Устройство, принцип работы холодильной установки и интеграция

Чем отличается холодильная установка от машины?

Холодильная установка представляет собой комплекс: здание с теплоизоляцией, холодильники, оборудование, предназначенное для приема, транспортировки и использования искусственного охлаждения. Это означает, что в дополнение к 4-м элементам холодильника или немашинным компонентам холодопроизводительности в состав установки также входят оборудование, трубопроводы, установки, конструкции и теплоизоляционное оборудование для реализации технологического процесса и оптимального работа холодильной камеры.

Холодильные установки используются для накопления, транспортировки и хранения вторичной энергии. Для этого используются, например, водоаммиачные абсорбционные установки, солнечные установки с фреоновыми котлами для выработки низкотемпературной энергии.

холодильные станции различаются по следующим характеристикам: мобильные и стационарные (по назначению), производительности (большие: свыше 120 кВт, средние: до 120 кВт, малые: до 15 кВт), температурный класс (высокие: +10-+20°С). С, среднетемпературный: -10—30°С, низкотемпературный: ниже -30°С, по схеме (каскадная, одноступенчатая, двухступенчатая, многоступенчатая), по типу хладагента (аммиачный , этан, пропан, пароводяной, фреоновый, воздушный, водоаммиачный, бромистый литий и др).

Большинство устройств представляют собой парокомпрессионные компрессоры различных типов (поршневые, винтовые, ротационные, спиральные или центробежные). Широко используются парокомпрессионные устройства с поршневыми компрессорами.

Монреальское соглашение призвало к работе по замене ХФУ, влияющих на озоновый слой. Поэтому альтернативные хладагенты и смеси используются в бытовых холодильниках и процессах отвода и нагревания тепла с переменными температурами.

Учитывая различные факторы, нет однозначного способа выбрать холодильное оборудование. Объективный подход заключается в сравнении капитальных затрат и эксплуатационных затрат (годовой экономический эффект).

Принцип работы насоса

Все насосы работают по одному принципу и имеют общие характеристики. Охарактеризуйте рабочие понятия: всасывающий и нагнетательный патрубки, давление, расход, мощность, минимальная избыточная высота всасывания и допустимая высота всасывания.

Таким образом, масловсасывающая труба — это место, где масло забирается в гидравлическую систему.

Ветвь, из которой выходит жидкость, называется давлением или напором. Подъемная сила – это высота столба жидкости.

Напор – количество жидкости, перекачиваемой за определенный период времени. Мощность насоса измеряется в киловаттах (кВт). Эта единица относится к энергии, потребляемой в единицу времени. Чем выше число, тем мощнее оборудование.

Определение минимального верхнего всасывания – это механическая энергия на входе в насосную установку. Если эта метрика упадет ниже допустимого значения, во время прогона появятся пузырьки. Они начинают лопаться и влиять на работу (посторонние шумы и гидроудары).

Доступная высота всасывания представляет собой сумму давления жидкости во всасывающем резервуаре и сопротивления трубопровода.

Купить насосы и другое необходимое оборудование для вашей системы водоснабжения вы можете в нашем интернет-магазине .

конструкция насоса

Насосы делятся на различные типы в зависимости от конструктивных особенностей. Тип насоса:

• водяное колесо;
• подъемный винт Архимеда;
• поршень;
• Сильфоны;
• лезвие;
• Дверь;
• механизм;
• кулачок;
• рабочее колесо;
• синус;
• затянуть;
• жутко;
• вихрь;
• газлифт;
• мембрана;
• диагональ;
• центробежный;
• узловатый;
• Три винта;
• инъекция;
• Гидравлический пресс;
• спираль;
• Пол.

Читайте также: Компрессор для холодильника: причины поломок и замена

Объёмные и центробежные насосы

По принципу работы насосы можно разделить на поршневые и центробежные. Объемные насосы работают под давлением. Студии в них объединены с входами и выходами посредством циклических соединений. Данное оборудование подходит для перекачивания тяжелых и вязких жидкостей. Они относятся к категории высокого давления.

Объемные насосы не подходят для перекачивания загрязненных жидкостей. Основные особенности: высокая вибрация при работе (монтируются на прочных опорах), неравномерная подача жидкости и самовсасывание, герметичность, циркуляция, независимость от давления. Примеры поршневых насосов: крыльчатые, лопастные, винтовые, поршневые, перистальтические, диафрагменные.

Центробежные насосные агрегаты работают за счет сил инерции. Нагнетание и всасывание в насосе осуществляется за счет двойного преобразования энергии. Кинетическая энергия превращается в потенциальную энергию. Студии, входы и выходы объединены постоянными соединениями. Они характеризуются равномерной подачей и плавной (без вибраций) работой. Они не будут работать без жидкости внутри (сухое всасывание). Примеры динамических насосов: лопастные насосы, осевые насосы, вихревые насосы, струйные насосы и гидроцилиндры.

Схема работы насоса

Нагнетание и всасывание насоса

В работе всех типов насосов есть две основные характеристики: всасывающая и нагнетательная. Перекачка – это процесс выдавливания жидкости в нагнетательный трубопровод. Это зависит от конструкции и принципа работы насоса.

Откачка – это разреженный процесс в рабочей камере. Жидкость поступает в увеличенную камеру под действием давления. Дополнительно рабочий элемент проталкивает его в трубу.

Эти процессы происходят из-за разного давления в баке насоса. Всасывание с помощью тонкого пространства в механизме. Принудительно из-за чрезмерного давления.

Процесс всасывания и нагнетания в поршневом насосе

Линия нагнетания поршневого насоса представляет собой закрытую камеру, в которой поршень совершает возвратно-поступательное движение и движется вперед. Всасывание происходит, когда поршень выходит из бака. Объем студии увеличен. При движении поршня назад поступающая жидкость выталкивается наружу. В поршневом насосе попеременно происходят всасывание и нагнетание с постоянным объемом.

движение жидкости между рабочей камерой, напорным и всасывающим патрубками происходит с помощью дозирующего клапана. В этом типе насоса используются тарельчатые, шаровые и лепестковые клапаны. Они используются в системах со скоростями ниже 200 об/мин. Кольцевые клапаны используются в высокоскоростных (свыше 200 об/мин) поршневых насосах.

Существует два типа поршневых насосов: одинарного действия и двойного действия. В устройствах двойного действия с обеих сторон поршня рабочие камеры расположены с обеих сторон. В этом типе конструкции всасывание и нагнетание насоса происходит после каждого движения поршня.

Схема центробежного насоса и направление движения жидкости в нем

Центробежные насосы и их производительность

Всасывание и нагнетание центробежного насоса осуществляются по спирали под действием вращающегося колеса с лопастями в корпусе. Жидкость движется равномерно под действием центробежной силы без остановки.

На выходе скорость жидкости увеличивается.

На напор и производительность центробежного насоса влияет число оборотов рабочего механизма. Для измерения давления рассчитать теоретические и практические показатели.

Под теоретическим давлением обычно понимают давление на входе и выходе из сопла рабочей камеры

Фактический напор – это фактический показатель, полученный с учетом потерь энергии после преодоления гидравлического сопротивления в рабочем колесе.

В этом видео рассказывается об основных типах насосов и о том, как они работают

Линии всасывания и нагнетания

Всасывающая линия представляет собой трубу или шланг, по которому жидкость поступает к форсунке. Резервуар или емкость должны располагаться как можно ближе к насосу. На линии всасывания не должно быть дополнительных трубопроводов или клапанов. Чем больше диаметр трубы, тем меньше вероятность образования пузырьков воздуха (кавитации).

Нагнетательная линия насоса представляет собой рабочую камеру, из которой жидкость поступает в напорную трубку. Сюда входят: дроссельные заслонки и обратные клапаны. Подача жидкости регулируется дроссельной заслонкой. Обратные клапаны используются для предотвращения кавитации и предотвращения утечки жидкости во время остановов.

Он расположен между насосом и дроссельной заслонкой.

Системы охлаждения

Холодильник использует компрессор для передачи тепла из холодной среды в теплую. Чиллеры работают по термодинамическому циклу. Адсорбционные и абсорбционные чиллеры не имеют механического привода (двигателя). Целью охладителя является охлаждение до уровня температуры ниже температуры окружающей среды. Чиллеры похожи на тепловые насосы, но последние используют вырабатываемое тепло.

Чиллер решение

Чиллеры работают по следующему принципу:

• В системах с холодным паром используется испарительное охлаждение с использованием хладагента с температурой испарения, подходящей для желаемого диапазона температуры и давления. Хладагент непрерывно претерпевает фазовый переход жидкость-газ в контуре и наоборот.
• Машины, использующие эффект Джоуля-Томсона, не требуют разбавления, а используют охлаждающий эффект газа при релаксации. Также используется процесс Линде. Используя многоступенчатую систему, можно получить низкую теплотворную способность, например, для сжиженного воздуха.

Когда американский врач Джон Горри построил во Флориде в 1845 году первый в мире действующий охладитель воды, он искал способы улучшить лечение пациентов в своих жарких и влажных больницах Флориды. Согласно медицинской теории, «плохой воздух» является основным фактором, вызывающим болезни, а зимний лед, принесенный с северной части пяти крупных озер, является единственным средством охлаждения.

Машина Горри использует принцип, обратный двигателю Стирлинга, для производства кубиков льда при охлаждении помещения (кондиционирование воздуха). Создан прототип. Затем последовал финансовый крах. Д. Горри умер в нищете.

Охлаждение стало экономичным в 1870-х годах. Первыми крупными потребителями стали пивоварни. Основным производителем был немецкий промышленник Карл фон Линде.

Системы для получения холода

Холод, «производимый» чиллером, используется для технологических процессов, кондиционирования воздуха, производства льда (катки), консервации и охлаждения продуктов. Тепло поглощается прямо или косвенно. В случае непрямого производства холода используйте хладагент (холодная вода, рассол, смесь с гликолем во избежание замерзания труб).

Конструкция простого теплообменника

Промежуточная жидкость охлаждается испаряющимся хладагентом в первом теплообменнике и поглощает тепло охлаждаемой среды во втором теплообменнике. В случае прямого использования рабочего тела одна сторона теплообменника представляет собой испаряемый хладагент, а другая сторона — охлаждаемое вещество.

Об установке и принципе работы холодильной установки в этом видео:

Абсорбционные холодильные системы

Абсорбционные системы относятся к классу теплоутилизирующих машин, в которых охлаждение достигается за счет сочетания прямого цикла (преобразование теплоты в работу) и обратного цикла (получение охлаждения за счет затрат работы). Таким образом, задействованы 3 источника тепла: окружающая среда, нагреватель и охлаждаемый объект. На рисунке ниже представлена ​​принципиальная схема простейшей абсорбционной холодильной установки, работающей по бинарному типу.

Абсорбционные холодильники имеют дополнительный растворитель и холодильный контур. Рабочая жидкость состоит из двух частей: растворителя и хладагента. Хладагент должен быть полностью растворим в растворителе. Широко распространены абсорбционные холодильники, использующие воду в качестве хладагента и водный раствор бромида лития (LiBr) в качестве растворителя.

Испарение воды примерно до 3 °C достигается с помощью вакуума. Абсорбционные чиллеры, использующие аммиак (NH3) в качестве хладагента и воду в качестве растворителя, обеспечивают более низкие уровни температуры. Большие абсорбционные холодильные системы с аммиаком достигают температуры испарения -70 °C. В случае абсорбционных чиллеров существует дополнительная возможность увеличения поглощаемого тепла.

Принцип работы абсорбционной установки

Диффузионно-абсорбционный чиллер

Диффузионно-абсорбционный охладитель работает как абсорбционный охладитель. Однако изменения давления проявляются как изменения парциального давления. Для этого необходим третий компонент рабочего тела – инертный газ. Плюсы в том, что герметизированный корпус герметичен, съемные уплотнители не требуются, устройство работает тихо. Например, технология используется в кемпинговых и гостиничных холодильниках.

Адсорбционные холодильные системы

Адсорбционные системы работают со стационарным растворителем (сорбентом), в котором хладагент адсорбируется или десорбируется. Тепло добавляется в процесс при десорбции и отводится при адсорбции. Поскольку адсорбент не может циркулировать в цикле, процесс можно проводить только периодически.

Поэтому использовали две адсорбционные камеры, где адсорбцию и десорбцию проводили одновременно в течение одного рабочего цикла (от 6 до 10 мин). В конце рабочего цикла две камеры обмениваются теплом и выделяют тепло (переключение, около 1 минуты). Затем снова параллельно начинают адсорбцию и десорбцию. Это обеспечивает почти равномерное охлаждение.

Компрессионная холодильная машина

В компрессорной установке рабочее тело протекает по проточному контуру, попеременно поглощая теплоту при более низкой температуре и выделяя (больше) теплоты при более высокой температуре. Откачка, введение механической работы, необходима для поддержания потока и процесса.

Схема работы холодильника: 1-конденсатор, 2-расширительный клапан, 3-испаритель, 4-компрессор

Такие машины работают за счет попеременного испарения и конденсации среды (хладагента) или газообразной среды (преимущественно воздуха). Первый тип широко используется, например, в бытовых холодильниках, морозильных камерах, системах учета, кондиционерах, катках, предприятиях пищевой промышленности и химической промышленности.

Согласно второму закону термодинамики, для работы машины энергия подводится извне в виде механической работы, потому что только тогда теплота может быть передана из точки с низкой температурой в точку с высокой теплотворной способностью.

Пар из компрессора всасывается и сжимается. Рабочая жидкость конденсируется в конденсаторе и отдает тепло наружу. Жидкость направляется к дросселирующему устройству, расширяется, давление падает, а рабочая жидкость охлаждается и испаряется. Процесс испарения продолжается в испарителе, где хладагент поглощает тепло от холода. Компрессор всасывает испаренный и осушенный (или перегретый) пар, и цикл повторяется.

схема компрессорного рефрижератора сухого пара (а) и цикл (б

Пароструйное охлаждение

Струйное паровое охлаждение — это термодинамическая холодильная система, в которой в качестве хладагента используется водяной пар, а в качестве хладагента — солевой раствор. Расширение паровой струи создает вакуум, и пар вытягивается из испарителя. Резервуар для воды в испарителе испарительного охлаждения, в качестве хладагента используется вода.

Эффект Джоуля-Томсона. Процесс Линде

Для обеспечения охлаждения температуру неконденсирующихся газов (например, воздуха, гелия) в рабочей зоне снижают путем дросселирования. При использовании эффекта Джоуля-Томсона на перепад давления на дросселе приходится 0,4 К охлаждения. Хотя этот эффект невелик, он используется для достижения низких температур, близких к абсолютному нулю.

Системы обычно выполняются в несколько этапов. Оборудование системы Джоуля-Томсона аналогично компрессорному холодильнику, но теплообменник выполнен не в виде конденсатора или испарителя. Для оптимизации энергопотребления необходимо предварительное охлаждение газа в рекуперативном (противоточном) теплообменнике, чтобы газ возвращался из охладителя раньше расширительного клапана (дросселя).

В 1895 году Карл Линде использовал такую ​​систему сжижения воздуха и сжижал большое количество (1 баррель/час) воздуха. С тех пор процесс Джоуля-Томсона для сжиженного воздуха известен как процесс Линде.

Однако для охлаждения с использованием процесса Джоуля-Томсона начальный уровень тепла должен быть ниже температуры превращения соответствующего газа. Температура воздуха около +450°С, водорода около -80°С, а гелия около -239°С. Если газ выходит ниже температуры инверсии, он охлаждается, а если выходит выше температуры инверсии, то нагревается. Чтобы иметь возможность охлаждать газ с использованием процесса Линде, начальная теплотворная способность должна быть ниже температуры конверсии.

Принципиальная схема установки с циклом Линде показана на рисунке ниже. Рабочее тело — сжиженный воздух. Очищенный и осушенный СО2 воздух всасывается в компрессор 1 и идеально изотермически сжимается до давления 10–20 МПа. В практических ситуациях сжатие происходит по политропии (повышение температуры). Пройдя через теплообменник 2, воздух охлаждается до начальной температуры окружающим объемом.

Затем воздух проходит через теплообменник 3 (основной), дроссельный клапан 4, коллектор жидкости 5, снова через теплообменник 3 и попадает в компрессор. В основном теплообменнике «теплый» воздух (сжатый в компрессоре) и «холодный» воздух (расширенный в дросселе) перетекают друг в друга. Температурный уровень криогеники снижается без передачи тепла внешнему источнику. Происходит внутренний теплообмен.

Принципиальная структура импульсного трубчатого охладителя

Холодильник с импульсной трубкой — это холодильник, принцип работы которого аналогичен двигателю Стирлинга. Трубки импульсного охладителя не требуют механических движущихся частей. Это позволяет создавать компактные охлаждающие головки с минимальными уровнями температуры, не ограниченными теплотой механического трения детали. Наименьшее значение до сих пор составляло 1,3 К (-272 ° C).

Трубка импульсного охлаждения

Термоэлектрический эффект. Элемент Пельтье

Элементы Пельтье также используются для охлаждения (или обогрева), работающего от электричества и не требующего хладагента. Однако при большой разнице температур (50-70 К) холодопроизводительность упадет до нуля. Для большой разницы температур используется многоступенчатая конструкция в форме пирамиды.

Эта технология используется для стабилизации температуры в полупроводниковых лазерах и датчиках, автомобильных холодильниках, термоциклерах, а также для охлаждения датчиков изображения в камерах от инфракрасного до ультрафиолетового излучения.

Магнитный холодильник

Схема работы магнитного холодильника

Другой способ обрести холод основан на магнетизме определенных веществ. Некоторые вещества выделяют тепло при намагничивании. Это вещество называется магнитокалорическим. При магнитном охлаждении вещество попадает в магнитное поле, где нагревается. Тепло отводится охлаждающей жидкостью.

Материал, который вернулся к температуре окружающей среды, теперь покидает магнитное поле и размагничивается в охлаждаемой области. Материалы поглощают тепло при размагничивании. Механическая работа совершается снаружи для удаления намагниченного материала из поля. Эта система охлаждения более эффективна, чем паровые, но дороже.

Испарительное охлаждение

При испарительном охлаждении энергия в виде тепла (энтальпия испарения) извлекается из среды (например, воздуха или поверхности) путем испарения воды. Испарительное охлаждение также часто называют адиабатическим охлаждением, потому что теоретический физический процесс представляет собой изоэнтальпическое преобразование явного тепла в скрытое.

Это процесс передачи тепла от высокой температуры к низкой температуре, усиленный фазовым переходом (вода в пар), что представляет собой самодействующий термодинамический цикл «по часовой стрелке». Поэтому не требуется никакой дополнительной механической, электрической или тепловой энергии, кроме подачи воздуха и воды.

Испарительное охлаждение является старейшим методом охлаждения. Испарение воды в воздухе создает охлаждающий потенциал ниже температуры окружающей среды. Достигаемая пониженная температура зависит от климатических условий воздуха. Во многих случаях этого достаточно для кондиционирования воздуха в помещении. В некоторых технологических системах, таких как мокрые градирни, эффект охлаждения также увеличивается в случае воздушного охлаждения.

Степень возможного охлаждения зависит от температуры и влажности окружающего воздуха, известной как относительная влажность. Если относительная влажность воздуха близка к 100 %, то есть воздух насыщен или даже перенасыщен (например, в тумане), эффект неопределен. Давление насыщенных паров воды в воздухе слишком велико. Однако чем ниже относительная влажность, тем больше вероятность дальнейшего поглощения влаги, тем больше испаряется воды и тем холоднее воздух.

I—d-диаграмма влажного воздуха

Площадь состояния влажного воздуха на графике Id

все изменения состояния воздуха (абсолютная влажность в зависимости от температуры) вы будете знать на графике id. Полная энергоемкость воздуха выражается в кДж/кг. Поскольку (адиабатическая) энергоемкость при испарительном охлаждении не меняется, изменение состояния происходит сверху вниз. При 100% относительной влажности вы достигнете линии насыщения.

Испарительное охлаждение является ключевым физическим процессом, лежащим в основе охлаждающего эффекта пота (или, например, влажной кожи на открытых ветру руках). Этот тип охлаждения также использовался в начале истории технологии, так как в древние времена было известно, что глиняные сосуды увлажняются и испаряются через поверхность с открытыми порами для охлаждения содержимого (например, глиняные маслоохладители)

Коэффициент производительности или холодильный коэффициент

реальные холодильники имеют разные циклы. Цикл охлаждения на диаграмме pV выполняется против часовой стрелки.

Идеальный цикл холодильника на диаграмме PV, Qнагрузка < 0, A < 0, Qcold > 0, Tload > Tcold

Термическая эффективность охлаждения или нагревания зависит от величины механической работы. В качестве показателя качества он называется коэффициентом энергоэффективности или коэффициентом полезного действия. Для холодильных систем, использующих холодопроизводительность IQcool, применимо следующее: COP = Qcool / Qload — Qcool

Коэффициент полезного действия определяется как отношение поглощенного тепла Qcol к затраченной работе A: Коэффициент полезного действия = IQcolI / IAI. Тепловая мощность представляет собой сумму холодопроизводительности и поглощаемой работы. КПД холодильника – это теплота, поглощаемая охлаждающим веществом за 1 джоуль работы.

Процесс Карно — крайний случай обратимого процесса, требующего идеальных условий, которые технически недостижимы. Тепло также можно получить, используя энтропию S. Для двух обратимых карно-процессов изменения изотермического состояния при температурах Tcold и Tload изменение энтропии ΔS одинаково

Если сравнить реальный процесс с процессом Карно, то для системы охлаждения запишем следующее: Коэффициент полезного действия = Tхолод / Tнагрузка — Tхолд = 1 / КПД Карно, где температура в Кельвинах.

Чиллеры используются не только для охлаждения, но и для обогрева. Бытовые холодильники также нагревают воздух. Принцип нагревания был предложен Томсоном и применен к тепловым насосам.

Интеграция систем охлаждения и отопления для эффективной работы

Обзор чиллеров со встроенным тепловым насосом

Для небольших магазинов (до 800 кв м) основным хладагентом является ГФУ (R-404A). Для обеспечения теплом в зимнее время используются следующие варианты: использование конденсационного тепла, использование воздушных тепловых насосов или геотермальных и др.

Для супермаркетов и гипермаркетов используются холодильные установки, работающие на СО2. Поэтому рекомендуется использовать воздушный тепловой насос для снижения потребления электроэнергии по сравнению с использованием электрического котла, что позволит отапливать дом при температуре наружного воздуха до –30 °С.

Land и Danfoss разрабатывают интеграцию тепловых насосов в холодильные системы. Тепловой насос обеспечивает охлаждение супермаркета с максимальной производительностью.

Использование теплового насоса позволит сократить потребление энергии на 50% по сравнению с электрическим отоплением. Комбинированные холодильно-отопительные установки для магазинов — надежный и эффективный способ энергосбережения для розничных сетей. Система оптимизирует работу супермаркетов, сократит время размораживания и снизит эксплуатационные расходы. Экономические выгоды от эксплуатации очевидны.