Системы охлаждения

Системы охлаждения

Для отвода тепла из охлаждаемой среды применяют три различные системы охлаждения:

• непосредственного охлаждения (статические батареи);
• с промежуточным хладоносителем (хладоноситель);
• воздушная (воздухоохладители).

Системы непосредственного охлаждения

В этой системе охлаждения жидкий холодильный агент из конденсатора, пройдя регулирующий вентиль, поступает в испарительные батареи, расположенные в охлаждаемых помещениях.

За счет тепла окружающего воздуха холодильный агент кипит, охлаждая воздух. Пары холодильного агента из батарей отсасываются компрессором.

В зависимости от того, как подается жидкий холодильный агент в испарительные батареи, системы непосредственного охлаждения подразделяют на насосные и безнасосные.

В безнасосных системах жидкость поступает в батареи под действием разности давлений конденсации и кипения холодильного агента, а в насосных она подается специальным насосом.

Насосные системы применяют на крупных холодильных складах.

Чтобы производить оттаивание снеговой шубы, в схемах систем непосредственного охлаждения крупных и некоторых средних холодильных установок предусматриваются дренажный ресивер и трубопровод для подачи в оттаиваемые приборы горячих паров холодильного агента.

Батареи непосредственного охлаждения для аммиачных установок изготавливают из стальных труб, а для увеличения теплопередающей поверхности батарей почти все они изготавливаются с внешним оребрением.

Располагают батареи в камерах у стен или под потолком и в соответствии с этим различают настенные и потолочные батареи.

Аммиачные настенные батареи выполняются в один ряд, а потолочные в два ряда. Фреоновые испарительные батареи как настенные, так и потолочные делают обычно двухрядными.

Системы непосредственного охлаждения имеют следующие преимущества:

• простота конструкции холодильной установки — не требуется испарителя, насосов и другого оборудования для охлаждения и подачи хладоносителя;
• интенсивное охлаждение камер, которое начинается сразу после пуска компрессора;
• возможность применения более высоких температур кипения для поддержание требуемых температур воздуха в охлаждаемом объеме по сравнению с другими способами охлаждения.

Поэтому в эксплуатации система непосредственного охлаждения наиболее выгодна, особенно для камер с низкими температурами, например, морозильных.

Недостатки системы непосредственного охлаждения:

• опасность проникновения в охлаждаемые помещения (охлаждаемую среду) холодильного агента (аммиака), запах и концентрация которого может повлиять на качество охлаждаемого продукта и здоровье людей, эксплуатирующих оборудование;
• увеличенная опасность в пожарном отношении (при работе с горючими холодильными агентами);
• сложность регулирования работы компрессора, особенно при наличии нескольких камер с различными температурами.

Системы охлаждения с промежуточным хладоносителем.

При охлаждении хладоносителем (хладоноситель — жидкость, используемая для отбора тепла от охлаждаемых предметов и для переноса этого тепла к хладагенту в испарителе) понижение температуры охлаждаемой среды достигается благодаря теплообмену между охлаждаемой средой и холодным хладоносителем, циркулирующим в теплообменных аппаратах.

Хладоноситель, в свою очередь, охлаждается в испарителе при кипении холодильного агента. Циркуляция хладоносителя через теплообменные аппараты осуществляется насосом.

Преимущества системы охлаждения с промежуточным хладоносителем:

• исключается возможность проникновения холодильного агента, масла непосредственно в охлаждаемую среду (в охлаждаемый продукт);
• простота регулирования температуры охлаждаемой среды (продукта) отдельных потребителей, что достигается путем изменения количества хладоносителя, направляемого в теплообменный аппарат охлаждаемой среды (продукта);

Однако по сравнению с системой непосредственного охлаждения при охлаждении с промежуточным хладоносителем требуются:

• дополнительные линейные компоненты — теплообменный аппарат (испаритель), насос, запорная арматура;
• компрессор большей холодопроизводительности, так как при наличии теплоносителя (промежуточного хладоносителя) холодильный агент должен кипеть при более низкой температуре. При этом снижается как холодопроизводительность, так и экономичность работы компрессора;
• большой расход электроэнергии на получение и передачу холода.

Воздушная система охлаждения

При воздушном охлаждении в охлаждаемый объем поступает воздух, охлажденный в специальном аппарате, называемом воздухоохладителем. Охлаждая воздушную среду, воздух отепляется и увлажняется. Проходя через воздухоохладитель, он вновь охлаждается и частично осушается.

Располагают воздухоохладители как внутри охлаждаемых ими камер, так и вне их. Холодный воздух из воздухоохладителя подается в камеры и засасывается обратно при помощи вентилятора.

В настоящее время большее практическое применение находят сухие, непосредственного расширения, с принудительным обдувом воздуха воздухоохладители.

Воздухоохладители бывают следующих типов: кубические (прямое движение воздушного потока), однопоточные (одностороннее движение воздушного потока), двухпоточные (двухстороннее движение воздушного потока), напорные (прямое движение воздушного потока) для подключения в канальную систему.

Воздушное охлаждение является весьма перспективным как для термической обработки продуктов (охлаждения и замораживания), так и для их хранения.

• побудительная циркуляция воздуха, благодаря которой интенсифицируется теплообмен между испарительной батареей воздухоохладителя и продуктами;
• возможность предварительного охлаждения и осушения свежего наружного воздуха, подаваемого в камеры для вентиляции;
• большая возможность, чем при батарейном охлаждении, регулирования температуры и влажности воздуха в охлаждаемых объемах;
• равномерность распределения температуры воздуха по всему охлаждаемому объему;
• компактность теплообменного оборудования;
• возможность применения электрических ТЭНов оттайки упрощает конструкцию холодильной установки.

Основными недостатками воздушного охлаждения являются большая усушка продуктов и увеличенный расход электроэнергии. Усушка продуктов может быть уменьшена применением воздухоохладителя с большей поверхностью теплообмена и испльзованием вентиляторов с меньшим воздушным потоком.

Холодильные машины и их назначение

Холодильные машины предназначены для достижения в камерах, шкафах и других охлаждаемых объектах температуры ниже окружающей среды и поддержания этой температуры и течение определенного времени. Поскольку температура окружающей среды выше температуры охлаждаемого объекта, естественным путем передается от теплой среды холодному объекту. Холодильные машины отбирают все это тепло от холодного объекта и возвращают его обратно более теплой окружающей среде.

Одним из основных узлов холодильных машин является испаритель, который расположен в шкафу, камере или баке. Испаритель представляет собой в простейшем виде — змеевик из медных труб. Чтобы жидкость в испарителе кипела при более низкой температуре охлаждаемого объекта, необходимо поддерживать соответствующее низкое давление, отводить образующиеся при кипении пары. Паровые холодильные машины бывают трех типов — компрессионные, абсорбционные и пароинжекторные.

Для получения более низких температур обычно применяют газовые или воздушные холодильные машины, получение холода в которых основано на свойстве сжатого газа понижать свою температуру при расширении.

В последнее время в промышленности применяется термоэлектрический метод охлаждения, при котором электрическая энергия используется непосредственно (без посредников — агентов) для переноса тепла от холодного источника к более теплому.

Холодильную машину вместе с холодильным оборудованием (шкафы, камеры, витрины, прилавки) и вспомогательными узлами (насосы, вентиляторы, рассольные батареи и пр.) обычно называют холодильной установкой.

Рассмотрим подробнее, какие основные узлы входят в холодильные установки.

Испаритель может быть расположен непосредственно в шкафу пли камере (система непосредственного охлаждения или, как ее еще называют, непосредственного испарения).

Температура кипения холодильного агента в испарителе примерно на 15° ниже температуры охлаждаемого воздуха. Через поверхность испарителя воздух отдает свое тепло холодильному регенту, который при этом превращается в пар. Таким образом в испарителе холодильный агент кипит, отбирая тепло от кидаемого объекта. Компрессор предназначен:

1) для отсасывания паров из испарителя и поддержания в нем низкого давления, обеспечивающего низкую температуру кипения;

2) для сжатия паров до такого высокого давления, при ром они превращаются в жидкость при условии охлаждения средой с температурой 20—30°.

При сжатии паров в компрессоре механическая энергия превратиться в потенциальную энергию сжатых паров, а часть переходит в тепловую (первый закон термодинамики), и пары и нагреваются. Приводом для компрессора служит обычно электродвигатель.

В холодильных установках различают две основные системы охлаждения

а) непосредственного охлаждения,

б) рассольного охлаждения.

Рассольные холодильные установки обладают большой возможностью аккумулировать холод, т. е. после остановки компрессора рассол, оставшийся в батареях, дольше охлаждает.

Недостатком рассольной системы по сравнению с системой непосредственного охлаждения (непосредственного испарения)является необходимость поддерживать более низкую температуру кипения для достижения той же температуры в камерах.

Так, например, при температуре в камере 0° необходимо иметь рассол с температурой — 10°. Температура кипения должна быть при этом — 15°. При непосредственном испарении для понижения той же температуры в камере достаточно иметь температуру кипения — 10°. С повышением температуры кипения повышается холодопроизводительность машины .

При рассольном охлаждении значительно облегчается регулировка температурного режима одновременно в нескольких камерах с разной температурой.

Преимущество рассольного охлаждения заключается также в значительном сокращении емкости системы, заполненной холодильным агентом. При установке батарей непосредственного охлаждения в камерах для заполнения системы требуется большое количество агента, а многочисленные соединения батарей затрудняют герметизацию системы, что может привести к опасным условиям эксплуатации установок и потере дорогостоящего холодильного агента.

Как в системе непосредственного испарения, так и в рассольной системе охлаждение воздуха в камере может осуществляется либо за счет его естественной циркуляции (конвекции), и с помощью принудительной циркуляции. Охлаждение с помощью принудительной циркуляции воздуха воздушным охлаждением. При воздушном охлаждении вентилятор продувает воздух через воздухоохладитель, который состоит из нескольких труб. В этих трубах может либо испаряться холодильном агент (воздухоохладители непосредственного испарения), ■ циркулировать рассол (рассольные воздухоохладители). вентилятор обеспечивает большую скорость движения воздуха, улучшает теплообмен между трубами воздухоохладителем

и воздухом. Это позволяет уменьшить поверхность охладителя по сравнению с поверхностью батареи.

Воздушное охлаждение позволяет уменьшить емкость системы, заполняемой холодильным агентом, ликвидировать металлоемкую рассольную систему, улучшить гигиенические условия хранения продуктов в камерах. В установках с воздушным охлаждением значительно упрощается оттаивание испарителя, так как не надо отводить талую воду из камер.

Недостаток воздушной системы охлаждения — дополнительное потребление электроэнергии вентилятором (25—30% общего расхода).

Воздушное охлаждение широко применяется в установках для кондиционирования воздуха, где другие системы охлаждения почти исключены; па судовых установках, в которых затруднен отвод талой воды из трюмов при оттайке батарей; в скоро морозилках, так как большая скорость движения воздуха резко сокращает время замораживания.

В практике иногда встречается сочетание различных систем охлаждения (смешанное охлаждение).

5. Работа холодильной машины при низкой температуре окружающего воздуха — УКЦ

Как правило, воздушный конденсатор холодильной машины эксплуатируется в атмосферных условиях (на открытой площадке).

Работа холодильной машины при низких температурах окружающего воздуха связана с рядом проблем, среди которых выделим пять основных:

+_1. Уменьшение холодо производительности в режиме_ *«охлаждение».*+

Из-за снижения температуры воздуха, обдувающего конденсатор наружного блока, уменьшается температура и давление конденсации. Как следствие, уменьшается расход жидкого хладагента, поступающего в испаритель через регулятор расхода.

В результате уменьшения расхода хладагента падает давление испарения и возможно отключение холодильной машины при срабатывании устройств защиты по низкому давлению.

Особенно заметно снижение расхода хладагента и уменьшение холодо производительности в кондиционерах с капиллярной трубкой, которой оснащаются практически все бытовые кондиционеры.

В кондиционерах, оборудованных терморегулирующим вентилем, открытие _ТРВ_ до какого-то момента компенсирует падение давления конденсации, но после того, как _ТРВ_ откроется полностью, эффект будет таким же, как и в случае с капиллярной трубкой.

Для увеличения давления конденсации при низкой температуре окружающего воздуха принимаются следующие технические меры:

* уменьшается скорость вращения вентилятора (плавно или ступенчато) обдува конденсатора вплоть до полной его остановки;
* охлаждающий воздух перепускается мимо конденсатора или полностью перекрывается;
* перед конденсатором устанавливается специальный клапан регулирования давления конденсации, который обводит большую часть хладагента мимо конденсатора.

Такое техническое решение позволило, например, в прецизионных кондиционерах марки _UNIFLAIR_ сохранить холодо производительность до температуры наружного воздуха минус 35ºС.

Эффективной мерой сохранения холодо производительности блоков с центробежными вентиляторами, установленных в помещении (подвале, на чердаке и т.д.), является выброс выходящего из конденсатора воздуха не на улицу, а в это же помещение. Для этого в воздуховоде отвода воздуха от конденсатора устанавливаются дополнительные воздушные заслонки с электроприводами пропорционального регулирования, которые перепускают часть или полный расход тёплого воздуха, идущего на охлаждение конденсатора.

+_2. Уменьшение тепло производительности в режиме_ *«обогрева».*+

В режиме *«обогрева»* происходит реверсирование цикла и теплообменник наружного блока выполняет роль испарителя.

При низкой температуре наружного воздуха уменьшается перепад между температурой кипящего хладагента и температурой окружающего воздуха. Количество передаваемого тепла, необходимого для кипения хладагента — снижается и соответственно ухудшаются условия кипения хладагента.

Как следствие, снижается давление всасывания, падает производительность компрессора. Одновременно снижается давление и температура конденсации, что приводит к уменьшению тепло производительности кондиционера.

В этих условиях необходимо максимально увеличить обдув испарителя.

Обычно это достигается увеличением скорости вращения вентилятора наружного блока.

По мере приближения температуры наружного воздуха к температуре кипения хладагента тепло производительность кондиционера снижается. При достижении температуры наружного воздуха минус _20 — 22 ºС_ тепло производительность снизится на _20 — 25%_.

+_3. Обмерзание теплообменника наружного блока при длительной работе в режиме_ *«обогрева»*.+

При работе кондиционера в режиме *«обогрева»* происходит охлаждение наружного воздуха, обдувающего кондиционер.

При определённом соотношении температурных и влажностных параметров атмосферного воздуха возможно появление конденсата на пластинах теплообменника наружного блока, образование льда и обмерзание теплообменника.

Образовавшийся лёд не только ухудшает характеристики кондиционера, уменьшая теплопередачу, но и может физически повредить наружный блок, что может привести к довольно дорогостоящему ремонту.

Поэтому предотвращение обмерзания и своевременному оттаиванию теплообменника наружного блока уделяется самое большое внимание.

Для удаления льда и снеговой шубы с теплообменника наружного блока кондиционер кратковременно переводят в режим *«охлаждение»*. Теплообменник прогревается горячим конденсирующимся хладагентом, накопившийся лёд растапливается, и наружный блок вновь готов к эксплуатации. На время оттаивания теплообменника вентиляторы наружного и внутреннего блока останавливаются.

Алгоритм системы оттаивания должен быть построен таким образом, чтобы, с одной стороны, — режим оттаивания включался как можно реже и на минимальное время, с другой стороны, чтобы не возникало накопление льда на теплообменнике.

+_4. Возможность повреждения компрессора при запуске._+

При низких температурах наружного воздуха жидкий хладагент может растворяться в масле компрессора. Поэтому во время остановки компрессора возможно попадание хладагента в масло, находящееся в картере компрессора.

Во время пуска поршневого компрессора при движении поршня вверх в картере возникает разряжение и может происходить вскипание хладагента. Одновременно вспенивается масло и происходит его выброс в выходной трубопровод.

Для исключения этого на компрессорах средней и большой мощности обязательно устанавливаются обогреватели картера, предотвращающие накопление жидкого хладагента в масле при выключенном компрессоре.

В компрессорах роторного типа, не имеющих масляного картера, эта проблема менее остра, чем в поршневых компрессорах. Поэтому на компрессорах _SCROLL_ малой мощности (примерно до _8 — 10 кВт_) отсутствие обогревателя картера практически не влияет на работоспособность компрессора.

+_5. Опасность попадания жидкого хладагента в компрессор при работе в режиме_ *«обогрева»*.+

Ухудшение условий кипения хладагента в теплообменнике наружного блока при работе кондиционера в режиме *«охлаждение»* может привести к «проскоку» жидкого хладагента и попаданию его в компрессор.

Возникающий при этом гидравлический удар может повредить компрессор.

В связи с этим приходится устанавливать дополнительный ресивер (отделитель жидкости) перед компрессором на линии всасывания.

Выпуск воздуха из системы холодильной установки

Наличие воздуха и инертных газов в системе холодильного агента определяют по сильному колебанию стрелки нагнетательного манометра, а также сравнивая температуру конденсации (по температурной шкале манометра на конденсаторе) с температурой жидкого хладагента на выходе из конденсатора. Превышение температуры конденсации над температурой жидкого хладагента свидетельствует о наличии воздуха в системе.

При выключенном конденсаторе, но работающем насосе охлаждения разность между температурой, указываемой на шкале манометра, и температурой воды (при равенстве температур входящей и выходящей воды) также свидетельствует о наличии воздуха в конденсаторе.

Выпуск воздуха из аммиачной системы производят с помощью воздухоотделителя при работающей холодильной установке и через воздухоспускной клапан в верхней части конденсатора при неработающей холодильной установке.

Выпуск воздуха с помощью воздухоохладителя происходит следующим образом. Открывают клапан отбора воздушно-аммиачной смеси на конденсаторе или ресивере, клапаны на трубопроводе отсасывания паров аммиака из воздухоохладителя и подачи жидкого аммиака в воздухоохладитель. Приоткрывают клапан выпуска сконденсировавшегося аммиака и клапан выпуска воздуха в емкость с водой; воздух должен выходить из воды отдельными пузырьками. В автоматизированном воздухоотделителе при нормальной работе происходит периодическое открывание и закрывание клапана выпуска воздуха.

Ручное регулирование подачи аммиака в воздухоотделитель производят так, чтобы трубопровод отсоса аммиака из воздухоотделителя обмерзал на расстоянии 0,5-1 м от него. Воду в емкости по мере насыщения ее аммиаком периодически заменяют.

На хладоновых холодильных установках воздух выпускают в основном непосредственно в атмосферу без использования воздухоохладителей. Выпуск воздуха происходит через воздухоспускной клапан в верхней части кожуха конденсатора или через ослабленную накидную гайку на тройнике нагнетательного клапана компрессора малой холодопроизводительности. Шланг с выпускаемым воздухом вводится в канал работающей вытяжной вентиляции.

Выключение воздухоотделителя проводится в обратной последовательности: закрывают клапаны воздухоспускной и подачи аммиака в воздухоохладитель, а затем клапаны на трубопроводе отсасывания паров аммиака из воздухоотделителя и отбора воздушно-аммиачной смеси.

Выпуск воздуха из конденсатора непосредственно через воздухоспускной клапан в емкость с водой производится на неработающем конденсаторе. Перед этим максимально заполняют линейный ресивер хладагентом для вытеснения возможно большей массы воздуха из ресивера в конденсатор.

Через конденсатор, отключенный от ресивера, прокачивают охлаждающую воду в течение 2-3 ч (до выравнивания температуры воды на входе и выходе из конденсатора). Затем приоткрывают воздухоспускной клапан и выпускают воздух в емкость с водой до прекращения выхода пузырьков воздуха из воды. При этом температура конденсации (по температурной шкале манометра) не будет равна или близка температуре охлаждающей воды. Обслуживающий персонал при выпуске воздуха должен вести постоянный контроль за ходом процесса, иметь противогазы и резиновые перчатки.

Воздух из рассольных батарей и испарителей выпускают при работающем рассольном насосе через воздухоспускные клапаны и краны. Клапан открывают (пробки откручивают) осторожно и сразу же закрывают его при появлении рассола. Выпуск воздуха повторяют несколько раз до полного его удаления.

Признаки наличия воздуха в системе: срывы потока жидкости, при этом наблюдаются резкие колебания стрелок манометров; отсутствие обмерзания части охлаждающих батарей или неравномерное покрытие их инеем; повышение уровня рассола в расширительном баке при пуске насоса и снижение его при остановке насоса.

Обслуживающий персонал при выпуске воздуха должен надеть средства индивидуальной защиты (защитные очки, рукавицы и фартук).