Особенности холодильных машин

различных типов и их области применения

Холодильные машины различных типов, отличающиеся устройством и принципом действия, имеют свои характерные особенности, благодаря которым они могут удовлетворять тем или иным требованиям потребителей искусственного холода.

При выборе типа холодильной машины потребитель исходит из того, какой температурный уровень должна создать и поддерживать холодильная машина и сколько теплоты необходимо отвести от охлаждаемого объекта. Эти критерии несколько ограничивают возможность выбора. Например, если требуется температура порядка -50 °С, то одноступенчатые машины ее не могут создать и их придется исключить из рассмотрения. Если от охлаждаемого объекта надо отводить очень много теплоты, то, скорее всего, выбор придется остановить на холодильной машине с винтовым или центробежным компрессором, которые в данном случае имеют преимущества перед поршневым компрессором.

Следующий критерий выбора - затраты на приобретение, установку и эксплуатацию холодильной машины. Они складываются из капитальных затрат и эксплуатационных расходов.

Капитальные т.е. единовременные, затраты складываются из стоимости самой холодильной машины, стоимости помещения (или его части), где она будет стоять, фундамента (если он необходим), затрат на перевозку холодильной машины, монтаж, различные вспомогательные приспособления и материалы.

Эксплуатационные, т.е. текущие, расходы включают прежде всего плату за энергию (любая холодильная машина для своей работы непременно требует подвода энергии) и охлаждающую воду (последние затраты исключаются при воздушном охлаждении, как, например, в домашнем холодильнике).

Плата за энергию связана с одной из важнейших характеристик холодильной машины - холодильным коэффициентом, показывающим, сколько джоулей теплоты можно отвести от охлаждаемого объекта, затратив один джоуль энергии. По холодильному коэффициенту судят об энергетической эффективности холодильной машины. Чем больше холодильный коэффициент, тем выше энергетическая эффективность. Поэтому при прочих равных условиях предпочтение отдают холодильной машине с наибольшим холодильным коэффициентом.

В эксплуатационные расходы входят еще затраты на содержание обслуживающего персонала и некоторые другие.

Важными критериями выбора холодильной машины являются также ее надежность, определяемая показателями безотказности, долговечности и ремонтопригодности, степень автоматизации, уровень вибрации и шума и ряд других, в числе которых - внешний вид (дизайн).

Насколько холодильная машина удовлетворяет требованиям потребителя, оценивают по указываемым в каталогах, рекламных проспектах и различных технических документах ее показателям, таким как холодопроизводительность, потребляемая мощность, расход охлаждающей воды, степень автоматизации, наработка на отказ, ресурс работы, масса, габаритные размеры, цена, вид поставки (единым агрегатом, отдельными блоками или «россыпью») и др.

Некоторым типам холодильных машин, которые соответствуют большинству требований потребителей, отдается предпочтение, другие используются довольно редко.

Распространенность того или иного типа холодильной машины зависит не только от показателей, интересующих потребителей, но и от показателей, важных для изготовителей. К таким показателям относятся удельная трудоемкость изготовления, технологичность, степень унификации и стандартизации и др.

Наибольшее распространение в области умеренного холода получили парокомпрессионные холодильные машины. Именно они составляют наибольшую (можно сказать подавляющую) часть парка всех работающих в мире холодильных машин. У них по сравнению с машинами других типов более высокий (при прочих равных условиях) холодильный коэффициент и наименьший расход энергии при эксплуатации.

В составе парокомпрессионных холодильных машин применяются компрессоры различных типов (их конструкции будут рассмотрены в следующих статьях).

Поршневые компрессоры имеют высокий холодильный коэффициент, однако для них характерна большая, чем для компрессоров других типов, вибрация и они менее надежны из-за наличия клапанов, которые гораздо чаще других деталей выходят из строя. Поршневые компрессоры очень хороши в холодильных машинах малой и средней холодопроизводительности и чересчур громоздки, тяжелы и менее энергетически эффективны в машинах большой холодопроизводительности.

В последнее время начали широко использовать винтовые компрессоры, которые в области малых холодороизводительностей пока не могут конкурировать с поршневыми по энергетической эффективности, но почти сравниваются с ними по этому показателю в области средних холодопроизводительностей. Главное достоинство винтовых компрессоров - высокая надежность. Это, а также компактность и незначительная вибрация обусловили широкое применение винтовых компрессоров вначале в судовых холодильных установках, а затем в установках разных отраслей народного хозяйства. К недостаткам следует отнести повышенный уровень шума и громоздкость масляной системы.

Винтовой компрессор работает энергетически эффективно в случае, если его внутренняя степень сжатия, неизменная из-за заданной геометрии рабочих органов, совпадает с отношением давлений конденсации и кипения р_к/р₀ в холодильном цикле. Это отношение определяется внешними условиями и часто не равно внутренней степени сжатия. При их несовпадении ухудшаются энергетические показатели холодильной машины.

Недавно появились конструкции винтовых компрессоров с изменяющейся внутренней степенью сжатия, а значит, и с возможностью автоматически подстраиваться под меняющиеся внешние условия с целью добиться наилучшей энергетической эффективности. По мере совершенствования винтовые компрессоры постепенно будут заменять как поршневые, так и до известного предела компрессоры центробежного типа.

Центробежные компрессоры, обслуживающие парокомпрессионные холодильные машины особенно большой холодопроизводительности, не имеют конкурентов в своей области применения. Они компактны, хорошо уравновешенны, достаточно надежны. У них довольно просто и эффективно регулируется холодопроизводительность. Однако весьма трудно добиться удовлетворительных показателей у центробежных компрессоров при не очень большой холодопроизводительности (менее ~250 кВт).

Таким образом, в настоящее время в составе парокомпрессионных холодильных машин работают в основном поршневые, винтовые и центробежные компрессоры. Остальные существующие типы компрессоров (ротационные, роторно-поршневые, спиральные и др.) используются ограниченно по разным причинам. Например, ротационные многопластинчатые компрессоры - из-за больших энергетических потерь. Новые типы компрессоров, такие как роторно-поршневые или спиральные, еще проходят этап освоения и доводки.

Второй распространенный тип холодильных машин - абсорбционные. Их основная особенность состоит в том, что они потребляют не механическую, а тепловую энергию. Отсюда вытекают их достоинства и недостатки.

Абсорбционные машины просты по конструкции (кроме насосов для перекачки жидкости, в них нет других движущихся механизмов), дешевы в изготовлении, надежны, малошумны. Их можно размещать вне помещений: на открытых площадках под легкими навесами для защиты от осадков. Главный недостаток - невысокая энергетическая эффективность. Для выработки одинакового количества холода абсорбционным холодильным машинам требуется больше энергии, чем парокомпрессионным.

Это хорошо видно на примере домашних холодильников - абсорбционный «накручивает» за месяц на электросчетчике заметно больше киловатт-часов, чем компрессионный. Но это внешняя сторона. Сущность же заключается в том, что в агрегате домашнего холодильника абсорбционного типа, питающегося от электросети. потребляемая электрическая энергия превращается в тепловую энергию, которая затем обеспечивает выработку холода.

В крупных промышленных установках использовать электроэнергию необязательно. Тепловую энергию для обогрева генератора пара можно получать, сжигая газ или мазут, применяя горячий водяной пар и даже нагретую не до кипения воду. Затраты на производство тепловой энергии в этом случае меньше, чем при использовании электроэнергии, и может оказаться, что в целом (при благоприятном стечении различных обстоятельств) эксплуатация абсорбционной холодильной машины обойдется не дороже, чем эксплуатация парокомпрессионной. Если же на объекте имеются избыточные тепловые ресурсы в виде пара или горячей жидкости (тепло которых иногда даже «сбрасывают» в окружающую среду), то абсорбционные машины становятся выгоднее парокомпрессионных. Именно в таких случаях главным образом и используют абсорбционные машины.

На практике применяют две разновидности абсорбционных машин - водоаммиачные и бромисто-литиевые. Они работают на двухкомпонентном рабочем веществе. В водоаммиачных машинах хладагентом служит аммиак, а абсорбентом - вода, в бромистолитиевых машинах - соответственно вода и бромистый литий. В бромистолитиевых машинах в испарителе кипит вода, поэтому с помощью этих машин можно получать температуры не ниже 0 °С, в противном случае вода замерзает.

Пароэжекторные холодильные машины обладают примерно теми же достоинствами, что и абсорбционные. Недостатки: большой шум при работе эжектора, еще более низкая, чем у абсорбционных машин, энергетическая эффективность, возможность охлаждать объект лишь до нескольких градусов выше нуля из-за использования воды в качестве хладагента. Вследствие этих недостатков пароэжекторные машины имеют довольно ограниченную область применения. Их используют там, где важна простота эксплуатации и надежность холодильной машины, а повышенными энергетическими потерями можно пренебречь.

Обязательным условием для работы пароэжекторных машин является наличие значительного количества водяного пара давлением 0,7...1,0 МПа. Если для его получения сооружать специально паровой котел, то пропадет преимущество простоты и дешевизны пароэжекторной машины. Поэтому их эксплуатируют, как правило, только там, где уже имеется источник водяного пара нужных параметров, причем в избытке, чтобы его хватало и для основного объекта, и для холодильной машины. Такие условия имеются, например. на судах с крупными паротурбинными установками. В основном же пароэжекторные машины распространены на больших строительных объектах, где есть собственная котельная и имеется нужда в холоде.

Воздушные вихревые охлаждающие устройства чрезвычайно просты по конструкции. Они могут работать там, где есть источник сжатого воздуха - пневмомагистраль, компрессорная станция - и где нужно простыми средствами получить относительно небольшое количество холода, примерно до 3 кВт. Вихревые охлаждающие устройства высоконадежны, безопасны в работе, но характеризуются высоким уровнем энергетических потерь, что сдерживает их широкое распространение.

Термоэлектрические охлаждающие устройства также высоконадежны, безопасны (при надлежащем качестве выполнения электрической части), просты в эксплуатации, малошумны (отсутствуют движущиеся части, кроме вентиляторов). Их характерная особенность - возможность очень просто переходить от режима охлаждения к режиму нагрева. Несмотря на указанные достоинства, из-за двух факторов - высокой стоимости полупроводниковых термоэлектрических батарей и сравнительно низкой энергетической эффективности - термоэлектрические охлаждающие устройства имеют весьма ограниченное применение.

В нашей стране в настоящее время сложилась определенная структура парка холодильных машин под влиянием и истории развития холодильной техники, и возможностей заводов холодильного машиностроения.

Основное ядро парка, не менее 90 %, составляют парокомпрессионные машины. При этом требуемый диапазон холодопроизводительности примерно до 200 кВт обеспечивается холодильными машинами с поршневыми компрессорами (пищевая промышленность, торговля, общественное питание, наземный транспорт, сельское хозяйство, различные специализированные установки, бытовая техника), от 200 до 1400 кВт - с винтовыми компрессорами (морской и речной транспорт, нефтехимическая, пищевая промышленность, кондиционирование воздуха, искусственные катки), более 1400 кВт - с центробежными компрессорами (нефтеперерабатывающая, химическая и газовая промышленность, кондиционирование воздуха и теплоснабжение). Крупные абсорбционные холодильные машины эксплуатируют в нефтеперерабатывающей и химической промышленности, в установках кондиционирования воздуха и теплонасосных системах отопления и горячего водоснабжения.

Другие типы холодильных машин применяют, как правило, лишь когда те или иные особые требования могут быть наилучшим образом удовлетворены благодаря наличию у машины данного типа определенных свойств. Например, термоэлектрические охлаждающие устройства используют в небольших автомобильных холодильниках благодаря повышенной надежности, малым размерам и массе.

Рисунок 16. Оптимальные области применения холодильных машин различных типов:

А – при работе на R717 (для центробежных на R717 и R290); 1–6 – парокомпрессионные; 1– одноступенчатые поршневые; 2 – одноступенчатые винтовые; 3 – центробежные; 4 – двухступенчатые на базе поршневых и винтовых прижимающих компрессоров; 5 – двухступенчатые на базе винтовых компрессоров; 6 – центробежные (потенциальная область применения на R290 и R170); 7 – абсорбционные водоаммиачные; б – при работе на фреонах; 1 – одноступенчатые поршневые (R22); 2 – одноступенчатые винтовые (R22); 3 – центробежные (R12 и R22); 4 – двухступенчатые на базе поршневых и винтовых прижимающих компрессоров (R22); 5 – двухступенчатые на базе винтовых компрессоров (R22); в – каскадные на базе винтовых компрессоров (R22/R13);

7 – абсорбционные бромистолитиевые.

На рисунке 16 показаны оптимальные области применения (по температуре и холодопроизводительности) холодильных машин основных типов. Границы этих областей условны. Они могут смещаться из-за изменения цен на машины и тарифов на энергию, совершенствования конструкций и улучшения технических характеристик машин, создания новых, расширения возможностей заводов-изготовителей.

Тема 7

Поршневые компрессоры холодильных машин

Один из основных элементов (можно даже сказать:главный элемент) парокомпрессионной холодильной машины - компрессор. Он обеспечивает циркуляцию хладагента в системе холодильной машины, создает высокое давление, достаточное для перехода хладагента из парообразного состояния в жидкое (в конденсаторе), и низкое давление, при котором он кипит (в испарителе) при заданной низкой температуре.

Наиболее широкое распространение получили холодильные компрессоры четырех типов: поршневые, винтовые, ротационные и центробежные.

Первые три типа относят к классу компрессоров объемногодействия - сжатие пара в них происходит за счет уменьшения начального объема. Центробежные относят к классу компрессоров динамического действия — хладагент непрерывно перемещается с большой скоростью через проточную часть компрессора, при этом кинетическая энергия потока преобразуется в потенциальную, а плотность хладагента повышается.