Почему так важно разобраться в принципах работы холодильных установок? В этой статье мы подробно рассмотрим их устройство, основные элементы и этапы функционирования. Это поможет лучше понимать возможности холодильной техники и правильно ее выбирать и эксплуатировать.
Назначение холодильной установки
Основное предназначение любой холодильной установки - это получение искусственного холода. Этот эффект достигается за счет переноса тепловой энергии от одного тела к другому. Так, например, в холодильнике тепло забирается у продуктов и переносится к радиаторам компрессора, а затем рассеивается в окружающей среде.
Физической основой работы холодильных установок являются законы термодинамики. Согласно им, тепло не может самопроизвольно переходить от более холодного тела к более теплому. Для этого требуются специальные ухищрения.
Холодильные установки применяются:
- Для хранения и заморозки пищевых продуктов
- В системах кондиционирования воздуха
- Для охлаждения технологических жидкостей
- В медицинской технике и научных исследованиях
Холодильные установки используют как в быту — холодильники, морозильники, кондиционеры, так и на производстве — промышленные холодильные камеры, охладители жидкостей и т.д.
Основные элементы холодильной установки
Холодильная установка состоит из нескольких основных элементов, соединенных трубопроводами:
- Компрессор
- Конденсатор
- Ресивер
- Испаритель
- Регулирующая и запорная арматура
- Приборы контроля и автоматики
Рассмотрим подробнее назначение каждого из них в работе холодильной установки.
Компрессор
Компрессор откачивает газообразный хладагент из испарителя и сжимает его до давления, необходимого для дальнейшей конденсации в конденсаторе. Компрессор приводится в действие от электродвигателя, двигателя внутреннего сгорания или паровой турбины. Существуют поршневые, роторные, центробежные и другие типы холодильных компрессоров.
Конденсатор
В конденсаторе сжатые горячие пары хладагента охлаждаются, конденсируются и переходят в жидкое состояние. Для отвода избыточного тепла от паров хладагента в конденсаторе используется либо воздушное, либо водяное охлаждение. Принципиальное устройство конденсатора представляет собой теплообменник с большой поверхностью оребрения.
Ресивер
Ресивер предназначен для сбора и накопления жидкого хладагента после конденсатора, а также для обеспечения постоянного перепада давлений. На входе и выходе ресивера устанавливается запорная арматура.
Испаритель
В испарителе происходит поглощение теплоты у охлаждаемого объекта или среды за счет кипения жидкого хладагента. Испарители бывают кожухотрубные, пластинчатые, калориферного типа. В зависимости от назначения холодильной установки тепло может забираться либо непосредственно от продуктов, либо через промежуточный теплоноситель.
Регулирующая и запорная арматура
Для регулирования потока хладагента по контуру холодильной установки и распределения его между испарителем и конденсатором используется запорная и регулирующая арматура. К ней относятся вентили, краны, клапаны, терморегулирующие вентили. Они позволяют оптимизировать работу холодильной системы.
Приборы контроля и автоматики
Принцип работы любой холодильной установки предусматривает автоматическое поддержание заданных параметров. Для этого используется контрольно-измерительная аппаратура: манометры, термометры, реле давления и температуры. Они контролируют текущие значения и при выходе параметров за допустимые пределы выдают команды на включение или отключение оборудования.
Хладагенты и их свойства
Для переноса теплоты в холодильных установках используются специальные рабочие вещества – хладагенты. К ним предъявляется ряд требований:
- Низкая температура кипения
- Высокая теплоемкость
- Химическая стабильность
- Нетоксичность
- Негорючесть и взрывобезопасность
В качестве хладагентов применяют аммиак, диоксид углерода, пропан, фреоны. Каждый хладагент имеет свои преимущества и недостатки.
Агрегатные состояния хладагента
В процессе работы холодильной установки хладагент последовательно превращается из газообразного в жидкое и обратно. Эти фазовые переходы зависят от давления и температуры. Понижение давления и температуры приводит к конденсации паров в жидкость, повышение – к кипению. Эти свойства и используются в принципе работы холодильных установок.
Выбор хладагента
Выбор типа хладагента зависит от требуемого уровня температур, конструктивных особенностей холодильной установки, наличия взрывозащиты, требований экологической безопасности. Оптимальный подбор хладагента в соответствии с условиями эксплуатации позволяет добиться максимальной эффективности всей системы.
Термодинамические циклы холодильных установок
Принцип работы холодильной установки основан на замкнутом термодинамическом цикле с фазовыми переходами хладагента. Различают несколько типов таких циклов.
Цикл Карно
Идеализированный цикл Карно лежит в основе термодинамической теории любой холодильной установки. Он включает следующие процессы:
- Изотермическое сжатие хладагента в компрессоре
- Изобарный перенос тепла от хладагента к нагревателю
- Изотермическое расширение хладагента в дроссельном устройстве
- Изобарный перенос тепла от охлаждаемого объекта к хладагенту
Достижение максимальной эффективности цикла Карно невозможно из-за необратимых потерь, но он задает теоретический предел.
Парокомпрессионный цикл
Наиболее широко в холодильном оборудовании применяется парокомпрессионный цикл. Его особенности:
- Использование паров хладагента
- Сжатие пара компрессором
- Конденсация горячего пара в конденсаторе
- Расширение и испарение жидкого хладагента в испарителе с отбором тепла
Такой цикл проще реализовать технически, чем цикл Карно, но уступает ему в эффективности.
Многоступенчатые холодильные установки
Для повышения эффективности используют разделение цикла на ступени. Промежуточная конденсация и дросселирование хладагента на каждой ступени снижают необратимые потери и приближают цикл к идеальному.
Реальный цикл
В отличие от идеального теоретического, реальный цикл учитывает потери давления хладагента в трубопроводах, теплообменниках и арматуре. Это приводит к дополнительной нагрузке на компрессор для их компенсации и снижению эффективности цикла.
