Меню Рубрики

Холодильные и охлаждающие установки для автомобилей

Холодильные машины и установки. Устройство, виды, принцип действия холодильных машин.

1. Общие сведения о холодильных машинах

Холодильные машины и установки предназначены для искусственного снижения и поддержания пониженной температуры ниже температуры окружающей среды от 10 °С и до -153 °С в заданном охлаждаемом объекте. Машины и установки для создания более низких температур называются криогенными. Отвод и перенос теплоты осуществляется за счет потребляемой при этом энергии. Холодильная установка выполняется по проекту в зависимости от проектного задания, определяющего охлаждаемый объект, необходимого интервала температур охлаждения, источников энергии и видов охлаждающей среды (жидкая или газообразная).

Холодильная установка может состоять из одной или нескольких холодильных машин, укомплектованных вспомогательным оборудованием: системой энерго- и водоснабжения, контрольно-измерительными приборами, приборами регулирования и управления, а также системой теплообмена с охлаждаемым объектом. Холодильная установка может быть установлена в помещении, на открытом воздухе, на транспорте и в разных устройствах, в которых надо поддерживать заданную пониженную температуру и удалять излишнюю влагу воздуха.

Система теплообмена с охлаждаемым объектом может быть с непосредственным охлаждением холодильным агентом, по замкнутой системе, по разомкнутой, как при охлаждении сухим льдом, или воздухом в воздушной холодильной машине. Замкнутая система может также быть с промежуточным хладагентом, который переносит холод от холодильной установки к охлаждаемому объекту.

Началом развития холодильного машиностроения в широких размерах можно считать создание Карлом Линде в 1874 году первой аммиачной паро-компрессорной холодильной машины. С тех пор появилось много разновидностей холодильных машин, которые можно сгруппировать по принципу работы следующим образом: паро-компрессионнные, упрощенно называемые компрессорные, обычно с электроприводом; теплоиспользующие холодильные машины: абсорбционные холодильные машины и пароэжекторные; воздушно-расширительные, которые при температуре ниже -90 °С экономичнее компрессорных, и термоэлектрические, которые встраиваются в приборы.

Каждая разновидность холодильных установок и машин имеет свои особенности, по которым выбирается их область применения. В настоящее время холодильные машины и установки применяются во многих областях народного хозяйства и в быту.

2. Термодинамические циклы холодильных установок

Перенос теплоты от менее нагретого к более нагретому источнику становится возможным в случае организации какого-либо компенсирующего процесса. В связи с этим циклы холодильных установок всегда реализуются в результате затрат энергии.

Чтобы отводимая от «холодного» источника теплота могла быть отдана «горячему» источнику (обычно — окружающему воздуху), необходимо поднять температуру рабочего тела выше температуры окружающей среды. Это достигается быстрым (адиабатным) сжатием рабочего тела с затратой работы или подводом к нему теплоты извне.

В обратных циклах количество отводимой от рабочего тела теплоты всегда больше количества подводимой теплоты, а суммарная работа сжатия больше суммарной работы расширения. Благодаря этому установки, работающие по подобным циклам, являются потребителями энергии. Такие идеальные термодинамические циклы холодильных установок уже рассмотрены выше в пункте 10 темы 3. Холодильные установки различаются применяемым рабочим телом и принципом действия. Передача теплоты от «холодного» источника «горячему» может осуществляться за счет затраты работы или же затрат теплоты.

2.1. Воздушные холодильные установки

В воздушных холодильных установках в качестве рабочего тела используется воздух, а передача теплоты от «холодного» источника «горячему» осуществляется за счет затраты механической энергии. Необходимое для охлаждения холодильной камеры понижение температуры воздуха достигается в этих установках в результате быстрого его расширения, при котором время на теплообмен ограничено, и работа в основном совершается за счет внутренней энергии, в связи, с чем температура рабочего тела падает. Схема воздушной холодильной установки показана на рис 7.14

Рис. 14. Схема воздушной холодильной установки: ХК — холодильная камера; К — компрессор; ТО — теплообменник; Д — расширительный цилиндр (детандер)

Температура воздуха, поступающего из холодильной камеры ХК в цилиндр компрессора К, поднимается в результате адиабатного сжатия (процесс 1 — 2) выше температуры Т3 окружающей среды. При протекании воздуха по трубкам теплообменника ТО его температура при неизменном давлении понижается — теоретически до температуры окружающей среды Тз. При этом воздух отдает в окружающую среду теплоту q (Дж/кг). В результате удельный объем воздуха достигает минимального значения v3, и воздух перетекает в цилиндр расширительного цилиндра — детандера Д. В детандере, вследствие адиабатного расширения (процесс 3-4) с совершением полезной работы, эквивалентной затемненной площади 3-5-6-4-3, температура воздуха опускается ниже температуры охлаждаемых в холодильной камере предметов. Охлажденный подобным образом воздух поступает в холодильную камеру. В результате теплообмена с охлаждаемыми предметами температура воздуха при постоянном давлении (изобара 4-1) повышается до своего исходного значения (точка 1). При этом от охлаждаемых предметов к воздуху подводится теплота q2 (Дж/кг). Величина q 2, называемая хладопроизводительностью, представляет собой количество теплоты, получаемой 1 кг рабочего тела от охлаждаемых предметов.

2.2. Парокомпрессорные холодильные установки

В парокомпрессорных холодильных установках (ПКХУ) в качестве рабочего тела применяют легкокипящие жидкости (табл. 1), что позволяет реализовать процессы подвода и отвода теплоты по изотермам. Для этого используются процессы кипения и конденсации рабочего тела (хладагента) при постоянных значениях давлений.

Читайте также:  Установка цифровое телевидение в автомобиль

Физические параметры хладагентов

Температура кипения tкип при давлении р = 0,1 МПа, °С

Критическая температура, °С

Температура замерзания, tзам, °С

Скрытая теплота парообразования при tкип, кДж/кг

источник

Холодильные машины

Холодильная машина – устройство для отвода теплоты от охлаждаемого тела, температура которого должна быть ниже, чем температура окружающей среды. Холодильные машины используются для получения температур от 10 до -150 0 С.Область более низких температур относится к криогенной технике. Холодильные машины отнимают теплоту от охлаждаемого тела и передают охлаждающей среде (воде или окружающему воздуху) с затратой энергии.

Применяются несколько типов холодильных машин:

— воздушные холодильные машины;

— паровые компрессорные холодильные машины;

— абсорбционные холодильные машины.

Воздушная холодильная машина. Хладагентом в ней служит воздух. Принцип ее действия заключается в следующем. Воздух из охлаждаемой камеры 3 засасывается компрессором 1, где подвергается адиабатическому сжатию. Сжатый воздух поступает затем в теплообменник 2, где охлаждается водой. Далее воздух направляется в расширительную машину – детандер 4, где расширяется и производит полезную работу. Температура воздуха при расширении снижается до -60…-70 0 С. Охлажденный воздух затем поступает в холодильную камеру 3, где отнимает тепло от охлаждаемого тела.

Холодильный коэффициент теоретического цикла воздушной холодильной машины равен

, (3.7)

где q1 — количество теплоты, отнимаемого от охлаждаемого тела, ;

q2 — количество теплоты, передаваемое охлаждающей воде, .

Рис.3.4-Схема воздушной холодильной машины

Паровая компрессорная холодильная машина. Рабочим телом такой машины являются низкокипящие тела: аммиак, фреоны и др. При атмосферном давлении температура их кипения ниже 0 0 С. Компрессор 1 сжимает пары рабочего тела, которые затем поступают в конденсатор 2, где отдают теплоту при постоянном давлении. Пары при этом конденсируются, превращаясь в жидкость за счет охлаждения водой. Далее жидкость проходит через дроссельный клапан 4, где расширяясь, превращается в пар. Затем рабочее тело виде пара поступает в охлаждаемую камеру 3 (испаритель), где при постоянных давлении и температуре насыщенный пар превращается в нагретый, отнимая теплоту от охлаждаемого тела. Далее пар подается в компрессор и цикл повторяется.

Холодильный коэффициент машины равен

. (3.8)

где q2 – количество теплоты, отнимаемое от охлаждающего тела, ;

l – затраченная работа, ;

i1 и i2 – энтальпия рабочего тела на входе и выходе из компрессора, ;

i — энтальпия рабочего тела на входе в испаритель, .

Рис.3.5-Схема паровой компрессорной холодильной машины

Паровая компрессорная холодильная машина имеет более высокий КПД, чем воздушная.

Абсорбционная холодильная машина. В основу принципа действия абсорбционной холодильной машины положено свойство растворов изменять температуру кипения в зависимости от концентрации. В этих машинах в качестве рабочего тела используется водно-аммиачный раствор, температура которого снижается с повышением концентрации аммиака в растворе (рис.3.12.).

Абсорбционная холодильная машина работает следующим образом. Пары аммиака из генератора 1 сжижаются в конденсаторе 2 и через редукционный вентиль 3 поступают в испаритель 4, находящийся в охлаждаемой камере. При дросселировании давление паров падает от рк до давления в испарителе рх, а температура снижается от t1 до t4 . Рабочее тело при этом переходит в газожидкостное состояние, отнимая теплоту Qx.

1 – генератор; 2 – конденсатор; 3 – редукционный вентиль;

4 – испаритель; 5 – абсорбер; 6 – насос.

Рис.3.6-Схема абсорбционной холодильной машины

Образовавшиеся в испарителе пары аммиака направляются в абсорбер 5, где поглощаются слабым водно-аммиачным раствором. Здесь использовано свойство слабого аммиачного раствора поглощать холодные пары аммиака. В абсорбер 5 из генератора 1 поступает слабый раствор аммиака, который по мере поглощения паров NH3 понижает свою концентрацию, а также давление паров рх и температуру t5. Насыщенный раствор аммиака насосом 6 перекачивается в генератор 1. В генераторе 1, благодаря подводу извне теплоты Qген, происходит кипение раствора при давлении рк с выделением почти чистого аммиака NH3. По мере отгонки аммиака раствор обедняется и отводится через редукционный вентиль в абсорбер 5. Выделенные пары аммиака поступают в конденсатор 2, где сжижаются путем отвода теплоты Qk. Перекачивающий насос 6 повышает давление раствора от Рх до Рк. Теплота растворения аммиака в абсорбере Qa отводится охлаждающей водой или воздухом.

Эффективность работы абсорбционной холодильной установки оценивается коэффициентом использования тепла

, (3.9)

где qx – холодопроизводительность, т. е. тепло, отбираемое в испарителе;

q1 – количество тепла, подведенное греющим паром в генераторе;

qH – затраты тепла на работу насоса.

Абсорбционная холодильная машина имеет ряд преимуществ, благодаря которым они получили широкое распространение: простота обслуживания, невысокая стоимость, возможность использования отработанного тепла. К недостаткам относятся низкий КПД, большой расход воды.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Для студентов недели бывают четные, нечетные и зачетные. 9930 — | 7718 — или читать все.

источник

Холодильные машины

Холодильные машины предназначены для отвода тепла в целях поддержания на объекте температуры ниже, чем в окружающей среде. Подобное оборудование способно работать в очень широком диапазоне температур – +10…-80 градусов. В основе работы этих установок лежит принцип теплового насоса – они забирают тепло от объекта, затрачивая на охлаждение некоторую энергию.

Парокомпрессионные холодильные установки, оснащенные испарителем, конденсатором и компрессором, сегодня используются наиболее широко. Благодаря высокой герметичности они обладают достаточно высокой производительностью и низкими потерями потребляемой энергии.

Особенностью пароэжекторных холодильных машин является использование в качестве хладагента воды. Агрегат способен создавать пониженное давление, в результате чего жидкость в испарителе охлаждается. Пар из испарителя поступает в конденсатор, где превращается в жидкость, отдавая окружающей среде свое тепло. В охлаждаемую воду добавляется жидкость из конденсатора, которая подается в испаритель.

Производство

Особенности холодильных машин

Холодильные машины различных типов, отличающиеся устройством и принципом действия, имеют свои характерные особенности, благодаря которым они могут удовлетворять тем или иным требованиям, потребителей искусственного холода.

Прежде всего он исходит из того, какой температурный уровень должна создать и поддерживать холодильная установка и сколько теплоты необходимо отвести от охлаждаемого объекта. Эти критерии несколько ограничивают возможность выбора. Например, если требуется температура порядка —50 С, то одноступенчатые агрегаты ее не могут создать и их придется исключить из рассмотрения. Если от охлаждаемого объекта надо отводить очень много теплоты, то, скорее всего, выбор придется остановить на установке с винтовым или центробежным компрессором, который в данном случае имеют преимущества перед поршневым компрессором.

Следующий критерий выбора — затраты на приобретение, установку и эксплуатацию. Они складываются из капитальных затрат и эксплуатационных расходов.

Капитальные, т.е единовременные, затраты складываются из стоимости самой машины, стоимости помещения (или его части), где она будет стоять, фундамента (если он необходим), затрат на перевозку, монтаж, различные вспомогательные приспособления и материалы.

Эксплуатационные, т.е текущие, расходы включают прежде всего плату за энергию (любая установка для своей работы непременно требует подвода энергии) и охлаждающую воду (последние затраты исключаются при воздушном охлаждении, как, например, в домашнем холодильнике).

Плата за энергию связана с одной из важнейших характеристик холодильной машины — холодильным коэффициентом, показывающим, сколько джоулей теплоты можно отвести от охлаждаемого объекта, затратив один джоуль энергии. По этому коэффициенту судят об энергетической эффективности. Чем больше коэффициент, тем выше энергетическая эффективность. Поэтому при прочих равных условиях предпочтение отдают холодильному агрегату с наибольшим холодильным коэффициентом.

В эксплуатационные расходы входят еще затраты на содержание обслуживающего персонала и некоторые другие. Важными критериями выбора являются также ее надежность, определяемая показателями безотказности, долговечности и ремонтопригодности, степень автоматизации, уровень вибпааии и шума и ряд других, в числе которых — внешний вид (дизайн).

Насколько холодильная машина удовлетворяет требованиям потребителя, оценивают по указываемым в каталогах, рекламных проспектах и различных технических документах ее показателям, таким как холодопроизводительность, потребляемая мощность, расход охлаждающей воды, степень автоматизации, наработка на отказ, ресурс работы, масса, габаритные размеры, цена, вид поставки (единым агрегатом, отдельными блоками или «россыпью») и др.

Некоторым типам, которые соответствуют большинству требований потребителей, отдается предпочтение, другие используются довольно редко. Распространенность того или иного типа установки зависит не только от показателей, интересующих потребителей, но и от показателей, важных для изготовителей. К таким показателям относятся удельная трудоемкость изготовления, технологичность, степень унификации и стандартизации и др.

Виды пароэжекторных холодильных машин

Пароэжекторные холодильные машины обладают примерно теми же достоинствами, что и абсорбционные. Недостатки: большой шум при работе эжектора, еще более низкая, чем у абсорбционных машин, энергетическая эффективность, возможность охлаждать объект лишь до нескольких градусов выше нуля из-за использования воды в качестве хладагента. Вследствие этих недостатков имеют довольно ограниченную область применения. Их используют там, где важна простота эксплуатации и надежность, а повышенными энергетическими потерями можно пренебречь.

Обязательным условием для работы пароэжекторных установок является наличие значительного количества водяного пара давлением 0,7…1,0 МПа. Если для его получения сооружать специально паровой котел,то пропадет преимущество простоты и дешевизны паро-эжекторной машины. Поэтому их эксплуатируют, как правило, только там,где уже имеется источник водяного пара нужных параметров, причем в избытке, чтобы его хватало и для основного объекта. Такие условия имеются, например, на судах с крупными паротурбинными установками. В основном же пароэжекторные машины распространены на больших строительных объектах, где есть собственная котельная и имеется нужда в холоде.

Воздушные вихревые охлаждающие устройства чрезвычайно просты по конструкции. Они могут работать там, где есть источник сжатого воздуха — пневмома-гистраль, компрессорная станция — и где нужно простыми средствами получить относительно небольшое количество холода, примерно до 3 кВт. Вихревые охлаждающие устройства высоконадежны, безопасны в работе, но характеризуются высоким уровнем энергетических потерь, что сдерживает их широкое распространение.

Термоэлектрические охлаждающие устройства также высоконадежны, безопасны (при надлежащем качестве выполнения электрической части), просты в эксплуатации, малошумны (отсутствуют движущиеся части, кроме вентиляторов). Их характерная особенность — возможность очень просто переходить от режима охлаждения к режиму нагрева. Несмотря на указанные достоинства, из-за двух факторов — высокой стоимости полупроводниковых термоэлектрических батарей и сравнительно низкой энергетической эффективности — термоэлектрические охлаждающие устройства имеют весьма ограниченное применение.

Виды абсорбционных холодильных машин

Второй распространенный тип холодильных машин — абсорбционные. Их основная особенность состоит в том, что они потребляют не механическую, а тепловую энергию. Отсюда вытекают их достоинства и недостатки.

Абсорбционные машины просты по конструкции (кроме насосов для перекачки жидкости, в них нет других движущихся механизмов), дешевы в изготовлении, надежны, малошумны. Их можно размещать вне помещений: на открытых площадках под легкими навесами для защиты от осадков. Главный недостаток — невысокая энергетическая эффективность. Для выработки одинакового количества холода абсорбционным холодильным машинам требуется больше энергии, чем парокомпрессионным.

Это хорошо видно на примере домашних холодильников — абсорбционный «накручивает» за месяц на электросчетчике заметно больше киловатт-часов, чем компрессионный. Но это внешняя сторона. Сущность же заключается в том, что в агрегате домашнего холодильника абсорбционного типа, питающегося от электросети, потребляемая электрическая энергия превращается в тепловую энергию, которая затем обеспечивает выработку холода.

В крупных промышленных установках использовать электроэнергию необязательно. Тепловую энергию для обогрева генератора пара можно получать, сжигая газ или мазут, применяя горячий водяной пар и даже нагретую не до кипения воду. Затраты на производство тепловой энергии в этом случае меньше, чем при использовании электроэнергии, и может оказаться, что в целом (при благоприятном стечении различных обстоятельств) эксплуатация абсорбционной холодильной машины обойдется не дороже, чем эксплуатация парокомпрессионной. Если же на объекте имеются избыточные тепловые ресурсы в виде пара или горячей жидкости (тепло которых иногда даже «сбрасывают» в окружающую среду), то абсорбционные машины становятся выгоднее парокомпрессионных. Именно в таких случаях главным образом и используют абсорбционные машины.

На практике применяют две разновидности абсорбционных машин — водоаммиачные и бромистолитиевые. Они работают на двух-компонентном рабочем веществе.

В водоаммиачных машинах хладагентом служит аммиак, а абсорбентом — вода, в бромистолитиевых машинах — соответственно вода и бромистый литий. В бромистолитиевых машинах в испарителе кипит вода, поэтому с помощью этих машин можно получать температуры не ниже О °С, в противном случае вода замерзает.

Парокомпрессионные холодильные машины

Наибольшее распространение в области умеренного холода получили парокомпрессионные холодильные машины. Именно они составляют наибольшую (можно сказать подавляющую) часть парка всех работающих в мире установок. У них по сравнению с машинами других типов более высокий (при прочих равных условиях) холодильный коэффициент и наименьший расход энергии при эксплуатации.

В их составе применяются компрессоры различных типов (их конструкции будут рассмотрены в следующих статьях). Поршневые компрессоры имеют высокий коэффициент, однако для них характерна большая, чем для компрессоров других типов, вибрация и они менее надежны из-за наличия клапанов, которые гораздо чаще других детален выходят из строя. Поршневые очень хороши в машинах малой и средней холодопроизводительности и чересчур громоздки, тяжелы и менее энергетически эффективны в машинах большой холодопроиэводительности.

В последнее время начали широко использовать винтовые, которые в области малых холодопроизводительностей пока не могут конкурировать с поршневыми по энергетической эффективности, но почти сравниваются с ними по этому показателю в области средних холодопроизводительностей. Главное достоинство винтовых компрессоров — высокая надежность. Это, а также компактность и незначительная вибрация обусловили широкое применение винтовых компрессоров вначале в судовых холодильных установках, а затем в установках разных отраслей народного хозяйства. К недостаткам следует отнести повышенный уровень шума и громоздкость масляной системы.

Винтовой компрессор работает энергетически эффективно в случае, если его внутренняя степень сжатия, неизменная из-за заданной геометрии рабочих органов, совпадает с отношением давлений конденсации и кипения в холодильном цикле. Это отношение определяется внешними условиями и часто не равно внутренней степени сжатия. При их несовпадении ухудшаются энергетические показатели агрегата.

Недавно появились конструкции винтовых компрессоров с изменяющейся внутренней степенью сжатия, а значит, и с возможностью автоматически подстраиваться под меняющиеся внешние условия с целью добиться наилучшей энергетической эффективности. По мере совершенствования они постепенно будут заменить как поршневые,так и до известного предела компрессоры центробежного типа.

Центробежные компрессоры, обслуживающие парокомпрессионные машины особенно большой холодопроизводительности, не имеют конкурентов в своей области применения. Они компактны, хорошо уравновешенны, достаточно надежны. У них довольно просто и эффективно регулируется холодопроизводительность. Однако весьма трудно добиться удовлетворительных показателей у центробежных компрессоров при не очень большой холодопроизводителыюсти (менее

источник

Добавить комментарий

Adblock
detector