Главная / Холодильные технологии / Холодильная машины. Принцип работы.

Холодильная машины. Принцип работы.

В холодильной машине фреон конденсируется в специальном отделении - конденсаторе. Тепло, выделившееся при конденсации, удаляется потоком охлаждающей жидкости или воздуха. 
Поскольку холодильная машина должна работать непрерывно, то в испаритель должен постоянно поступать жидкий фреон, а в конденсатор - его пары. Этот процесс - циклический, ограниченное количество фреона циркулирует по холодильной машине, испаряясь и конденсируясь. 
Один из основных компонентов холодильной машины - это конденсатор, служащий для переноса тепловой энергии от хладагента в окружающую среду. Чаще всего тепло передается воде или воздуху.
Тепло, которое выделяется в конденсаторе, примерно на 30% превышает холодопроизводительность холодильной машины. Например, если холодопроизводительность машины равна 20 кВт, то конденсатор выделяет 25-27 кВт тепла.
Схема холодильной машины рис.2.4
Компрессионный цикл охлаждения состоит из четырех основных элементов:
 

  • компрессора 
  • испарителя
  • конденсатора 
  • регулятора потока.

  Рис 2.4

Рис.2.4 Схема холодильной машины. 

Компрессионный цикл охлаждения
На выходе из испарителя хладагент - это пар при низкой температуре и низком давлении. 
Затем компрессор всасывает хладагент, давление повышается примерно до 20 атм., а температура достигает 70 - 90С. 
После этого горячий пар хладагента попадает в конденсатор, где он охлаждается и конденсируется. Для охлаждения используется вода или воздух. На выходе из конденсатора хладагент представляет собой жидкость под высоким давлением. 
Внутри конденсатора пар должен полностью перейти в жидкое состояние. Для этого температура жидкости, выходящей из конденсатора, на несколько градусов (обычно 4-6°С) ниже температуры конденсации при данном давлении. 
Затем хладагент (имеющий в этот момент жидкое агрегатное состояние при высоких давлении и температуре) поступает в регулятор потока. Здесь давление резко падает, и происходит частичное испарение. 
На вход испарителя попадает смесь пара и жидкости. В испарителе жидкость должна полностью перейти в парообразное состояние. Поэтому температура пара на выходе из испарителя немного выше температуры кипения при данном давлении (обычно на 5-8С0). Это необходимо, чтобы в компрессор не попали даже мелкие капли жидкого хладагента, иначе компрессор может быть поврежден. 
Образовавшийся в испарителе перегретый пар выходит из него, и цикл возобновляется сначала. 
Итак, ограниченное количество хладагента постоянно циркулирует в холодильной машине, меняя агрегатное состояние при периодически изменяющихся температуре и давлении.
В каждом цикле имеется два определенных уровня давления. На стороне высокого давления происходит конденсация хладагента и находится конденсатор. На стороне низкого давления находится испаритель, и жидкий хладагент превращается в пар. Граница между областями высокого и низкого давления проходит в двух точках - на выходе из компрессора (нагнетательный клапан) и на выходе из регулятора потока.
 

Энтальпия хладагента
Происходящий в холодильной машине цикл охлаждения удобно изображать графически. На диаграмме показано соотношение давления и теплосодержания (энтальпии) хладагента. 
Энтальпия - это функция состояния, приращение которой при процессе с постоянным давлением равно теплоте, полученной системой(рис.2.5).

  Рис 2.5

Рис. 2.5 Диаграмма насыщения хладагента
На диаграмме показана кривая насыщения хладагента.

  • Левая ветвь кривой соответствует насыщенной жидкости
  • Правая часть соответствует насыщенному пару.
  • В критической точке ветви кривой соединяются, и вещество может находиться и в жидком, и в газообразном состоянии.
  • Внутри кривой - зона, соответствующая смеси пара и жидкости.
  • Слева от кривой (в области меньшей энтальпии) - переохлажденная жидкость.
  • Справа от кривой (в области большей энтальпии) - перегретый пар.

Теоретический цикл охлаждения несколько отличается от реального. В действительности происходят потери давления на разных этапах перекачки хладагента, снижающие эффективность охлаждения. Это не учитывается в идеальном цикле.

Теоретический цикл охлаждения

  Рис 2.6

Рис.2.6 Диаграмма теоретического цикла охлаждения.

В компрессоре. Холодный насыщенный пар хладагента поступает в компрессор холодильной машины (точка С1). В процессе сжатия его давление и температура повышаются (точка D). Энтальпия тоже повышается на величину, равную проекции линии С1-D. На схеме это отрезок НС1-НD. 
Конденсация. В конце цикла сжатия хладагента горячий пар попадает в конденсатор. Здесь при постоянных температуре и давлении происходит конденсация, и горячий пар превращается в горячую жидкость. Хотя температура практически постоянна, энтальпия уменьшается при фазовом переходе, а выделившееся тепло отводится от конденсатора. Этот процесс отображается на диаграмме в виде отрезка, параллельного горизонтальной оси (давление постоянно).
Процесс в конденсаторе холодильной машины происходит в три этапа: снятие перегрева (D-Е), конденсация (Е-А) и переохлаждение жидкости (А-А1). Участок диаграммы D-А1 соответствует изменению энтальпии хладагента в конденсаторе и показывает, какое количество тепла выделяется в ходе данного процесса.
Снятие перегрева.
В этом процессе температура пара снижается до температуры насыщения. Излишнее тепло отводится, но изменения агрегатного состояния не происходит. На этом этапе снимается около 10 - 20% тепла. 
Конденсация
На этом этапе происходит изменение агрегатного состояния хладагента. Температура при этом остается постоянной. На этом этапе снимается около 60 - 80% тепла. 
Переохлаждение жидкости
В этом процессе жидкий хладагент охлаждается, при этом получается переохлажденная жидкость. Агрегатное состояние не изменяется. 
Переохлаждение жидкости на этом этапе позволяет повысить производительность холодильной машины. При постоянном уровне энергопотребления понижение температуры на 1 градус повышает производительность холодильной машины на 1%.
Регулятор потока 
Переохлажденная жидкость с параметрами точки А2 поступает на регулятор холодильной машины. Он представляет собой капиллярную трубку или терморегулирующий расширительный клапан. В регуляторе происходит резкое снижение давления. Непосредственно за регулятором начинается кипение хладагента. Параметры получившейся смеси пара и жидкости соответствуют точке В. 
В испарителе
Смесь пара и жидкости (точка В) попадает в испаритель холодильной машины, где поглощает тепло от окружающей среды и полностью переходит в пар (точка С1). Этот процесс происходит при постоянной температуре, но энтальпия при этом увеличивается.
На выходе испарителя парообразный хладагент немного перегревается (отрезок С1-С2), чтобы капли жидкости испарились полностью. Для этого приходится увеличивать площадь теплообменной поверхности испарителя (на 4-6% на каждый градус перегрева). Обычно перегрев составляет 5-8 градусов, и увеличение площади теплообмена достигает 20%.
В испарителе холодильной машины энтальпия хладагента изменяется на величину НВ-НС2, равную проекции кривой испарения на горизонтальную ось.