≡×МЕНЮ

• Інтер'єр
• Вікна
• Стіни
• Проекти
• Будівлі

Як працює холодильник? Як працює холодильник: пристрій та принцип роботи основних типів холодильників Принцип роботи компресорно-холодильного обладнання

і які процеси відбуваються під час її роботи. Для кінцевого споживача холодильного обладнання, людини, якій необхідний штучний холод на його підприємстві, чи це зберігання чи заморозка продукції, кондиціювання приміщення чи , води і т.д., не обов'язково детально знати та розуміти теорію фазових перетворень у холодильному устаткуванні. Але основні знання у цій сфері допоможуть йому у правильномута постачальника.

Холодильна машина призначена для забору тепла (енергії) від тіла, що охолоджується. Але за законом збереження енергії тепло просто так нікуди не зникне, отже, взяту енергію необхідно перенести (віддати).

Процес охолодження заснований на фізичному явищілені поглинання тепла при кипінні (випаровуванні) рідини (рідкого холодоагенту).призначений для відсмоктування газу з випарника та стиску, нагнітання його в конденсатор. При стисканні та нагріванні парів холодоагенту ми повідомляємо їм енергію (або тепло), охолоджуючи та розширюючи, ми відбираємо енергію. Це основний принцип, на основі якого відбувається перенесення тепла та працює холодильна установка. У холодильному устаткуванні для перенесення тепла застосовують холодоагенти.

Холодильний компресор 1 відсмоктує газоподібний холодоагент (фреон) з (теплообмінник або повітря-охолоджувач) 3, стискає його і нагнітає в 2 (повітряний або водяний). У конденсаторі 2 холодоагент конденсується (охолоджується потоком повітря від вентилятора або потоком води) і переходить у рідкий стан. З конденсатора 2 рідкий холодоагент (фреон) потрапляє в ресивер 4 де відбувається його накопичення. Такожресивер необхідний постійного підтримки необхідного рівня холодоагенту. Ресивер оснащений запірними вентилями 19 на вході та виході. З ресивера холодоагент надходить у фільтр-осушувач 9, де відбувається видалення залишків вологи, домішок і забруднень, після цього проходить через оглядове скло з індикатором вологості 12, соленоїдний вентиль 7 і дроселюється терморегулюючим вентилем 17 випарник 3.

Терморегулюючий вентиль застосовується для регулювання подачі холодоагенту у випарник

У випарнику холодоагент кипить, забираючи тепло від об'єкта охолодження. Пари холодоагенту з випаровувача через фільтр на всмоктувальній магістралі 11, де відбувається очищення їх від забруднень, і відділювач рідини 5 надходять у компресор 1. Потім цикл роботи холодильної машини повторюється.

Відділювач рідини 5 запобігає потраплянню рідкого холодоагенту компресор.

Для забезпечення гарантованого повернення масла в картер компресс-сора на виході з компресора встановлюватися маслоотделитель 6. При цьому масло через запірний вентиль 24, фільтр 10 та оглядове скло 13 лінії повернення масла надходить в компресор.

Віброізолятори 25, 26 на всмоктувальній і нагнітальній магістралях забезпечують гасіння вібрацій при роботі компресора і перешкоджають їх поширенню по холодильному контуру.

Компресор оснащений картерним нагрівачем 21 та двома запірними вентилями 20.

Картерний нагрівач 21 необхідний для випарювання хладагента з олії, запобігання конденсації хладагента в картері компресора під час його стоянки і підтримки необхідної температури олії.

У холодильних машинах з напівгерметичними, у яких в системі мастила використовується масляний насос, застосовується реле контролю тиску олії 18. Це реле призначене для аварійного відключення компресора у разі зниження тиску олії в системі мастила.

У разі установки агрегату на вулиці він повинен бути додатково укомплектований гідравлічним регулятором тиску конденсації, для забезпечення стабільної роботи в зимових умовахта підтримки необхідного тиску конденсації в холодну пору року.

Реле високого тиску 14 управляють включенням/вимиканням вентиляторів конденсатора, для підтримки необхідного тиску конденсації.

Реле низького тиску 15 управляє включенням/вимиканням компресора.

Аварійне реле високого та низького тиску 16 призначене для аварійного відключення компресора у разі зниженого або підвищеного тиску.

Охолодження різних об'єктів - продуктів харчування, води, інших рідин, повітря, технічних газівта ін до температур нижче температури довкіллявідбувається за допомогою холодильних машин різних типів. Холодильна машина за великим рахунком не виробляє холоду, вона є лише своєрідним насосом, який переносить теплоту від менш нагрітих тіл до більш нагрітих. Заснований процес охолодження на постійному повторенні т.зв. зворотного термодинамічного або холодильного циклу. У найпоширенішому парокомпресійному холодильному циклі перенесення теплоти відбувається при фазових перетвореннях холодоагенту – його випаровування (кипіння) та конденсації за рахунок споживання підведеної ззовні енергії.

Основними елементами холодильної машини, за допомогою яких реалізується її робочий цикл, є:

• компресор – елемент холодильного циклу, що забезпечує підвищення тиску холодоагенту та його циркуляцію у контурі холодильної машини;
• дроселюючий пристрій (капілярна трубка, терморегулюючий вентиль) служить регулювання кількості холодоагенту, що потрапляє у випарник залежно від перегріву на випарнику.
• випарник (охолоджувач) – теплообмінник, у якому відбувається кипіння холодоагенту (з поглинанням тепла) та безпосередньо сам процес охолодження;
• конденсатор - теплообмінник, в якому в результаті фазового переходу холодоагенту з газоподібного стану в рідкий відведена теплота скидається в навколишнє середовище.

При цьому необхідна наявність у холодильній машині інших допоміжних елементів, - Електромагнітні (соленоїдні) вентилі, контрольно- вимірювальні прилади, оглядове скло, фільтри-осушувачі і т.д. Всі елементи з'єднані між собою в внутрішній герметичний контур за допомогою трубопроводів з теплоізоляцією. Контур холодильної машини заповнюється холодоагентом необхідної кількості. Основною енергетичною характеристикою холодильної машини є холодильний коефіцієнт, який визначається відношенням кількості тепла, відведеного від джерела, що охолоджується, до витраченої енергії.

Холодильні машини в залежності від принципів роботи та холодоагенту бувають декількох типів. Найбільш поширені парокомпресійні, пароежекторні, абсорбційні, повітряні та термоелектричні.

Холодоагент

Холодоагент – робоча речовина холодильного циклу, основною характеристикою якого є низька температура кипіння. Як холодоагенти найчастіше застосовують різні вуглеводневі сполуки, які можуть містити атоми хлору, фтору або брому. Також холодоагентом можуть бути аміак, вуглекислий газ, пропан і т.д. Рідше як холодоагент застосовують повітря. Всього відомо близько сотні типів холодоагентів, але виготовляється промисловим способом і широко застосовується в холодильній, кріогенній техніці, кондиціонуванні повітря та інших галузях всього близько 40. Це R12, R22, R134A, R407C, R404A, R410A, R717. Основна сфера застосування холодоагентів – це холодильна та хімічна промисловість. Крім того, деякі фреони використовують як палички при виробництві різної продукції в аерозольній упаковці; спінювачів при виробництві поліуретанових та теплоізолюючих виробів; розчинників; а також як речовини, що гальмують реакцію горіння, для систем пожежогасіння різних об'єктів підвищеної небезпеки – теплових та атомних електростанцій, цивільних морських суден, бойових кораблів та підводних човнів.

Терморегулюючий вентиль (ТРВ)

Терморегулюючий вентиль (ТРВ) – один з основних компонентів холодильних машин, відомий як найпоширеніший елемент для дроселювання та точного регулювання подачі холодоагенту у випарник. ТРВ використовує як регулятор витрати холодоагенту клапан голчастого типу, що примикає до основи тарілчастої форми. Кількість та витрата холодоагенту визначається прохідним перерізом ТРВ і залежить від температури на виході з випарника. При зміні температури холодоагенту на виході з випарника тиск всередині цієї системи змінюється. При зміні тиску змінюється прохідний переріз ТРВ і, відповідно, змінюється витрата холодоагенту.

Термосистема заповнена на заводі-виробнику точно певною кількістю того ж холодоагенту, який є робочою речовиною даної холодильної машини. Завдання ТРВ – дроселювання та регулювання витрати холодоагенту на вході у випарник таким чином, щоб у ньому найбільш ефективно проходив процес охолодження. При цьому холодоагент повинен повністю перейти у пароподібний стан. Це необхідно для надійної роботи компресора та виключення його роботи т.зв. «вологим» ходом (тобто стиснення рідини). Термобалон кріпиться на трубопровід між випарником та компресором, причому у місці кріплення необхідно забезпечити надійний термічний контакт та теплоізоляцію від впливу температури навколишнього середовища. Останні 15-20 років у холодильній техніці стали набувати широкого поширення електронні ТРВ. Вони відрізняються тим, що у них відсутня виносна термосистема, а її роль грає терморезистор, закріплений на трубопроводі за випарником, пов'язаний кабелем з мікропроцесорним контролером, який у свою чергу керує електронним ТРВ і всіма робочими процесами холодильної машини.

Соленоїдний вентиль служить для двопозиційного регулювання («відкрито-закрито») подачі холодоагенту у випарник холодильної машини або для відкриття-закриття зовнішнього сигналу певних ділянок трубопроводів. За відсутності живлення на котушці тарілка клапана під впливом спеціальної пружини утримує соленоїдний вентиль закритим. При подачі живлення осердя електромагніту, з'єднаний штоком з тарілкою, долає зусилля пружини, втягується в котушку, тим самим піднімаючи тарілку і відкриваючи прохідний перетин вентиля для подачі холодоагенту.

Оглядове скло в холодильній машині призначене для визначення:

1. стани холодоагенту;
2. наявність вологи в холодоагенті, що визначається кольором індикатора.

Оглядове скло зазвичай монтують у трубопроводі на виході з накопичувального ресивера. Конструктивно оглядове скло є металевим герметичним корпусом з вікном з прозорого скла. Якщо при роботі холодильної машини у вікні спостерігається потік рідини з окремими бульбашками пароподібного холодоагенту, це може свідчити про недостатню заправку або інші несправності в її функціонуванні. Може встановлюватися і друге оглядове скло на іншому кінці зазначеного вище трубопроводу, в безпосередній близькості від регулятора витрати, яким може бути вентиль соленоїдний, ТРВ або капілярна трубка. Колір індикатора вказує на наявність або відсутність вологи в холодильному контурі.

Фільтр-осушувач або цеолітовий патрон - ще один важливий елемент контуру холодильних машин. Він необхідний видалення вологи і механічних забруднень з холодоагенту, цим захищаючи від засмічення ТРВ. Зазвичай він монтується за допомогою паяних або штуцерних з'єднань безпосередньо в трубопровід між конденсатором та ТРВ (солоноїдним вентилем, капілярною трубкою). Найчастіше конструктивно є відрізок мідної трубидіаметром 16...30 і довжиною 90...170 мм, закатаний з обох боків і з приєднувальними патрубками. Усередині по краях встановлені дві металеві сітки, що фільтрують, між якими розташований гранульований (1,5...3,0 мм) адсорбент, зазвичай це синтетичний цеоліт. Це т.зв. разовий фільтр-осушувач, але існують багаторазові конструкції фільтрів з розбірним корпусом і різьбовими трубопровідними з'єднаннями, що вимагають лише іноді заміни внутрішнього цеолітового картриджа. Заміна разового фільтра-осушувача або картриджа необхідна після кожного розкриття внутрішнього контуру холодильної машини. Існують односпрямовані фільтри, призначені для роботи в системах «тільки холод» і двоспрямовані, які використовуються в агрегатах «тепло-холод».

Ресівер

Ресивер – герметичний циліндричний накопичувальний бак різної ємності, виготовлений з сталевого листа, і службовець для збору рідкого холодоагенту та його рівномірної подачі до регулятора витрати (ТРВ, капілярна трубка) та випарник. Існують ресивери як вертикального, і горизонтального типу. Розрізняють лінійні, дренажні, циркуляційні та захисні ресивери. Лінійний ресивер встановлюється за допомогою паяних з'єднань у трубопровід між конденсатором та ТРВ та виконує наступні функції:

• забезпечує безперервну та безперебійну роботу холодильної машини при різних теплових навантаженнях;
• є гідравлічним затвором, що перешкоджає попаданню пари холодоагенту в ТРВ;
• виконує функцію масло- та повітровідділювача;
• звільняє труби конденсатора від рідкого холодоагенту.

Дренажні ресивери служать для збирання та зберігання всієї кількості заправленого холодоагенту на час ремонтних та сервісних робіт, пов'язаних з розгерметизацією внутрішнього контуру холодильної машини.

Циркуляційні ресивери застосовують у насосно-циркуляційних схемах подачі рідкого холодоагенту у випарник для забезпечення безперервної роботинасоса і монтують у трубопровід після випарника в точку з найнижчою відміткою по висоті для вільного зливу рідини.

Захисні ресивери призначені для безнасосних схем подачі фреону у випарник, їх встановлюють спільно з відокремлювачами рідини у всмоктуючий трубопровід між випарником та компресором. Вони служать для захисту компресора від можливої ​​роботи"вологим" ходом.

Регулятор тиску – автоматично керований регулюючий клапан, що застосовується для зниження або підтримки тиску холодоагенту шляхом зміни гідравлічного опору потоку рідкого холодоагенту, що проходить через нього. Конструктивно складається з трьох основних елементів: регулюючого клапана, його виконавчого механізму та вимірювального елемента. Виконавчий механізм безпосередньо впливає на тарілку клапана, змінюючи або закриваючи прохідний переріз. Вимірювальний елемент порівнює поточне та задане значення тиску холодоагенту та формує керуючий сигнал для виконавчого механізму регулюючого клапана. У холодильній техніці є регулятори низького тиску, частіше звані пресостатами. Вони керують тиском кипіння у випарнику, їх встановлюють у всмоктуючий трубопровід за випарником. Регулятори високого тиску називають маноконтролерами. Їх найчастіше застосовують у холодильних машинах з повітряним охолодженням конденсатора підтримки мінімально необхідного тиску конденсації при зниженні температури зовнішнього повітря у перехідний і холодний період року, забезпечуючи цим т.зв. зимове регулювання. Маноконтроллер встановлюють нагнітальний трубопровід між компресором і конденсатором.

Пристрій, а також принцип роботи холодильника поверхово вивчається на уроках фізики, однак, не кожна доросла людина уявляє, як працює холодильник? Розгляд та аналіз основних технічних аспектівдопоможе на практиці продовжити термін експлуатації та покращити роботу побутового холодильника.

Пристрій компресійного холодильника

Влаштування холодильника найкраще розглядати на прикладі компресійного зразка, оскільки в побуті найчастіше використовуються саме такі апарати:

1. – пристрій, який за допомогою поршня проштовхує холодоагент (газ), утворюючи різний тиск на різних ділянках системи;
2. Випарник- Місткість, в яку потрапляє розріджений газ, що вбирає тепло з холодильної камери;
3. Конденсатор- Місткість, в якій стислий газ віддає тепло в навколишній простір;
4. Терморегулюючий вентиль– пристрій, що підтримує необхідний тиск холодоагенту;
5. Холодоагент- суміш газів (найчастіше використовують фреон), яка під впливом роботи компресора циркулює в системі, забираючи та віддаючи тепло на різних її ділянках.

Робота холодильника

Пристрій холодильника, а також принцип роботи холодильника з однією камерою можна зрозуміти, переглянувши відповідне відео:

Найважливішим аспектом у розумінні роботи компресійного апарату і те, що він створює холод як такої. Холод виникає внаслідок відбору тепла всередині пристрою та відправлення його назовні. Цю функцію виконує фреон. Потрапляючи у випарник, який зазвичай складається з алюмінієвих трубок або, спаяних між собою пластин, пари фреону поглинають тепло.

Це потрібно знати:у холодильниках старого зразка корпус випарника одночасно є корпусом морозильної камери. При розморожуванні цієї камери не можна користуватися гострими предметамидля усунення льоду, оскільки через пробитий корпус випарника весь фреон вивітриться. Холодильник без холодоагенту стає неробочим і підлягає дорогому ремонту.

Далі під впливом компресора пари фреону залишають випарник і переходять у конденсатор (система із трубок, які розташовуються усередині стінок та на задній частині агрегату). У конденсаторі холодоагент остигає, поступово стаючи рідким. По дорозі у випарник газова суміш осушується у фільтрі-осушувачі, а також проходить через капілярну трубку. На вході у випарник за рахунок збільшення внутрішнього діаметратрубки тиск падає і газ стає пароподібним. Цикл повторюється до тих пір, поки не буде досягнуто необхідної температури.

Як працює компресор?

За допомогою поршня компресор переганяє холодоагент з однієї системи трубок в іншу, змінюючи поперемінно фізичний стан фреону. При подачі холодоагенту конденсатор компресор його сильно стискає, чому фреон нагрівається. Пройшовши довгий шлях лабіринтом трубок конденсатора, охолоджений фреон через розширену трубку потрапляє у випарник. Від різкої зміни тиску холодоагент швидко охолоджується. Тепер пари фреону здатні поглинути певну дозу тепла та перейти до системи трубок конденсатора.

У побутових приладіввикористовують повністю герметичні корпуси компресорів, які пропускають робочу газову суміш. З метою герметичності електродвигун, який приводить у рух поршень, також розташовується всередині корпусу компресора. Всі деталі, що труться всередині мотор-компресора змащені спеціальним маслом.

Електрична схемахолодильника може стати корисною для тих, хто готовий до самостійної діагностики та ремонту холодильника:

Пристрій та принцип роботи двокамерного холодильника

Пристрій двокамерного холодильника відрізняється від однокамерного тим, що у кожному відсіку є свій випарник. На відміну від попередників, у двокамерних апаратах обидва відсіки ізольовані один від одного. У таких пристроях морозилка, як правило, розташовується внизу, а холодильна частина – вгорі. Принцип роботи двокамерного холодильника полягає в тому, що робоча газова суміш спочатку остуджує випарник морозилки до певної мінусової температури. Тільки після цього фреон перетворюється на випарник холодильного відсіку. Після того, як випарник холодильної камери досягне певної мінусової температури, спрацьовує терморегулятор, який зупиняє роботу мотора.

У побуті найчастіше використовуються двокамерні апарати з одним компресором. У агрегатах із двома моторами принцип роботи холодильника істотно не змінюється, просто один компресор працює на морозилку, інший – на холодильну камеру. Вважають, що робота холодильника з одним компресором більш економічна, але насправді це не завжди так. Адже в апараті з двома моторами можна відключати одну з камер, роботи якої немає потреби. Робота двокамерного холодильника з одним компресором завжди передбачає одночасне охолодження обох камер.

Холодильник та температура зовнішнього середовища

В інструкції з експлуатації більшості побутових холодильниківвказано за якої температури краще всього його експлуатувати. Мінімально допустимим показником є ​​температура +5 за Цельсієм. Чи може холодильник працювати в умовах холоду, особливо на морозі? Розглянемо можливі проблеми:

• Неправильна робота термостату.У звичайних умовах терморегулятор розриває електричне коло при досягненні необхідної температури. Коли повітря всередині прогріється, термостат знову замкне електричний ланцюг, і двигун відновить свою роботу. В умовах мінусової температури зовнішнього середовища термостат, швидше за все, повторно не ввімкне компресор, так як теплу всередині камери просто нема звідки взятися;
• Утруднений запуск компресора.У старих апаратах найчастіше застосовувалися холодоагенти R12 та R22. Для нормальної роботи використовувалися рефрижераторні олії, які при температурі нижче +5С стають занадто густими, а це означає, що запуск та рух поршня буде скрутним;
• Виникнення ефекту вологого ходу.Оскільки тепла у холодильнику немає, то порушується робота випарника. У компресор надходить насичена краплями пара. Внаслідок тривалої роботи в таких умовах вся механіка двигуна буде пошкоджена.

Простими словами, щадне ставлення до пристрою значно продовжить термін його роботи.

Принцип роботи абсорбційного холодильника

В абсорбційному апараті охолодження пов'язане з випаровуванням робочої суміші. Найчастіше такою речовиною є аміак. Пересування холодоагенту відбувається внаслідок розчинення аміаку у воді. З абсорбера розчин аміаку надходить у десорбер, а далі – дефлегматор, в якому суміш поділяється на початкові складові. У конденсаторі аміак стає рідким і знову прямує у випарник.

Переміщення рідини забезпечують струменеві насоси. Крім води та аміаку в системі є водень або інший інертний газ.

Найчастіше абсорбційний холодильник потрібний там, де неможливо використовувати звичайний компресійний аналог. У побуті такі апарати застосовуються рідко, оскільки вони порівняно недовговічні, а холодоагент є отруйною речовиною.

Режим роботи та відпочинку компресійного холодильника

Багатьом користувачам цікаве питання: скільки має працювати холодильник? Єдино вірним критерієм нормальної роботи домашнього апаратує достатній ступінь заморожування та охолодження продуктів у ньому.

Скільки холодильник може працювати, а скільки має відпочивати не прописано в жодній інструкції, однак існує поняття «оптимального коефіцієнта робочого часу». Для його обчислення тривалість робочого циклу поділяють на суму робочого та неробочого циклу. Так, наприклад, холодильник, який пропрацював 15 хвилин з подальшим 25-хвилинним відпочинком, матиме коефіцієнт 15/(15+25) = 0,37. Чим менший цей коефіцієнт, тим краще працює холодильник. Якщо в результаті підрахунку вийде число менше 0,2, швидше за все, неправильно виставлена ​​температура в холодильнику. Коефіцієнт більше 0,6 означає, що герметичність агрегату порушено.

Як працює холодильник No Frost?

У холодильниках із системою no frost («без інею») є лише один випарник, який захований у морозилці за пластиковою стінкою. Холод від нього передається за допомогою вентилятора, розташованого за випарником. Через технологічні отвори холодне повітрянадходить у морозильну, а далі – в холодильну камеру.

Вконтакте

Холодильні машини та установкипризначені для штучного зниження і підтримки зниженої температури нижче температури навколишнього середовища від 10 ° С до -153 ° С в заданому об'єкті, що охолоджується. Машини та установки для створення нижчих температур називаються кріогенними. Відведення та перенесення теплоти здійснюється за рахунок споживаної при цьому енергії. Холодильна установка виконується за проектом залежно від проектного завдання, що визначає об'єкт, що охолоджується, необхідного інтервалу температур охолодження, джерел енергії і видів охолоджуючого середовища (рідка або газоподібна).

Холодильна установка може складатися з однієї або кількох холодильних машин, укомплектованих допоміжним обладнанням: системою енерго- та водопостачання, контрольно-вимірювальними приладами, приладами регулювання та управління, а також системою теплообміну з об'єктом, що охолоджується. Холодильна установка може бути встановлена ​​в приміщенні, відкритому повітрі, на транспорті та в різних пристроях, у яких треба підтримувати задану знижену температурута видаляти зайву вологу повітря.

Система теплообміну з об'єктом, що охолоджується, може бути з безпосереднім охолодженням холодильним агентом, по замкнутій системі, по розімкнутій, як при охолодженні сухим льодом, або повітрям в повітряній холодильній машині. Замкнута системаможе також бути з проміжним холодоагентом, який переносить холод від холодильної установкидо об'єкта, що охолоджується.

Початком розвитку холодильного машинобудування в широких розмірах можна вважати створення Карлом Лінде в 1874 першої аміачної паро-компресорної холодильної машини. З того часу з'явилося багато різновидів холодильних машин, які можна згрупувати за принципом роботи наступним чином: паро-компресійні, спрощено звані компресорні, зазвичай з електроприводом; тепловикористовуючі холодильні машини: абсорбційні холодильні машини та пароежекторні; повітряно-розширювальні, які при температурі нижче -90 °С економічніші за компресорні, і термоелектричні, які вбудовуються в прилади.

Кожен різновид холодильних установок і машин має свої особливості, за якими вибирається їх сфера застосування. В даний час холодильні машини та установки застосовуються в багатьох областях народного господарствата у побуті.

2. Термодинамічні цикли холодильних установок

Перенесення теплоти від менш нагрітого до більш нагрітого джерела стає можливим у разі організації будь-якого компенсуючого процесу. У зв'язку з цим цикли холодильних установок завжди реалізуються внаслідок витрат енергії.

Щоб теплота, що відводиться від «холодного» джерела, могла бути віддана «гарячому» джерелу (зазвичай - навколишньому повітрі), необхідно підняти температуру робочого тіла вище температури навколишнього середовища. Це досягається швидким (адіабатним) стиском робочого тіла з витратою роботи або підведенням до нього теплоти ззовні.

У зворотних циклах кількість теплоти, що відводиться від робочого тіла, завжди більше кількості теплоти, що підводиться, а сумарна робота стиснення більше сумарної роботи розширення. Завдяки цьому установки, що працюють за подібними циклами, є споживачами енергії. Такі ідеальні термодинамічні цикли холодильних установок вже розглянуті вище в пункті 10 теми 3. Холодильні установки відрізняються застосовуваним робочим тілом та принципом дії. Передача теплоти від «холодного» джерела «гарячому» може здійснюватися за рахунок витрати роботи або витрат теплоти.

2.1. Повітряні холодильні установки

У повітряних холодильних установках як робоче тіло використовується повітря, а передача теплоти від «холодного» джерела «гарячому» здійснюється за рахунок витрати механічної енергії. Необхідне для охолодження холодильної камери зниження температури повітря досягається в цих установках в результаті швидкого розширення, при якому час на теплообмін обмежено, і робота в основному здійснюється за рахунок внутрішньої енергії, у зв'язку з чим температура робочого тіла падає. Схема повітряної холодильної установки показана на рис. 7.14

Мал. 14. : ХК - холодильна камера; К – компресор; ТО – теплообмінник; Д - розширювальний циліндр (детандер)

Температура повітря, що надходить з холодильної камери ХК в циліндр компресора, піднімається в результаті адіабатного стиснення (процес 1 - 2) вище температури Т3 навколишнього середовища. При протіканні повітря трубками теплообмінника ТО його температура при постійному тиску знижується - теоретично до температури довкілля Тз. При цьому повітря віддає в довкілля теплоту q (Дж/кг). В результаті питомий об'єм повітря досягає мінімального значення v3 і повітря перетікає в циліндр розширювального циліндра - детандера Д. У детандері, внаслідок адіабатного розширення (процес 3-4) з вчиненням корисної роботи, еквівалентної затемненої площі 3-5-6-4-3, температура повітря опускається нижче за температуру охолоджуваних в холодильній камері предметів. Охолоджене подібним чином повітря надходить у холодильну камеру. В результаті теплообміну з предметами, що охолоджуються, температура повітря при постійному тиску (ізобара 4-1) підвищується до свого вихідного значення(Точка 1). При цьому від предметів, що охолоджуються, до повітря підводиться теплота q2 (Дж/кг). Величина q 2, звана холодопродуктивністю, являє собою кількість теплоти, що отримується 1 кг робочого тіла від предметів, що охолоджуються.

2.2. Парокомпресорні холодильні установки

У парокомпресорних холодильних установках (ПКХУ) як робоче тіло застосовують легкокиплячі рідини (табл. 1), що дозволяє реалізувати процеси підведення та відведення теплоти за ізотермами. Для цього використовуються процеси кипіння та конденсації робочого тіла (холодоагенту) при постійних значеннях тисків.

Таблиця 1.

У XX столітті як холодоагенти широко застосовували різні фреони на основі фторхлорвуглеців. Вони викликали активне руйнування озонового шару, у зв'язку з чим в даний час їх застосування обмежене, і як основний холодоагент використовують холодоагент К-134А (відкритий у 1992 році) на основі етану. Його термодинамічні властивості близькі до властивостей фреону К-12. В обох холодоагентів несуттєво розрізняються молекулярні маси, теплоти пароутворення і температури кипіння, але, на відміну К-12, холодоагент К-134А не агресивний стосовно озоновому шару Землі.

Схема ПКХУ та цикл у T-s-координатах показані на рис. 15 та 16. У ПКХУ зниження тиску та температури здійснюється дроселюванням холодоагенту при його протіканні через редукційний вентиль РВ, прохідний переріз якого може змінюватися.

Холодоагент з холодильної камери ХК надходить у компресор До, в якому адіабатно стискається в процесі 1 -2. Суха насичена пара, що утворюється при цьому, надходить у КД, де конденсується при постійних значеннях тиску і температури в процесі 2-3. Теплота q1, що виділяється, відводиться до «гарячого» джерела, яким у більшості випадків є навколишнє повітря. Конденсат, що утворився, дроселюється в редукційному вентилі РВ зі змінним прохідним перерізом, що дозволяє змінювати тиск вологої пари, що виходить з нього (процес 3-4).

Мал. 15. Принципова схема (а) та цикл у T-s-координатах (б) парокомпресорної холодильної установки: КД – конденсатор; К – компресор; ХК – холодильна камера; РВ - редукційний вентиль

Оскільки процес дроселювання, що протікає при незмінному значенні ентальпії (h3 - h), незворотний, його зображують пунктирною лінією. Отримана в результаті процесу волога насичена пара невеликого ступеня сухості потрапляє в теплообмінник холодильної камери, де при постійних значеннях тиску і температури випаровується за рахунок теплоти q2b відбирається від предметів, що знаходяться в камері (процес 4-1).

Мал. 16. : 1 – холодильна камера; 2 – теплоізоляція; 3 – компресор; 4 - стиснена гаряча пара; 5 – теплообмінник; 6 - охолоджувальне повітря або вода, що охолоджує; 7 - рідкий холодоагент; 8 – дросельний вентиль (розширювач); 9 - рідина, що розширилася, охолоджена і частково випарувалася; 10 - охолоджувач (випарник); 11 - теплоносій, що випарувався

Внаслідок «підсушування» ступінь сухості холодоагенту зростає. Кількість теплоти, що відбирається у предметів, що охолоджуються в холодильній камері, в Т-Б-координатах визначається площею прямокутника під ізотермою 4-1.

Використання в ПКХУ легкокиплячих рідин як робоче тіло дозволяє наблизитися до зворотного циклу Карно.

Замість дроселюючого вентиля для зниження температури можна використовувати і розширювальний циліндр - детандер (див. рис. 14). При цьому установка працюватиме за зворотним циклом Карно (12-3-5-1). Тоді теплота, що відбирається у предметів, що охолоджуються, буде більшою - вона визначиться площею під ізотермою 5-4-1. Незважаючи на часткову компенсацію витрат енергії на привід компресора позитивною роботою, що отримується при розширенні холодоагенту в розширювальному циліндрі, такі установки не застосовують через їх конструктивну складність і великі габаритних розмірів. До того ж в установках із дроселем змінного перерізу набагато простіше регулювати температуру в холодильній камері.

Рис. 17.

Для цього достатньо лише змінити площу прохідного перерізу дроселюючого вентиля, що призводить до зміни тиску і відповідної температури насичених парів холодоагенту на виході з вентиля.

В даний час замість поршневих компресорівв основному використовують лопаткові компресори (рис. 18). Про більшу економічність ПКХУ в порівнянні з повітряними установками свідчить і той факт, що відношення холодильних коефіцієнтів ПКХУ та зворотного циклу Карно

У реальних парокомпресорних установках з теплообмінника-випарника холодильної камери в компресор надходить не волога, а суха або навіть перегріта пара (рис. 17). Це збільшує відведену теплоту q2, зменшує інтенсивність теплообміну холодоагенту зі стінками циліндра та покращує умови змащування поршневої групи компресора. У подібному циклі у конденсаторі відбувається деяке переохолодження робочого тіла (ділянка ізобари 4-5).

Мал. 18.

2.3. Пароежекторні холодильні установки

Цикл пароежекторної холодильної установки (рис. 19 та 20) також здійснюють за рахунок витрати теплової, а не механічної енергії.

Мал. 19. ХК - холодильна камера; Е – ежектор; КД – конденсатор; РВ – редукційний вентиль; Н – насос; КА - котельний агрегат

Мал. 20.

При цьому компенсуючим є мимовільне перенесення теплоти від нагрітого тіла до менш нагрітого тіла. Як робоче тіло може використовуватися пара будь-якої рідини. Однак зазвичай використовують найдешевший і доступний холодоагент - водяна пара при низьких значеннях тиску та температури.

З котельної установки пар надходить у сопло ежектора Е. При закінченні пари з великою швидкістю в камері змішування за соплом створюється розрідження, під дією якого камеру змішування підсмоктується холодоагент з холодильної камери ХК. У дифузорі ежектора швидкість суміші зменшується, а тиск і температура зростають. Потім парова суміш надходить у конденсатор КД, де перетворюється на рідину в результаті відведення в довкілля теплоти q1. У зв'язку з багаторазовим зменшенням питомої обсягу процесі конденсації тиск знижується до значення, у якому температура насичення приблизно дорівнює 20 °З. Одна частина конденсату перекачується насосом Н в котельний агрегат КА, а інша - піддається дроселюванню у вентилі РВ, в результаті чого при зниженні тиску та температури утворюється волога пара з невеликим ступенем сухості. У теплообміннику-випарнику ХК ця пара підсушується при постійній температурі, відбираючи теплоту q2 у охолоджуваних предметів, а потім знову надходить у паровий ежектор.

Оскільки витрати механічної енергії на перекачування рідкої фази в абсорбційних і пароежекторних холодильних установках вкрай малі, ними нехтують, і ефективність таких установок оцінюють коефіцієнтом тепловикористання, що являє собою відношення теплоти, що відбирається від охолоджуваних предметів до теплоти, використовуваної для реалізації циклів.

Для отримання низьких температур внаслідок перенесення теплоти до «гарячого» джерела можуть використовувати й інші принципи. Наприклад, температуру можна знижувати внаслідок випаровування води. Цей принцип застосовують в умовах жаркого та сухого клімату у випарних кондиціонерах.

3. Побутові та промислові холодильники

Холодильник - пристрій, що підтримує низьку температуру теплоізольованої камери. Зазвичай їх застосовують для зберігання їжі та інших предметів, які потребують зберігання холодному місці.

На рис. 21 показано схему роботи однокамерного холодильника, а на рис. 22 – призначення основних частин холодильника.

Мал. 21.

Мал. 22.

Робота холодильника заснована на застосуванні теплового насосу, що переносить теплоту з робочої камери холодильника назовні, де воно віддається зовнішньому середовищу. У промислових холодильникахоб'єм робочої камери може досягати десятків та сотень м3.

Холодильники можуть бути двох видів: середньотемпературні камери для зберігання продуктів та низькотемпературні морозильники. Однак у Останнім часомнайбільшого поширення набули двокамерні холодильники, що включають обидва компоненти.

Холодильники бувають чотирьох типів: 1 – компресійні; 2 – абсорбційні; 3 – термоелектричні; 4 – з вихровими охолоджувачами.

Мал. 23. : 1 – конденсатор; 2 – капіляр; 3 – випарник; 4 - компресор

Мал. 24.

Основними складниками холодильника є:

1 - компресор, який одержує енергію від електричної мережі;

2 - конденсатор, що знаходиться зовні холодильника;

3 - випарник, що знаходиться усередині холодильника;

4 - терморегулюючий розширювальний вентиль (ТРВ), що є дроселюючим пристроєм;

5 - холодоагент (циркулююча в системі речовина з певними фізичними характеристиками - зазвичай ним є фреон).

3.1. Принцип роботи компресійного холодильника

Теоретичною основою, де побудований принцип роботи холодильників, схема яких показано на рис. 23 є друге початок термодинаміки. Охолоджуючий газ у холодильниках робить так званий зворотний цикл Карно. У цьому основна передача теплоти заснована не так на циклі Карно, але в фазових переходах - випаровуванні і конденсації. У принципі можливе створення холодильника, який використовує тільки цикл Карно, але при цьому для досягнення високої продуктивностізнадобиться або компресор, що створює дуже високий тиск, або дуже велика площаохолоджуючого та нагрівального теплообмінника.

Холодоагент надходить у випарник під тиском через дроселюючий отвір (капіляр або ТРВ), де за рахунок різкого зменшеннятиску відбувається випаровуваннярідини та перетворення її на пару. При цьому холодоагент забирає теплоту у внутрішніх стінвипарника, за рахунок чого відбувається охолодження внутрішнього просторухолодильника. Компресор засмоктує з випарника холодоагент у вигляді пари, стискає його, рахунок чого температура холодоагенту підвищується і виштовхує в конденсатор. У конденсаторі нагрітий в результаті стиснення холодоагент остигає, віддаючи теплоту в зовнішнє середовище, і конденсується, тобто. перетворюється на рідину. Процес повторюється знову. Таким чином, у конденсаторі холодоагент (зазвичай ним є фреон) під впливом високого тиску конденсується і переходить у рідкий стан, виділяючи теплоту, а у випарнику під впливом низького тиску холодоагент закипає і переходить у газоподібне, поглинаючи теплоту.

Терморегулюючий вентиль (ТРВ) необхідний створення необхідної різниці тисків між конденсатором і випарником, коли він відбувається цикл теплопередачі. Він дозволяє правильно (найповніше) заповнювати внутрішній обсяг випарника холодоагентом, що закипіло. Пропускний переріз ТРВ змінюється в міру зниження теплового навантаження на випарник, причому при зниженні температури в камері кількість холодоагенту, що циркулює, зменшується. Капіляр – це аналог ТРВ. Він не змінює свій переріз, а дроселює певну кількість холодоагенту, що залежить від тиску на вході та виході капіляра, його діаметра та типу холодоагенту.

При досягненні необхідної температури датчик температурирозмикає електричний ланцюг і компресор зупиняється. При підвищенні температури (за рахунок зовнішніх факторів) Датчик знову включає компресор.

3.2. Принцип роботи абсорбційного холодильника

В абсорбційному водо-аміачному холодильнику використовується властивість одного з широко розповсюджених холодоагентів – аміаку – добре розчинятися у воді (до 1000 об'ємів аміаку на 1 об'єм води). Принцип роботи абсорбційної холодильної установки показано на рис. 26, та її принципова схема - на рис. 27.

Мал. 26.

Мал. 27. : ГП – генератор пари; КД – конденсатор; РВ1, РВ2 – редукційні вентилі; ХК – холодильна камера; Аб - абсорбер; Н - насос

У цьому випадку необхідне для будь-якого випарного холодильника видалення газоподібного холодоагенту зі змійовика випарника ведуть поглинанням його водою, розчин аміаку в якій потім перекачують у спеціальну ємність (десорбер/генератор) і розкладають на аміак і воду шляхом нагріву. Пари аміаку та води з неї під тиском надходять у пристрій поділу (ректифікаційна колона), де пари аміаку відокремлюються від води. Далі практично чистий аміак потрапляє в конденсатор, де охолоджуючись, конденсується і через дросель знову надходить у випарник для випаровування. Така теплова машина може використовувати для перекачування розчину холодоагенту різноманітні пристосування, у тому числі струменеві насоси, і не мати рухомих. механічних частин. Крім аміаку і води, можуть використовуватися інші пари речовин - наприклад, розчин бромистого літію, ацетилен і ацетон. Переваги абсорбційних холодильників- безшумність роботи, відсутність рухомих механічних частин, можливість роботи від нагрівання прямим спалюванням палива, недолік - низька холодопродуктивність на одиницю об'єму.

3.3. Принцип роботи термоелектричного холодильника

Існують пристрої, засновані на ефекті Пельтьє, що полягає в поглинанні теплоти одним із спаїв термопар (різнорідних провідників) при виділенні її на іншому спаї у разі пропускання через них струму. Цей принцип використовують, зокрема, у сумках-кулерах. Можливе як зниження, так і підвищення температури за допомогою запропонованих французьким інженером Ранком вихрових трубок, в яких температура істотно змінюється по радіусу закрученого вихрового повітряного потоку, що рухається в них.

Термоелектричний холодильник ґрунтується на елементах Пельтьє. Він безшумний, але поширений мало через дорожнечу охолоджуючих термоелектричних елементів. Однак невеликі автомобільні холодильникита охолоджувачі питної водичасто виробляють із охолодженням від елементів Пельтьє.

3.4. Принцип роботи холодильника на вихрових охолоджувачах

Охолодження здійснюється рахунок розширення попередньо стисненого компресором повітря у блоках спеціальних вихрових охолоджувачів. Вони поширені мало через велику шумність, необхідність підведення стисненого (до 1,0-2,0 МПа) повітря і дуже великої його витрати, низького ККД. Позитивні якості - велика безпека (не використовується електрика, немає рухомих частин і небезпечних хімічних сполук), довговічність та надійність.

4. Приклади холодильних установок

Деякі схеми та описи холодильних установок різного призначення, а також їх фотографії показані на рис. 27-34.

Мал. 27.

Мал. 28.

Мал. 29.

Рис. 32.

Мал. 33.

Наприклад, холодильні установки компресорно-конденсаторні (тип АКК) або компресорно-ресиверні (тип АКР) показані на рис. 34, призначені для роботи з підтримкою температури від +15 до -40 °С в камерах об'ємом від 12 до 2500 м3.

До складу холодильної установки входять: 1 - компресорно-конденсаторний або компресорно-ресиверний агрегат; 2 - охолоджувач повітря; 3 - терморегулюючий вентиль (ТРВ); 4 – соленоїдний вентиль; 5 – щит управління.

Принцип дії холодильної установки

Для отримання штучного холоду у техніці використовується властивість рідини змінювати свою температуру кипіння залежно від тиску.

Щоб перетворити рідину на пару, до неї необхідно підвести деяку кількість тепла. Навпаки, перетворення пари в рідину (процес конденсації) відбувається при відібранні тепла від пари.

Холодильна установка складається з чотирьох основних частин: компресора, конденсатора, регулюючого вентиля та охолоджувача повітря (випарника), з'єднаних послідовно між собою трубопроводами.

У цій схемі по замкнутому контуру циркулює холодильний агент - речовина, здатна кипіти при низьких температурах, що залежать від тиску пари в охолоджувачі повітря. Чим нижчий цей тиск, тим нижча і температура кипіння. Процес-кипіння холодильного агента супроводжується відібранням тепла від навколишнього середовища, в якому знаходиться охолоджувач повітря, внаслідок чого це середовище охолоджується.

Пари холодильного агента, що утворюються в повітроохолоджувачі, відсмоктуються компресором, стискуються в ньому і нагнітаються в конденсатор. У процесі стиснення тиск та температура парів холодильного агента підвищується. Таким чином, компресор створює, з одного боку, знижений тиск в охолоджувачі повітря, необхідне для кипіння холодильного агента при низькій температурі, і, з іншого, підвищений тиск нагнітання, при якому можливий перехід холодильного агента з компресора в конденсатор.

У конденсаторі відбувається конденсація гарячої пари холодильного агента, тобто перетворення їх на рідину. Конденсація пар здійснюється в результаті відібрання від них тепла повітрям, що охолоджує конденсатор.

Для отримання холоду необхідно, щоб температура кипіння (випаровування) холодильного агента була нижчою за температуру охолоджуваного середовища.

Холодильна установка АР-3 є єдиним агрегатом, змонтованим на каркасі з теплоізоляційною стінкою, що відокремлює випарну частину (повітроохолоджувач) від іншого обладнання. Випарна частина входить-впроріз, зроблений у передній стінці вантажного приміщення. Зовнішнє повітрязасмоктується через конденсатор осьовим вентилятором усередину машинного відділення.

На одному валу з вентилятором конденсатора розташований вентилятор повітроохолоджувача, що здійснює циркуляцію повітря у вантажному приміщенні.

Таким чином, у холодильній установці АР-3 є дві-незалежні повітряні системи:
- система циркуляції охолодженого повітря у вантажному приміщенні (повітря з підлоги вантажного приміщення через напрямний повітропровід засмоктується осьовим вентилятором в охолоджувач повітря, охолоджується і викидається під стелю-вантажного приміщення);
- Система охолодження конденсатора.

Осьовим вентилятором, розташованим усередині машинного відділення, повітря засмоктується з навколишнього середовища через жалюзі лобової панелі кузова, надходить на конденсатор, охолоджує його і викидається назовні через жалюзі, встановлені на бічних дверях машинного відділення.

Для охолодження карбюраторного двигуна повітря забирається через спеціальне вікноу передній стінці кузова і викидається всередину -машинного відділення. Нагріте повітря з машинного відділення виходить назовні через жалюзі бічних дверей.

Щит управління та всі прилади автоматики, а також вимірювальні прилади розташовані з лівої (по ходу автомобіля) сторони холодильної установки та мають вільний доступ.

Паливо до карбюраторного двигуна подається з бака, укріпленого у верхній частині установки.

Холодильна установка являє собою замкнуту герметичну систему, що складається з чотирьох основних частин: повітроохолоджувача, фреонового компресора, конденсатора і терморегулюючого вентиля, послідовно з'єднаних трубопроводами. Ця система заповнена холодильним агентом фреоном-12, який безперервно циркулює в ній, переходячи1 з однієї частини до іншої.

Компресор засмоктує з охолоджувача 8 утворилися при кипінні пари фреону, стискає їх до тиску конденсації. Одночасно з підвищенням тиску парів підвищується і їх температура до 70-80 °С. Нагріті пари фреону з компресора нагнітаються трубопроводом в конденсатор. У конденсаторі відбувається конденсація парів фреону, т. е. перетворення в рідину. Конденсація парів здійснюється в результаті відібрання від них. тепла повітрям, що обдуває зовнішню поверхнюконденсатора.

Рідкий фреон із конденсатора надходить у ресивер (запасну ємність). З ресивера рідкий фреон прямує в теплообмінник, де, проходячи по змійовиках, переохолоджується за рахунок теплообміну з холодними парами фреону, що рухаються назустріч з охолоджувача повітря. Потім рідкий фреон потрапляє у фільтр-осушувач, де очищається від вологи та забруднень вологопоглинаючою речовиною – силікагелем.

Мал. 2. Холодильна
1 – щит управління; 2 – щит приладів; 3 – блок вентиляторів; 4 - конден 5 - фільтр-осушувач; 9 - теплообмінник; 10 - теплоізоляційна стінка; 1-ий двигун УД-2; 15 - реле-регулятор РР24-Г; 16 - терморегулюючий пресор ФВ-6; 19 – електродвигун А-51-2;

З фільтра-осушувача рідкий фреон направляється в терморегулюючий вентиль, який служить для регулювання кількості фреону, що надходить в охолоджувач повітря (випарник).

У терморегулювальному вентилі, проходячи через отвір малого діаметра, фреон дроселюється, тобто різко знижує свій тиск. При цьому тиск його знижується від конденсації тиску до тиску випаровування.

Зниження тиску призводить до зниження температури фреону. Фреон у вигляді парорідинної суміші надходить через розподільник рідини в охолоджувач повітря, і цикл повторюється.

Фреон, протікаючи по трубках охолоджувача повітря при низькому тиску, інтенсивно кипить і, випаровуючись, переходить з рідкого стану в пароподібний.

Тепло, необхідне для випаровування (прихована теплота пароутворення), сприймається фреоном через стінки охолоджувача повітря від повітря вантажного приміщення, що продувається вентилятором через ребристу поверхню охолоджувача повітря.

Мал. 3. Схема потоків повітря в холодильній установці: А-потік повітря для охолодження конденсатора; Б - потік повітря для охолодження карбюраторного двигуна

За цих умов температура повітря вантажного приміщення знижується і продукти, що знаходяться у вантажному приміщенні, передаючи тепло більш холодному повітрі, охолоджуються.

Терморегулюючий вентиль поділяє фреонову систему на дві частини: магістраль високого тиску (тиск нагнітання або конденсації) - від нагнітальної порожнини компресора до терморегулюючого вентиля та магістраль низького тиску (тиск всмоктування або випаровування) - від терморегулюючого вентиля до всмоктувальної порожнини.

З повітроохолоджувача пари фреону по всмоктувальному трубопроводу відсмоктуються компресором і подаються в теплообмінник, де вони, проходячи через міжтрубний простір, перегріваються рідким фреоном, що проходить по змійовику. Потім пари фреону потрапляють у компресор, і далі описаний процес циркуляції фреону в холодильній установці відбувається за замкненим циклом.

У конденсаторі фреон, перетворюючись з пари в рідину, віддає тепло повітря, що продувається з навколишньої атмосфери, а в повітроохолоджувачі, перетворюючись з рідини в пару, поглинає тепло повітря вантажного приміщення, знижуючи тим самим температуру у вантажному приміщенні.

Таким чином, в холодильній установці відбувається циркуляція холодильного агента - фреону-12, який сам не витрачається, а на одержання холоду витрачається лише механічна енергія компресора, який приводиться в дію карбюраторним або електричним двигуном.

Потужність холодильної установки визначається холодопродуктивністю за годину роботи і вимірюється кількістю тепла (кілокалорій за годину), яку холодильна установка може відібрати протягом години від середовища, що охолоджується, в даному випадку від вантажного приміщення рефрижератора.

Компресор холодильної установки приводиться у обертання через клино-ременную передачу карбюраторним двигуном, а при роботі від електричної мережі-електродвигуном.

Зі шківа компресора рух передається також клиновим ременем на генератор постійного струму і вал вентиляторів, що створюють потоки повітря через конденсатор і охолоджувач повітря.

Температура (від -15 ° до +4 ° С) у вантажному приміщенні кузова підтримується автоматично за допомогою двопозиційного термореле ТДДА.

Коли у вантажному приміщенні кузова потрібно підтримувати позитивну температуру, холодопродуктивність установки можна різко зменшити за допомогою регулюючого крана на трубопроводі, що всмоктує. При цьому золотник крана має бути повернутий до упору за годинниковою стрілкою.