Холодильные машины и установки: схемы, циклы, расчеты и условные обозначения

Холодильные машины и установки представляют собой совокупность технических устройств, предназначенных для искусственного снижения и последующего поддержания температуры в заданном объеме (охлаждаемом объекте) на уровне ниже температуры окружающей среды. Диапазон рабочих температур для таких систем простирается от умеренных +10 °С до глубоких -153 °С. Системы, оперирующие в еще более низкотемпературных режимах, классифицируются как криогенные.

История искусственного охлаждения берет свое начало задолго до появления современных фреонов. Еще в 1756 году Уильям Каллен продемонстрировал эффект охлаждения диэтилового эфира при его интенсивном испарении. Однако промышленная революция и труды таких ученых, как Сади Карно, заложили теоретическую базу, а практическая реализация стала возможной благодаря инженерам вроде Джейкоба Перкинса, который в 1834 году запатентовал первую паровую компрессионную холодильную машину. С тех пор технология шагнула далеко вперед, но фундаментальные принципы, основанные на втором законе термодинамики, остаются неизменными: теплота не может самопроизвольно переходить от менее нагретого тела к более нагретому.

В данной статье мы проведем детальный технический разбор двух наиболее распространенных типов парокомпрессионных холодильных циклов, направленных на повышение их эффективности: систем с регенеративным теплообменником и систем с экономайзером. Также будут рассмотрены принципы реверсивного цикла (теплового насоса) и основы функционирования абсорбционных холодильных машин.

1. Повышение эффективности цикла за счет регенеративного теплообмена

Одним из ключевых путей повышения энергетической эффективности (холодильного коэффициента) парокомпрессионной холодильной машины является увеличение степени переохлаждения жидкого хладагента перед дросселирующим устройством. Стандартно, на выходе из конденсатора хладагент имеет температуру лишь на 2–3°C выше температуры охлаждающей среды (воды или воздуха). Существенно улучшить этот показатель можно, используя внутренние резервы самого холодильного цикла.

Для этой цели применяется метод регенеративного теплообмена, где холодные пары хладагента, покидающие испаритель, используются для дополнительного охлаждения теплого жидкого хладагента, идущего из конденсатора. Принципиальная схема такой установки и ее термодинамический цикл в T-s диаграмме (Температура-Энтропия) представлены на рисунке 1.

Рисунок 1 – Цикл холодильной машины с регенеративным теплообменником

В представленной схеме сухой насыщенный или слабо перегретый пар из испарителя (состояние 7) поступает не напрямую на всасывание компрессора, а в регенеративный теплообменник. Одновременно в этот же теплообменник направляется сконденсированный жидкий хладагент из ресивера или конденсатора (состояние 4). В результате происходящего теплообмена пар нагревается до состояния 8 (процесс 7-8), обеспечивая необходимый перегрев на всасывании компрессора, а жидкость, в свою очередь, охлаждается до состояния 5 (процесс 4-5). Этот процесс переохлаждения жидкости увеличивает ее удельную холодопроизводительность, так как энтальпия жидкости перед дросселем становится ниже.

Тепловой баланс регенеративного теплообменника, исходя из первого закона термодинамики, описывается уравнением:

    (1)

где:

• Q_ТО – тепловая нагрузка на теплообменник, кВт;
• G – массовый расход хладагента через систему, кг/с;
• h₄, h₅ – удельная энтальпия жидкого хладагента на входе и выходе из теплообменника соответственно, кДж/кг;
• h₇, h₈ – удельная энтальпия парообразного хладагента на входе и выходе из теплообменника соответственно, кДж/кг.

Несмотря на то, что установка дополнительного теплообменника (ТО) увеличивает удельную холодопроизводительность (разность энтальпий в испарителе), она также приводит к росту температуры всасываемого пара (t₈ > t₇). Это, в свою очередь, увеличивает удельную работу сжатия в компрессоре и температуру нагнетания. Поэтому данный метод наиболее эффективен для хладагентов с высокой молекулярной массой (например, R22, R404a, R134a), у которых рост потерь на трение при увеличении степени сжатия менее выражен. Кроме того, такая схема гарантированно увеличивает перегрев всасываемых паров, что является критически важным для защиты компрессора от гидравлического удара — попадания капель жидкого хладагента в его рабочую полость.

Расчет параметров для герметичного компрессора

В системах с герметичными компрессорами, где электродвигатель охлаждается всасываемыми парами хладагента, необходимо учитывать дополнительный нагрев рабочего вещества. Теплота, выделяемая электродвигателем, рассчитывается как:

(2)

где N_эл – электрическая мощность, потребляемая двигателем, кВт, а η_эл – КПД электродвигателя.

Количество теплоты, которое передается хладагенту при прохождении через электродвигатель (процесс 8–1 на диаграмме):

(3)

Принимая в инженерных расчетах, что нагрев рабочего вещества в электродвигателе составляет Δt_8-1 = 30…40 °C, можно по p-h диаграмме для конкретного хладагента определить значения энтальпий h₁ и h₂. Далее, удельная работа сжатия определяется как:

(4)

После чего производится итерационный пересчет значения энтальпии h₁ для уточнения параметров:

(5)

Преимущества и недостатки цикла с регенеративным теплообменником

Преимущества:

• Повышение холодопроизводительности: За счет переохлаждения жидкости увеличивается ее охлаждающий эффект на единицу массы.
• Защита компрессора: Гарантированный перегрев пара на всасывании предотвращает риск гидравлического удара.
• Простота конструкции: Схема требует установки всего одного дополнительного теплообменника типа «жидкость-газ».

Недостатки:

• Увеличение работы сжатия: Рост температуры всасываемого пара приводит к увеличению потребляемой компрессором мощности.
• Повышение температуры нагнетания: Может негативно сказаться на смазочном масле и ресурсе компрессора, особенно для аммиачных систем.
• Неоднозначный эффект: Общий энергетический выигрыш (рост СОР) зависит от типа хладагента и рабочих параметров цикла.

2. Холодильные машины с экономайзером

Еще одним высокоэффективным способом глубокого переохлаждения хладагента является использование экономайзера (Э). В отличие от регенеративного теплообменника, экономайзер представляет собой отдельный контур, в котором охлаждение основного потока жидкого хладагента достигается за счет испарения небольшой, специально отведенной части этого же хладагента. Схема такой установки показана на рисунке 2.

Рисунок 2 – Холодильная машина с экономайзером

Принцип действия заключается в следующем: основной поток жидкого хладагента из конденсатора (точка 4) проходит через теплообменник экономайзера, где охлаждается до состояния 1. Охлаждение обеспечивается за счет дросселирования небольшой части жидкого хладагента через второй дроссель (ДР2) в экономайзер, где эта часть хладагента кипит при промежуточном давлении. Образовавшиеся пары из экономайзера обычно подаются на промежуточную ступень сжатия в компрессоре (характерно для винтовых и спиральных компрессоров со специальным портом экономайзера).

Тепловая нагрузка на экономайзер q₀’ определяется разностью энтальпий основного потока жидкости на входе и выходе (точки 4 и 1). Применение экономайзеров позволяет достичь значительно большего переохлаждения, чем в схемах с регенерацией, что особенно ценно в крупных централизованных системах (например, в супермаркетах), где испарители могут быть удалены от компрессорно-конденсаторного агрегата на десятки метров. Глубокое переохлаждение предотвращает преждевременное вскипание жидкости в длинных трубопроводах.

Аналогичный принцип теплообмена может быть использован для утилизации тепла. Например, горячий газ после компрессора можно направить в дополнительный теплообменник для нагрева воды для хозяйственных нужд. В этом случае холодильная машина начинает выполнять функции теплового насоса.

Сравнительный анализ циклов повышения эффективности

Для наглядности сведем ключевые характеристики рассмотренных циклов в сравнительную таблицу.

3. Реверсивный цикл (Тепловой насос)

Любая парокомпрессионная холодильная машина по своей сути является тепловым насосом — она «перекачивает» теплоту из охлаждаемого объема (где расположен испаритель) в окружающую среду (где расположен конденсатор). Из испарителя всегда выходит охлажденный воздух (или хладоноситель), а из конденсатора — нагретый. Если функционально поменять местами конденсатор и испаритель, система начнет работать на обогрев помещения, забирая низкопотенциальное тепло с улицы.

Эта инверсия достигается с помощью специального устройства — 4-ходового реверсивного клапана. Системы, оснащенные таким клапаном, способны работать как на охлаждение, так и на обогрев, и называются реверсивными или тепловыми насосами типа «воздух-воздух». Энергетическая эффективность такого обогрева очень высока: поскольку машина не генерирует теплоту, а лишь переносит ее, на 1 кВт затраченной электроэнергии можно получить 3-5 кВт тепловой энергии.

Схема холодильного контура, способного работать в обоих режимах, показана на рис. 3.

Рисунок 3 – Реверсивный холодильный цикл: 1 – компрессор; 2 – четырехходовой клапан; 3,6 – обратный клапан; 4 – ресивер; 5,9 – дросселирующее устройство; 7 – теплообменник внутреннего блока; 8 – теплообменник наружного блока

В режиме охлаждения (лето):

Пары хладагента после сжатия в компрессоре 1 через четырехходовой клапан 2 направляются в теплообменник наружного блока 8, который функционирует как конденсатор. Жидкий хладагент через обратный клапан 3 поступает в ресивер 4 и далее на дросселирующее устройство (ТРВ) 5. После дросселирования парожидкостная смесь поступает в теплообменник внутреннего блока 7, который работает как испаритель, охлаждая воздух в помещении. Пары из испарителя через клапан 2 возвращаются на всасывание компрессора 1. Обратный клапан 6 и ТРВ 9 в этом режиме закрыты.

В режиме обогрева (зима):

Положение четырехходового клапана 2 изменяется, и теперь горячие пары от компрессора 1 направляются в теплообменник внутреннего блока 7, который теперь работает как конденсатор и обогревает помещение. Сконденсировавшийся хладагент через обратный клапан 6 и ресивер 4 поступает на ТРВ 9 и далее в теплообменник наружного блока 8, который выполняет роль испарителя, поглощая тепло из наружного воздуха. Пары из наружного блока через клапан 2 возвращаются в компрессор. Обратный клапан 3 и ТРВ 5 закрыты.

4. Абсорбционные холодильные машины (АБХМ)

Абсорбционные холодильные машины представляют собой класс холодильных установок, которые для генерации холода используют не механическую энергию (как компрессорные), а низкопотенциальную тепловую энергию. Это их ключевое преимущество и особенность.

Применение АБХМ экономически целесообразно на объектах, где имеются избыточные источники вторичных энергоресурсов: отработанный пар, горячая вода после технологических процессов, выхлопные газы котельных или газопоршневых установок (когенерация), теплота экзотермических химических реакций и т.д.

Процесс отвода теплоты в испарителе АБХМ аналогичен компрессорным машинам. Принципиальное отличие кроется в способе повышения давления паров хладагента. Вместо механического компрессора здесь используется так называемый термохимический компрессор. Его работа основана на цикле экзотермических реакций абсорбции (поглощения хладагента абсорбентом) и эндотермических реакций десорбции (выпаривания хладагента из раствора под действием тепла).

Наибольшее распространение получили машины, работающие на бинарных (двухкомпонентных) растворах. В зависимости от температурного уровня и назначения используются разные рабочие пары:

• А) Водоаммиачный раствор (H₂O + NH₃): Здесь аммиак (NH₃) выступает в роли хладагента, а вода (H₂O) — в роли абсорбента. Такие системы могут достигать отрицательных температур кипения (до -60 °C).
• Б) Раствор бромистого лития (LiBr + H₂O): Здесь хладагентом является вода (H₂O), а абсорбентом — концентрированный раствор соли бромида лития (LiBr). Так как хладагент — вода, температура кипения не может быть ниже 0 °C. Эти машины широко применяются в системах центрального кондиционирования.

АБХМ могут быть как непрерывного, так и периодического действия. Рассмотрим упрощенную схему непрерывного цикла на примере рисунка 4.

Рисунок 4 – Абсорбционная холодильная машина: 1 – абсорбер; 2 – генератор; 3 – конденсатор; 4 – испаритель; 5, 6 – дроссельные устройства; 7 – насос раствора; 8 – рекуперативный теплообменник

Цикл работает следующим образом:

1. В испарителе (4) хладагент кипит при низком давлении P_н и температуре T_н, отнимая теплоту q_н от охлаждаемого объекта.
2. Пары хладагента поступают в абсорбер (1), где поглощаются слабым раствором (с низкой концентрацией хладагента), поступающим из генератора. Процесс абсорбции экзотермичен, выделяющаяся теплота q_а отводится охлаждающей средой.
3. Полученный в абсорбере крепкий (концентрированный) раствор с помощью насоса (7) перекачивается в генератор, предварительно подогреваясь в рекуперативном теплообменнике (8) от горячего слабого раствора.
4. В генераторе (2) к раствору подводится внешняя теплота q_в (от пара, горячей воды), в результате чего хладагент выпаривается из раствора при высоком давлении P_в.
5. Пары хладагента направляются в конденсатор (3), где конденсируются, отдавая теплоту q_с в окружающую среду. Жидкий хладагент через дроссель (5) возвращается в испаритель.
6. Оставшийся в генераторе горячий слабый раствор через дроссель (6) и теплообменник (8) (где он отдает тепло крепкому раствору) возвращается в абсорбер.

Таким образом, единственным потребителем механической энергии в цикле является насос раствора, мощность которого несоизмеримо мала по сравнению с мощностью компрессора в аналогичной по производительности парокомпрессионной машине.

5. Принципиальные схемы и нормативная документация

Для корректного проектирования, монтажа, эксплуатации и ремонта холодильного оборудования используются принципиальные схемы. Такая схема является официальным техническим документом, соответствующим требованиям Единой системы конструкторской документации (ЕСКД) и содержащим информацию об ответственных разработчиках.

На принципиальных схемах с помощью стандартизированных условных графических обозначений (УГО) изображаются:

1. Основные компоненты холодильного цикла: компрессоры, конденсаторы, испарители, ресиверы, дросселирующие устройства (ТРВ, ЭРВ, капиллярные трубки).
2. Элементы системы автоматики: соленоидные клапаны, датчики и реле давления/температуры, регуляторы производительности, контроллеры.
3. Вспомогательное оборудование: маслоотделители, отделители жидкости, фильтры-осушители, смотровые стекла, запорная и регулирующая арматура (вентили), предохранительные клапаны.
4. Трубопроводы с указанием характеристик: диаметр, материал, наличие теплоизоляции, направление потока хладагента и его агрегатное состояние (жидкость, пар, парожидкостная смесь).
5. Спецификация и нумерация элементов: к схеме прилагается перечень всех элементов с указанием их позиционных номеров и ключевых технических характеристик (мощность, производительность, напряжение питания и т.д.).

Важно понимать, что принципиальная схема отражает логику работы и взаимосвязи компонентов, но не дает представления об их реальном пространственном расположении. Для монтажных работ разрабатываются отдельные документы — монтажно-технологические или гидравлические схемы трубопроводов, на которых указываются точные трассировки, длины, уклоны и высотные отметки.

Основные действующие стандарты

Разработка схем на территории стран СНГ регламентируется комплексом стандартов ЕСКД. Ключевыми из них являются:

• ГОСТ 2.701-2008 – ЕСКД. Схемы. Виды и типы. Общие требования к выполнению.
• ГОСТ 2.704-2011 – ЕСКД. Правила выполнения гидравлических и пневматических схем.
• ГОСТ 2.780-96 – ЕСКД. Обозначения условные графические. Кондиционеры рабочей среды, емкости гидравлические и пневматические.
• ГОСТ 2.782-96 – ЕСКД. Обозначения условные графические. Машины гидравлические и пневматические.
• ГОСТ 2.784-96 – ЕСКД. Обозначения условные графические. Элементы трубопроводов.
• ГОСТ 2.785-96 – ЕСКД. Обозначения условные графические. Арматура трубопроводная.
• ГОСТ 2.789-74 – ЕСКД. Обозначения условные графические. Аппараты теплообменные.

В странах Европейского союза используются собственные стандарты, например:

• EN 1861 – Refrigerating systems and heat pumps — System flow diagrams and piping and instrument diagrams — Layout and symbols.
• DIN 28004 – Flow diagrams of process plants.

Основные условные обозначения, применяемые в отечественной и зарубежной практике, представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Условные графические обозначения элементов холодильных систем

Наименование устройства	Буквенное обозначение	Графическое обозначение
		EN	ГОСТ
Компрессор (общее обозначение)	КМ
Компрессор поршневой
Компрессор ротационный
Компрессор винтовой
Насос (общее обозначение)	Н
Конденсатор воздушного охлаждения	КД
Испаритель, Воздухоохладитель	И
Кожухотрубный теплообменник	ТП
Терморегулирующий вентиль	ТРВ
Кран шаровый	КШ
Клапан соленоидный	КС
Ресивер	Р, РС
Фильтр	Ф
Фильтр-осушитель	ФО
Маслоотделитель	МО
Отделитель жидкости	ОЖ
Направление потока (пар)	—	—
Направление потока (жидкость)	—	—
Парожидкостная смесь	—	—
Теплоизоляция трубопровода	—	—
Датчик давления	РЕ	—
Реле давления	PS	—
Датчик температуры	ТЕ	—
Реле температуры	TS	—
Электродвигатель	М

В дополнение к гидравлическим схемам, полный комплект документации на холодильное оборудование обязательно включает в себя схемы автоматизации и принципиальные электрические схемы, которые описывают логику управления установкой и подключение силовых и контрольных цепей.

Интересные факты из мира холодильной техники

• Холодильник Эйнштейна: В 1926 году Альберт Эйнштейн и его бывший студент Лео Силард запатентовали конструкцию абсорбционного холодильника без движущихся частей, работающего на тепле. Идея была в повышении безопасности бытовых приборов после несчастных случаев с утечками токсичных хладагентов.
• Что такое «тонна охлаждения»? Эта внесистемная единица мощности, распространенная в США, исторически обозначает тепловую мощность, необходимую для плавления одной американской «короткой» тонны (907 кг) льда за 24 часа. Она эквивалентна примерно 3,517 кВт.
• Холод из космоса: Существует концепция «радиационного охлаждения», при котором поверхность, обращенная к ночному небу, отдает тепло в виде инфракрасного излучения напрямую в холодный космос (около 3К), охлаждаясь при этом ниже температуры окружающего воздуха без затрат энергии.
• Магнитное охлаждение: Одной из перспективных технологий будущего является магнитокалорическое охлаждение. Оно основано на свойстве некоторых материалов нагреваться при намагничивании и охлаждаться при размагничивании. Такие системы потенциально более эффективны и экологичны, так как не используют газовых хладагентов.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В чем разница между переохлаждением и перегревом?

Переохлаждение — это охлаждение жидкого хладагента ниже его температуры насыщения (конденсации) при данном давлении. Оно увеличивает эффективность. Перегрев — это нагрев парообразного хладагента выше его температуры насыщения (кипения) при данном давлении. Он необходим для безопасной работы компрессора.

Что такое COP и EER?

COP (Coefficient of Performance) или холодильный коэффициент — это отношение полученной холодопроизводительности к затраченной мощности. EER (Energy Efficiency Ratio) — аналогичный показатель, но обычно используется для конкретных стандартных условий и часто выражается в других единицах (BTU/час на Ватт). Чем выше эти значения, тем эффективнее установка.

Какие хладагенты используются сегодня?

В связи с экологическими ограничениями (Монреальский и Киотский протоколы) старые хладагенты (CFC — R12, HCFC — R22) выводятся из оборота. Современные системы используют HFC хладагенты (R134a, R404A, R410A), которые не разрушают озоновый слой, но имеют высокий потенциал глобального потепления (GWP). Новейшее поколение — HFO хладагенты (R1234yf) и природные хладагенты (CO₂, аммиак, пропан) с низким GWP.

Может ли тепловой насос работать в сильный мороз?

Эффективность тепловых насосов «воздух-воздух» падает с понижением уличной температуры, так как «забирать» тепло из холодного воздуха становится сложнее. Большинство бытовых моделей эффективно работают до -15…-25 °C. Для более суровых климатических зон используют геотермальные тепловые насосы или гибридные системы с дополнительным источником тепла.

Заключение

Современные холодильные системы и тепловые насосы — это сложные инженерные комплексы, эффективность и надежность которых напрямую зависят от грамотного проектирования термодинамического цикла и правильного подбора компонентов. Методы повышения эффективности, такие как использование регенеративных теплообменников и экономайзеров, позволяют значительно снизить эксплуатационные расходы и повысить производительность, особенно в коммерческом и промышленном секторах. Альтернативные технологии, в частности абсорбционные машины, открывают путь к энергосбережению через утилизацию бросового тепла.

Ключевую роль в жизненном цикле любой холодильной установки играет качественная техническая документация, выполненная в соответствии с действующими стандартами. Принципиальные схемы, схемы автоматизации и монтажные чертежи являются основой для правильного монтажа, пусконаладки и дальнейшего обслуживания, обеспечивая долговечность и безопасность оборудования.

Нормативные документы (стандарты ЕСКД)

1. ГОСТ 2.701-2008. ЕСКД. Схемы. Виды и типы. Общие требования к выполнению.
2. ГОСТ 2.704-2011. ЕСКД. Правила выполнения гидравлических и пневматических схем.
3. ГОСТ 2.780-96. ЕСКД. Обозначения условные графические. Кондиционеры рабочей среды, емкости гидравлические и пневматические.
4. ГОСТ 2.782-96. ЕСКД. Обозначения условные графические. Машины гидравлические и пневматические.

Рекомендуемая литература

1. Быков А. В., Бабакин Б. С., и др. Холодильные машины и тепловые насосы. – М.: Колос, 1997.
2. Холтен, Т. Холодильная техника. – Пер. с норв. – М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981.
3. Якобсон В. Б. Малые холодильные машины. – М.: Пищевая промышленность, 1977.

• Об авторе
• Недавние публикации

Александр Лавриненко

Ведущий инженер-технолог и эксперт по производственной оптимизации в Современные технологии производства

Александр Лавриненко — инженер-технолог с более чем 25-летним опытом в машиностроении, энергетике, строительстве и автоматизации производства. Получил степень магистра в области металлургии в МГТУ, специализируясь на современных методах обработки металлов и аддитивных технологиях.
Регулярно публикую материалы о передовых методах обработки и сварки материалов, а также освещаю новинки в сфере производства,материаловедения, строительства и др.

Александр Лавриненко недавно публиковал (посмотреть все)

• Технологическое обеспечение точности: Базирование, размерные цепи и методы монтажа - 09.10.2025
• Метрологическое обеспечение точности производственных процессов: цели и структура - 09.10.2025
• Материалы для технологических трубопроводов: сталь, пластик, металлополимеры - 07.10.2025