Фреон-12 погано розчиняє воду, тому щоб уникнути утворення крижаних пробок кількість вологи не повинна перевищувати 0,0025 %, а для домашніх електрохолодильників застосовують фреон-12 з граничним змістом вологи 0,0006 %.
За відсутності вологи фреон-12 нейтральний до всіх металів, котрі використовуються в холодильних машинах, але розчиняє гуму. Тому для ущільнень у фреонових холодильних машинах застосовують спеціальну фреономаслостійку гуму. Рідкий фреон-12 здатний змивати з внутрішньої поверхні апаратів і трубопроводів різні механічні домішки (іржу, пісок, окалину) і розчиняти органічні речовини.
Фреон-12 проникає через щонайменшу нещільність в місцях з'єднань і пори металу. Відсутність запаху ускладнює визначення витоку з системи, і лише при змісті його в повітрі більше 20 % з'являється солодкуватий запах ефіру. Тому герметичності фреонових холодильних машин при монтажі і експлуатації надається особлива увага.
Об'ємна холодопродуктивність фреону-12 менше ніж аміаку. Фреоновий компресор холодопродуктивністю, рівної аміачному, в 1,3 рази більше останнього за розмірами.
Рідкий фреон не проводить електричний струм. Він відносно нешкідливий для організму людини і представляє небезпеку лише за наявності в кількості більше 30 % (за об'ємом). На харчові продукти фреон-12 не здійснює шкідливої дії. Він не вибухонебезпечний і не горючий, але при відкритому полум'ї (температурі понад 400 ° С) розкладається на хлористий і фтористий водень з виділенням отруйного газу фосгену. Тому в приміщеннях, де знаходяться фреонові машини, забороняється палити і встановлювати електронагрівальні прилади.
Фреон-12 дорожче, ніж аміак. Він застосовується в дрібних, середніх і великих поршневих холодильних машинах, в компресійних домашніх електрохолодильниках. Робота відбувається при температурі кипіння до —24 °С і конденсації до 70 °С.
Фреон-22 — безбарвний газ, по термодинамічних властивостях близький до аміаку, а по фізіологічних якостях — до фреону-12. Температура кипіння при нормальному атмосферному тиску— 40,8 ° С, тиск в конденсаторі 1,1 МПа, температура замерзання —160 °С. При високих температурах добре розчиняє масло, але при пониженні температури до —20 °С масло виділяється з фреону. Вода в ньому розчиняється погано, але у вісім разів більше, ніж у фреоні-12.
Обезводнений фреон-22 інертний по відношенню до всіх металів, окрім сплавів, що містять більше 2 % магнію. Не вибухонебезпечний і не горючий, але розкладається при температурі 550 °С у присутності заліза.
Коефіцієнт тепловіддачі фреону-22 на 30 % вище, ніж фреону-12. При заміні фреону-12 фреоном-22 холодопродуктивність компресора при тому ж температурному режимі збільшується на 60 %, а питома витрата електроенергії зменшується на 6 % завдяки меншим дросельним втратам в компресорі.
Фреон-22 широко застосовується в низькотемпературних холодильних машинах і установках кондиціонування повітря. При роботі температура кипіння складає близько —70 °С, температура конденсації 50 ° С
Азеотропні суміші. Останніми роками в холодильній техніці все ширше застосовуються азеотропні суміші хладонів групи фреонів, які по своїх властивостях відрізняються від компонентів, що входять в них.
Найбільш перспективний для низькотемпературних поршневих машин фреон-502, що складається з 48,8 % фреону-22 і 51,2 % фреона-115. Температура його кипіння —45,6 °С, тиск конденсації не перевищує 1,32 МПа. Ця суміш не вибухонебезпечна, менш токсична, ніж фреон-22, нешкідлива для організму людини. Діапазон температури кипіння —25...—55 °С, максимальна температура конденсації +50 °С.
Холодоносії —(це речовини, які відбирають теплоту від охолоджуваного об'єму і віддають його хладону у випарнику. При цьому їх агрегатний стан не змінюється. Холодоносії повинні відповідати певним вимогам: мати низьку температуру замерзання, малі в'язкість і густину, високу теплоємність, бути хімічно нейтральними по відношенню до металів, з яких виготовлені апарати і трубопроводи, нешкідливими і безпечними, недорогими.
Найдешевший і доступний теплоносій — вода. Вона володіє високою теплоємністю, але має високу температуру замерзання. Тому вода як теплоносій застосовується в основному в установках кондиціонування повітря. Для отримання температур нижче 0°С як теплоносії застосовують водні розчини солей хлористого натрію (НаС1) і хлористого кальцію (СаСl2). Ці розчини називають розсолами. Температура затвердіння розсолу повинна бути на 8 °С нижче температури кипіння хладона. Ця умова визначає межі використання розсолів: розсіл NаС1 застосовують при температурах кипіння вище —15 °С, для більш низьких температур використовують розсіл СаС12.
Як теплоносій застосовується також фреон-30(СН2С12).Фреон-30 по фізичних властивостях близький до всіх фреонів: має слабкий запах, не діє на метали, розчиняє масло, погано розчиняє вологу. Температура кипіння при атмосферному тиску 40 °С, температура замерзання —96,7 °С.
Компресори холодильних машин
Класифікація компресорів. Компресор в холодильній машині відсмоктує пари хладона з випарника, стискає їх і нагнітає в конденсатор. Класифікують компресори по багатьох ознаках.
За принципом дії розрізняють поршневі, ротаційні і турбокомпресори. По холодопродуктивності компресори бувають малі (до 14 кВт), середні (від 14 до 105 кВт) і великі (понад 105 кВт).
По числу циліндрів їх ділять на одно- і багатоциліндрові (двох-, чотирьох-, шести-, восьмициліндрові).
По числу ступенів стиснення — одно-, двух- і багатоступінчаті.
По використанню хладону — аміачні (А), фреонові (Ф) і т.д.
По розташуванню вісей циліндрів розрізняють компресори горизонтальні— Г (мал.91а), вертикальні — В (мал.91г), У-подібні-У, з розташуванням вісей циліндрів під кутом , і віялоподібні — УУ.
Залежно від руху пари в циліндрі компресори бувають прямотічні(П) і непрямотічні (Н). В прямотічному компресорі рух пари хладона не залежить від руху поршня. Коли поршень рухається вниз, всмоктуючі клапани, розташовані у верхній частині поршня, відкриваються і пари поступають в циліндр. При зворотному ходу поршня пари в циліндрі стискаються, відкриваються нагнітальні клапани у верхній частині циліндра і пари виштовхуються з нього. В непрямотічному компресорі напрям пари міняється залежно від руху поршня в циліндрі : при русі поршня вниз відбувається всмоктування і пари рухаються вниз, а при русі поршня вгору, коли відбувається стиснення і виштовхування, пари, міняючи свій напрям, рухаються вгору.
