Типы, назначение и классификация холодильных установок

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТИПЫ, НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ХОЛОДИЛЬНЫХ УСТАНОВОК

Холодильные установки - это обширная область специальных знаний, конструкций и способов получения низких температур, от близких к нулю до глубоко отрицательных значений. Эти низкие температуры (холод) создаются в теплоизолированных от окружающей среды объемах (холодильных камерах).

Установки для получения низких температур можно разделить на три группы: а) установки для умеренного охлаждения (до минус 180⁰С);

б) установки для выработки глубокого холода (до минус 270⁰С);

в) установки для достижения сверхнизких температур (ниже минус 270⁰С).

Установки для получения глубокого холода получили применение в экспериментальной технике, а также широко используются для сжижения газов и разделения газовых смесей.

Получение сверхнизких температур, близких к абсолютному нулю, необходимо для некоторых аппаратов и приборов, используемых при изучении сверхтекучести, сверхпроводимости и в других физических исследованиях.

Все типы холодильных установок можно классифицировать по ряду сходных признаков. Каждый из них отражает только одну характерную особенность установки, поэтому в определении холодильной установки может быть два и более признака. Холодильные установки или станции могут различаться по следующим показателям (признакам):

а) по назначению: стационарные и передвижные с централизованным и децентрализованным охлаждением для холодоснабжения, теплоснабжения, смешанного тепло- и холодоснабжения, для аккумулирования тепловой энергии и ее транспорта;

б) по производительности: крупные -- производительностью свыше 3,0 МВт, средние -- до 1,00 МВт, мелкие -- до 60 кВт;

в) по режиму работы: стационарные, нестационарные, непрерывные или цикличные, нестационарные с аккумулятором тепловой энергии.

г) по виду холодильного агента: аммиачные, фреоновые, этановые, пропановые, углекислотные, на смесях холодильных агентов.

д) по виду охлаждения: с непосредственным, промежуточным охлаждением.

е) по принципу действия: на компрессорные холодильные машины, требующие для производства холода затраты механической работы (от парового или электрического привода) и абсорбционные и пароэжекторные установки, требующие для производства холода затраты тепла.

Основным назначением холодильных машин является выработка искусственного холода или отвод тепла от охлаждаемого тела в окружающую среду, имеющую более высокую температур. При помощи холодильных установок можно понижать температуру различных объектов или в ограниченных объёмах поддерживать более низкую температуру по сравнению с окружающей средой.

Роль холодильных машин в промышленности и народном хозяйстве в настоящее время весьма значительна. Холодильные установки не только стали неотъемлемым оборудованием пищевых предприятий, но и служит мощным средством для интенсификации процессов в различных отраслях техники: в химической промышленности - производстве пластмасс и искусственных волокон, на транспорте, особенно в авиации, - для кондиционирования воздуха, в машиностроении - для низкотемпературной термической обработки металлов, в строительстве - для замораживания грунтов. Сейчас холод широко применяется для кондиционирования воздуха в театрах, ресторанах, в цехах промышленных предприятий, а также в медицине и медицинской промышленности, в быту на торговых базах и в магазинах.

КОМПРЕССИОННЫЕ ХОЛОДИЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ

Самыми распространёнными и достигшими в конструктивном отношении высокой степени совершенства и экономичности являются поршневые компрессорные холодильные машины. В этих машинах в качестве рабочего тела (хладоагента) используются жидкости с низкими температурами кипения. Работа идеальной компрессорной паровой холодильной машины теоретически осуществляется по обратному циклу Карно.

Рисунок 1 Схема компрессионной холодильной машины: 1-- испаритель; 2 -- охлаждаемый объем; 3 -- регулирующий вентиль; 4 --конденсатор; 5 -- компрессор

Основные элементы компрессорных холодильных установок - компрессоры - разделяются на следующие основные типы: а) ротационные; б) поршневые; в) центробежные, или турбокомпрессоры. В небольших или средних холодильных установках наибольшее применение получили поршневые компрессоры.

а) Ротационные компрессоры. Существуют два основных типа ротационных компрессоров: с катящимся поршнем, у которого ось вала совпадает с осью цилиндра; и с лопатками или пластинами, прижимающимися под действием центробежной силы к цилиндру, у которого ротор вращается вокруг собственной оси, не совпадающей с осью цилиндра.

б) Поршневые компрессоры. Ярко выраженной тенденцией в современном компрессостроении для холодильных установок является переход к быстроходным вертикальным прямоточным конструкциям. Прямоточным называется компрессор, в котором хладоагент перемещается только в одном направлении, т.е. с одной стороны цилиндра засасывается пар низкого давления, а с другой выходит сжатый пар при высокой температуре. Прямоточные компрессоры допускают меньшее вредное пространство, имеют значительное сечения клапанов, а следовательно, обладают большим индикаторным КПД.

Холодопроизводительность паровых компрессионных машин зависит от температурных условий работы и резко уменьшается при понижении температуры испарения. Поэтому одна и та же холодильная машина имеет различную холодопроизводительность при высоких и низких температурах испарения. Кроме того, на величину холодопроизводительности оказывают влияние перегрев паров при всасывании их из испарителя, а также температуры конденсации и переохлаждения конденсата.

в) Холодильные турбокомпрессоры. Турбокомпрессор при работе с общепринятыми хладоагентами успешно конкурирует с поршневым компрессором только при больших производительностях, когда он обладает достаточно высоким КПД, и при низких температурах испарения (от - 30 до - 100⁰С). Однако применение новых хладоагентов: фреона-11 (СFCl₃) и фреона-113 (C₂F₃Cl₃) делает турбокомпрессор более экономичным по сравнению с поршневым компрессором и при средней хладопроизводительности.

Преимущества турбокомпрессора:

- прямоточность движения хладоагента;

- удобство осуществления многоступенчатого сжатия, а также охлаждения сжимаемого агента между группами колёс;

- отсутствие внутренней смазки, благодаря чему теплообменники не загрязняются маслом и работают с большим коэффициентом теплопередачи и меньшими температурными напорами;

- отсутствие клапанов, являющихся часто причиной неудовлетворительной работы поршневой машины;

- меньшая площадь занимаемая компрессором в помещении.

Принцип действия холодильного турбокомпрессора следующий. Пары хладоагента поступают в рабочее колесо, на котором вследствие центробежного эффекта повышается их напор, затем они проходят через диффузор, в котором уменьшается их скорость и снова повышается напор; направляя пары через промежуточный канал на второе рабочее колесо и таким образом через ряд других колёс, насаженных на один вал, представляется возможным сжать пары хладоагента до требуемого конечного давления.

АБСОРБЦИОННЫЕ ХОЛОДИЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ

холодильный температура холод компрессионный

Основным преимуществом абсорбционных холодильных установок по сравнению с компрессионными является использование для выработки холода тепло вой энергии низкого и среднего потенциалов, в то время как в компрессионных холодильных установках для выработки холода используется электрическая или механическая энергия.

Абсорбцией называется процесс поглощения пара одного вещества другим (жидким) веществом - абсорбентом; при этом температура абсорбируемого пара может быть ниже температуры абсорбента. Процесс абсорбции может протекать только при концентрации пара, равной или большей равновесной концентрации абсорбируемого пара над абсорбентом.

Для создания холодильного цикла в абсорбционной холодильной установке жидкие абсорбенты должны с достаточной скоростью поглощать хладоагент и при одинаковых давлениях температура кипения их должна быть значительно выше температуры кипения хладоагента.

Рисунок 2 Схема одноступенчатой абсорбционной холодильной машины: 1 - испаритель; 2 - абсорбер; 3 - десорбер; 4 - конденсатор; 5 - расширительный клапан

Наибольшее применение получили водоаммиачные абсорбционные установки, в которых аммиак является хладоагентом, а вода - поглотителем - абсорбентом. Аммиак активно абсорбируется водой, при 0⁰С в одном объёме воды растворяется до 1148 объёмов парообразного аммиака. Поглощение или абсорбция жидкого аммиака в воде сопровождается значительным выделением тепла (около 190 ккал на 1 кг аммиака). Ещё большее количество тепла выделяется при растворении в воде паров аммиака, так как при этом происходит выделение теплоты парообразования, в среднем равной 300 ккал/кг.

Рисунок 3 Принципиальная схема водоаммиачной абсорбционной холодильной машины: 1 -- ресивер абсорбера, 2 -- абсорбер, 3 -- газовый переохладитель, 4 -- регулирующий вентиль, 5 -- испаритель, 6 -- конденсатор. 7 -- ресивер конденсатора, 8 -- дефлегматор, 9 -- генератор-ректификатор, 10 -- теплообменник, 11 -- насос

Абсорбционные холодильные установки имеют значительные перспективы в условиях теплофикации городов и промышленных предприятий. Водоаммиачные абсорбционные установки целесообразно применять в следующих случаях: а) если возможно получение холода на базе использования тепла отходящих дымовых газов; б) если требуются низкие температуры хладоагента (от - 30 до - 60⁰С), так как в этих условиях многоступенчатые компрессионные установки по первоначальным и эксплуатационным затратам уступают абсорбционным установкам; в) если холод требуется в отдалённых пунктах, где нет или недостаточно электроэнергии; г) если можно использовать горячую воду из конденсатора холодильной установки для каких-либо бытовых или технологических целей, это возможно, например, в мясной или молочной отраслях промышленности, требующих большее количество горячей воды. В этих случаях может оказаться, что для компрессорного получения холода и горячей воды потребуются меньшие затраты тепла на абсорбционную установку, чем для приготовления только одной горячей воды.

Аммиачные холодильные установки, самые распространенные и экологически наиболее чистые, применяют для холодоснабжения предприятий пищевой, химической, металлургической и других промышленностей. Такие холодильные установки потребляют большое количество электрической энергии. Перед низкотемпературной энергетикой стоит задача использовать для холодоснабжения, особенно централизованного и для больших потребителей, абсорбционные холодильные установки, которые работают на вторичных энергоресурсах.

В последние годы получили применение бромистолитиевые (LiBr + H₂O) абсорбционные холодильные установки. Принцип действия их не отличается от принципа работы водоаммиачных абсорбционных холодильных установок, с той лишь разницей, что в бромолитиевой установке водяной пар является легкокипящим компонентом, отгоняемом в генераторе, а абсорбирующим веществом является раствор бромистого лития в воде. Бромистый литий имеет высокую температуру кипения и не отгоняется с водяными парами, поэтому ректификации не требуется.

Так как холодильным агентом является вода, которая замерзает при температуре 0⁰С, то такие установки применяются обычно только для получения холодной воды с температурой + (1,7 ч 7⁰С) в системах кондиционирования воздуха, в производстве синтетических волокон и т.д.

Действующие бромистолитиевые холодильные установки имеют производительность от 0,5 до 10 млн. ккал/ч.

АРОЭЖЕКТОРНЫЕ ХОЛОДИЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ

Вода как холодильный агент имеет ряд ценных свойств. Она обладает высокой теплотой парообразования (например, при 0⁰С значение r = 596,8 ккал/кг), почти в 2 раза большей, чем у аммиака, и в 10 раз большей, чем у углекислоты. Вода абсолютно безопасна, безвредна и дёшева. Наряду с этим воде как хладоагенту присущи и недостатки, делающих её непригодной для компрессионных установок. В табл. 1 приведены параметры насыщенного водяного пара в области температур от - 20 до +14⁰С

Таблица 1

Температура, давление и объём насыщенного водяного пара

Из таблицы следует, что для получения низких температур испарения требуется создавать очень низкие давления, которые нельзя получить при помощи обычного поршневого компрессора; удельные объёмы пара чрезвычайно велики, вследствие чего поршневой компрессор, работающий на водяном паре, должен иметь огромные размеры. Поэтому воду как холодильный агент в компрессионных установках не применяют.

Однако развитие пароструйных эжекторов и указанные положительные качества воды привели к тому, что в начале текущего столетия появились пароэжекторные холодильные установки. Эти установки вследствие простоты, надёжности и взрывобезопасности сначала получили большое распространение на военных кораблях для систем аэрорефрижерации (охлаждения пороховых погребов, снарядных и продовольственных помещений). В настоящее время пароэжекторные установки с успехом применяются в новой области техники, а именно при кондиционировании воздуха, где они успешно конкурируют с компрессионными и абсорбционными установками.

Эжекторы холодильных установок отличаются от струйных компрессоров - интекторов для повышения давления пара только тем, что вместо одного сопла они имеют обычно несколько сопел (от трёх до восьми), что делается для уменьшения размеров эжектора и улучшения подсасывания больших объёмов пара при относительно глубоком вакууме.

Достоинствами пароэжекторных холодильных установок являются их взрывобезопасность, отсутствие вредных выделений, простота изготовления, а недостатком - большой расход охлаждающей воды в конденсаторе, который вызывается тем, что, кроме пара, являющегося холодильным агентом, необходимо ещё конденсировать рабочий пар, подводимый к эжектору.

Пароэжекторные установки могут конкурировать с другими типами холодильных установок только в том случае, если требуется не ниже чем + (1,7ч2)⁰С, например в установках для кондиционирования воздуха производственных и жилых зданий, театров, пассажирских вагонов и т.п.

В заключение следует добавить, что вода является не единственным рабочим телом для пароэжекторных холодильных установок; имеются предложения использовать и другие холодильные агенты, например фреон-113 (C₂F₃Cl₃), которые могут расширить рациональную область применения пароэжекторных установок.

Рисунок 3 Схема пароэжекторной холодильной машины: 1 -- паровой котел, 2 -- эжектор, 3 -- испаритель, 4 -- регулирующий вентиль, 5 -- конденсатор, 6 -- насос

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассматривая особенности холодильных установок в зависимости от используемого чего тела, следует отметить, что их специфика определяется свойствами хладагентов. Однокомпонентные чистые хладагенты, находящиеся в эксплуатации в современных холодильных установках, хорошо изучены, и имеется достаточное количество рекомендаций, отражающих специфику холодильных установок. В Монреале подписано международное соглашение (1986 г.), которое требует постепенного исключения применения хлорфторуглеводородов в быту и в промышленности из-за разрушения озонового слоя в атмосфере Земли. Выполняя Монреальское соглашение, в нашей стране ведется работа по замене фреонов, сильно воздействующих на озоновый слой в атмосфере. Предлагаются альтернативные хладагенты. Широко применяют смеси хладагентов для технологических процессов двухтемпературных уровней (домашние холодильники), а также процессов с переменной температурой подвода и отвода теплоты.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Лебедев П.Д., Теплообменные, сушильные и холодильные установки [Текст]: справочник/ П.Д. Лебедев. - изд. «Энергия», 1966. 448 с.

2. Классификация холодильных установок [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.xiron.ru/content/view/30282/28 - Загл. с экрана.

3. Абсорбционные аммиачные холодильные установки [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.stroitelstvo-new.ru/holodilnye-ustanovki/absorbcionnye-vodoammiachnye.shtml - Загл. с экрана.

4. Компрессионная холодильная установка [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://morozmedia.narod.ru/documents/holmashcompr.htm - Загл. с экрана.

Размещено на Allbest.ru