Принцип работы холодильной установки. Холодильные агенты и хладоносители

Рефрижерация - это процесс, при котором температура помещения снижается ниже температуры наружного воздуха.

Кондиционирование воздуха - это регулирование температуры и влажности в помещении с одновременным осуществлением фильтрации воздуха, циркуляции и частичной его замены в помещении.

Вентиляция - это циркуляция и замена воздуха в помещении без изменения его температуры. За исключением специальных процессов, таких как замораживание рыбы, воздух обычно используется как промежуточное рабочее тело, передающее теплоту. Поэтому для осуществления рефрижерации, кондиционирования и вентиляции применяют вентиляторы и воздухопроводы. Три названные выше процесса тесно связаны между собой и совместно обеспечивают заданный микроклимат для людей, машин и груза.

Для снижения температуры в грузовых трюмах и в провизионных кладовых при рефрижерации применяют систему охлаждения работа которой обеспечивается холодильной машиной. Отобранная теплота передается другому телу — холодильному агенту при низкой температуре. Охлаждение воздуха при кондиционировании представляет собой аналогичный процесс.

В простейших схемах холодильных установок передача теплоты осуществляется дважды: сначала в испарителе, где холодильный агент, имеющий низкую температуру, отбирая теплоту от охлаждаемой среды, снижает ее температуру, затем в конденсаторе, где холодильный агент охлаждается, отдавая теплоту воздуху или воде. В наиболее распространенных схемах морских рефрижераторных установок (рис. 1) осуществляется паровой компрессионный цикл. В компрессоре давление пара холодильного агента повышается и соответственно повышается его температура.

Рис. 1. Схема паровой компрессорной холодильной установки: 1 - испаритель; 2 - термочувствительный баллон; 3 - компрессор; 4 - маслоотделитель; 5 - конденсатор; 6 - осушитель; 7 - трубопровод для масла; 8 - регулирующий вентиль; 9 - терморегулирующий вентиль.

Этот горячий пар, имеющий повышенное давление, нагнетается в конденсатор, где в зависимости от условий применения установки пар охлаждается воздухом или водой. Ввиду того что этот процесс осуществляется при повышенном давлении, пар полностью конденсируется. Жидкий холодильный агент направляется по трубопроводу к регулирующему вентилю, который регулирует подачу жидкого холодительного агента в испаритель, где поддерживается низкое давление. Воздух из охлаждаемого помещения или кондиционируемый воздух проходит через испаритель, вызывает кипение жидкого холодильного агента и сам, отдавая теплоту, при этом охлаждается. Подача холодильного агента в испаритель должна быть отрегулирована так, чтобы в испарителе весь жидкий холодильный агент выкипел, а пар слегка перегрелся перед тем, как он снова поступит при низком давлении в компрессор для последующего сжатия. Таким образом, теплота, которая была передана отвоздуха к испарителю, переносится холодильным агентом по системе до тех пор, пока не достигнет конденсатора, где она будет передана наружному воздуху или воде. В установках, где применяется конденсатор с воздушным охлаждением, как, например, в малой провизионной холодильной установке, должна быть предусмотрена вентиляция для отвода теплоты, выделенной в конденсаторе. Конденсаторы с водяным охлаждением с этой целью прокачивают пресной или забортной водой. Пресная вода применяется в тех случаях, когда и другие механизмы машинного отделения охлаждаются пресной водой, которая затем охлаждается забортной водой в централизованном водоохладителе. В этом случае из-за более высокой температуры воды, охлаждающей конденсатор, температура выходящей из конденсатора воды будет выше, чем при охлаждении конденсатора непосредственно забортной водой.

Холодильные агенты и хладоносители. Охлаждающие рабочие тела делятся в основном на первичные - холодильные агенты и вторичные - хладоносители.

Холодильный агент под воздействием компрессора циркулирует через конденсатор и испарительную систему. Холодильный агент должен обладать определенными свойствами, отвечающими предъявленным требованиям, например кипеть при низкой температуре и избыточном давлении и конденсироваться при температуре, близкой к температуре забортной воды, и умеренном давлении. Холодильный агент также должен быть нетоксичен, взрывобезопасен, негорюч, не вызывать коррозии. Некоторые холодильные агенты имеют низкую критическую температуру, т. е. температуру, выше которой пар холодильного агента не конденсируется. Это один из недостатков холодильных агентов, в частности углекислоты, которая применялась много лет на судах. Вследствие низкой критической температуры углекислоты значительно затруднялась эксплуатация судов с углекислотными холодильными установками в широтах с высокими температурами забортной воды и из-за этого приходилось использовать дополнительные охлаждающие конденсатор системы. Кроме того, к недостаткам углекислоты относится очень высокое давление, при котором система работает, что в свою очередь приводит к увеличению массы машины в целом. После углекислоты в качестве холодильных агентов определенное распространение имели хлористый метил и аммиак. В настоящее время хлористый метил на судах не применяется из-за его взрывоопасности. Аммиак имеет некоторое применение до сих пор, но ввиду высокой токсичности при его использовании необходимы специальные вентиляционные системы. Современные холодильные агенты - это соединения фторированного углеводорода, имеющие различные формулы, за исключением холодильного агента R502 (всоответствии с международным стандартом (MС) НСО 817 - для обозначения холодильных агентов применяется условное обозначение холодильного агента, которое состоит из символа R (refrigerant) и определяющего числа. В связи с этим при переводе введено обозначение холодильных агентов R.), который представляет собой азеотропную (с фиксированной точкой кипения) смесь (специфическая смесь различных веществ, обладающая свойствами, отличными от свойств каждого вещества в отдельности.) холодильных агентов R22 и R115. Эти холодильные агенты известны под названием фреоны (Согласно ГОСТ 19212 — 73 (изменение 1) для фреона установлено название хладон), а каждый из них имеет определяющее число.

Холодильный агент R11 имеет очень низкое рабочее давление, для получения значительного охлаждающего эффекта необходима интенсивная циркуляция агента в системе. Преимущество этого агента особенно проявляется при использовании в установках кондиционирования воздуха, поскольку для воздуха требуются относительно малые затраты мощности.

Первым из фреонов, после того как они были открыты и стали доступны, получил широкое практическое применение фреон R12. К его недостаткам относится низкое (ниже атмосферного) давление кипения, в результате чего из-за любых неплотностей в системе появляется подсос в систему воздуха и влаги.

В настоящее время наиболее распространенным холодильным агентом является R22, благодаря которому обеспечивается охлаждение на достаточно низком температурном уровне при избыточном давлении кипения. Это позволяет получить некоторый выигрыш в объеме цилиндров компрессора установки и другие преимущества. Объем, описываемый поршнем компрессора, работающего на фреоне R22, составляет примерно 60% по сравнению с описываемым объемом поршня компрессора, работающего на фреоне R12 при тех же условиях.

Примерно такой же выигрыш получается при применении фреона R502. Кроме того, из-за более низкой температуры нагнетания компрессора уменьшается вероятность коксования смазочного масла и поломки нагнетательных клапанов.

Все названные холодильные агенты не вызывают коррозии и могут применяться в герметических и бессальниковых компрессорах. В меньшей степени воздействует на лаки и пластические материалы применяемый в электродвигателях и компрессорах холодильный агент R502. В настоящее время этот перспективный холодильный агент стоит еще достаточно дорого и поэтому не получил широкого применения.

Хладоносители применяются в крупных установках кондиционирования воздуха и в холодильных установках, охлаждающих грузы. В этом случае через испаритель циркулирует хладоноситель, который затем направляется в помещение, подлежащее охлаждению. Хладоноситель применяется тогда, когда установка велика и разветвлена, для того чтобы исключить необходимость в циркуляции в системе большого количества дорогостоящего холодильного агента, который имеет очень высокую проникающую способность, т. е. может проникать через малейшие неплотности, поэтому очень существенно свести к минимуму число соединений трубопроводов в системе. Для установок кондиционирования воздуха обычным хладоносителем является пресная вода, которая может иметь добавку раствора гликоля.

Наиболее распространенным хладоносителем в больших рефрижераторных установках является рассол — водный раствор хлористого кальция, к которому для уменьшения коррозии добавляют ингибиторы.

Испарители, воздухоохладители и охлаждающие батареи

В испарителе тепло отнимается от охлаждаемой среды кипящим при низкой температуре холодильным агентом. Охлаждаемой средой могут быть промежуточные хладоносители (рассол, вода и др.) либо непосредственно воздух охлаждаемых помещений. Соответственно этому различают испарители для охлаждения промежуточного хладоносителя и испарители для охлаждения воздуха - батареи непосредственного испарения и воздухоохладители с непосредственным кипением холодильного агента.

Испарители. Наиболее распространенным для судовых установок является кожухотрубный горизонтальный испаритель (рис. 1). Конструкция испарителя аналогична конструкции кожухотрубного конденсатора. В межтрубное пространство подводится снизу жидкий аммиак, который заполняет это пространство на 70%, пары отсасываются сверху через паросборники-отделители жидкости, приваренные к кожуху. Снизу приварен маслосборник для выпуска масла и загрязнений. Уровень жидкого аммиака в межтрубном пространстве регулируется датчиком уровня и соленоидным вентилем или другим способом.

Рис 1. Аммиачный кожухотрубный испаритель:
1 - корпус; 2 -крышка; 3 - сборник масла.

Иногда в корпус маслосборника вставляют змеевик, по которому жидкий аммиак проходит к регулирующему вентилю испарителя. Если в сборнике накапливается масло, то жидкий аммиак не будет переохлаждаться и в сборнике масла установится температура, близкая к температуре жидкого аммиака, подводимого к испарителю. Это будет свидетельствовать о необходимости выпуска масла.

Применение в испарителе специальных паросборников объясняется необходимостью обеспечения сухого хода компрессора, особенно при сильной качке судна.

Рассол в испаритель подается через нижний штуцер передней крышки. В крышках имеются перегородки, благодаря которым обеспечивается последовательное движение рассола по трубкам и увеличивается скорость его движения до 0,7 - 1,5 м/с.

Рис. 2. Фреоновый кожухотрубный испаритель оросительного типа:
а - общий вид; б - схема вторичной циркуляции фреона в испарителе; 1 - корпус; 2 - сухопарник; 3 - форсунки; 4 -инжектор.

Фреоновые кожухотрубные испарители нецелесообразно делать затопленного типа, поэтому в холодильных установках на РМС типа «Дружба» и на ТХС применяют оросительные испарители (рис. 2). Жидкий фреон с давлением конденсации подводится к специальным инжекторам (рис. 2, а), где снижаются давление и температура его. Образовавшаяся при дросселировании смесь пара и жидкого фреона подсасывает с помощью инжекторов вторичный (неиспарившийся) жидкий фреон из нижней части испарителя (рис. 2, а). Далее жидкий фреон поступает к распределительным форсункам и орошает трубки, по которым протекает охлажденный рассол. Трубки двух верхних рядов испарителя не орошаются, их поверхность используется для создания перегрева отсасываемых паров фреона. С этой же целью рассол подается в испаритель через верхний штуцер крышки, так как температура поступающего в испаритель рассола на 2 - 3 °С выше, чем рассола, выходящего из него.

В нижней части испарителя с двух сторон имеются сборники для жидкого фреона. Через них масло по мере накапливания перепускается в картер компрессора.

В последние годы в связи с более широким использованием фреонов вместо аммиака применяют кожухотрубные испарители с внутритрубным кипением. В таком испарителе кипение фреона происходит внутри труб; трубы с внутренней поверхности имеют оребрение. Хладоноситель проходит по межтрубному пространству. Для увеличения скорости протекания хладоносителя имеются поперечные по длине кожуха перегородки.

Внутритрубное кипение позволяет во фреоновых установках обеспечить устойчивый возврат масла (циркуляцию масла в системе) и уменьшить рабочее количество холодильного агента в испарителе.

Воздухоохладители и охлаждающие батареи. Батареи непосредственного испарения представляют собой теплообменные аппараты, располагаемые в охлаждаемых помещениях или в кожухе воздухоохладителей. Охлаждение происходит путем непосредственной теплопередачи от воздуха к холодильному агенту, испаряющемуся внутри трубчатой системы при соответствующей низкой температуре.

Существует большое разнообразие охлаждающих батарей для береговых холодильных установок (змеевиковые, длинношланговые, вертикальнотрубные, каскадные, коллекторные и пр.).

На судах в связи с ограничением применения системы непосредственного охлаждения батареи непосредственного испарения, как правило, составляют только испарительную часть скороморозильных аппаратов и трюмных воздухоохладителей.

Рис. 3. Испарительная секция:
1 - ребра; 2 - охлаждающая горизонтальная трубка; 3 - патрубок для подачн жидкого аммиака; 4 - патрубок всасывающий; 5 - коллектор горизонтальный; 6 - вертикальные трубки; 7 - переливной патрубок.

На рис. 3 показана испарительная секция туннельной морозильной установки. Такие секции объединяются коллекторами и образуют испарительную часть воздухоохладителей морозильных установок судов типа «Тропик». Как видно из рис. 3, секция состоит из горизонтальных коллекторов 5, эти коллекторы соединены вертикальными трубками 6. К вертикальным трубкам 6 приварены поперечные горизонтальные трубки 2 с насаженными на них ребрами 1. Закреплена секция при помощи усиленных ребер, выступающих снизу и сверху секций (на рис. 3 не показаны).

Испарительную секцию после изготовления испытывают на прочность гидравлическим давлением 2,7 МПа и на плотность воздухом давлением 1,5 МПа. Наружная поверхность секции после изготовления и испытаний подвергается горячему цинкованию. Жидкий аммиак подается в секцию снизу. Пары, образующиеся в трубках, отводятся по вертикальным трубкам в горизонтальные коллекторы и к всасывающему трубопроводу.

Короткие горизонтальные оребренные трубки размером 25x3 мм обеспечивают беспрепятственный отвод образующихся паров. Избыточное количество жидкости переливается через переливной патрубок 7 в нижний ряд секций при установке их в два яруса.

Испарительные секции с некоторыми конструктивными изменениями применяют и для морозильных установок других типов судов. Общим для рассматриваемых секций является их компактность, однако такие секции имеют большое количество сварных стыков и при появлении неплотностей подварка очень затруднена. При необходимости устранить течь секцию вырезают и после устранения неисправности устанавливают на место. Применение разъемных соединительных секций к общим коллекторам не дает положительных результатов.

Рис. 4. Змеевиковая фреоновая батарея:
1 - хомут; 2 - муфта; 3 - стойка; 4 - змеевик.

Фреоновая змеевиковая батарея непосредственного испарения для установок небольшой производительности показана на рис. 4. Применение змеевиковой батареи обеспечивает необходимую циркуляцию масла в системе.

Схема включения испарительных секций туннельных морозилок РТМ «Тропик» показана на рис. 5. Жидкий аммиак после дросселирования от регулирующей станции подается в верхние секции, количество подаваемого жидкого аммиака регулируется вручную или автоматически в зависимости от уровня аммиака в нижних секциях. Часть жидкого аммиака в верхних секциях испаряется, отнимая тепло от воздуха, пары отводятся в предварительный отделитель жидкости 3. Неиспарившийся жидкий аммиак по переливному трубопроводу 5 и сливному 6 подводится к жидкостному трубопроводу 7 нижнего ряда испарительных секций.

Пары аммиака из нижнего и верхнего рядов испарительных секций проходят через предварительный отделитель жидкости 3 и подводятся к основному отделителю жидкости 4, который расположен выше верхнего ряда испарительных секций. Такое включение испарительных секций при правильной эксплуатации позволяет обеспечить сухой ход компрессора, так как в случае выбрасывания жидкого холодильного агента из охлаждающих батарей в отделителе жидкости происходит разделение жидкости и пара. Жидкий аммиак из отделителя жидкости 4 вновь стекает в батареи по сливному трубопроводу 8.

Рис. 5. Схема включения батареи морозильной установки непосредственного охлаждения:
1 - коллекторная испарительная секция; 2 - указатель уровня; 3 - предварительный отделитель жидкости; 4 - отделитель жидкости; 5 - переливной трубопровод; 6 и 8 - сливные трубопроводы; 7 -жидкостный трубопровод; 9 - оттаивательный трубопровод.

К жидкостным коллекторам верхнего и нижнего рядов секций подключен трубопровод к аварийному спускному коллектору. Эти же линии используют во время снятия снеговой шубы (оттайки) для слива жидкого аммиака в дренажный ресивер.

На рефрижераторных судах наибольшее распространение получает воздушное охлаждение с фреоновыми воздухоотделителями. На рис. 6 приведен общий вид фреонового воздухоохладителя. Подача фреона в змеевик воздухоохладителя производится с помощью терморегулирующего вентиля (ТРВ). Если воздухоохладитель имеет несколько параллельно включенных змеевиков, то после ТРВ устанавливают распределитель фреона («паук»), который служит для того, чтобы обеспечить равномерное распределение дросселированного в ТРВ фреона по параллельно включенным секциям воздухоохладителя.

Рис. 6. Фреоновый воздухоохладитель непосредственного испарения:
1 - корпус; 2 - змеевики; 3 - пластинчатые ребра; 4 - вентилятор.

Воздухоохладитель имеет вентилятор 4 для принудительной циркуляции воздуха через охлажденную поверхность. Если распределение воздуха в охлаждаемом помещении производится с помощью каналов, то напор вентилятора выбирается с учетом сопротивлений в каналах. Для отвода талой воды в процессе снятия снеговой шубы воздухоохладители имеют поддон. Поддон и трубка для отвода талой воды имеют электрообогрев для предотвращения замерзания талой воды.

В отличие от батарей непосредственного испарения рассольные батареи в основном змеевикового типа, что обеспечивает протекание рассола по всем трубкам. Однако общая длина последовательно присоединенных труб одной батареи не должна превышать 400 м, так как при большей длине возникают значительные гидравлические сопротивления. Подключение охлаждающих батарей к магистральным трубам параллельное. В верхней точке каждой батареи устанавливают краник (или штуцер) для выпуска воздуха из рассольной системы.

Следует отметить, что коэффициент теплопередачи гладкотрубных охлаждающих батарей почти полностью определяется значением коэффициента теплоотдачи от воздуха к поверхности батарей. Сопротивление металлической стенки можно не учитывать; мало также сопротивление теплообмена между стенкой и кипящим холодильным агентом или протекающим рассолом. Сопротивление загрязнений (масло, осадок и пр.), а также сопротивление слоя снеговой шубы являются переменными величинами и зависят от своевременной продувки батарей от масла и своевременного снятия снеговой шубы. Допустимым считается снеговая шуба толщиной не более 5 - 6 мм. В среднем на снеговую шубу и загрязнения при нормальной эксплуатации приходится 30% от общей величины сопротивлений теплопередаче в охлаждающих батареях.

С учетом небольшого значения коэффициента теплоотдачи от воздуха к поверхности батарей с целью интенсификации теплопередачи наружную поверхность труб оребряют. Применение оребренных по сравнению с гладкими трубами позволяет сократить расход труб примерно в 3 раза, а расход металла на изготовление охлаждающих батарей - почти в 1,5 раза.

Коэффициент теплопередачи батарей из гладких труб при естественной циркуляции воздуха составляет от 6 до 10 Вт/(м²▪°С); он зависит от диаметра труб, конструктивных размеров батарей, перепада температур и других факторов.

Коэффициент теплопередачи батарей из оребренных труб зависит от вида оребрения, конструкции батарей и других факторов. В среднем коэффициент теплопередачи для оребренных батарей не превышает 3 - 5 Вт/(м²∙°С) при естественной циркуляции воздуха, а при скорости воздуха 5 - 6 м/с - от 12 до 17 Вт/(м²∙°С).

Приведенные значения справедливы с учетом незначительного загрязнения труб батарей и при толщине снеговой шубы не более 5 - 6 мм. При большей толщине снеговой шубы, особенно при полном заполнении снегом промежутка между ребрами, коэффициент теплопередачи резко уменьшается.

Дата добавления: 2015-07-15