• Стандарт VXI
• Техника
• Программы
• Применение
• Библиотека

Холодильная машина.

Холодильная машина представляет собой устройство, служащее для переноса теплоты с низкого температурного уровня на более высокий. Решение этой задачи реализуется с помощью обратного термодинамического цикла, осуществляемого рабочим веществом, называемым хладагентом. Собственно холодильная машина осуществляет отвод теплоты от охлаждаемых объектов, имеющих температуру более низкую, чем окружающая среда, и передачу этой теплоты последней. Холодильную машину используют иногда для нагревания объектов с температурой более высокой, чем температура окружающей среды. В таких устройствах, называемых «тепловыми насосами», перенос теплоты производится от окружающей среды к нагреваемым объектам.

Рассмотрим теплообменные аппараты наиболее распространенных в настоящее время паровых компрессорных холодильных машин. Холодильная машина состоит из четырех основных элементов: испарителя, конденсатора, компрессора и дроссельного вентиля. Восприятие теплоты от охлаждаемых объектов на нижнем температурном уровне производится за счет теплоты парообразования хладагента в испарителе при низком давлении, а отвод теплоты на верхнем температурном уровне - за счет теплоты конденсации хладагента в конденсаторе при высоком давлении.

Для повышения давления (и соответственно температуры насыщения) хладагента и подачи его из испарителя в конденсатор служит компрессор (поршневой, винтовой, ротационный, центробежный). Понижение давления (от давления в конденсаторе до давления в испарителе) происходит в дроссельном вентиле.

Основными теплообменными аппаратами компрессорных холодильных машин являются испарители и конденсаторы.

Испаритель предназначен для отвода теплоты от охлаждаемой среды, которая циркулирует между испарителем и объектом охлаждения и, в свою очередь, отнимает от последнего теплоту. Эта промежуточная среда называется хладоносителем. Иногда в испарителе происходит непосредственный теплообмен между охлаждаемым объектом и хладагентом (воздухоохладители, батареи, технологические аппараты непосредственного охлаждения).

Конденсатор предназначен для превращения в жидкость поступающих из компрессора паров хладагента. Иногда в конденсаторе осуществляется также и охлаждение жидкого хладагента ниже температуры конденсации (переохлаждение). Оба эти процесса сопровождаются отводом теплоты от хладагента к охлаждающей среде. В холодильной машине охлаждающей средой является окружающая среда, и получаемая ею от хладагента теплота в дальнейшем не используется. В тепловом насосе охлаждающая среда, называемая теплоносителем (обычно вода), передает полученную от хладагента теплоту нагреваемому объекту.

В каскадных холодильных машинах, предназначенных для получения очень низких температур охлаждаемого объекта при высоких температурах конденсации, помимо конденсатора и испарителя имеется аппарат, называемый испарителем-конденсатором. В нем происходит отвод теплоты конденсации от хладагента, осуществляющего обратный цикл в нижней ступени каскада, к кипящему хладагенту, совершающему цикл в верхней ступени каскада.

Рис. 1 Схеме холодильной установки: КД - конденсатор П - переохладитель РТ - регенеративный теплообменник КМ - компрессор М - маслоотделитель РВ - регулирующие вентили И - испаритель ХКРО – холодильная камера рассольного охлаждения ХКНО - то же непосредственного охлаждения В - воздуxooxлaлитeдь Б - батарея Н - насос -------- хладагент -------- хладо- и теплоноситель.

Холодильная установка (рис. 1) кроме элементов, входящих в холодильную машину, включает в себя охлаждаемый объект, а также устройства, служащие для повышения эффективности отдельных рабочих процессов цикла, совершенствования технологических процессов и условий эксплуатации оборудования. К этим устройствам относятся следующие аппараты: переохладители, регенеративные теплообменники, промежуточные сосуды, маслоотделители и др.

служат для охлаждения холодной водой жидкого хладагента после конденсатора. В регенеративном  теплообменнике осуществляется перегрев паров хладагента перед компрессором за счет охлаждения жидкого агента, выходящего из переохладителя или конденсатора.

В многоступенчатых холодильных машинах поверхностные водяные охладители используются для охлаждения паров хладагента между ступенями компрессора.

Металлоемкость теплообменных аппаратов составляет основную часть металлоемкости холодильной установки. Масса основных теплообменных аппаратов (конденсатор и испаритель) составляет при рассольном охлаждении примерно две трети от общей массы аммиачной холодильной машины, а стоимость их равна половине общей ее стоимости. В холодильных машинах, использующих в качестве хладагента галогенизированные углеводороды (R12, R 22 и др.), масса аппаратов составляет примерно три четверти массы всей машины. При непосредственном охлаждении доля теплообменных аппаратов, как по массе, так и по стоимости значительно возрастает.

Большое влияние оказывают теплообменные аппараты и на энергетические характеристики холодильной машины. Благодаря тому, что поверхность аппаратов не может быть чрезмерно большой, температура конденсации в холодильной машине должна быть выше температуры окружающей среды, а температура кипения - ниже температуры охлаждаемого объекта. Это приводит к внешней необратимости термодинамического цикла, и, как следствие, к энергетическим потерям. Термодинамическую необратимость цикла можно уменьшить, увеличивая поверхности теплообменных аппаратов, однако, при этом возрастают капитальные затраты на холодильную машину. Таким образом, возникает задача, характерная для многих отраслей техники: выбора между дешевым, но неэкономичным в эксплуатации, и дорогим, но экономичным оборудованием. В первом случае при расчете теплообменных аппаратов принимаются большие температурные напоры и поэтому площадь их поверхности невелика, во втором случае - температурные напоры меньше, а площадь теплопередающей поверхности больше. Очевидно, что меньшие поверхности будут предпочтительными при малом числе часов работы холодильной машины в году, и наоборот, при круглогодичной работе холодильной машины выгоднее выбирать меньшие температурные напоры и, следовательно, большие площади поверхности. При расчете камерного оборудования приходится учитывать и технологические требования.

Сократить площадь теплопередающей поверхности при одновременном снижении потерь от внешней необратимости (уменьшении температурного напора в аппаратах) можно только за счет интенсификации процесса теплопередачи в аппаратах. Увеличить компактность и снизить массу аппарата при заданных температурных напорах можно как путем интенсификации теплопередачи, так и путем более совершенных конструктивных решений.

Стремление снизить внешнюю необратимость холодильной машины приводит к необходимости применения в ее аппаратах небольших температурных напоров и соответственно невысоких плотностей теплового потока. Это обстоятельство в совокупности с низкими давлениями кипения в испарителях, относительно высокими давлениями в конденсаторах и неблагоприятными теплофизическими свойствами хладагентов приводит к малым значениям коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи в испарителях и конденсаторах. В итоге эти аппараты работают при малых плотностях теплового потока (1—10 кВт/м²). В этом заключается специфическое отличие процессов теплопередачи в холодильных аппаратах от подобных процессов в теплоэнергетических.

Изучение и интенсификация процессов теплопередачи в холодильных аппаратах, так же как и отыскание их наиболее совершенных конструктивных форм, являются актуальнейшими задачами холодильной техники.

Кафедра низких температур МЭИ

fire 03/03/2009