Вестник УКЦ АПИК: «Холодильные машины и холодильные установки. Примеры проектирования холодильных центров». Фрагменты курса

Журнал «МИР КЛИМАТА» начинает публикацию фрагментов нового учебного курса Учебно-консультационного центра «Университет климата» для проектировщиков. Рабочее название курса — «Холодильные машины и холодильные установки. Примеры проектирования холодильных центров».

В данном курсе рассматриваются:

  • теоретические основы технологии получения холода;
  • принципы работы холодильных машин;
  • основные элементы холодильных машин: компрессоры, конденсаторы, испарители,
  • вентиляторы, регуляторы потока;
  • работа холодильных машин в режиме «теплового насоса»;
  • работа холодильных машин при отрицательных температурах окружающего воздуха;
  • принципиальные схемы холодильных центров, работающих с холодильными машинами с воздушным охлаждением конденсаторов;
  • приводится конкретная разработка проектной документации холодильного центра, в которой принимаются основные технические решения; принципиальная схема холодильного центра, по программам заводов-изготовителей выполняется подбор основного оборудования: холодильных машин, сухих охладителей, пластинчатого теплообменника, циркуляционных насосов контуров холодоносителя, циркуляционного насоса для заполнения первичного контура холодоносителя этиленгликолем. Производятся гидравлические расчеты различных контуров холодоносителя по холодному и по теплому периоду года, производится подбор запорной и запорно-регулирующей арматуры трубопроводной сети холодильного центра. Рассчитываются и подбираются мембранные расширительные баки. Выполняется расчет тепловой изоляции трубопроводной сети холодильного центра.

Основные понятия и определения

Специалисты в области холодильной техники используют более 3000 специальных терминов. Далее приведены некоторые из них, без которых изложить основы технологии получения холода не представляется возможным.

Совокупность тел, которые энергетически взаимодействуют между собой, с другими телами и с окружающей их средой, составляет термодинамическую систему.

Величины, характеризующие состояние термодинамической системы, называют параметрами состояния системы.

Параметры состояния, не зависящие от массы термодинамической системы, называются интенсивными термодинамическими параметрами (например, давление и температура).

Параметры состояния, пропорциональные массе данной термодинамической системы, значение которых равно сумме значений таких же параметров отдельных составляющих системы, называются экстенсивными термодинамическими параметрами (например, объем и внутренняя энергия).

Энергия является количественной мерой различных форм движения материи. Энергия прямо или косвенно может быть превращена в работу.

Работа определяется как произведение силы на перемещение в направлении действия силы. Если тело обладает энергией, то оно может совершить работу, которая в соответствии с принципом сохранения энергии может быть преобразована в другую форму энергии.

Закон сохранения энергии формулируется следующим образом: «Работа внешних сил плюс подведенная теплота расходуются на изменение механической и внутренней энергии рабочего тела». К внешним силам относятся, например, силы давления и силы трения.

Мощность — это результат деления произведенной работы или переданной энергии в течение определенного интервала времени на продолжительность этого интервала.

Физическое состояние однородного вещества однозначно определяется тремя основными параметрами: температурой, давлением и объемом. Совокупность этих параметров определяет агрегатное состояние вещества.

Температура характеризует интенсивность теплового движения молекул, атомов и других частиц, образующих термодинамическую систему. Энергия теплового движения прямо пропорциональна абсолютной температуре тела. С молекулярно-кинетической точки зрения температура не может быть отрицательной. Наименьшее значение температуры есть нуль. При этой температуре давление идеального газа равно нулю, движение молекул прекращается. Это есть начальная точка абсолютной шкалы температур.

Абсолютная шкала температур введена английским ученым Кельвином. В этой шкале температура тройной точки воды (термодинамическое состояние, при котором имеются все три фазы вещества: газ, жидкость и твердое состояние) равна 273,1 К. По шкале Цельсия этому состоянию присвоено значение температуры 0 °С. Таким образом, между шкалами абсолютной Кельвина (К) и Цельсия (°С) существует соотношение:

Холодильные машины и холодильные установки. Примеры проектирования холодильных центров. Фрагменты курса

Давление — величина, характеризующая интенсивность действия сил на какую либо часть поверхности тела по направлениям, перпендикулярным к этой поверхности. Давление определяется отношением силы, равномерно распределенной по нормали к этой поверхности, к площади этой поверхности. Давление, создаваемое силой в один ньютон (1Н = 0,102 кгс) на площадь один квадратный метр, равно одному паскалю (Па). Более крупная единица — 1 бар = 105 Па.

Различают барометрическое (атмосферное) давление, абсолютное давление и давление разряжения. Атмосферное давление является результатом давления окружающей воздушной среды на поверхность Земли. Нормальное атмосферное давление на уровне моря уравновешивается столбом ртути 760 мм рт. ст., что соответствует 101 325 Па ≈ 105 Па = 1 бар. Разность между абсолютным и барометрическим давлением называется избыточным давлением. В закрытых сосудах измеряют избыточное давление, а абсолютное давление определяют путем сложения избыточного и атмосферного.

Теплотой называется часть энергии, которая непосредственно передается данному телу от более нагретого тела в результате теплового контакта между ними. Следует отметить, что этот способ передачи энергии не связан с совершением работы одним телом над другим.

Теплообмен между твердыми телами, газами и жидкостями, которые находятся при разных температурах, может происходить тремя способами: излучением, теплопроводностью и конвекцией.

Передача теплоты излучением происходит путем трансформации тепловой энергии тела в лучистую энергию — электромагнитные волны, которые, распространяясь в пространстве, достигают другого тела и преобразуются в тепловую энергию этого тела.

Передача теплоты теплопроводностью осуществляется за счет передачи энергии молекул более нагретых частей тела молекулам с меньшей температурой. Молекулы с большей температурой сталкиваются с молекулами с меньшей температурой и передают им часть энергии. В жидкостях и газах наряду с теплопроводностью теплота может передаваться путем перемешивания сред с разной температурой.

При конвективном теплообмене перенос теплоты осуществляется от жидкой или газообразной среды к твердому телу (например, в теплообменных аппаратах).

Удельная теплоемкость вещества (с) характеризует количество теплоты, которое необходимо для нагревания 1 кг вещества на 1 К.

Уравнение (1) является основной формулой калориметрии:

Холодильные машины и холодильные установки. Примеры проектирования холодильных центров. Фрагменты курса

где с — удельная теплоемкость вещества, ккал/(кг×К);
m — масса вещества, кг;
tк, tн — конечная и начальная температуры вещества, К.

Это уравнение позволяет определить удельную теплоемкость тела (вещества), т. е. количество теплоты, которое нужно сообщить (или изъять) телу единичной массы, чтобы повысить (или снизить) его температуру на 1К.

Удельная теплоемкость зависит от природы тела и его физического состояния: так, теплоемкость воды (жидкое состояние) практически в два раза больше, чем теплоемкость льда (твердое состояние). Следует отметить, что вода — это жидкость с самым высоким значением удельной теплоемкости. Чтобы обеспечить заданное изменение температуры, вода должна поглотить или отдать тепла больше, чем любое другое тело такой же массы.

При изменении давления и температуры теплоемкость изменяется. Поэтому, исходя из начального состояния вещества, можно получить два различных конечных состояния и две удельные теплоемкости:

Ср — удельная теплоемкость при постоянном давлении;
Сv — удельная теплоемкость при постоянном объеме.

Для газов — разность между удельной теплоемкостью при постоянном давлении и удельной теплоемкостью при постоянном объеме есть величина постоянная и называется удельной газовой постоянной.

Холодильные машины и холодильные установки. Примеры проектирования холодильных центров. Фрагменты курса

Удельный объем газа или жидкости есть объем единицы массы:

Холодильные машины и холодильные установки. Примеры проектирования холодильных центров. Фрагменты курса

где V — объем вещества, м3;
m — масса вещества, кг.

Величина, обратная удельному объему, называется плотностью.

Холодильные машины и холодильные установки. Примеры проектирования холодильных центров. Фрагменты курса

Принципы работы холодильной машины

В климатическом оборудовании охлаждение производится за счет поглощения тепла при кипении жидкости.

Температура кипения жидкости зависит от давления окружающей среды. Чем выше давление, тем выше температура кипения и, наоборот, чем ниже давление, тем ниже температура кипения.

При нормальном атмосферном давлении 760 мм рт.  ст. = 1 атм. вода кипит при температуре 100 °С, но если давление пониженное, как, например, в горах на высоте, вода начнет кипеть уже при более низкой температуре.

При одинаковых условиях разные жидкости имеют различные температуры кипения.

Например, фреон R22, широко используемый в холодильной технике, при нормальном атмосферном давлении имеет температуру кипения – 40,8 °С.

Если жидкий фреон находится в открытом сосуде, т. е. при атмосферном давлении и температуре окружающей среды, то он немедленно начнет кипеть, поглощая при этом большое количество теплоты из окружающей среды или из другого любого материала, с которым он находится в контакте. В холодильных машинах фреон кипит в специальном теплообменнике, называемом испарителем. При этом кипящий в трубках испарителя фреон активно поглощает тепло от воздушного потока, омывающего наружную, как правило, оребренную поверхность трубок.

Рассмотрим процесс конденсации паров жидкости на примере того же фреона R-22. Температура конденсации, так же как и температура кипения, зависит от давления окружающей среды. Чем выше давление, тем выше температура конденсации. Так, например, конденсация паров фреона R22 при давлении 23 атм начинается уже при температуре 55 °С. Процесс конденсации паров фреона, как и любой другой жидкости, сопровождается выделением большого количества теплоты в окружающую среду или применительно к холодильной машине передачей этой теплоты потоку воздуха или жидкости в специальном теплообменнике, называемом конденсатором.

Естественно, чтобы процесс кипения фреона в испарителе и соответствующего охлаждения воздуха, а также процесс конденсации и соответствующий отвод теплоты в конденсаторе были непрерывными, необходимо подавать в испаритель жидкий фреон, а в конденсатор должны поступать пары фреона. Такой непрерывный процесс (цикл) осуществляется в холодильной машине.

Наиболее обширный класс холодильных машин базируется на компрессионном цикле охлаждения, основными конструктивными элементами которого являются компрессор, испаритель, конденсатор и регулятор потока (капиллярная трубка или терморегулирующий расширительный клапан), соединенные трубопроводами и представляющие собой замкнутую систему, в которой циркуляцию хладагента (фреона) осуществляет компрессор. Кроме обеспечения циркуляции компрессор поддерживает в конденсаторе (на линии нагнетания) и высокое давление (20–23 атм).

Схема компрессионного цикла охлаждения

Вначале следует отметить, что кондиционер — это та же холодильная машина, но предназначенная для тепловлажностной обработки воздушного потока. Кроме того, кондиционер обладает большими возможностями, более сложной конструкцией, многочисленными дополнительными функциями.

Обработка воздуха предполагает придание ему определенных кондиций, таких как температура и влажность, а также направление движения и подвижность (скорость движения).

Остановимся на принципе работы и физических процессах, происходящих в холодильной машине.

Охлаждение в кондиционере (или, далее по тексту, в холодильной машине) обеспечивается непрерывной циркуляцией, кипением и конденсацией хладагента в замкнутой системе. Кипение хладагента происходит при низком давлении и низкой температуре, а конденсация — при высоком давлении и высокой температуре. Принципиальная схема компрессионного цикла охлаждения показана на рис. 1.

Принципиальная схема компрессионного цикла охлаждения
Рис. 1. Принципиальная схема компрессионного цикла охлаждения

Начнем рассмотрение работы цикла с выхода хладагента из испарителя (участок 1–1). Здесь хладагент находится в парообразном состоянии, с низким давлением и температурой.

Парообразный хладагент всасывается компрессором, который повышает его давление до 15–25 атм. и температуру до 70–90 °С (участок 2–2).

Далее в конденсаторе горячий парообразный хладагент охлаждается и конденсируется, т. е. переходит в жидкую фазу. Конденсатор может быть либо с воздушным, либо с водяным охлаждением в зависимости от типа холодильной машины.

На выходе из конденсатора (точка 3) хладагент находится в жидком состоянии при высоком давлении. Размеры конденсатора выбираются таким образом, чтобы газ полностью сконденсировался внутри конденсатора. Поэтому температура жидкого хладагента на выходе из конденсатора оказывается несколько ниже температуры конденсации паров. Переохлаждение в конденсаторах с воздушным охлаждением обычно составляет 4–7 °С. При этом температура конденсации паров примерно на 10–12 °С выше температуры атмосферного воздуха.

Затем хладагент в жидкой фазе при высокой температуре и давлении поступает в регулятор потока — капиллярную трубку или терморегулирующий расширительный клапан, где давление смеси резко уменьшается, часть жидкого хладагента при этом может испариться, переходя в пар. Таким образом, в испаритель попадает смесь пара и жидкого хладагента (точка 4).

Жидкость кипит в испарителе, отбирая теплоту окружающего воздуха, и вновь переходит в парообразное состояние.

Размеры испарителя выбираются так, чтобы жидкость полностью испарилась внутри него. Поэтому температура пара на выходе из испарителя оказывается выше температуры кипения, происходит так называемый перегрев хладагента в испарителе. Для конденсаторов с воздушным охлаждением величина перегрева составляет 5–8 °С. В этом случае даже самые маленькие капельки хладагента испаряются и в компрессор не попадает жидкий хладагент. Следует отметить, что в случае попадания жидкого хладагента в компрессор возникает гидравлический удар и возможны повреждения и поломки клапанов и других деталей компрессора.

Перегретый парообразный хладагент выходит из испарителя (точка 1), и цикл возобновляется.

Таким образом, хладагент постоянно циркулирует по замкнутому контуру, изменяя свое агрегатное состояние с жидкости на пар и наоборот.

Все компрессионные циклы холодильных машин включают два определенных уровня давления. Граница между ними проходит через нагнетательный клапан на выходе из компрессора с одной стороны и на выходе из регулятора потока (из капиллярной трубки или терморегулирующего расширительного клапана) с другой стороны.

Нагнетательный клапан компрессора и выходное отверстие регулятора потока являются разделительными точками между сторонами высокого и низкого давлений хладагента в холодильной машине.

На стороне высокого давления находятся все элементы, работающие при давлении конденсации.

На стороне низкого давления находятся все элементы, работающие при давлении испарения.

Несмотря на то что существует много типов компрессионных холодильных машин, принципиальная схема цикла в них практически одинакова.

Теоретический цикл охлаждения

Диаграмма «Давление и теплосодержание»
Рис. 2. Диаграмма «Давление и теплосодержание»

Цикл охлаждения можно представить графически в виде диаграммы зависимости абсолютного давления и теплосодержания (энтальпии). На диаграмме (рис. 2) представлена характерная кривая насыщения хладагента.

Левая часть кривой соответствует состоянию насыщенной жидкости, правая — состоянию насыщенного пара. Две кривые соединяются в центре в так называемой «критической точке», где хладагент может находиться как в жидком, так и в парообразном состоянии. Зоны слева и справа от кривой соответствуют переохлажденной жидкости и перегретому пару. Внутри кривой линии помещается зона, соответствующая состоянию смеси жидкости и пара.

Изображение теоретического цикла сжатия на диаграмме «Давление и теплосодержание»
Рис. 3. Изображение теоретического цикла сжатия на диаграмме
«Давление и теплосодержание»

Рассмотрим схему теоретического (идеального) цикла охлаждения и наиболее характерные процессы, происходящие в компрессионном цикле охлаждения, с тем чтобы лучше понять действующие факторы (рис. 3).

Сжатие пара в компрессоре

Холодный парообразный насыщенный хладагент поступает в компрессор (точка Сʹ). В процессе сжатия хладагента повышаются его давление и температура (точка D). Теплосодержание (энтальпия) также повышается на величину, определяемую отрезком НСʹ — НD, то есть проекцией линии Сʹ — D на горизонтальную ось.

Конденсация

В конце цикла сжатия (точка D) горячий пар поступает в конденсатор, где начинаются его конденсация и переход из состояния горячего пара в состояние горячей жидкости. Этот переход в новое состояние происходит при постоянном давлении и постоянной температуре. Следует отметить, что, хотя температура смеси остается практически неизменной, теплосодержание уменьшается за счет отвода теплоты от конденсатора и превращения пара в жидкость. Поэтому этот процесс на диаграмме изображается в виде прямой, параллельной горизонтальной оси.

Процесс в конденсаторе происходит в три фазы: снятие перегрева (линия D — Е), собственно конденсация (линия Е — А) и переохлаждение жидкости (линия А — Аʹ). Рассмотрим кратко каждую фазу.

Снятие перегрева (линия D — Е)

Это первая фаза, происходящая в конденсаторе, и в течение нее температура охлаждаемого пара снижается до температуры насыщения или конденсации. На этом этапе происходит лишь отъем излишней теплоты и не происходит изменение агрегатного состояния хладагента.

На этом участке осуществляется примерно 10–20 % общего теплосъема в конденсаторе.

Конденсация (линия Е — А)

Температура конденсации охлаждаемого пара и образующейся жидкости сохраняется постоянной на всем протяжении этой фазы. Происходит изменение агрегатного состояния хладагента с переходом насыщенного пара в состояние насыщенной жидкости.

На этом участке происходит 60–80 % теплосъема.

Переохлаждение жидкости (линия А — Аʹ)

На этой стадии хладагент, находящийся в жидком состоянии, подвергается дальнейшему охлаждению, в результате чего его температура понижается. Получается переохлажденная жидкость (по отношению к состоянию насыщенной жидкости) без изменения агрегатного состояния.

Переохлаждение хладагента дает значительные энергетические преимущества: при нормальном функционировании понижение температуры хладагента на один градус соответствует повышению мощности холодильной машины примерно на 1 % при том же уровне энергопотребления.

Количество теплоты, выделяемой в конденсаторе

Участок D — Аʹ соответствует изменению теплосодержания хладагента в конденсаторе и характеризует количество теплоты, выделяемой в конденсаторе.

Регулятор потока (линия Аʹ — В)

Переохлажденная жидкость с параметрами в точке Аʹ поступает на регулятор потока (капиллярную трубку или терморегулирующий расширительный клапан), где происходит резкое снижение давления. Если давление за регулятором потока становится достаточно низким, то кипение хладагента может происходить непосредственно за регулятором, достигая параметров в точке В.

Испарение жидкости в испарителе (линия В — Сʹ)

Смесь жидкости и пара (точка В) поступает в испаритель, где поглощает теплоту окружающей среды (потока воздуха) и переходит полностью в парообразное состояние (точка С).

Процесс происходит при постоянной температуре, но с увеличением теплосодержания.

Как уже говорилось выше, парообразный хладагент несколько перегревается на выходе из испарителя. Главная задача фазы перегрева (линия С — Cʹ) — обеспечение полного испарения оставшихся капель жидкого хладагента, чтобы в компрессор поступал только парообразный хладагент. Это требует повышения площади теплообменной поверхности испарителя на 2–3 % на каждые 0,5 °С перегрева. Поскольку обычно перегрев составляет 5–8 °С, то увеличение площади поверхности испарителя может составить около 20 %, что, безусловно, оправданно, т. к. увеличивается эффективность охлаждения.

Количество теплоты, поглощаемой испарителем

Участок НВ — НСʹ соответствует изменению теплосодержания хладагента в испарителе и характеризует количество теплоты, поглощаемой испарителем.

Реальный цикл охлаждения

Изображение цикла реального сжатия на диаграмме «Давление – теплосодержание»
Рис. 4. Изображение цикла реального сжатия на диаграмме
«Давление – теплосодержание»

В действительности в результате потерь давления, возникающих на линии всасывания и линии нагнетания, а также в клапанах компрессора, цикл охлаждения изображается на диаграмме несколько иным образом (рис. 4).

CʹL — потери давления при всасывании в компрессор;
MD — потери давления при выходе из компрессора;
HDHCʹ — теоретический термический эквивалент сжатия;
HDʹHCʹ — реальный термический эквивалент сжатия;
CʹD — теоретическое сжатие;
LM — реальное сжатие.

Из-за потерь давления на входе (участок Сʹ — L) компрессор должен производить всасывание при давлении ниже давления испарения.

С другой стороны, из-за потерь давления на выходе (участок М — Dʹ) компрессор должен сжимать парообразный хладагент до давлений выше давления конденсации.

Необходимость компенсации потерь увеличивает работу сжатия и снижает эффективность цикла.

Помимо потерь давления в трубопроводах и клапанах на отклонение реального цикла от теоретического влияют также потери давления в процессе сжатия.

Во-первых, процесс сжатия в компрессоре отличается от адиабатического. Поэтому реальная работа сжатия оказывается выше теоретической, что также ведет к энергетическим потерям.

Во-вторых, в компрессоре имеются чисто механические потери, приводящие к увеличению потребляемой мощности электродвигателя компрессора и увеличению работы сжатия.

В-третьих, из-за того что давление в цилиндре компрессора в конце цикла всасывания всегда ниже давления пара перед компрессором (давление испарения), происходит уменьшение производительности. Кроме того, в компрессоре всегда имеется объем, не участвующий в процессе сжатия, например, объем под головкой цилиндра.

Оценка эффективности цикла охлаждения

Эффективность цикла охлаждения обычно оценивается коэффициентом полезного действия или коэффициентом термической (термодинамической) эффективности.

Коэффициент эффективности может быть вычислен как отношение изменения теплосодержания хладагента в испарителе к изменению теплосодержания в процессе сжатия, т. е.:

Холодильные машины и холодильные установки. Примеры проектирования холодильных центров. Фрагменты курса

Фактически этот коэффициент представляет собой отношение холодильной мощности и электрической мощности, потребляемой компрессором.

Холодильные машины и холодильные установки. Примеры проектирования холодильных центров. Фрагменты курса

Причем коэффициент термической эффективности не является показателем производительности холодильной машины, а представляет собой сравнительный параметр при оценке эффективности процесса передачи энергии. Так, например, если холодильная машина имеет коэффициент термической эффективности, равный 3, то это означает, что на каждую единицу электроэнергии, потребляемой холодильной машиной, производится 3 единицы холода.

В следующем номере мы продолжим публиковать фрагменты нового учебного курса для проектировщиков, запись на обучение по которому скоро начнется в Учебно-консультационном центре АПИК «Унивеситет климата»

наши проекты
  • АПИК
  • Университет климата
  • Выставка «Мир климата»
  • АПИК-тест