Принцип действия и теоритические основы работы компрессионных холодильных машин

Охлаждение посредством холодильных машин достигается различными способами в зависимости от физических процессов, положенных в основу их работы.
В паровых холодильных машинах, широко используемых в розничных торговых предприятиях, в бытовых холодильниках для охлаждения используются процессы кипения при низких температурах специальных рабочих веществ — холодильных агентов (хладагентов). При кипении хладагент воспринимает тепло от среды охлаждаемого объекта и затем передает это тепло в окружающую среду при более высокой температуре. При этом охлаждающее устройство, в котором кипит хладагент, может быть размещено или непосредственно в охлаждаемых объектах (камерах, шкафах, прилавках), или в специальных емкостях, содержащих промежуточный жидкий холодоноситель, который, охлаждаясь хладагентом, в дальнейшем служит для охлаждения объектов.
Наибольшее применение в торговле нашли паровые машины компрессионного типа.
Все элементы машины — компрессор, конденсатор, регулирующий вентиль и испаритель — соединены трубопроводами в замкнутую систему, заполненную хладагентом. Из испарителя, пары, образующиеся при кипении жидкого хладагента, сжижает их до давления, при котором температура конденсации паров становится выше температуры окружающей среды, и затем нагнетает их в конденсатор. В конденсаторе происходит охлаждение паров водой или воздухом, в результате чего они превращаются в жидкость, т. е. конденсируются. Далее жидкий хладагент поступает к регулирующему вентилю, проходит его малое сечение, где давление уменьшается, и затем снова поступает в испаритель. Циркулируя по такому замкнутому циклу, хладагент попеременно меняет свое агрегатное состояние, но всегда возвращается в исходное первоначальное состояние.
Схема энергетического баланса паровой компрессионной холодильной машины представлена на рисунке. При совершении холодильного цикла кипящий хладагент отнимает тепло, величина которого зависит от внешних теплопритоков, поступающих внутрь охлаждаемой камеры, от охлаждаемого объекта при температуре T0g- Это тепло, определяемое калорическим расчетом, называется холодопроизводительностью машины и выражается в Вт или ккал/ч (1Бг=0,86 ккал/ч). В окружающую среду передается тепло Q при более высокой температуре Т0.с (Т0.с>Т0б). Для того чтобы передать тепло Q в окружающую среду, в цикле холодильной машины затрачивается механическая работа L, потребляемая компрессором и воспринимаемая хладагентом в виде тепла.
Уравнение энергетического (теплового) баланса запишется так
Q = Q0-\-L Вт (или ккал/ч).
В холодильной технике пользуются также удельной холодопроизводительностью, отнесенной к 1 кг хладагента, циркулирующего в системе, или к 1 м3 паров хладагента, всасываемых компрессором. Первая, называемая удельной массовой холодопроизводительностью, выражается равенством а вторую, называемую удельной объемной холодопроизводительностью, находят из выражения
Qv — QoP дж/м3 (или ккал/м3),
где Са — количество хладагента, циркулирующего в системе, кг/с (или кг\ч)\ р — плотность паров хладагента, всасываемого в компрессор, кг/м3.
От величины Щу зависят габариты компрессора. Чем больше эта величина, тем меньше размеры цилиндров компрессора при одинаковой холодопроизводительности машины.
Холодопроизводительность Qo не является постоянной величиной, а зависит от температурного режима работы машины. Поэтому в литературе обычно указывают холодопроизводительность, которая приведена расчетом к одинаковым (номинальным) условиям работы холодильной машины, при которых хладагент в характерных точках холодильной машины (в конденсаторе, испарителе и т. д.) имеет строго определенные значения температур.
Эффективность работы холодильной машины оценивается холодильным коэффициентом е, представляющим собой отношение холодопроизводительности Q0 к затраченной работе L
Численно холодильный коэффициент выражает количество тепла, воспринимаемого хладагентом от среды охлаждаемого объекта при затрате единицы работы. Чем выше его значение, тем экономичнее работа холодильной машины. Практически холодильный коэффициент всегда выше единицы.
Принцип действия и расчет компрессоров. Торговые холодильные машины комплектуются преимущественно поршневыми и ротационными компрессорами.
Поршневой компрессор имеет цилиндр, в котором возвратно-поступательно движется поршень 2. Движение поршня осуществляется от шатунно-кривошипного механизма 3. При движении поршня слева направо пары хладагента через всасывающий клапан 4 поступают в цилиндр при закрытом нагнетательном клапане 5, а при движении поршня справа налево пары сжимаются и через нагнетательный клапан 5 поступают в конденсатор при закрытом всасывающем клапане 4.
Действительный часовой объем хладагента V д всасываемый компрессором, всегда меньше теоретического объема Кт, описываемого его поршнями. Отношение, называемое коэффициентом подачи, учитывает объемные потери хладагента в компрессоре, т. е. характеризует степень использования объема цилиндра. Этот коэффициент колеблется в пределах от 0,5 до 0,8 и зависит от конструкции компрессора, свойств хладагента и отношения давлений в конденсаторе и испарителе.
По величине Уг конструируют компрессор, подбирая диаметр цилиндра, ход поршня, частоту вращения вала, число цилиндров. Связь между Щ и основными параметрами компрессора.
Для теоретического компрессора, работающего без потерь, т. е. сжимающего пар в условиях отсутствия теплообмена между паром и окружающей средой (адиабатический процесс), затрачиваемая мощность определяется по формуле
Nj — Caiii—ii) Вт,
где С0 — количество циркулирующего хладагента, кг/с\ i'i и ii — энтальпия пара хладагента в начале и конце сжатия, Дж/кг.
Практически в компрессоре вследствие энергетических (индикаторных и механических) потерь затрачиваемая мощность
будет выше. Полную, или эффективную, мощность на валу компрессора определяют из выражения
где —эффективный к. п. д., учитывающий все виды потерь. Величина представляет собой произведение
где r1 и 1м — индикаторный и механический к. п. д.
Величина - определяется потерями, возникающими от теплообмена в цилиндре, а также зависит от сопротивлений в клапанах при всасывании и нагнетании, а коэффициент т|м учитывает потерн на трение в движущихся деталях компрессора. Для современных малых компрессоров г]* лежит в пределах 0,624-0,8, a rjM колеблется от 0,8 до 0,9.
Мощность электродвигателя определяется по формуле, где г|п и rj3 — соответственно к. п. д. передачи и электродвигателя.
У компрессоров, на вал которых непосредственно насажен ротор электродвигателя (бес сальниковых и герметичных), в характеристике обычно указывают электрическую Я а у сальниковых эффективную мощность Ne.
Ротационные компрессоры по устройству отличаются от поршневых.
Чаще всего в торговых холодильных агрегатах применяют ротационные компрессоры с катящимся ротором (рис. 53). Всасывающая полость в них отделена от нагнетательной пластиной и вращающимся ротором. Пластина прижата к поверхности ротора пружиной. Ось ротора смещена по отношению к оси цилиндра, и поэтому при работе компрессора эксцентрично расположенный ротор обкатывает внутреннюю поверхность цилиндра. При этом образуется пространство серповидного сечения, меняющее свое положение в зависимости от угла (рис. 53) поворота ротора. Всасывающая полость, в которую поступает парообразный хладагент низкого давления, постепенно увеличивается в объеме и достигает максимального значения при верхнем положении ротора. Как только ротор пройдет всасывающий патрубок, бывшая всасывающая полость превращается в нагнетательную. Находящийся в ней хладагент начинает сжиматься и при определенном давлении выталкивается через нагнетательный клапан в конденсатор. Полный цикл (всасывание, сжатие, нагнетание) совершается за один оборот ротора, где с— теплоемкость охлаждающей среды (для воздуха с= 1 ООО Дж/кг-град\ для воды с=4187 Дж/кг-град)
р — плотность среды (для воздуха р= 1,29 кг/м3, для воды р = 1 ООО кг/м3).
Расчет испарителей. Расчет испарителя также сводится к нахождению его теплопередающей поверхности, которая в данном случае может быть определена по более простой формуле, где k — коэффициент теплопередачи испарителя, Вт/м2-град\ t06—U — разность между температурами среды охлаждаемого объекта и кипящего хладагента, град.