Холодильные машины и кондиционеры.

Тема 7. Холодильные установки и тепловые

Насосы.

Холодильные установки служат для отвода теплоты от охлаждаемого тела при температуре более низкой, чем температура окружающей среды. Хо­лодильная машина используется для получения температур от 10 °С до -150 °С. Она работает по принципу теплового насоса —отнимает теплоту от охлаждаемого тела и с затратой энергии (механической, тепловой, электрической) передает ее охлаждаемой среде (воде, воздуху и др.), имеющей более высокую температуру, чем охлаждаемое тело.

В холодильной технике находят применение несколько систем холо­дильных машин: парокомпрессорные, абсорбционные, пароэжекторные и воздушно-расширительные.

Для всех типов машин характерен один и тот же принцип работы. Раз­личие заключается в способе создания давления на рабочее тело (хлада­гент) и особенностях используемого рабочего тела.

Парокомпрессорные холодильные машины получили наибольшее рас­пространение. Схема приведена на рис. 7.1.

 

В этих машинах хладагент циркулирует по замкнутому кругу: испаритель-компрессор, конденсатор, терморегулирующий вентиль (ТРВ) и снова испаритель. В компрессоре хладагент сжимается до давления кон­денсации и поступает в конденсатор (теплообменник), где он охлаждается (водой или воздухом) и конденсируется. Сжиженный хладагент, имеющий более высокое давление и менее низкую  температуру по сравнению с испарителем, поступает через ТРВ в этот испаритель.

Из-за резкого снижения давления после ТРВ хладагент испаряется в испарителе, понижая температуру в нем и, соответственно, температуру рабочего тела хладоносителя. В дальнейшем парообразный хладагент испарителя отсасывается компрессором, замыкая контур.

В абсорбционной холодильной машине (рис. 7.2 (6.9)) рабочим телом яв­ляются бинарные растворы (два компонента) с различными температурами кипения. Один из них, имеющий более низкую температуру кипения является хладагентом. Второй служит абсорбером (поглотителем).

Необходимый объем раствора (например аммиак в воде) находится в абсорбере, откуда он насосом подается в нагреватель (кипятильник), где при повышенных температуре и давлении аммиак испаряется. При повы­шенном давлении парообразный аммиак поступает в конденсатор, где охлаждается и конденсируется. Из конденсатора через ТРВ жидкий аммиак поступает в испаритель, где испаряется, понижая температуру в нем. Испарившийся аммиак поступает в абсорбер, где поглощается водой. растворяясь в ней.

Иной способ понижения температуры в испарителе принят в пароэжекторной холодильной машине (рис. 7.3(6.10)). В этой машине в испарителе находится определенное количество воды, которая охлаждается и поступает к потребителю (используется в целях охлаждения).

Снижение температуры в испарителе происходит за счет создания в нем вакуума эжектором. Хладагентом служит вода. В качестве источника энергии (создания вакуума в испарителе) используется пар, который под давлением (3-10 кгс/см²) поступает в сопло эжектора, где расширяется, создавая вакуум. Это сопло, соединенное трубами с испарителем, создает вакуум и в испарителе. В испарителе за счет частичного испарения воды понижается температура. В дальнейшем после эжектора пар поступает в конденсатор, где конденсируется. Вода на выходе из конденсатора рас­пределяется следующим образом: часть ее подается в испаритель для пополнения убыли охлажденной воды через ТРВ, другая возвращается к производителю пара.

Холодильные агенты.

 Рабочим телом — «холодильным агентом» — современных холодильных установок являются, главным образом, пары жидкостей, кипящих при низ­ких температурах.

В настоящее время применяется около 30 холодильных аген­тов, наиболее распространенными из которых являются: аммиак, углекислый газ, сернистый ангидрид, фреоны и хладоны. Термодинамические характеристики наиболее часто используемых холодильных агентов приведены в табл. 7.1

Аммиак — бесцветный газ с удушливым запахом, при содержании в воздухе больше 0,03 % вреден, поэтому нельзя допускать его утечек. Смесь аммиака с воздухом при определенных концен­трациях может взрываться. Применяется аммиак для температур кипения не ниже -65 °С.

Сернистый ангидрид — бесцветный газ с тяжелым удушливым запахом, применяется в мелких автоматизированных установках закрытого типа.

Углекислый газ — бесцветный газ без запаха. Значительные кон­центрации его вызывают удушье.

Самый распространенный из фреонов — фреон-12 — тяжелый газ, не имеющий запаха, безвредный при отсутствии открытого пламени. Хладон 123 (СНСI2=CF2) – прозрачная легкокипящая жидкость с резким запахом. Хладон 124,124а (CHFCI – CF3, CHF2 – CF2CI) – газы без цвета и запаха с температурой кипения минус 10,8°С и минус 12°С с плотностью 1,4 г/см3. Фреоны и хладоны при соприкосновении с открытым пламенем или горячими поверхностями разлагаются на весьма вредные для организма человека фтористый и хлористый во­дород и другие высокотоксичные продукты. Фреоны применяются преимущественно в установках с низкими температурами испарения (от -70 до -90 °С).

 

В холодильных установках роль холодного источника выполняют воздух и содержимое холодильной камеры, в теплонасосных — речная вода, земля или атмосферный воздух.

 

Таблица 7.1

 

Горячим источником у первых служит окружающая среда (например, воздух комна­ты, где стоит холодильник), а у вторых — отапливаемое помеще­ние. За счет затраты энергии теплота отнимается у холодного ис­точника и передается горячему. В зависимости от потребности мож­но использовать или охлаждающий, или нагревающий эффекты. Установки, позволяющие переключением регулирующего органа переходить с режима охлаждения на режим нагрева (и наоборот) одного и того же помещения, называются кондиционерами воз­духа.

Разработаны различные типы холодильных и теплонасосных установок. В паровых и воздушных компрессорных установках за­трачивается механическая работа, в эжекционных и абсорбцион­ных — теплота, в электрических и магнитных — электричество. В качестве холодильных и теплонасосных установок могут исполь­зоваться некоторые топливные элементы — они работают за счет затраты химической энергии. В данном подразделе рассматривает­ся принцип работы, цикл и эффективность только паровой ком­прессорной установки.

Парокомпрессионные холодильные установки. Вследствие бли­зости цикла таких установок к циклу Карно они обладают самой высокой эффективностью, а потому и шире распространены.

Рабочим телом, которое в холодильниках называется холодильным агентом, или хладоносителем, а в теплонасосных — теплоносителем, служат вещества, имеющие низкую температуру кипения. Первая установка этого типа работала на парах эфира, позже стали применять сернистый ангидрид. В 30-х гг. XX в. были впервые использованы фреоны — углеводороды, в которых водород полностью или частично замещен галоидами, чаще фтором и хлором, например фреон-12 (СР2С12), фреон-22 (СНР2С1). До 20-х гг. применялись только поршневые компрессоры, затем в крупные установках их стали заменять винтовыми и лопаточными.

Работает установка так. Насыщенный пар хладоагента сжимается компрессором 3 (рис. 7.4, а) и подается в конденсатор 2 где, теряя теплоту , в окружающую среду, частично конденсируется. Эта парожидкостная смесь направляется в дроссельный вентиль 1, где ее давление и температура падают (роль вентиля в принципе может выполнить любая расширительная машина). После дросселя влажный пар небольшой сухости с низкой температурой поступает в испаритель 5, располагающийся в охлажденном помещении (шкафу) 4, за счет теплоты которого   хладоагент испаряется.

Холодильный коэффициент вычисляется по формуле:

 

                                        

где l — работа, затрачиваемая на привод компрессора.

Рис.7.4. Парокомпрессиональная холодильная установка:

а -схема установки; 1 - дроссельный вентиль; 2 - конденсатор; 3 - компрессор; 4 – охлажденное помещение (шкаф); 5 - испаритель; б –изменение коэффициента в зависимости от температур t1 и t2

 

Отсюда видно, что  будет тем больше, чем выше температура холодильнике и чем ниже температура среды, охлаждающей хладоагент в конденсаторе (рис. 7.4, б). При равенстве этих тем­ператур  =

Коэффициент использования теплоты или теплонасосный ко­эффициент определяется по формуле

Тепловые насосы. Тепловыми насосами называются установки, в которых за счет затраты работы производится отъем энергии от тел с более низкой температурой Т1 и передача ее другим телам с более высокой температурой Т2. Применение тепловых насосов дает возможность использования энергии тел, имеющих сравни­тельно низкую температуру, например, окружающего воздуха, хо­лодной воды и др.

Компрессорные тепловые насосы. На рис. 7.5 изображены прин­ципиальная схема и идеальный цикл компрессионных тепловых насосов. Рабочее тело (любое из употребляемых в холодильных установках) засасывается в компрессор 1, где сжимается за счет затраты энергии двигателем до состояния сухого насыщенного или перегретого пара. Этому процессу соответствует изоэнтропа /—2 идеального цикла. Сжатый пар нагнетается компрессором в кон­денсатор 2. Здесь при постоянных значениях давления и темпера­туры пар конденсируется, отдавая определенное количество теп­лоты охлаждающей среде — воде или воздуху. За счет этой тепло­ты охлаждающая среда подогревается до такой температуры, при которой она может быть использована для различных бытовых нужд, в частности для отопления. Наиболее эффективная темпе­ратура подогрева равна 60...70 °С. Процессу в конденсаторе соот­ветствует линия 2—3. После

 

 

Рис.7.5. Парокомпрессионный тепловой насос:

Принципиальная схема (а): 1 – компрессор; 2 – конденсатор; 3 – дроссельный клапан; 4 – испаритель;

Идеальный цикл теплового насоса (б): 1…4 – точки диаграммы.

                                                                                                                         

 

конденсатора рабочее вещество в иде­альном цикле поступает в расширительный цилиндр, где пони­жаются его давление и температура — изоэнтропный процесс 3—4. Отсюда рабочее тело поступает в испаритель 4, в котором оно испаряется при неизменных значениях давления и темпе- ратуры, отнимая определенное количество теплоты от тел, имеющих низкий температурный уровень, например от окружающего воздуха, холодной воды и т. д. Из испарителя влажный пар засасывается в компрессор, и работа установки повторяется. Идеальный цикл, представляет собой обратный цикл Карно.

Эффективность тепловых насосов оценивается отопительным коэффициентом, или коэффициентом преобразования , под которым понимается отношение количества теплоты q1 отданного 1 кг рабочего вещества в конденсаторе, к теплоте q1 - q2, эквивалентной работе, затраченной на осуществление цикла:

Коэффициент преобразования у и холодильный коэффициент cвязаны простым соотношением:

.

Коэффициент преобразования  и холодильный коэффициент связаны простым соотношением

.

 

В реальных установках теплового насоса =2..4.

Холодильные машины и кондиционеры.

 

 

Рассмотрим холодильную машину 2 МКТ 350-2-1. Мощность по холоду 850 Гкал/час, температура охлажденной воды 5⁰С.

Машины находятся в работе в летний период (время работы обычно 2184 часа или 91 сутки).

Холодильная машина 2 МКТ 350-2-1 предназначена для охлаждения хладоносителя (воды) а также кондиционеров.

Машина 2 МКТ 350-2-1 состоит из винтового компрессора, конденсатора, испарителя, регенеративного теплообменника, систем автоматики, маслоотделителя.

В машине использован компрессор 21 ВХ 410-7-01 - объемного сжатия, винтовой, двух роторный, горизонтальный, маслозаполненый.

Принцип работы состоит в следующем:

Парная полость - объем впадины, образуемый зубьями вращающихся роторов и поверхностью расточек блока цилиндров, заполняется парами холодильного агента.

При дальнейшем вращении роторов парная полость отсекается от камеры всасывания и происходит перенос паров в направлении камеры нагнетания. Далее происходит уменьшение замкнутого объема парной полости (зуб ведущего ротора входит во впадину ведомого), вследствие чего пары сжимаются и выталкиваются в камеру нагнетания.

Конденсатор предназначен для конденсации паров хладагента, поступающих из маслоотделителя. Конденсатор представляет собой горизонтальный кожухотрубный теплообменный аппарат с накатными медными трубками, развальцованными в трубных решетках, приваренных к корпусу. С торцов корпус закрыт водными крышками.

Испаритель - горизонтальный кожухотрубный теплообменный аппарат, предназначен для охлаждения хладоносителя, циркулирующего в межтрубном пространстве. Охлаждение осуществляется за счет отводимой от хладоносителя теплоты при кипении хладагента в трубном пространстве. Теплообменная поверхность аппарата образована медно- алюминевыеми трубками с внутренним оребрением, развальцованными в трубных решетках, приваренных к корпусу на котором установлены две съемные крышки.

Система автоматического управления - предназначена для управления, регулирования холодопроизводительности, защиты от аварийных отклонений контролируемых параметров и сигнализации.

Маслоотделитель - представляет собой сварной вертикальный аппарат с двумя ступенями отделения масла:

1 ступень-циклон;

2 ступень -фильтрующая.

Пары хладагента с каплями масла поступают в маслоотделитель через направляющий аппарат с постепенным сужением сечения для увеличения скорости паров.

Двигаясь по спирали, они получают вращательное движение, при этом масло за счет центробежных сил отбрасывается к внутренней стенке аппарата и стекает в ресиверную часть маслоотделителя. Поток паров хладогента, выходя из спирали, делает резкий поворот и направляется вверх к фильтрующему элементу, где также происходит отделение масла. Пары же хладогента после резкого поворота по центральной трубе выходят из маслоотделителя.. Охлажденная вода поступает в кондиционеры.

 

Рис №7.6 Схема кондиционера RVZT 5.

Кондиционер RVZT5 имеет возможность автоматически фильтровать, подогревать (2 ступени подогрева) и охлаждать наружный /внутренний воздух, регулировать в итоге температуру и влажность воздуха на выходе из вентиляционных каналов (рис. № 7.6.).

Термометры сопротивления измеряют температуру наружного воздуха, на выходе 1-го подогревателя, на входе выходного вентилятора.

Совмещенные приборы влажности и температуры НТ выдают сигналы 0-10 в о температуре и влажности на выходе вентилятора кондиционера и вентиляционном канале.

Датчики дифференциального давления с дискретным выходом контролируют работоспособность (засоренность) фильтров, вращение входного и выходного вентиляторов (двигатели и вентиляторы соединены ременной передачей, исправность которой нужно контролировать).

Имеется дискретные защиты от замерзания (термостаты) по воздуху и по обратной сетевой воде, датчик превышения допустимой влажности (максимум влажности).

Включение двигателя производится промежуточными реле входного и выходного вентиляторов КА7(Р_ДВ=15 кВт), циркуляционных насосов 1-го и 2-го подогревателей - КА8, КА9 (Р_дв=0,4кВт), увлажнитель - К1О (Р_ДВ=3 кВт).

Управление кондиционером можно осуществлять в ручном режиме оператором или в автоматическом от программируемого контролера DX 8485 фирмы JOHNSON CONTROLS.

В автоматическом режиме в контролер вводят 16 дискретных сигналов DI, 7 аналоговых сигналов AI, контролер производит управление по 6 аналоговым выходам (0-10в) и 7 дискретным выходам (через промежуточные реле КА). Все эти сигналы представлены на рис. 7.6.

Алгоритм управления в командах ПК запрограммирован и хранится в ППЗУ.

На пульте управления для любого управляющего элемента двухпозиционным переключателем может определен режим «Ручной - автоматический».

Основные управляющие элементы:

• закрылки наружного воздуха;

• закрылки воздуха помещения;

• трехходовой клапан сетевой воды 1-го подогревателя;

• трехходовой клапан сетевой воды 2-го подогревателя

• двухходовой клапан холодоносителя;

• управление увлажнителем;

Возможны связь с верхним уровнем управления через физический интерфейс RS485 (дуплекс).

Из описания кондиционера следует, что с помощью микропроцессорных систем управления кондиционеров,возможности автоматизации на предприятиях резко повышаются.

 

 

Поделиться: Я.Мессенджер ВКонтакте Одноклассники Telegram Twitter Мой Мир

Воспользуйтесь поиском по сайту: