Какие основные элементы включает в себя одноступенчатая парокомпрессионная холодильная машина

Парокомпрессионные холодильные машины

Холодильная машина является комплексом элементов, при помощи которых рабочее вещество совершает обратный термодинамический цикл (холодильный цикл) за счет затраты работы или теплоты. Процессы в элементах холодильной машины взаимосвязаны, и на них оказывают влияние как окружающая среда, так и охлаждаемые объекты.

Промышленные холодильные машины, работающие в области умеренного холода, можно подразделить на три основные группы: компрессионные – паровые и газовые, теплоиспользующие (используют тепловую энергию) и термоэлектрические (используют электрическую энергию).

Парокомпрессионные холодильные машины используют механическую работу. Они получили наибольшее распространение в холодильной технике и технологии для охлаждения, замораживания и хранения пищевых продуктов из-за их энергетической эффективности (меньший расход энергии по сравнению с другими машинами) и меньшей экологической опасности.

На рис. 1.6. показан принцип работы парокомпрессионных холодильных машин. Для осуществления холодильного цикла необходимо иметь четыре основных элемента: компрессор, конденсатор, испаритель и регулирующий вентиль, соединенных трубопроводом, в котором непрерывно циркулирует рабочее вещество – хладагент.

Рис.1.6. Принцип работы парокомпрессионных холодильных машин

Испаритель располагают в охлаждаемом помещении (холодильной камере, шкафу). В нем при низкой температуре (ниже температуры охлаждаемой среды) кипит жидкий хладагент, воспринимая тепло из холодильной камеры в количестве Q₀. Пары хладагента из испарителя отсасываются компрессором, сжимаются до давления Р_к, соответствующего температуре конденсации t_к, и нагнетаются в конденсатор, охлаждаемый окружающим воздухом. При отводе от конденсатора теплоты в количестве Q_к пары хладагента превращаются в жидкость, которая через регулирующий вентиль поступает опять в испаритель. В регулирующем вентиле происходит процесс дросселирования, при этом небольшая часть жидкого хладагента мгновенно испаряется, а оставшаяся жидкость охлаждается до температуры кипения.

Таким образом, хладагент выполняет непрерывный круговой (холодильный) цикл, циркулируя с помощью компрессора внутри замкнутой системы, изменяя температуру, давление, свое фазовое состояние, поглощая или отдавая при этом тепло.

В холодильных машинах в качестве хладагентов используют аммиак и фреоны (хладоны) при непосредственном охлаждении, и хладоносители – вода, рассолы (льдосоляные смеси хлористого натрия или хлористого кальция), антифризы (этиленгликоль, пропиленгликоль, метанол, глицерин), карбонат калия, жидкий диоксид углерода, водные растворы ацетата калия и формиата калия, экосолы (вода и этилкарбитол) – при косвенном охлаждении.

Главными элементами парокомпрессионных холодильных машин являются компрессор, конденсатор, испаритель, регулирующий вентиль.

1) КОМПРЕССОР. Компрессор является главным элементом холодильной машины. Он обеспечивает циркуляцию хладагента в системе холодильной машины, создает высокое давление, достаточное для перехода хладагента из парообразного состояния в жидкое в конденсаторе, и низкое давление, при котором он кипит в испарителе при заданной низкой температуре. Таким образом, он переносит вместе с парами хладагента теплоту, отведенную от охлаждаемой среды.

2) ИСПАРИТЕЛЬ. Испаритель – это теплообменный аппарат, предназначен для отвода (принятия) теплоты от охлаждаемой среды и хладагента. В испарителе происходит непосредственный теплообмен между охлаждаемым объектом и хладагентом (воздухоохладители, батареи, технологические аппараты непосредственного охлаждения). В испарителе обычно происходит кипение хладагента и превращение его в пар. Выделяют различные конструкции испарителей. На рис. 1.7 б) показан общий вид кожухотрубного испарителя затопленного типа, где: 1 – патрубок, куда подается жидкий хладагент, 2 – корпус аппарата, представляет собой сваренную из стального листа обечайку, по торцам к которой приварены трубные решетки 6 с отверстиями, в которые вставлены трубы 7. Снаружи к решеткам на шпильках крепятся крышки 3 и 9, одна из которых имеет штуцеры 4 и 5 для входа и выхода рассола. В центре обечайки вверху приварен сухопарник 8, через который пары хладагента отсасываются компрессором.

3) КОНДЕНСАТОР. Конденсатор – это теплообменный аппарат, который предназначен для превращения в жидкость поступающих из компрессорапаров хладагента. В конденсаторе возможно осуществить охлаждение жидкого хладагента ниже температуры конденсации (переохлаждение). Оба эти процесса сопровождаются отводом теплоты от хладагента к внешней среде. Существуют различные конструкции конденсаторов. На рис. 1.10а представлен кожухотрубный конденсатор.

4) РЕГУЛИРУЮЩИЙ ВЕНТИЛЬ. Об эффекте дросселирования, которое происходит в регулирующем вентиле, было упомянуто выше, сущность которого заключается в том, что при прохождении жидкого хладагента через суженное отверстие под действием разности давлений в конденсаторе и испарителе падение давления сопровождается понижением температуры всего потока. Хладагент дросселируется и теплообмен между ним и окружающей средой не осуществляется. При увеличении скорости движения в узком сечении внутренняя энергия молекул возрастает и повышенное внутримолекулярное трение приводит к тому, что часть жидкости переходит в парообразное состояние. При этом температура всего потока понижается до температуры кипения хладагента в испарителе. Поэтому только часть циркулирующего хладагента кипит в испарителе и производит полезное охлаждение.

Рис. 1.7. а) Кожухотрубный конденсатор; б) кожухотрубный испаритель затопленного типа

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое фазовые переходы веществ?

2. Какие имеются способы получения искусственного холода?

3. Какую функцию выполняет компрессор в холодильных машинах?

4. Что такое источники низкой и высокой температур?

Тесты

1) В каком диапазоне лежит область низких температур для холодильной техники:

а)–120÷–273 0 С; б)+30÷–120 0 С; в)+20÷–120 0 С; г)+20÷–110 0 С; д) 0 ÷–150 0 С.

2) При каких условиях существует тройная точка воды:

а)617 Па; 0,0098 0 С; б)617 Па; 0,98 0 С; в)517 Па; 0,098 0 С; г)417 Па; 0 0 С.

3) При каких условиях сухой лед (твердая двуокись углерода) переходит из твердого в газообразное состояние:

а)1 атм; –70 0 С; б) 1 атм; –78,9 0 С; в)3 атм; +15 0 С; г)2 атм; –20 0 С; д)1 атм; –67 0 С.

4) Какую энергию используют парокомпрессионные холодильные машины:

а) механическую работу; б) тепловую; в) электрическую энергию.

5) Сублимация – это процесс перехода вещества:

а) из жидкого состояния в парообразное; б) из жидкого состояния в пар; в) из твердого состояния в газообразное, минуя жидкость; г) из газообразного состояния в твердое, минуя жидкость.

Источник

Парокомпрессионные холодильные системы: принцип работы и компоненты

Работа парокомпрессионной холодильной системы основывается на нескольких основных принципах. Её способность охлаждать в основном базируется на циркуляции хладагента – рабочего вещества, которое переносит тепло по непрерывный системе трубок. Поскольку тепло постоянно нужно отводить от продуктов и объема, в котором они хранятся к холодной, хладагент может непрерывно двигаться, обеспечивая в холодильнике среду с пониженной температурой. Основными принципами работы холодильника являются:

В некоторых коммерческих и промышленных холодильных системах тепло, отбираемое у охлаждаемой камеры и выделяемое компрессором, используется для отопления помещений. Это позволяет сократить расходы на отопление.

Рис. Холодильный цикл парокомпрессионной холодильной машины. Тепло может использоваться для отопления.

Компоненты парокомпрессионного холодильного оборудования

Основными узлами парокомпрессионного холодильного оборудования являются компрессор, испаритель, конденсатор и терморегулирующий вентиль.

Компрессор

Холодопроизводительность холодильника и объёмная производительность компрессора

В парокомпрессионной холодильной машине одним из основных узлов является компрессор. Его задача – сжимать газообразный хладагент, что повышает его температуру, и поддерживать его давление в конденсаторе, что обеспечивает циркуляцию хладагента.

В системе охлаждения компрессор находится между двумя группами трубок – катушками испарителя и конденсатора. В зависимости от конструкции оборудования, компрессор обычно располагается в задней части холодильника или рядом на полу. Когда компрессор включается, шум его работы обычно может быть слышен. Охлаждение в морозильной камере или холодильнике происходит только в том случае, если компрессор работает должным образом.

Работа компрессора контролируется с помощью термостата внутри морозильной камеры. Он заставляет компрессор периодически включаться и выключаться в течение дня. Из-за этого компрессор со временем, может столкнуться с проблемами и выйти из строя, что потребует технического обслуживания. Высокая температура сжимаемого газа может привести к изменению свойств смазки, что также может препятствовать эффективной работе.

Конденсатор и испаритель

Терморегулирующий (дроссельный) вентиль

Терморегулирующий вентиль (сокращенно ТРВ) регулирует количество хладагента, поступающего из конденсатора в испаритель так, чтобы хладагент полностью превращался в пар в испарителе. Для того чтобы гарантировать, что из испарителя в компрессор не попадут капли жидкости, хладагент не только нагревается до температуры кипения, но и подвергается перегреву до достижения определенной температуры выше температуры насыщения. Температура хладагента на выходе из испарителя контролируется специальным датчиком, который регулирует открытие и закрытие клапана вентиля. Клапан закрыт пружиной, а датчик, выполненный в виде колбы, заполнен газом, аналогичным хладагенту. При увеличении температуры газа в датчике давление в нем растет, и клапан открывается, а при понижении температуры (и, соответственно, давления) – закрывается.

Терморегулирующий вентиль является ключевым элементом холодильного цикла. Чтобы жидкий хладагент мог перейти в газообразную фазу а его температура – упасть, в испарителе должно поддерживаться низкое давление.

Вспомогательная аппаратура

Кроме терморегулирующего вентиля бесперебойная работа холодильных машин обеспечивается ресивером, отделителем жидкости, фильтрами-осушителями, регулятором давления и термостатом. Ресивер является резервуаром, в котором хладагент собирается перед поступлением в терморегулирующий вентиль, и служит для равномерности его подачи. Отделитель жидкости устанавливается перед компрессором для его защиты от попадания капель хладагента. Фильтры-осушители очищают хладагент от загрязнений и предотвращают попадание твердых частиц в компрессор. Паровые фильтры устанавливают на всасывающей линии компрессора, а жидкостные – после ресивера перед терморегулирующим вентилем. Регулятор давления (прессостат) защищает компрессор от низкого давления всасывания и повышенного давления нагнетания. Термостат служит для периодического включения и выключения компрессора. Цифровой дисплей электронного термостата позволяет следить за температурой и текущим состоянием системы.

Источник

Изучение работы парокомпрессионной холодильной машины

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ПАРОКОМПРЕССИОННОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ МАШИНЫ

по курсам «Теплотехника»,

«Техническая термодинамика и теплотехника»,

«Гидравлика и теплотехника»

для студентов специальностей 280201

дневной и заочной форм обучения

Цель работы: Теоретическое и экспериментальное изучение термодинамических основ работы парокомпрессионной холодильной машины (ПКХМ). Ознакомление с конструктивной схемой, принципом действия и методикой теплового расчёта ПКХМ, экспериментальное определение параметров хладагента в характерных точках с построением рабочего цикла установки в lgP, h-диаграмме. Оценка теоретических и действительных показателей эффективности испытанной ПКХМ.

1. Основные понятия

Основным назначением холодильных машин является выработка искусственного холода, то есть отвод теплоты от охлаждаемого объекта в окружающую среду, имеющую более высокую температуру.

Согласно второму закону термодинамики, тепло, отводимое от тела с более низкой температурой, не может само переходить к окружающей среде, имеющей более высокую температуру. Поэтому производство холода в холодильных машинах любых типов всегда сопровождается затратами энергии.

Рабочее тело холодильных машин называется хладагентом.

По виду хладагента холодильные машины бывают газовые и паровые.

В паровых холодильных машинах холод получается за счёт дросселирования насыщенной жидкости хладагента (т. е. жидкости имеющей температуру кипения при данном давлении) с высоким давлением и температурой равной температуре окружающей среды. В процессе дросселирования давление жидкости понижается. Этому пониженному давлению соответствует меньшее значение температуры кипения и, следовательно, в процессе дроселирования жидкость становится перегретой и часть её мгновенно испаряется (получается насыщенная парожидкостная смесь при давлении близком к атмосферному). На фазовый переход в системе расходуется значительное количество энергии и в результате система охлаждается ниже температуры окружающей среды.

Наиболее распространенными и достигшими в конструктивном отношении высокой степени совершенства и экономичности являются паровые компрессионные холодильные машины (ПКХМ). Принципиальная схема ПКХМ показана на рис. 1.

Компрессор служит для сжатия паров холодильного агента, отсасываемого из испарителя и сепаратора (отделителя жидкости). Сжатие паров сопровождается их перегревом. В ПКХМ используются объёмные компрессоры, как правило, поршневые одно-и двухступенчатого сжатия.

В дроссельном вентиле происходит регулируемый процесс дросселирования насыщенной жидкости хладагента. Чем больше падение давления на дроссельном вентиле, тем ниже температура хладагента.

Испаритель служит для испарения насыщенной жидкости холодильного агента при низкой температуре. При этом теплота отводится от охлаждаемой среды к хладагенту. Конструктивно испаритель представляет собой поверхность теплообмена трубчатую или иную расположенную внутри охлаждаемого объекта (технологического помещения, камеры или аппарата).

В ПКХМ в качестве хладагентов используются жидкости с низкими температурами кипения (при давлениях близких к атмосферному): аммиак, фреоны, углекислота, сернистый ангидрид и ряд других агентов.

Рис.2. Цикл одноступенчатой парокомпрессионной холодильной

машины в lgP—h— диаграмме хладагента

Циклические процессы, происходящие с хладагентами в холодильных машинах, изображают в диаграммах состояния этих веществ (паровых диаграммах). Наиболее применяемой для анализа работы и расчётов холодильных машин является энтальпийная lgP,h-диаграмма, поскольку теплота изобарного процесса изменения состояния хладагента изображается в ней длиной соответствующего отрезка Dh, легко определяемого по энтальпийной шкале.

На рис. 2 схематично показаны теоретический и действительный циклы одноступенчатой ПКХМ, построенные в lgP—h-диаграмме хладагента.

За теоретическим цикл современной ПКХМ принят цикл :

Простейший цикл ПКХМ (процессы 1’-2’-3-4’-5’) не включает процессов переохлаждения конденсата перед дросселированием и перегрева паров хладагента перед компрессированием. Переохлаждение конденсата перед дросселированием является действенным приёмом увеличения холодопроизводительности машины и повышения её термодинамической эффективности, что подтверждается графическим анализом цикла ПКХМ в T,s— и lgP,h-диаграммах.

Действительный цикл ПКХМ (процессы 1-2д-3-4-5) отличатся от теоретического необратимым процессом (Ds>0) политропного сжатия паров хладагента 1-2д в реальном компрессоре. Это приводит к дополнительным затратам работы на привод холодильного компрессора, которые учитываются внутренним относительным КПД компрессора.

, (1)

Поскольку характеристики холодильной машины подлежат изменению при эксплуатации холодильные компрессоры и агрегаты принято характеризовать холодопроизводительностью Q0 ст и потребляемой мощностью Nст при стандартных условиях эксплуатации.

Для пересчета холодопроизводительности на рабочие условия эксплуатации (при рабочих значениях tк и t0 ) используют соотношение

® , Вт (2)

Далее приводится методика поверочного расчёта холодильной машины с теоретическим и действительным циклом работы, целью которого является определение характеристик работы машины на заданном режиме эксплуатации:

— удельная массовая холодопроизводительность (на 1 кг хладагента)

, кДж/кг (3)

— массовый расход хладагента (массовая производительность компрессора)

, кг/с; (4)

— удельная и полная теплота на перегрев пара хладагента в испарителе

, кДж/кг ; , кВт; (5 а, б)

— удельная работа, затрачиваемая на сжатие пара хладагента в компрессоре теоретическая и действительная

; , кДж/кг; (6 а, б)

— мощность, затрачиваемая на привод компрессора теоретическая и действительная

, , кВт; (7 а, б)

— удельная теплота, отводимая от хладагента в конденсаторе теоретическая и действительная

; , Дж/кг; (8 а, б)

— полная теплота, отводимая от хладагента в конденсаторе (тепловая нагрузка конденсатора) теоретическая и действительная

; , кВт; (9 а, б)

— удельная и полная теплота на переохлаждение жидкого хладагента в конденсаторе

, кДж/кг ; , кВт; (10 а, б)

— холодильный коэффициент теоретического и действительного цикла

, (11 а, б)

2. Методика эксперимента

2.1. Описание лабораторной установки

Основу лабораторного стенда, схема которого представлена на рис. 3, составляет агрегат ПХКМ, представляющий собой замкнутую герметичную систему, заполненную хладагентом фреоном R-22 в смеси с фреоновым маслом.

Рис. 3. Принципиальная схема лабораторной установки

Компрессор засасывает пары фреона, сжимает их и нагнетает в конденсатор, где происходит конденсация паров. Наружная поверхность конденсатора охлаждается воздухом при помощи осевого вентилятора. Воздух, нагреваясь, отводит теплоту в окружающую среду. Жидкий фреон после конденсатора проходит через автоматически регулируемое дроссельное устройство. Получившаяся парожидкостная смесь собирается в ресивере, который выполняет функцию сепаратора. Из ресивера жидкий фреон поступает в испаритель. Поступающий в испаритель фреон вскипает, забирая теплоту из окружающего воздуха соприкасающегося со стенками испарителя. Пары фреона из испарителя по всасывающему трубопроводу поступают в компрессор, после чего цикл повторяется.

В лабораторной холодильной установке используется автоматическое дроссельное устройство сильфонного типа. Оно представляет собой трубку с капилярной структурой, на которую оказывается переменное сдавливающие воздействие (посредством расширяющегося газового сосуда- сильфона, погружённого в хладагент) уменьшающее проходное сечение капилляров. Это автоматическое устройство с обратной связью: при повышении температуры по сравнению с заданной газ в сильфоне расширяется, сдавливающие воздействие усиливается- давление и температура хладагента понижаются. Лабораторная установка предусматривает как базовый выбор режимов охлаждения, так и тонкое ручное настраивание путем дополнительного органа ручного воздействия на капилярное дроссельное устройство.

Техническая характеристика компрессора:

тип – низкотемпературный герметичный, производства Aspera, Словакия;

холодильный агент – R22;

2.2. Техника эксперимента

1. К выполнению работы допускаются студенты, прослушавшие инструктаж по технике безопасности и правилам проведения работ в учебной лаборатории теплотехники, ознакомившиеся с правилами безопасности и методикой проведения эксперимента.

2. Работа проводится только под контролем преподавателя или лаборанта.

3. Перед включением стенда необходимо убедиться в надежности изоляции всех токоведущих элементов, исправности коммутирующих и измерительных приборов, наличии заземления.

4. Во время проведения опыта нельзя касаться металлических частей установки.

5. Не разрешается оставлять включенную установку без присмотра. Студентам запрещается производить любые действия, не предусмотренные методикой выполнения работы.

2.5. Порядок выполнения работы

1. Осмотреть установку и, согласно схеме, найти все ее основные элементы и измерительные приборы и места установки датчиков.

2. Оценить готовность установки к работе: проверить подключение стенда к электрической сети; подключение датчиков к щитовым приборам; убедиться в исправности заземления.

3. Установить переключатель регулируемого дроссельного устройства в одно из базовых режимов охлаждения.

4. Включить холодильную установку с помощью включателя.

5. Путём вращения органа ручного управления дроссельным устройством осуществить тонкое регулирование перепада давления и соответственно температуры охлаждения контролируя нижнее давление Р1 по манометру. Выбранный температурный режим автоматически поддерживается на протяжении всего эксперимента.

6. Через 20 минут после включения агрегата производят запись показаний термопар t1 , t2 , t4 с интервалом 5 минут. После достижения стационарного режима, о чем судят по постоянству показаний соответствующих термометров, произвести основной замер. Значения измеренных величин занести в табл. 1.

Источник