Подробно о холодильном оборудовании. Проектирование холодильных площадок

Прочитав данный материал, вы познакомитесь с технологиями холодопроизводительности, принципами функционирования холодильного оборудования и основными элементами холодильных установок: конденсаторами, вентиляторами, компрессорами, регуляторами потока и испарителями. Кроме того, вы узнаете, как в холодильных машинах работает режим «теплового насоса» и как влияют отрицательные температуры на функционирование холодильных устройств. Также мы разберемся с принципиальными схемами холодильных комплексов, которые работают с холодильным оборудованием, имеющим воздушное охлаждение конденсаторов.

Помимо всего прочего, вы увидите конкретную разработку проекта холодильного комплекса с принятием основных технических решений и принципиальную схему холодильного комплекса.

Знакомство с основной терминологией

Эксперты по холодильному оборудованию руководствуются специальными терминами, которые исчисляются несколькими тысячами. Вам предлагаются самые основные определения, которые наиболее часто используются в технологических основах холодопроизводительности. Без этих понятий подробное изучение данной технической отрасли не имеет смысла.

Термодинамическая система объединяет тела, взаимодействующие друг с другом, окружающим пространством и иными телами.

Данная система может находиться в определенном состоянии, которое имеет свои параметры. Последние являются величинами, характеризующими то, в каком состоянии сейчас пребывает термодинамическая система.

Интенсивные термодинамические параметры являются параметрами состояния, на которые не влияет масса вышеуказанной системы. К ним можно отнести температуру, давление и т.д.

Экстенсивные термодинамические параметры находятся в пропорции с массой термодинамической системы и складываются из суммы значений аналогичных параметров, которая разбивается на конкретные составляющие системы. Это касается внутренней энергии, объема и т.д.

Под энергией следует понимать количество движущейся материи, которая может быть представлена в различной форме. Энергия имеет свойство трансформироваться в работу.

Если перемещение умножить на силу и данный вектор направить в сторону силы, то получится работа. Тело, которое обрело энергию, имеет возможность для совершения работы, которая, при сохранении энергетического потенциала, может стать основой для создания другой формы энергии.

Нужно сказать о существовании закона, на основании которого сохраняется энергия. Его формулировка звучит так: «Внешние силы в совокупности с подведенной теплотой исчерпываются, чтобы изменить механическую и внутреннюю энергию тела, которое работает». Внешнюю силу может иметь, к примеру, трение или давление.

Если разделить выполненную работу или отданную энергию, которая имела место быть на протяжении какого-либо промежутка времени, на длительность данного промежутка, то мы получим мощность.

Однородное вещество, находящееся в физическом состоянии, имеет 3 основных параметра:

• температуру;
• давление;
• объем.

В совокупности данные параметры показывают, в каком агрегатном состоянии пребывает вещество.

Температура является характеризующим фактором, показывающим насколько интенсивно в тепловом аспекте движутся молекулы, атомы и иные частицы, из которых состоит термодинамическая система. Между энергией движения тепла и абсолютной температурой тела имеется прямо пропорциональная связь. Если обратить внимание на молекулярно-кинетический подход, то значение температуры представляется только положительным. Минимальное критическое ее значение в таком случае находится на нулевой отметке. В таких температурных условиях идеальный газ имеет нулевое давление, а молекулы прекращают свое перемещение. Такое положение называется начальной точкой абсолютной температурной шкалы.

Абсолютную температурную шкалу придумал британский ученый Кельвин. На основании данной шкалы, тройная точка воды имеет температуру, равную 273,1 Кельвину. Если рассматривать шкалу, которую ввел Цельсий, данное состояние имеет нулевую температуру. Тем самым, можно вывести следующее соотношение:

K = °C + 273,16;

°C = K - 273,16.

Напомним, что тройная точка воды является термодинамическим состоянием, которое предусматривает нахождение вещества одновременно в трех фазах: газообразной, твердой и жидкой.

Давление является величиной, показывающей насколько интенсивно действуют силы на определенный участок тела. При этом подчеркивается перпендикулярность такого действия. Давление можно вычислить, разделив силу, которая равномерно распределена по какому-либо участку, на площадь данного участка. Давление измеряется в Паскалях. 1 Па – это давление, которое создается за счет силы, равной одному Ньютону, воздействующей на минимальную единицу площади, равную квадратному метру. Более крупной единицей измерения давления является бар, который равен 10⁵ Паскалям.

Следует отметить существование:

• барометрического (атмосферного) давления;
• давления разряжения;
• абсолютного давления.

Атмосферным давлением является сила, с которой окружающая воздушная среда оказывает воздействие на земную поверхность. Величина нормального барометрического давления равна 760 миллиметрам ртутного столба. Если из абсолютного вычесть атмосферное давление, то мы получим избыточное давление. Для измерения избыточного давления используют закрытые сосуды. При этом для определения абсолютного давления необходимо сложить избыточное и атмосферное.

Теплота является энергетической частью, которую более нагретое тело передает условному телу после того, как они вступили в тепловой контакт. Стоит подчеркнуть, что данный метод транспортировки энергии не имеет связи с работой одного тела над другим.

Процесс обмена твердых тел, жидкостей и газов тепловой энергией называется теплообменом. Во время такого взаимодействия тела обязательно имеют разную температуру. Существует три способа обмена теплом:

• теплопроводность;
• конвекция;
• излучение.

При передаче тепла посредством излучения тепловая энергия становится лучистой. Этому содействует процесс превращения. Лучистая энергия является электромагнитными волнами, которые во время пространственного распространения проникают в другое тело и становятся его энергией.

При передаче тепла посредством теплопроводности молекулы, которые имеют меньшую температуру, принимают энергию от молекул с большей температурой. Происходит это после столкновения молекул, находящихся в разном температурном состоянии. В случае с газами и жидкостями, передача тепла может произойти, если среды, имеющие разную температуру, перемешаются.

Во время конвективного теплообмена твердое тело получает тепло от жидких или газообразных источников. В качестве примера могут послужить теплообменные аппараты.

При нагреве одного килограмма вещества на одну единицу Кельвина необходимо определенное количество тепла, которое характеризуется удельной теплоемкостью вещества (с).

В результате калориметрия имеет следующую формулу:

Q = c · m · (t_к - t_н), ккал.

В формуле: с является удельной теплоемкостью, m – массой вещества, а t_к и t_н– конечной и начальной температурами.

Данное уравнение необходимо для определения удельной теплоемкости тела, то есть количества тепла, необходимого для повышения или уменьшения температуры тела с массой в один килограмм на один Кельвин.

На удельную теплоемкость влияет природа вещества, а также его физическое состояние. По этой причине вещество, находящееся в жидком состоянии, имеет на 100 процентов больше теплоемкости по сравнению с веществом, пребывающим в твердом состоянии. В качестве примера можно взять воду в двух физических состояниях. Стоит подчеркнуть, что данная жидкость имеет самую высокую удельную теплоемкость. С целью обеспечения заданного изменения температуры, воде необходимо получить или передать больше тепловой энергии, нежели любому другому телу с аналогичной массой.

Измененная температура и давление являются причиной изменения теплоемкости. В связи с этим, опираясь на начальное состояние тела, удельные теплоемкости и конечные состояния могут быть разными. Так, удельную теплоемкость при соблюдении постоянного объема можно обозначить как С_v, а удельную теплоемкость при сохранении постоянного давления можно записать как С_р.

Если рассматривать газообразное состояние тела, по отношению к нему применяется удельная газовая постоянная, которая является разностью между удельной теплоемкостью с неизменным давлением и удельной теплоемкостью с фиксированным объемом. Отметим постоянность данной величины.

R = С_р - С_v.

Для определения удельного объема тела, находящего в жидком или газообразном состоянии, используется объем, который имеет единица массы. Расчеты данной величины проводятся согласно формуле:

ϑ = V/m, м³/кг.

В формуле: V является объемом тела, а m – массой тела.

Величину, которая является обратной удельному объему, именуют как плотность. Для ее расчета применяется формула:

P = m/V = 1/ϑ, кг/м³.

Работа холодильного оборудования

Принцип работы систем кондиционирования воздуха (в режиме охлаждения) заключается в поглощении тепловой энергии во время кипения хладагента.

На температуру кипения фреона влияет атмосферное давление. Увеличение давления является причиной повышения температуры кипения, в то время как падение давления способствует уменьшению температуры кипения.

Если поддерживается нормальное барометрическое давление (760 миллиметров ртутного столба или одна атмосфера), то температура кипения воды составляет 100 градусов Цельсия. При пониженном давлении, которое наблюдается в горных высотах, кипение воды произойдет в условиях пониженного температурного режима.

Одинаковые климатические условия не позволяют разным жидкостям кипеть при равных температурах. К примеру, хладагент R22, который закачивают в холодильное оборудование, в условиях нормального барометрического давления закипает при температуре, равной 40,8 градусам по шкале Цельсия.

В случае взаимодействия хладагента со средой, где установлены нормальные климатические условия, начнется его немедленное кипение с поглощением огромного количества тепловой энергии, извлекаемой из реагирующей среды. Если рассматривать холодильные установки, в них присутствует специальный теплообменник (испаритель). Вместе с тем кипящему в узлах теплообменника хладагенту приходится забирать тепло у воздуха, который обдувает трубки.

Для рассмотрения процесса превращения пара в жидкость возьмем фреон R22. На температуру конденсации, подобно температуре кипения, влияет барометрическое давление. Увеличение последнего приводит к повышению температуры конденсации. К примеру, пары вышеуказанного хладагента конденсируются, если давление составляет 17480 миллиметров ртутного столба, а температура равна 55 градусам Цельсия. Пары хладагента конденсируются по аналогии с любыми другими парами, то есть во время этого процесса выделяется большое количества тепла, которое принимает окружающая среда. В холодильной установке тепловую энергию принимает воздушная масса или жидкость, расположенные в конденсаторе, который выполняет роль теплообменника.

Для того, чтобы достичь непрерывности процесса кипения хладагента в теплообменнике и охлаждения воздушного потока, а также процесса превращения пара в жидкость и отвода тепла в конденсаторе, нужно организовать подачу жидкого фреона в испаритель. При этом в конденсаторе фреон должен оказаться в газообразном состоянии. Для осуществления такого непрерывного процесса предназначена холодильная машина.

В самых востребованных холодильных установках происходит компенсированный процесс охлаждения. Такие устройства оснащены главными конструкционными деталями:

• компрессором;
• конденсатором и регулятором потока (терморегулирующим расширительным клапаном или капиллярной трубкой);
• испарителем.

Все указанные элементы соединяются при помощи трубопроводов, в результате чего формируется замкнутая система, внутри которой циркулирует хладагент. Его движение осуществляется за счет компрессора, который отвечает не только за циркуляцию фреона, но и за поддержание в теплообменнике (на входе в него) высокого давления, которое составляет более 15000 миллиметров ртутного столба.

Компрессионный цикл охлаждения. Подробное его описание.

Изначально нужно сказать, что кондиционер является аналогом холодильной машины, благодаря которому происходит обработка воздушной массы при помощи тепла и влаги. Помимо этого, у кондиционера:

• более сложная конструкция;
• расширенные возможности;
• многочисленные дополнительные опции.

Воздушный поток обрабатывается в системе кондиционирования с целью изменения его температуры и влажности, а также скорости и направления движения.

Нам необходимо разобрать принцип функционирования и процессы, которые происходят в холодильном агрегате (кондиционере).

Охлаждение в подобных устройствах осуществляется за счет постоянной циркуляции, кипения и конденсации фреона в замкнутом пространстве. Кипению расходного вещества способствуют низкая температура и давление, а конденсации – высокие показатели давления и температуры.

Далее, подробно рассмотрим компрессионный цикл охлаждения.

Компрессионный цикл охлаждения

1. На начальной стадии функционирования холодильной установки фреон покидает испаритель. Здесь наблюдается его парообразное состояние, низкая температура и давление.
2. В системе создается разряжение, сопровождаемое попаданием парообразного фреона в компрессор. Задачей последнего является повышение давления хладагента как минимум до 11400 миллиметров ртутного столба и температуры до 70 градусов Цельсия.
3. Обработанный компрессором фреон попадает в конденсатор, где наблюдается процесс его охлаждения и конденсации. Тем самым, пар превращается в жидкость. Охлаждение конденсатора выполняется при помощи воздушного потока или жидкости – все зависит от разновидности холодильного устройства.
4. Покинув конденсатор, фреон является жидкостью и имеет высокое давление. Объем камеры в конденсаторе должен быть таким, чтобы конденсация полностью проходила внутри нее. В связи с этим жидкий фреон, покидая конденсатор, имеет пониженную температуру, отличающуюся от температуры, при которой конденсируются пары. Разница между жидким и газообразным хладагентом может составлять от четырех до семи градусов Цельсия. Что касается температуры, при которой конденсируются пары, она на десять градусов Цельсия превышает температуру внешнего пространства.
5. Хладагент, пребывающий в жидком состоянии и имеющий высокую температуру и давление, оказывается в регуляторе потока (терморегулирующем расширительном клапане или капиллярной трубке), где происходит резкое снижение давления фреона. При этом здесь может произойти частичное испарение жидкости. Тем самым, в испарителе оказываются жидкий и газообразный хладагент, находящиеся в соответствующих пропорциях.
6. В теплообменнике наблюдается кипение жидкости, сопровождаемое отбором тепловой энергии у внешней среды и ее переходом в газообразное состояние. Испаритель должен иметь объем, который необходим для полного испарения жидкости. По этой причине выходящий пар имеет более высокую температуру по сравнению с температурой кипения, что способствует перегреву фреона. Если рассматривать конденсаторы, которые имеют воздушное охлаждение, при их работе перегрев составляет не более восьми градусов по Цельсию. Это позволяет испаряться даже самым мелким каплям фреона и исключает возможность нахождения в компрессоре жидкого хладагента. Отметим, что пребывание жидкости в компрессоре является причиной гидравлического удара, который сопровождается повреждением рабочих элементов нагнетателя.
7. Перегретые пары фреона покидают испаритель, после чего происходит возобновление цикла.

Именно так осуществляется регулярная циркуляция хладагента в замкнутом пространстве, в процессе которой его состояние меняется с жидкого на газообразное и наоборот.

Во всех компрессионных циклах холодильного оборудования давление является двухуровневым. Разделительная черта между этими уровнями проходит в месте нахождения нагнетательного клапана. Таким образом, среда между компрессором и клапаном имеет одно давление, а между регулятором потока и клапаном – другое.

Разделительные точки низкого и высокого давлений фреона в холодильном устройстве находятся в нагнетательном клапане компрессора и выходном отверстии капиллярного трубопровода или терморегулирующего расширительного клапана.

Высокое давление поддерживается в рабочей среде всех элементов, функционирующих с учетом давления, при котором происходит конденсация, а низкое давление – в рабочем пространстве всех деталей, функционирующих у учетом давления, при котором осуществляется испарение.

Невзирая на существование множества разновидностей компрессионного холодильного оборудования, отметим идентичность принципиальной схемы процессов в таких агрегатах.

Теоретическая основа цикла охлаждения

Обычно презентация цикла охлаждения выполняется в графическом виде. Для этого составляется диаграмма, показывающая, как зависит абсолютное давление от энтальпии (теплосодержания). Насыщение хладагента представляется в виде характерной кривой.

Кривая насыщения хладагента

В левой ее части отображается состояние насыщенного жидкого хладагента, а в правой – состояние насыщенного газообразного хладагента. В центральной части наблюдается пересечение двух кривых. Точка, в которой они соединяются – это «критическая» точка. Здесь фреон может обретать как жидкое, так и газообразное состояние. Зона, которая расположена в левой части от кривой, характеризует переохлажденную жидкость, а расположенная в правой части от кривой – перегретый пар. Зона, расположенная во внутренней части кривой, соответствует смеси жидкого и газообразного состояний.

Далее, ознакомимся с теоретическим (идеальным) циклом охлаждения и основными процессами, которыми примечателен компрессионный цикл охлаждения. Это необходимо для лучшего понимания действующих факторов.

Теоретический цикл охлаждения

Процесс сжатия газообразного фреона в компрессоре

Изначально холодному газообразному насыщенному фреону необходимо изменить свои свойства в компрессоре. Сжатие способствует повышению его давления и температуры. Кроме того, здесь наблюдается повышение теплосодержания.

Процесс превращения пара в жидкость в конденсаторе

После сжатия горячего пара, он оказывается в конденсаторе, который предназначен для перехода хладагента из газообразного состояние в жидкое. Во время конденсации вещество имеет постоянную температуру и постоянное давление. Нужно заметить, что данный процесс приводит к уменьшению теплосодержания по причине отдачи тепла внешней среде и трансформации паров в жидкое состояние. В графическом выражении процесс конденсации отображается как прямая, которая параллельна оси абсцисс.

Конденсация разделяется на 3 этапа, которые связаны с:

• снятием перегрева;
• конденсацией;
• переохлаждением жидкости.

На протяжении первого этапа охлаждаемый пар приобретает температуру, которая наблюдается при конденсации или насыщении. В результате у фреона отнимается избыточная тепловая энергия. При этом его агрегатное состояние остается прежним.

На данном этапе количество тепла сокращается не более чем на 20 процентов.

Непосредственно при конденсации охлаждаемый пар и образующаяся жидкость имеют статическую температуру. Хладагент меняет агрегатное состояние, переходя из газообразного состояния в жидкое.

Данный этап сопровождается потерями более 60 процентов тепла.

На завершающем этапе конденсации, который именуется как переохлаждение жидкости, происходит дальнейшее охлаждение фреона с понижением его температуры. В результате жидкость не меняет агрегатное состояние, однако становится переохлажденной.

Процесс переохлаждения является предпосылкой для получения значительных энергетических преимуществ. Так, увеличивается производительность холодильного устройства с сохранением уровня потребления электроэнергии.

Регуляция потока

Переохлажденный жидкий хладагент, находясь в терморегулирующем расширительном клапане или капиллярной трубке, попадает в область низкого давления. В случае значительного снижения давления за пределами регулятора потока, фреон начинает кипеть именно в этом месте.

Процесс испарения жидкости в испарителе

В виде смеси пар и жидкость оказываются в испарителе, где осуществляется процесс поглощения тепловой энергии извне и полный переход в газообразное состояние.

Во время этого процесса наблюдается постоянная температура, однако увеличенное теплосодержание.

Покидая испаритель, пары фреона становятся перегретыми. При перегреве остатки хладагента, который не успел превратиться в газообразное состояние, должны быть полностью ликвидированы. Это необходимо для размещения в компрессоре исключительно парообразного хладагента. В результате требуется повышение площади теплообменника как минимум на 2 процента при полупроцентном перегреве. В связи с тем, что перегрев обычно не превышает восьми градусов Цельсия, возникает необходимость увеличения рабочего пространства испарителя примерно на 20 процентов. Это является оправданным по причине повышения эффективности охлаждения.

Описание реального цикла охлаждения

Как показали практические исследования, процесс охлаждения в холодильных установках протекает с потерями давления, которые наблюдаются при всасывании и нагнетании хладагента. Также данный параметр теряется при проходе фреона через клапаны, расположенные в компрессоре.

Реальный цикл охлаждения

По причине изменения давления при подаче фреона к компрессору, последнему приходится всасывать хладагент в условиях давления, которое ниже давления, фиксируемого при испарении.

В связи с потерями давления во время высвобождения фреона из компрессора, сжатое газообразное вещество имеет давление, превышающее давление, образуемое при конденсации.

Компенсация потерь приводит к увеличению процесса сжатия и снижению эффективности цикла.

Реальный цикл отличается от теоретического не только из-за того, что давление снижается в клапанах и транспортных узлах, но и по той причине, что давление уменьшается при сжатии.

Сжатие в нагнетателе невозможно приравнять к адиабатическому. В связи с этим длительность реального сжатия превышает теоретическое, что является причиной, в том числе и энергетических потерь.

Также не стоит забывать об исключительно механических потерях, из-за которых увеличивается потребляемая мощность электромотора нагнетателя и увеличивается длительность сжатия.

На завершающей стадии забора хладагента в компрессор давление в его рабочей камере уступает давлению испарения. Из-за этого уменьшается производительность. Помимо этого, нагнетатель всегда располагает объемом, который на задействован в сжатии.

Оцениваем эффективность охлаждения

Цикл охлаждения, в частности, его эффективность, можно оценить при помощи коэффициента полезного действия и коэффициента, на основании которого оценивается термодинамическая эффективность.

При определении коэффициента эффективности необходимо разделить изменение теплосодержания фреона в теплообменнике на изменение его теплосодержания при сжатии.

Формула данного показателя выглядит следующим образом:

K_эффект = (HC' - HB)/(HD - HC').

В реальном аспекте данный коэффициент выражает отношение холодопроизводительности к производительности электричества, которое потребляет компрессор.

В таком случае формула выглядит следующим образом:

K_эффект = Q_холода/N_{компрессора}.

Следует учитывать, что коэффициент термодинамической эффективности не показывает производительность холодильного агрегата. Его можно считать сравнительным параметром в том случае, если необходимо оценить эффективность процесса энергетической транспортировки. К примеру, если коэффициент термодинамической эффективности холодильной установки равен трем, из этого следует, что каждая потраченная единица электрической энергии, которую потребляет холодильное оборудование, производит три единицы холода.

На основе материалов из журнала "Мир Климата"