Холодильные машины "под ключ"

Что такое холодильная машина?

Холодильная машина (далее ХМ) - это устройство, которое за счет отвода тепла от объекта охлаждения понижает температуру  ниже температуры наружного воздуха окружающей среды с 10°С и до −153 °С. Если нужны более низкие температуры, то это уже другой класс техники - криогенные машины. В ХМ меняются следующие характеристики рабочего вещества за счет протекания процессов термодинамики:

• температура;
• давление;
• удельный объем;
• энтальпия.

ХМ функционируют на подобии теплого насоса - забирают тепло от охлаждаемого объект и путем затрачивания механической, тепловой или другой энергии возвращают окружающей среде (либо жидкости, либо воздуху), у которой выше температура, чем объект охлаждения.

Принцип и схема работы

Любая ХМ работает по холодильному циклу. Элементарный цикл механической ХМ использует следующие 4 основные элемента (см.рисунок):

• Компрессор
• Конденсатор
• Испаритель
• Дросселирующее устройство

При при поступлении пара из испарителя в компрессор он сжимается, благодаря чему происходит увеличение его температуры. Пар на выходе из компрессора имеет большую температуру и давление. После этого он попадает в конденсатор, в котором идет его охлаждения и его конденсации.

Иногда в конденсаторах протекает процесс переохлаждения, при котором последующее охлаждение воды меньдеше ее температуры кипения. После конденсатора жидкость попадает на дросселирующее устройство. Так как температура кипения для этого давления имеет меньшую температуру жидкости, то возникает процесс ее кипения.

После этого происходит частичное испарение жидкости, а ее остаток применяется для получения нужной температуры насыщения. Тепловая энергия жидкости идет на процесс получения из нее пара. Дросселирование часто имеет название внутреннего охлаждения, так кк при этом температура хладагента в жидком состоянии уменьшается до необходимой.

Через дросселирующее устройство проходит уже жидкость и пар в насыщенном состоянии. Поскольку насыщенный пар особо не отводит тепло, то он проходит мимо испарителя сразу на компрессор. Между дросселирующим устройством и испарителем есть сепаратор, где происходит разделение жидкости и пара.

Виды и типы

Существует следующая классификация машин:

• Компрессионные;
• Абсорбционные;
• Пароэжекторные;
• На вихревых охладителях;
• Термоэлектрические.

Компрессионные

Парокомпрессионные ХМ являются самыми популярными. Основные элементы такой системы:

• компрессор - обеспечивает нагнетание хладагента;
• конденсатор - находится вне устройста;
• испаритель - находится внутри;
• дросселирующий вентиль (ТРВ - терморегулирующий вентиль или ЭРВ - электронный вентиль);
• хладагент - рабочее вещество, протекающие внутри системы между его элементами.

Все элементы герметичные. По типу используемого компрессора существует следующая классификация парокомпрессионных холодильных машин:

• поршневые,
• спиральные,
• турбокомпрессорные,
• винтовые.

Хладагент через дросселирующее устройство идет под давлением в испаритель, в котором жидкость испаряется благодаря тому, что давление быстро уменьшается, после чего переходит в парообразное состояние. При испарении хладагент забирает теплоту с поверхности испарителя, поэтому и охлаждается испаритель.

Хладагент под воздействием компрессора из испарителя выходит в виде пара, происходит его сжатие. Поэтому температура хладагента увеличивается, и он попадает в конденсатор.

В качестве хладагента используется газ фреон, поэтому такие агрегаты называются фреоновыми холодильными машинами.

По способу охлаждения конденсатора существуют следующие виды устройств:

• С воздушным охлаждением (или воздушная хм) - конденсатор охлаждается за счет воздуха, нагнетаемого вентиляторами
• С водяным охлаждением - конденсатор охлаждается за счет охлажденной воды, поступаемой либо от градирни, либо от скважины.

По способу включения конденсатора в состав машины бывают агрегаты:

• Моноблочные - все части установки находятся в одном корпусе, моноблока.
• Бесконденсаторные - конденсатор вынесен за предел корпуса установки.

Поскольку одним из элементом машин является компрессор, то также их называют компрессорные холодильные машины.

По минимальной температуре, до которой можно охлаждать теплоноситель различают следующие ХМ:

• Низкотемпературные;
• Среднетемпературные;
• Высокотемпературные.

Принцип работы

В конденсаторе происходит охлаждение хладагента, нагретого после сжатия, а таже отдача теплоты в окружающую среду. После чего идет конденсация или возвращение хладагент в жидкое состояние. Этот цикл повторяется.

Если описать одним предложением принцип работы компрессионной машины: хладагент в ВД (высоком давлении) конденсируется в конденсаторе и становится жидким, выделяет теплоту, в испарителе же хладагент в НД (низком давлении) закипает и становится в газообразном состоянии, при этом он уже поглощает тепло.

ТРВ - нужен для регулировки давлений между испарителем и конденсатором, которые необходимы для поддержания цикла работы.

Данный принцип используют одноступенчатые холодильные машины.

Для увеличения энергоэффективности часто делают следующие схемы:

• перегревание пара, которые поступает в компрессор;
• переохлаждение жидкости перед дросселирующим устройством.

Поэтому для обеспечения температур меньше -35°С применяют каскадные или многоступенчатые ХМ, в которых пра сжимается последовательно в несколько этапов. В двухступенчатых системах достигают температуру кипения  хладагента порядка -85 °С. Если поставить и включить последовательно несколько машин, работающих на разных
хладагентах, то можно достичь температуру кипения порядка -150 °С.

Подбор и расчет

Для того, чтобы корректно подобрать агрегат, необходимо четко иметь ответы на следующие вопросы:

• Назначение - что именно собираемся охлаждать, кто является потребителем холода;
• Холодильная мощность в кВт или мВт или требуемый расход воды за единицу времени;
• Температурные режимы - с какой температуры до какой нужно охладить теплоноситель;
• Конструктивное исполнение - моноблочная машина, т.е. все в одной "коробке", или элементы выносятся за предел корпуса;
• Способ охлаждения конденсатора - жидкость или воздух;
• Режим работы - круглогодичное использование или только в теплое время года;
• Процентное содержание гликолевой смеси при необходимости. Обычно используют либо этиленгликоль, либо пропиленгликоль;
• Наличие встроенного гидромодуля, а также давление в кПа, которое он должен обеспечивать в гидравлическом контуре

Обладая этой информацией мы всегда максимально точно выполним подбор и расчет агрегата, таким образом чтобы выбор полностью удовлетворял Вашим решаемым задачам.

Вы всегда можете выбрать как российских производителей, так и иностранных.

Абсорбционные

В качестве рабочей инстанции применются смеси 2х компонентов с разными температурами кипения и одновременно одном давлении:

• 1й компонент кипит при низкой температуре и является хладагентом;
• 2й - является абсорбером.

При разных диапазонах температур в качестве хладагента используются разные вещества:

• В диапазоне от 0°С до -45°С применяется аммиак, а машины называются аммиачными;
• В диапазоне от 0°С и выше применяется бромистый литий, а машины называются абсорбционными.

В отличии от парокомпрессионных систем тут остается конденсатор, дроссель и испаритель, только в качестве компрессора применяется 4 составляющие

• абсорбер;
• насос;
• генератор пара;
• редукционный клапан.

Принцип работы

Из испарителя пар идет в абсорбер, где происходит взаимодействие с абсорбирующей жидкостью, поглающей хладагент в виде пара. За счет уменьшения давления в абсорбере происходит постоянная подача пара из испарителя. Благодаря абсорбции выделяется тепло, поэтому абсорбер охлаждается за счет курсирования воды. Состав из абсорбента и хладагента идет на насос, повышающий давление.

При увеличении давления жидкости объем практически не изменяется. После прохождения насоса жидкость под ВД (высокое давление) идет в кипятильник, где происходит испарение большинства хладагента. Перегретый пар ВД идет через конденсатор, происходит охлаждение абсорбента и его возвращение в абсорбер для следующего цикла работы.

Затрачиваемая механическая энергия в машинах данного типа гораздо меньше, чем в компрессионных, но суммарное количество энергии больше. Абсорбционные системы выгодны гораздо компрессионных тогда, когда электричество дорогое, а тепловая энергия доступна. Это крайне рекомендуется использовать на заводах, где есть бросовые источники энергии, такие как:

• горячий пар
• горячая вода
• выхлопные газы и т.п.

Пароэжекторные ХМ

В эжекторных ХМ холод получается без применения механической работы благодаря эжекции пара из испарителя. В качестве холодильного агента используется вода. Из-за этого температуры ограничены и не могут опускаться ниже 0°С.

Состав пароэжекторной системы:

• эжектор;
• испаритель;
• конденсатор;
• насос,
• терморегулирующий вентиль.

Источником энергии для этого типа систем служит пар под давлением 0,1-1 МН/м2, поступающий в сопло эжектора и там расширяющийся. В эжекторе и испарителе возникает уменьшенное давление, соответствующее температуре кипения воды около 5°С. Благодаря испарению происходит охлаждение воды в испарителе. Пар эжектора поступает в
конденсатор и преобразуется в жидкость, которая уже отдает тепло внешней среде. Частично вода из конденсатора для увеличения расхода охлаждаемой воды идет в испаритель.

Пароэжекторные установки используются на производстве, где есть дешевая вода для охлаждения и пар высокого/среднего давления. Часто они применяются на судах.

ХМ на вихревых охладителях

Холод получается благодаря расширения заранее сжатого компрессором воздуха в специальных узлах - вихревых охладителях.

Данные системы шумные, им нужно подводить сжатый до 20 атмосфер воздух с огромным расходом и имеют маленький КПД, поэтому широко они не применяются. К их достоинствам можно отнести безопасность, поскольку они не потребляют электричество и нет подвижных механических комплектующих, а также повышенный срок службы.

В качестве хладагента используется воздух. При температурах не ниже -80°С энергоэффективность воздушных машин меньше, чем у парокомпрессионных.

С точки зрения экономии большую популярность имеют регенеративные воздушные холодильные машины. В них перед тем как расшириться воздух охлаждается либо в регенерирующем теплообменник, либо в противоточном.

Воздушные системы в зависимости от уровня давления сжатого воздуха бывают следующих типов:

• машины высокого давления;
• машины низкого давления.

Также бывают машины, которые функционируют по замкнутому и незамкнутым контурам.

Термоэлектрические ХМ

Строение данных систем основано на элементах Пельтье. Они почти не издают шума, но за в жизни редко используются из-за очень дорогих применяемых в машинах термоэлектрических комплектующих.

Принцип работы основан на эффекте Пельтье: происходит выделение и поголощение тепловой энергии при проходе эл.тока через сплав термопары. На рисунке представлен разрез таого холодильник с объемом в 70 дм3, который может сохранять температуру холодильной камеры на 12°С меньше температуры внешней среды. Вверху имеются 72 термических элемента, с помощью которых идет охлаждение. Эти элементы потребляют как раз большинство электричество.

Большое применение они нашли на судах для сохранения мороженных продуктов, рыбы и т.п.