Устройство и принцип работы холодильной установки

Теоретический принцип работы холодильной установки — это 2 закон термодинамики и обратный цикл Карно. Принцип работы холодильной установки основан не на расширении или сжатии как в цикле Карно, а на конденсации и испарении (фазовые переходы). Процессы охлаждения, в которых не используются газы и движущиеся части, не называются установками для холода. Есть, например, термоэлектрический и магнитокалорический эффект.

Чем отличается холодильная установка от машины?

Холодильная установка представляет комплекс: сооружения с теплоизоляцией, холодильные машины, аппараты, предназначенные для получения, транспортировки и использования искусственного охлаждения. То есть установка в дополнение к 4 элементам холодильной машины или к составляющим безмашинного получения холода, содержит аппараты, трубопроводы, приборы, сооружения и теплоизоляцию для совершения технологических процессов и оптимальной эксплуатации холодильного оборудования.

Установка для холода используется для аккумулирования, транспортировки и хранения вторичных энергоресурсов. Для этого применяются, например, водоаммиачные абсорбционные установки, гелиоустановки с фреоновыми котлами для развития низкотемпературной энергетики.

Холодильные станции различаются по следующим признакам: передвижные и стационарные (по назначению), по производительности (крупные: более 120 кВт, средние: до 120 кВт, мелкие: до 15 кВт), по температурному уровню (высокотемпературные: + 10 — +20 °C, среднетемпературные: — 10 — -30 °C, низкотемпературные: ниже -30 °C), по схеме (каскадные, одно-, двух-, многоступенчатые), по виду хладагента (аммиачные, этановые, пропановые, пароводяные, фреоновые, воздушные, водоаммиачные, бромистолитиевые и другие).

Большинство устройств парокомпрессионные, которые отличаются типом компрессора (поршневой, винтовой, ротационный, спиральный или центробежный компрессор). Широко используются парокомпрессионные устройства с поршневым компрессором.

Монреальское соглашение требует вести работы по замене фреонов, которые воздействуют на озоновый слой. Поэтому применяются альтернативные хладагенты и смеси в домашних холодильниках и для процессов с переменной температурой отвода и подвода теплоты.

Не существует чёткой методики выбора оборудования для холода, учитывающей различные факторы. Объективным способом является сопоставление капитальных и эксплуатационных затрат (годовой экономический эффект).

Системы охлаждения

Машина для холода транспортирует с помощью компрессора теплоэнергию от холодного тела к тёплой среде. Работа чиллеров основана на термодинамическом цикле. Адсорбционные и абсорбционные чиллеры не имеют механического привода (двигателя). Целью чиллера является охлаждение до температурного уровня ниже температуры окружающей среды. Чиллеры похожи на тепловые насосы, но последние используют выделяемое тепло.

Схема чиллера

Чиллеры работают в соответствии со следующими принципами:

• Системы холодного пара используют испарительное получение холода с использованием хладагентов, которые имеют подходящие температурки испарения для желаемого диапазона температур и давления. Хладагент постоянно подвергается фазовому переходу жидкость-газ в контуре и наоборот.
• Машины, использующие эффект Джоуля-Томсона, обходятся без разжижения и используют эффект охлаждения газов во время релаксации. Применяется также процесс Линде. С многоступенчатыми системами получают низкие термопоказатели, например, для сжижения воздуха.

Первый в мире функционирующий чиллер построен в 1845 году американским доктором Джоном Горри во Флориде, который искал способы улучшить возможности лечения пациентов больницы в жаркой и влажной Флориде. Согласно медицинской доктрине «плохой воздух» был основным фактором болезней, а зимний лёд, привезённый из северных Великих озёр, был единственным вариантом охлаждения.

Машина Горри, в которой использовался обратный принцип двигателя Стирлинга, использовалась для производства льда и в то же время для охлаждения помещения (кондиционирование воздуха). Прототип был построен. В дальнейшем произошёл финансовый сбой. Д. Горри умер обедневшим.

В 1870-х годах холодильные установки стали экономичными. Первыми основными потребителями были пивоваренные заводы. Немецкий промышленник Карл фон Линде являлся крупным производителем.

Системы для получения холода

Холод, «генерируемый» чиллером, используется для технологических процессов, для кондиционирования воздуха, для производства льда (катки), консервации и охлаждения продуктов. Тепло поглощается прямо или косвенно. В случае непрямого получения холода используется охлаждающая жидкость (холодная вода, рассол, смеси с гликолем, чтобы избежать замерзания в трубах).

Конструкция простого теплообменника

Промежуточная жидкость охлаждается испаряющимся хладагентом в первом теплообменнике и поглощает тепло охлаждаемой среды во втором теплообменнике. При непосредственном использовании рабочего вещества применяется теплообменник с испаряющимся хладагентом с одной стороны и охлаждаемое вещество с другой.

Об устройстве и принципе работы холодильных установок в этом видео:

Абсорбционные холодильные системы

Абсорбционные системы относятся к классу теплоиспользующих машин, в которых охлаждение достигается путём слияния прямого цикла (преобразование тепла в работу) и обратного цикла (получение холода с затратой работы). Поэтому участвуют 3 источника тепла: окружающая среда, нагреватель и охлаждаемый объект. На рисунке ниже приведена схема простейшего абсорбционного холодильного аппарата, работающего на бинарных типах.

Абсорбционные чиллеры имеет дополнительный растворитель и холодильный контур. Рабочая жидкость состоит из двух компонентов: растворителя и хладагента. Хладагент должен быть полностью растворим в растворителе. Распространены абсорбционные чиллеры с водой в качестве хладагента и водным раствором бромида лития (LiBr) в качестве растворителя.

Температуры испарения воды примерно до 3 °C достигаются с помощью вакуума. Абсорбционные чиллеры, которые используют аммиак (NH₃) в качестве хладагента и воду в качестве растворителя, достигают более низких температурных уровней. Температуры испарения -70 °C достигаются в крупных холодильных системах с абсорбцией аммиака. В случае абсорбционных чиллеров есть дополнительная возможность по добавлению абсорбционного тепла.

Принцип работы абсорбционной установки

Диффузионно-абсорбционный чиллер

Диффузионно-абсорбционный чиллер работает как охладитель поглощения. Изменение давления, однако, реализуется как изменение парциального давления. Для этого требуется третий компонент рабочей жидкости — инертный газ. Преимущество в том, что корпус под давлением герметично закрыт и не требует съёмных уплотнений, а устройство работает бесшумно. Технология используется, например, в кемпинговых и гостиничных холодильниках.

Адсорбционные холодильные системы

Адсорбционные системы работают с фиксированным растворителем (адсорбентом), при котором хладагент адсорбируется или десорбируется. Тепло добавляется в процесс во время десорбции и отводится во время адсорбции. Поскольку адсорбент не может циркулировать в цикле, процесс осуществляется только с перерывами.

Поэтому используются две камеры с адсорбентом, в которых адсорбция и десорбция проходят параллельно в течение одного рабочего цикла (от 6 до 10 минут). По окончании рабочего цикла происходит обмен теплом и тепловыделение в двух камерах (переключение, прибл. 1 мин.). Затем адсорбция и десорбция начинаются снова параллельно. Это обеспечивает практически равномерное охлаждение.

Компрессионная холодильная машина

В компрессорном устройстве рабочее вещество протекает по контуру потока, попеременно поглощая тепло при низкой температуре и выделяя (больше) тепло при более высокой температуре. Перекачивание, то есть введение механической работы, необходимо для поддержания потока и, следовательно, процесса.

Схема работы холодильника: 1 — конденсатор, 2 — терморегулирующий вентиль, 3 — испаритель, 4 — компрессор

Такие машины работают либо, чередуя испарение и конденсацию среды (хладагента), либо с газообразной средой (в основном с воздухом). Первый тип широко распространён и используется, например, в бытовых холодильниках, морозильниках, системах дозирования, кондиционерах, на катках, пищевых заводах и в химической промышленности.

Для работы машины согласно 2 закону термодинамики, энергия подаётся извне в виде механической работы, потому что только тогда тепло переносится из точки с низкой температурой в точку с высоким термозначением.

Пар из компрессорной машины всасывается и сжимается. Рабочее вещество конденсируется в конденсаторе, отдавая наружу теплоту. Жидкость направляется в дроссельное устройство, расширяется, давление падает, рабочее вещество охлаждается и испаряется. Процесс испарения продолжается в испарителе, хладагент забирает теплоту из холодного объёма. Компрессор всасывает испарённый и сухой (или перегретый) пар, и цикл повторяется.

Схема (а) и цикл (б) машины для холода со сжатием в компрессоре сухого пара

Пароструйное охлаждение

Охлаждение пара струи является тепловой системой для получения холода, в которой используется водяной пар в качестве хладагента и солевой раствор. Расширение струи водяного пара создаёт вакуум, и водяной пар отсасывается из испарителя. Испарение охлаждает резервуар для воды в испарителе, а вода используется в качестве охлаждающей жидкости.

Эффект Джоуля-Томсона. Процесс Линде

Для обеспечения охлаждения температуру газа (например, воздуха, гелия), который не конденсируется в рабочей зоне, снижают путём дросселирования. При использовании эффекта Джоуля-Томсона охлаждение составляет 0,4 К на перепад давления в дросселе. Хотя этот эффект мал, но его используют для достижения низких температур, близких к абсолютному нулю.

Системы часто выполняются в несколько этапов. Оборудование системы Джоуля-Томсона аналогично оборудованию компрессорного холодильника, но теплообменники не сконструированы как конденсаторы или испарители. Для оптимизации энергопотребления необходимо предварительно охладить газ в рекуперативном (противоточном) теплообменнике, чтобы газ возвращался из охладителя перед расширительным клапаном (дросселем).

В 1895 году Карл Линде использовал такую систему сжижения воздуха и сжижал большие количества (1 ведро/ч) воздуха. С тех пор процесс Джоуля-Томсона для сжижения воздуха стал называться процессом Линде.

Однако для охлаждения с использованием процесса Джоуля-Томсона крайне важно, чтобы начальный тепловой уровень был ниже температуры инверсии соответствующего газа. Это примерно + 450 °С для воздуха, -80 °С для водорода и -239 °С для гелия. Если газ выходит ниже температуры инверсии, то остывает, а если выходит выше температурки инверсии, то нагревается. Для того чтобы иметь возможность охлаждать газ с использованием процесса Линде, начальный тепловой показатель должен быть ниже температурки инверсии.

Принципиальная схема установки с циклом Линде приведена на рисунке ниже. Рабочее тело — сжиженный воздух. Воздух, очищенный и осушённый от углекислоты, засасывается компрессором 1 и в идеале изотермически сжимается до давления 10—20 МПа. В реальном случае сжатие происходит по политропе (температура повышается). Пройдя теплообменник 2, воздух охлаждается окружающим объёмом до начальной темпера­туры.

Затем воздух проходит теп­лообменник 3 (основной), дроссель 4, сборник жидкости 5, опять теплообменник 3 и поступает в компрессор. В основном теплообменнике навстречу друг другу идёт «тёплый» поток воздуха (сжатие в компрессоре) и «холодный» поток (расширение в дросселе). Температурный уровень холода понижается без передачи тепла внешним источникам. Происходит внутренний теплообмен.

Схема установки с циклом Линде

Принципиальная структура импульсного трубчатого охладителя

Импульсная трубка-холодильник является холодильной машиной, принцип действия которой соответствует принципу работы двигателя Стирлинга. Импульсной трубке-холодильнику не требуется механических подвижных частей. Это позволяет создавать компактные охлаждающие головки, а минимальный температурный уровень не ограничивается механическим теплом трения деталей. Самое низкое значение до сих пор было 1,3 K (–272 °C).

Импульсная трубка-холодильник

Термоэлектрический эффект. Элемент Пельтье

Элемент Пельтье также используется для охлаждения (или нагрева), который работает от электричества и не требует хладагента. Однако при большой разнице температур (50-70 К) охлаждающая способность падает до нуля. Для высоких перепадов температуры используются пирамидальные многоступенчатые структуры.

Эта технология используется для стабилизации температуры полупроводниковых лазеров и датчиков, в автомобильных кулерах, в термоциклерах и для охлаждения датчиков изображения в камерах от инфракрасного до ультрафиолетового излучения.

Магнитный холодильник

Схема работы магнитного холодильника

Другой метод получения холода основан на магнитных свойствах определённых веществ. При намагничивании некоторые вещества выделяют тепло. Такие вещества называют магнитокалорическими. При магнитном охлаждении вещество попадает в магнитное поле, где нагревается. Тепло рассеивается с помощью охлаждающей жидкости.

Материал, возвращённый к температуре окружающей среды, теперь покидает магнитное поле и размагничивается в области, подлежащей охлаждению. Материал поглощает тепло при размагничивании. Механическая работа выполняется снаружи, чтобы удалить намагниченный материал из магнитного поля. Такие системы для холода эффективнее систем, работающих с паром, но более дорогие.

Испарительное охлаждение

При испарительном охлаждении энергия в виде тепла (энтальпия испарения) извлекается из среды (например, воздуха или поверхности) путём испарения воды. Испарительное охлаждение также часто называют адиабатическим охлаждением, поскольку теоретически физический процесс представляет собой изоэнтальпическое преобразование из чувствительного в скрытое тепло.

Это процесс теплопередачи от высокой к низкой температуре, который усиливается фазовым переходом (вода в пар) и, таким образом, представляет собой самодействующий термодинамический цикл «по часовой стрелке». Следовательно, кроме транспортировки воздуха и воды, не требуется никакой дополнительной механической, электрической или тепловой энергии.

Испарительное охлаждение — старейший метод охлаждения. Испарение воды в воздухе создаёт охлаждающий потенциал, который ниже температуры окружающей среды. Достижимая пониженная температура зависит от климатических условий воздуха. Во многих случаях этого достаточно для кондиционирования воздуха в помещении. В некоторых технологических системах, таких как влажная градирня, охлаждающий эффект также увеличивается в случае воздушного охлаждения.

Возможная степень охлаждения зависит от температуры и влажности окружающего воздуха, то есть относительной влажности. Если относительная влажность воздуха близка к 100%, то есть воздух насыщен или даже перенасыщен (как в тумане), эффект не определяется. Давление насыщенного пара воды в воздухе слишком высокое. Однако, чем ниже относительная влажность, тем выше вероятность дальнейшего впитывания влаги, и тем больше воды испаряется, снижая температуру воздуха.

I—d-диаграмма влажного воздуха

Области состояний влажного воздуха в i—d-диаграмме

Все изменения в состоянии воздуха узнаете на i—d-диаграмме (абсолютная влажность в зависимости от температуры). Общее содержание энергии в воздухе дано в кДж/кг. Поскольку во время испарительного охлаждения (адиабатическое) содержание энергии не меняется, изменение состояния происходит сверху вниз. При относительной влажности 100% достигнете линии насыщения.

Испарительное охлаждение является критическим физическим процессом, стоящим за охлаждающим эффектом потоотделения (или, например, смачиваемой кожи на руке, подвергшейся воздействию ветра). Этот тип охлаждения также использовался на ранних этапах истории техники, поскольку в древние времена было известно, что глиняные сосуды увлажняются и позволяют испаряться через поверхность с открытыми порами, чтобы охлаждать содержимое (например, охладитель глинистого масла)

Получение холода. Принцип работы холодильника. (видео)

Коэффициент производительности или холодильный коэффициент

В реальных холодильниках работают разные циклы. Циклы холодильников на диаграмме p-V проходят против часовой стрелочки.

Идеальный цикл холодильника на диаграмме p-V, Q_нагр < 0, A < 0, Q_хол > 0, T_нагр > T_хол

Термическая эффективность охлаждения или нагрева производится в расчёте на количество механической работы. Как показатель качества её называют коэффициентом энергоэффективности или холодильным коэффициентом. Следующее относится к холодильной системе, использующей охлаждающую способность IQхолI: холодильный коэффициент = Q_хол / Q_нагр — Q_хол

Холодильный коэффициент определяют как отношение отнятого тепла Qхол к затраченной работе A: холодильный коэффициент = IQхолI / IAI. Выходная тепловая мощность — это сумма поглощённой мощности охлаждения и работы. Эфективность работы холодильника – это количество теплоты, отобранной от охлаждаемых веществ на 1 джоуль работы.

Холодильный коэффициент больше или меньше 1

Процесс Карно представляет собой пограничный случай обратимого процесса, который требует идеальных условий, и которые технически недостижимы. Количество тепла также получите с помощью энтропии S. Изменение ΔS энтропии идентично для обратимого процесса Карно для двух изотермических изменений состояния при температурках T_хол и T_нагр

Если реальный процесс сравнивается с процессом Карно, то для систем охлаждения запишем следующее: холодильный коэффициент = T_хол  / T_нагр  — T_хол  = 1 / КПД_Карно, где температуры Т в Кельвинах.

Чиллер используется не только для охлаждения, но и для отопления. Бытовой холодильник также подогревает воздух. Принцип отопления предложен Томсоном и используется в теплонасосах.

Интеграция систем охлаждения и отопления для эффективной работы

Общий вид холодильной машины с интегрированным теплонасосом

Для небольших магазинов (площадью до 800 м²) в основном хладагентом является гидрофторуглерод (R-404A). Для обеспечения теплотой в зимнее время применяются такие варианты: утилизация тепла конденсации, использование воздушного теплового насоса или геотермального и другие.

Для супермаркетов и гипермаркетов применяются холодильные установки, работающие на диоксиде углерода. Поэтому целесообразно для снижения потребления электроэнергии по сравнению с применением электрического котла использовать воздушный тепловой насос, который позволит отапливать помещения при температуре наружного воздуха до –30 °C.

Разработки по интеграции теплового насоса в холодильную систему ведутся компаниями «Лэнд» и «Данфосс». Подобранный на максимальную производительность тепловой насос обеспечивает холодоснабжение супермаркета.

Использование насоса для тепла позволит снизить энергопотребление на 50% по сравнению с электробогревом. Комбинированная установка холодоснабжения и отопления магазина – это надёжный и эффективный метод энергоэкономии в торговой сети. Система позволит оптимизировать режимы работы супермаркета, уменьшить время оттайки и снижает эксплуатационные затраты. Экономическая выгода при эксплуатации очевидна.

Теперь знаете системы охлаждения и принцип работы холодильной установки на должном уровне. Советую посмотреть следующее видео по принципиальной схеме установки для получения холода:

Изобретайте и дерзайте! Успехов!

Использованные материалы

1. Холодильные установки. Учебник для студентов вузов. Курылев Е.С., Оносовский В. В., Румянцев Ю. Д. — 3-е изд., СПб.: Политехника, 2007 г. — 576 с.
2. Современные энергоэффективные системы холодоснабжения. http://promholod.land-group.ru/gruppa-kompanij-lend/novosti/i/289/
3. Научно-технический и информационно-аналитический журнал “Холодильная техника”, N1-2, 2020 г., Москва, ООО «Вива-Стар», http://www.holodteh.ru

Автор: Королёв Сергей