Холодильные машины и установки предназначены для искусственного снижения и поддержания пониженной температуры ниже температуры окружающей среды от 10 °С и до -153 °С в заданном охлаждаемом объекте. Машины и установки для создания более низких температур называются криогенными.
Рассмотрим упрощенные схемы двух наиболее распространенных видов холодильных систем: с регенеративным теплообменником и с экономайзером.
Эффективность холодильной машины можно повысить, если увеличить переохлаждение. Однако рабочее тело на выходе из конденсатора будет в лучшем случае на 2…3°C теплее температуры теплоносителя (воздуха или воды), используемого для охлаждения конденсатора.
Охладить хладагент перед дросселирующим устройством можно холодным паром, выходящим из испарителя. Принципиальная схема такой машины представлена на (рис. 1).
Рисунок 1 – Цикл холодильной машины с регенеративным теплообменником
В этой машине пар из испарителя в состоянии 7 направляется в регенеративный теплообменник, где охлаждает жидкий хладагент, выходящий из конденсатора. В результате теплообмена пар нагревается – процесс 7 – 8, а жидкость охлаждается – процесс 4 – 5. Тогда тепловая нагрузка регенеративного теплообменника:
(1)
Применение дополнительного теплообменника (ТО) позволяет увеличить удельную холодопроизводительность, однако в результате этого увеличивается и температура всасывания, из-за чего увеличится удельная работа сжатия компрессора. Поэтому эффективнее такой цикл применять с хладагентами которых относят к высокомолекулярным соединениям (R22, R404a и т.п.), у данных хладагентов меньше потерь на трение при увеличении степени сжатия компрессора, измерение переохлаждения и перегрева наглядно показано здесь. Так же в данной схеме мы увеличиваем величину перегрева и тем самым уменьшаем риск попадания жидкого хладагента в компрессор.
Количество теплоты, которое выделяет электродвигатель герметичного компрессора:
(2)
где эл – мощность, потребляемая электродвигателем, кВт; эл – КПД электродвигателя.
Количество теплоты, кВт, которое подводится к рабочему веществу при его движении через электродвигатель в процессе 8–1:
(3)
Задаваясь нагревом рабочего вещества в электродвигателе 1 − 8 = 30 … 40 ℃, по диаграмме определяем значения 1 и 2. Далее рассчитываем:
(4)
Далее пересчитываем значение 1:
(5)
Далее рассмотрим схему холодильной машины с экономайзером (рис 2).
Экономайзер (Э) представляет из себя теплообменник, применяемый для увеличения переохлаждения хладагента после конденсатора. Экономайзером можно добиться больших значений переохлаждения, что даёт возможность размещать испаритель на большом расстоянии от конденсатора (это полезно использовать в крупных централизованных установках).
Рисунок 2 – Холодильная машина с экономайзером
Переохлаждение хладагента в экономайзере обеспечивается за счет дросселирования части жидкого холодильного агента (ДР2). Тепловая нагрузка на экономайзер q0’ будет разностью энтальпий в точках 4 и 1.
По такому же принципу можно добавлять другие теплообменники к холодильной схеме, например, для нагревания водопроводной воды на объекте за счет горячего хладагента, выходящего из компрессора. В данном случае холодильная машина будет выступать в роли теплового насоса.
Как видно из схемы холодильного цикла, в холодильной машине идет как бы перекачка тепла из помещения, в котором установлен испаритель, в окружающее пространство, как правило на улицу, где установлен конденсатор.
Из испарителя всегда выходит более холодный воздух, а из конденсатора — более теплый. Если поменять местами конденсатор и испаритель (использовать 4-х ходовой клапан), то мы будем греть помещение и охлаждать улицу, перекачивая тепло с улицы в комнату или для нагревания воды.
Если поменять местами конденсатор и испаритель, то мы будем греть помещение и охлаждать улицу, перекачивая тепло с улицы в комнату. Поскольку холодильная машина не создает тепло (если, конечно, не учитывать нагрев от компрессора), а только перекачивает его, то затраты энергии получаются примерно в три раза меньше тепла, которое поступает в помещение.
Когда речь идет о замене конденсатора на испаритель, то под этим понимается так называемый реверсный (обратный) цикл или иначе цикл «теплового насоса», для чего в схему встраивается 4-х ходовой клапан, переключающий направление потоков хладагента.
Схема холодильного контура, способного работать как в режиме охлаждения, так и в режиме «теплового насоса», 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 пары хладагента с выхода компрессора 1 четырехходовым клапаном 2 направляются в теплообменник наружного блока (расположенного на улице) 8, где конденсируются. Через обратный клапан 3 и ресивер 4 жидкий фреон с высоким давлением попадает на терморегулирующий вентиль 5. Терморегулирующий вентиль 9 и обратный клапан 6 при этом закрыты. Из ТРВ 5 жидкий хладагент поступает к теплообменнику внутреннего блока 7 (расположенного внутри охлаждаемого помещения), где испаряется и через четырехходовой клапан 2 поступает на вход компрессора 1.
В режиме обогрева пары хладагента четырехходовым клапаном 2 направляются в теплообменник внутреннего блока 7, выполняющего роль конденсатора. Через обратный клапан 6 и ресивер 4 жидкий фреон с высоким давлением попадает на терморегулирующий вентиль 9. Терморегулирующий вентиль 5 и обратный клапан 3 при этом закрыты.
Реверсирование цикла производится четырехходовым клапаном 2.
Абсорбционные холодильные машины относятся к холодильным машинам, которым для производства холода необходимо тепло, в этом и является их преимущество перед компрессорными холодильными агрегатами.
Особенно эффективно их применение там, где имеются источники теплоты в виде вторичных энергоресурсов, т.е. в виде отработанного пара, горячей воды, дымовых газов, теплоты химических реакций и т.п.
Процесс отвода теплоты от объектов охлаждения в абсорбционных установках принципиально осуществляется точно так же, как и в компрессорных ХМ. Все отличие – в методах повышения давления рабочего агента. Здесь оно повышается с помощью так называемого термохимического компрессора, где используются экзотермические реакции абсорбции (поглощения) и эндотермические реакции разделения.
Наиболее распространенными являются машины, работающие на бинарном растворе, состоящем из абсорбента (поглотителя) и хладагента.
В настоящее время широкое применение нашли такие смеси:
- А) Водоаммиачный раствор H20 + NH3
- Б) Раствор бромистого лития LiBr + H2O
Абсорбционные ХМ бывают непрерывного и периодического действия.
Схема абсорбционной установки приведена на рис. 13.
В испарителе 4 к рабочему раствору подводится теплота qн. Под воздействием этой теплоты хладагент кипит при Тн и Рн (низшие значения температуры и давления цикла). Пары хладагента попадают в абсорбер и смешиваются с абсорбентом, который поступает из охладителя 8 через детандер 6.
При поглощении холодильного агента абсорбентом выделяется теплота абсорбции qа, которую отводят при температуре Тс (Тс>Тн) охлаждающей средой. Полученный в абсорбере концентрированный раствор, находящийся под давлением Рн, перекачивают насосом 7 через охладитель абсорбента 8 в генератор (кипятильник) 2, находящийся под более высоким давлением Рв. В теплообменнике 8 крепкий раствор подогревается.
В генераторе из раствора выпаривается ХА за счет подведенной извне теплоты qв. с температурой Тв (Тв>Тс). Если температуры кипения хладагента и абсорбента существенно отличаются (на 200-300°C), то пар состоит из практически чистого хладагента. Пар холодильного агента направляется в конденсатор 3, где он конденсируется. Теплота конденсации qс отводится в окружающую среду водой или воздухом при температуре Тс.
Горячий абсорбент (слабый раствор) проходит теплообменник 8, где он охлаждается, и поступает в абсорбер.
Рисунок 13 – Абсорбционная холодильная машина: 1 – абсорбер; 2 – генератор; 3 – конденсатор; 4 – испаритель; 5, 6 –гидромоторы (детандеры); 7 – насос; 8 – охладитель абсорбента
Такие абсорбционные холодильные машины, в том числе и аммиачные, наиболее распространены в холоде промышленного масштаба, т.к. их использование более экономично при наличии источника тепловой энергии.
Принципиальные схемы, правила оформления.
Для быстрого ознакомления и лучшего понимания устройства холодильных систем используют принципиальные схемы холодильных установок. Причем, такая схема должна являться официальным техническим документом, в котором указаны её разработчики и другие ответственные лица. На принципиальных схемах изображаются с помощью специальных обозначений:
- Основные элементы холодильных систем (компрессоры, конденсаторы, испарители, дросселирующие устройства);
- Элементы автоматики (Клапан соленоидный, термодатчики, регуляторы потока, реле давления, реле температуры и т.д.);
- Вспомогательные элементы холодильных систем (промежуточные сосуды, вентили, вентиляторы, штуцеры, предохранительные клапаны и т.д.);
- Трубопроводы и их характеристики (диаметр, марка труб, теплоизоляция, направление течения хладагента, его агрегатное состояние);
- Краткие обозначение, нумерация элементов холодильной системы, их характеристики и другая информация (мощность компрессоров, тепловая нагрузка теплообменников, требуемая температура в камере и т.д.).
Принципиальная схема должна создавать целостное представление о составе установки, о принципах функционирования элементов холодильной системы, об основных характеристиках системы. Важно отметить, что принципиальная схема не дает представление о взаимном расположении элементов холодильных систем в пространстве.
Расстояние между элементами, длину трубопровода, ориентировка оборудования и трубопроводов в здании, уклоны и изгибы трубопроводов важны при проведение монтажных работ. Всю эту информацию размещают на отдельном виде схем, которые называют гидравлическими схемами трубопроводов.
Все схемы должны выполнятся согласно требованиям ЕСКД – единой системы конструкторской документации. На территории стран СНГ действуют следующие стандарты:
- ГОСТ 701-2008 – ЕСКД. Схемы. Виды и типы. Общие требования к выполнению.
- ГОСТ 704-2011 – ЕСКД. Правила выполнения гидравлических и пневматических схем.
- ГОСТ 780-96 – ЕСКД. Обозначения условные графические. Кондиционеры рабочей среды, емкости гидравлические и пневматические
- ГОСТ 782-96 – ЕСКД. Обозначения условные графические. Машины гидравлические и пневматические.
- ГОСТ 784-96 – ЕСКД. Обозначения условные графические. Элементы трубопроводов.
- ГОСТ 785-96 – ЕСКД. Обозначения условные графические. Арматура трубопроводная.
- ГОСТ 788-74 – ЕСКД. Обозначения условные графические. Аппараты выпарные
- ГОСТ 789-74 – ЕСКД. Обозначения условные графические. Аппараты теплообменные.
- ГОСТ 793-79 – ЕСКД. Элементы и устройства машин и аппаратов химических производств.
Принципиальные схемы, разработанные в странах Евросоюза могут быть выполнены на основе стандартов:
- EN 1861 – Холодильные системы и тепловые насосы;
- DIN 1946 – Технология вентиляции и кондиционирования воздуха.
Основные условные обозначения, применяемые в холодильных схемах представлены в таблице 1.
Таблица 1 – Условные обозначения
| Устройство | Букв, обознач. | Графическое обозначение | |
| EN | гост | ||
| Компрессор (общее обозначение) | КМ |  |
|
| поршневой |  |
 |
|
| ротационный |  |
||
| винтовой |  |
||
| Насос (общее обозначение) | н |  |
 |
| Конденсатор воздушного охлаждения | кд |  |
 |
| Испаритель, Воздухоохладитель | и |  |
|
| Кожухотрубный теплообменник | тп |  |
 |
| Терморегулирующий венитиль | ТРВ |  |
 |
| Кран шаровый | кш |  |
 |
| Соленоидный клапан | КС |  |
 |
| Ресивер | Р, PC |  |
 |
| Фильтр | Ф |  |
 |
| Фильтр осушитель | ФО |  |
 |
| Маслоотделитель | МО |  |
 |
| Отделитель жидкости | ож |  |
|
| Направление потока пара | — | — |  |
| Направление потока жидкости | — | — |  |
| Парожидкостная смесь | — | — |  |
| Теплоизоляция трубопровода | — | — |  |
| Датчик давления | РЕ | — |  |
| Реле давления | PS | — |  |
| Датчик температуры | ТЕ | — |  |
| Реле температуры | TS | — |  |
| Электродвигатель | м |  |
|
Также к принципиальным схемам должен прилагаться список со всеми условными обозначениями, использованными в схеме. Обычно список располагают рядом с самой схемой. Необходимо указать основные технические характеристики системы: холодопроизводительность, хладагент, температуру кипения, температуру конденсации, теплоноситель, потребляемую мощность, характеристики электропитания и т.д.
Отдельной частью необходимой документации к холодильному оборудованию являются схемы автоматизации и электрические схемы.