Особенности холодильных машин различных типов и области их 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.

Чем руководствуется потреби­тель при выборе типа холодильной машины?

Прежде всего он исходит из то­го, какой температурный уровень должна создать н 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[6]. 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 вибпааии 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 разме — ры, 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 колу — чили 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 детален выходят, из строя.. Поршневые компрессоры очень хо­роши в холодильных машинах ма­лой и средней холодопроизводи — тельности и чересчур громоздки, тяжелы и менее энергетически эф­фективны в машинах большой хо — лодопроиэводительности.

В последнее время начали ши­роко использовать винтовые компрессоры, которые в области малых холодопроизводительностей 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 pjpo 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 заменить как поршневые. так и до известного предела компрессоры ‘центробеж­ного типа.

Центробежные компрессо­ры, обслуживающие парокомпрес — сионные холодильные машины осо­бенно большой холодопроизводи — тельности, не имеют конкурентов в своей области применения. Они компактны, хорошо уравновешен­ны, достаточно надежны. У них до­вольно просто и эффективно регу­лируется холодопроизводитель — ность. Однако весьма трудно до­биться удовлетворительных пока­зателей у центробежных компрес­соров при не очень большой хо — лодопроизводителыюсти (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, ро — торно-поршневые, спиральные и др.) используются ограниченно по разным причинам. Например, ротационные многопластинчатые компрессоры — нз-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 двух — компонеитном рабочем веществе.

В водоаммиачных машинах хлада­гентом служит аммиак, а абсор­бентом— вода, в бромистолитие — вых машинах — соответственно во­да и бромистый литий. В бро — мистолитиевых машинах в испари­теле кипит вода, поэтому с по­мощью этих машин можно полу­чать температуры не ниже О °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 паро — эжекторной 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, н 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 — пневмома — гистраль, 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 парокомпресси — онные машины. При этом требуе­мый диапазон холодопроизводи — телыюсти 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, нефтехими — ^ «3

Особенности холодильных машин различных типов и области их применения

-Я7С

Q^MSm

Оптимальные области применения холо­дильных машин различных типов: л — при работе на R7I7 (для центробежных на R717 «і R2W); 1-6 — парокомпрессион- ные; I — одноступенчатые поршневые; 2 — одноступенчатые винтовые; 3 — центробеж­ные; 4 — двухступенчатые на базе поршне­вых и винтовых поджимающих компрессо­ров; 5 — двухступенчатые на базе виитовых компрессоров; б — центробежные (потен­циальная область применения на RZ90 я RI70); 7 — абсорбционные водоаииначные;

6 — при работе на фреонах; / — одноступен­чатые поршнеаые (R22); 2 — одноступенчатые винтовые (R22); 3 — центробежные (RI2 и R22); 4 — двухступенчатые иа базе поршне­вых и винтовых поджинающих компрессоров (R22); S — двухступенчатые иа базе винто­вых компрессоров (R22); 6 — каскадные на базе винтовых компрессоров (R22/RI3);

7 — абсорбционные броиистолитяевые

Особенности холодильных машин различных типов и области их применения

А, мвт

Ческая, 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.

На рисунке показаны оптималь­ные области применения (по тем­пературе и холодопроизводитель — ности) 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.

Один из основных элементов (мож­но даже сказать: главный эле­мент) парокомпресснонной 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 {2] к классу компрессоров объемно­го действия — 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.

Поршневые компрессоры клас­сифицируют также по различным конструктивным признакам: числу и расположению цилиндров, на­правлению движения пара внутри цилиндра, степени герметичности корпуса и др.

Поршневые компрессоры в на­стоящее время применяют почти исключительно в машинах малой" и средней холодопроизводитель- ности.

Posted in К холодильной технике