Холодильные установки с парокомпрессионными холодильными машинами
Холодильная установка с пароком — прессионной холодильной машиной, помимо основных обязательных элементов машины, необходимых для производства искусственного холода, включает еще аппараты, трубопроводы, арматуру, которые в совокупности обеспечивают распределение и использование искусственного холода.
Холодильная установка зачастую обслуживает большое число охлаждаемых объектов, поэтому имеет разветвленную сеть трубопроводов и нередко работает в условиях резких колебаний тепловых нагрузок.
Принципиальные особенности любой холодильной установки отражает ее принципиальная схема, которая в несколько упрощенной форме дает представление об основном и вспомогательном оборудовании, соединенных трубопроводами.
С определенной степенью условности в принципиальной схеме холодильной установки можно выделить следующие схемы: системы охлаждения; подключения компрессоров: конденсаторного узла и регулирующей станции.
Система. охлаждения представляет собой часть холодильной установки, расположенную между компрессором и регулирующим вентилем. Существуют системы непосредственного охлаждения и системы с промежуточным хладоносите — лем.
Охлаждение объектов происходят с помощью теплообменных аппаратов, входящих в систему охлаждения, которые называют при — 8 борами охлаждения* В камерах холодильников приборами охлаждения служат охлаждающие батареи различных типов и воздухоохладители.
Охлаждающие батареи предназначены для охлаждения воздуха в камерах при его естественной циркуляции. По месту расположения в камере различают батареи потолочные и пристенные. Их выполняют, как правило, одно — или двухрядными с числом труб по высоте от 8 до 16.
Воздухоохладители по способу теплообмена делят па поверхностные (сухие) и контактные (орошаемые). Наиболее распространены поверхностные воздухоохладители. Они представляют собой заключенный в кожух пучок труб с шахматным или коридорным расположением, принудительно обдуваемый воздухом с помощью вентилятора.
В аммиачных холодильных установках используют подвесные и постаментные воздухоохладители (рис. 1).
СИСТЕМЫ НЕПОСРЕДСТВЕННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ По способу подачи хладагента в приборы охлаждения различают системы непосредственного охлаждения безнасосные и насосно-цир — куляционные.
В безнасосных системах хладагент может поступать в приборы охлаждения:
♦ Принятый в специальной технической литературе термин «прибор» вряд ли удачен.
РИС. 1. Типы воздухоохладителей:
А — подвесной пристенный; б — подвесной потолочный: в — постаментный
Под действием разности давлений конденсации и кипении — прямоточные системы и системы с нижним расположением отделителя жидкости;
Под действием напора столба жидкости — системы с верхним расположением отделителя жидкости.
В насосно-циркуляционных системах хладагент подается в приборы охлаждения под напором, создаваемым насосом.
Безнасосные аммиачные системы проектируют для относительно небольших холодильников.
Г |
‘у;;///;/;/;/;;;;//, А |
2 I |
«ЗРИИвЭ |
F |
IT |
"77777777777777777/ ‘//////////US/////, |
В прямоточной безнасосной системе для устойчивой и безопасной работы компрессора количество жидкости бж, подаваемой в приборы охлаждения, должно быть равно количеству образовавшегося пара Gn, что соответствует кратности циркуляции хладагента л= = G ж( G п= I. Это условие трудно обеспечить открытием регулирующего вентиля вручную. Неизбежно возникают ситуации, когда регулирующий вентиль открыт или недостаточно, или на излишне большой проход.
В первом случае приборы охлаждения оказываются недостаточно заполненными Хладагентом. Часть их поверхности работает неинтснсивио, что приводит к повышению температуры в охлаждаемом объекте. Во втором случае при избыточной подаче жидкого хладагента в приборы охлаждения он выкипает не весь и в компрессор из приборов охлаждения поступает влажный пар, т. е. пар, содержащий капли неиспарившейся жидкости. При «влажном ходе» компрессора снижается эффективность работы холодильной машины и, что особенно опасно, создается аварийная ситуация — может произойти гидравлический удар в компрессоре.
Применение подобной схемы в разветвленных аммиачных системах с несколькими объектами охлаждения требует установки на всасывающей стороне отделителя жидкости и защитных ресиверов.
Отделитель жидкости располагают выше защитных ресиверов, на любом уровне относительно приборов охлаждения. В отделителе жидкости, куда попадает влажный пар хладагента, выходящий из приборов охлаждения, изменяется направление движения пара, снижается его скорость, а результате чего от него отделяется жидкость. Сухой пар отсасывается компрессором, а отделенная жидкость сливается в один из защитных ресиверов.
Пока один из защитных ресиверов заполняется жидкостью, из другого ресивера она выдавливается и возвращается в систему охлаждения с помощью паров хладагента высокого давления, подаваемых по нагнетательному трубопроводу компрессора (рис. 2, а).
|
От номп рессора |
РИС. 2. Безнасосные аммиачные системы непосредственного охлаждении: а — с нижним расположением отделителя жидкости; 6 — с верхним расположением отделителя жидкости; в — с верхним расположением отделителя жидкости н защитными ресиверами; / —защитный ресивер; 2 — отделитель жидкости; 3 — охлаждающая батареи; 4 — регулирующий вентиль; 5— компрессор; 6—конденсатор; 7 — защитный ресинер
Возможно применение вертикальных защитных ресиверов, одновременно выполняющих функцию отделителя жидкости.
К компрессору |
К компрессуіу 2£г*>- От конденсатора |
В безнасосной системе с верхним расположением отделителя жидкости жидкий хладагент после конденсатора (или линейного ресивера) дросселируется в отделитель жидкости, расположенный выше всех приборов охлаждения (рис. 2, б). В отделителе жидкости паро — жидкостная смесь разделяется. Пар хладагента отсасывается компрессором, а жидкость поступает в приборы охлаждения под напором столба жидкости.
В приборах охлаждения хладагент кипит и в виде парожидкост — ной смеси возвращается в отделитель жидкости. Пар отсасывается компрессором, а неиспарившаяся жидкость снова направляется в приборы охлаждения.
Циркуляция хладагента осуществляется в результате действия циркуляционного напора Лрц, Па:
Где q, — плотность жидкого хладагента, кг/м3; q2 — плотность парожидкост — ной смеси в приборе охлаждения и в трубопроводе отсоса в отделитель жидкости, кг/м3; Н — высота столба жидкости в циркуляционном контуре, м.
При увеличении тепловой нагрузки на приборы охлаждения возрастают циркуляционный напор Лр„ и расход жидкости через приборы охлаждения?
Несмотря на улучшение циркуляции и распределения хладагента, данная схема обладает рядом недостатков:
Существует опасность переполнения отделителя жидкости при поступлении из испарителя парожид — костпой смеси с большим содержанием жидкости;
При высоком уровне в отделителе жидкости из-за вредного влияния гидростатического столба жидкости может повышаться температура кипения хладагента в приборах охлаждения, расположенных значительно ниже отделителя жидкости;
Затрудняется равномерное распределение жидкости по потребителям холода, особенно в разветвленных системах холодильников, в связи с чем приборы охлаждения используются неэффективно, нарушается температурный режим в объектах охлаждения.
Недостатками данной системы являются также:
Большая емкость по хладагенту;
Значительное загрязнение маслом, ухудшение теплопередачи ох лаждающих батарей.
Установка защитных ресиверов, куда при ‘переполнении отделителя жидкости сливается избыточная жидкость, повышает безопасность работы компрессоров.
В схеме с верхним расположением отделителя жидкости применяют два ресивера, размещаемых на разной высоте. При накапливании в верхнем ресивере аммиака до заданного уровня он автоматически сбрасывается в ресивер, расположенный ниже. Из него жидкий аммиак с помощью горячих паров выдавливается и подается в испаритель.
Необходимость снижения вредного влияния гидростатического столба жидкости и трудности распределения жидкости по объектам охлаждения ограничивают область применения безпасосной системы с верхним расположением отделителя жидкости. Ее используют главным образом на одноэтажных холодильниках емкостью до 600 т.
Иисисно-циркулнционные системы охлаждения более полно отвечают общим требованиям, предъявляемым к охлаждающим системам. В настоящее время широко распространены насосно-циркуля- ционные системы охлаждения как с нижней, так и с верхней подачей хладагента в приборы охлаждения (рис. 3, а). Их применяют на одно — и многоэтажных холодильниках средней и большой емкости.
Особенностью насосно-цирку — ляционных систем является наличие узла «циркуляционный ресивер — насос». Жидкий хладагент после конденсатора дросселируется в регулирующем вентиле и поступает Ъ циркуляционный ресивер. Из него жидкость забирается насосом и подается в приборы охлаждения.
Благодаря насосу существенно ускоряется циркуляция жидкости. Производительность насоса выбирают такой, чтобы при максимальной тепловой нагрузке на приборы охлаждения кратность циркуляции хладагента достигала 4—5. Это обеспечивает хорошее заполнение приборов охлаждения и интенсивную передачу теплоты по всей поверхности.
Неиспарившаяся в приборах охлаждения жидкость вместе с паром возвращается в циркуляционный ресивер по трубопроводу для совмещенного слива жидкости и отсоса пара. После разделения в ресивере пар отсасывается компрессором, а жидкость подается снова насосом в приборы охлаждения.
Возможно применение:
Горизонтального циркуляционного ресивера с отделителем жидкости, установленным над ресивером;
Вертикального циркуляционного ресивера, одновременно выполняющего функцию отделителя жидкости.
В схеме с горизонтальным циркуляционным ресивером и отделителем жидкости жидкий хладагент подается через регулирующий вентиль в отделитель жидкости, а не в ресивер.
Основная трудность при эксплуатации насосно-циркуляцион — ных систем — обеспечить равномерность распределения жидкости nq приборам охлаждения. Это достигается установкой регулирующих вентилей или диафрагм на параллельных отводах жидкости к приборам охлаждения.
Для того чтобы избежать вскипания жидкости во всасывающей линии насоса из-за падения давления в ней, насос располагают ннже свободного уровня жидкого. хладагента в циркуляционном ресивере, обеспечивая необходимый столб жидкости на всасывающей стороне насоса. Причем чем ниже температура кипения хладагента, тем больше должна быть высота столба.
При подключении насоса к циркуляционному ресиверу необходимо, чтобы сопротивление всасывающего трубопровода было как можно меньше. Для этого трубопровод’ выполняют с возможно минимальным числом изгибов и переходов. Диаметр всасывающего трубопровода обычно выбирают на один размер больше диаметра входного патрубка насоса. Подключение к нему осуществляется коническим переходом.
Схема подключения аммиачного герметичного насоса показана на рис. 4.
Полость электродвигателя насоса охлаждается хладагентом. Для удаления пара из полости электродвигателя предусмотрена уравнительная линия.
РИС. 4. Узел подключения аммиачного герметичного насоса: / — насос; 2 — маслосборник; 3 — .циркуляционный ресивер;/ — трубопровод отбора пара от насоса; II — уравнительная линия с вентилем 4 |
При верхней подаче хладагента в приборы охлаждения жидкость в них движется самотеком. В системе охлаждении с верхней подачей сложнее обеспечить равномерность распределения жидкости по приборам рхлаждения, ‘чем в системе с нижней подачей. Требуется большая вместимость циркуляционных ресиверов в случае возможного слива жидкого аммиака из системы при внезапной остановке насоса.
Для каждого холодильника проектируют одну или несколько систем охлаждения, отличающихся температурой кипения аммиака. На распределительных холодильниках и холодильниках мясокомбинатов обычно используют систему охлаждения с тремя температурами кипения аммиака: —40 °С для камер замораживания и низкотемпературного хранения замороженных грузов; —30 °С для хранения замороженных грузов; —8…— 12"С для камер хранения охлажденных грузов и камер охлаждения.
На каждую температуру кипения аммиака предусматривают самостоятельный циркуляционный ресивер. При большой емкости системы возможна установка нескольких ресиверов для одной температуры кипения. Циркуляционный ресивер снабжают двумя аммиачными насосами, один из которых резервный. Дренажный ресивер используют в схеме для слива жидкого аммиака из приборов охлаждения.
Приборы охлаждения, работающие в камерах, при температуре их поверхности ниже точки росы и ниже 0 °С покрываются инеем. Нарастающий в процессе эксплуатации слой инея затрудняет передачу теплоты от воздуха к хладагенту или хладоносителю. Для поддержания стабильной работы приборов охлаждения иней с их поверхности периодически удаляют механическим и тепловым способом.
Механический способ — сдуиа — ние, обметание, удаление инея скребками — трудоемок и малоэффективен. Наиболее распространен тепловой способ оттаивания.
В аммиачных системах непосредственного охлаждения оттаивание осуществляется горячими парами аммиака. Предварительно из приборов охлаждения сливают жидкий аммиак в дренажный ресивер. Горячие нары аммиака из нагнетательного трубопровода после маслоотделителя по специальному трубопроводу подают в приборы охлаждения. Соприкасаясь с их холодной поверхностью, горячий пар конденсируется. Постепенно внутри труб приборов охлаждения собирается конденсат, а на наружной поверхности начинает плавиться слой инея, который затем легко удаляется.
СИСТЕМЫ С ПРОМЕЖУТОЧНЫ М ХЛАДОНОСИТЕЛЕМ В этих системах в качестве хладо — носителей применяют различные вещества, прежде всего рассолы — водные растворы солей (хлорида натрия и хлорида кальция).
Системы с промежуточным хла — доносителем различают с открытым или закрытым испарителем.
В схеме с открытым испарителем (рис. 5) хладоноситель, находящийся в его баке под атмосферным давлением, насосом забирается и подается в приборы охлаждения, отепляется и возвращается самотеком в испаритель. Подача хладоносителя в приборы охлаждения регулируется задвижками.
Недостатками этой системы охлаждения являются снижение в процессе эксплуатации концентрации рассола из-за его контакта с окружающим воздухом и повышенная коррозия металла из-за поглощения рассолом кислорода из окружающего воздуха.
Наиболее распространена схе
ма с закрытыми испарителем (кожухотрубным) и приборами охлаждения. Хладоноситель циркулирует между ними с помощью насоса.
Для разветвленных схем применяют так называемую трехтрубную закрытую систему (рис. 6). Трехтрубной она называется из-за наличия трех трубопроводов: подающего, обратного и компенсационного. Благодаря компенсационному трубопроводу суммарная длина трубопроводов дли каждого потребителя и их гидравлические сопротивлении оказываются одинаковыми. Тем самым достигается равномерное распределение’ хладоносителя но приборам охлаждения.
РИС. 5. Система охлаждения с промежуточным хдадоиосителем с открытым испарителем: I — и ас ос для хладоносителя; 2 — обратный клапан; 3 — обводной вентиль; 4 — охлаждающая батарея; 5 — вентиль для выпуска воздуха, 6 — бак испарителя; 7 — охлаждающие секции с кипением хладагента; S — линия выпуска хладоносителя в сливной бак |
Чтобы обеспечить постоянное заполнение системы хладоносите — лем, компенсировать его объемные изменения при колебаниях температуры и отводить воздух из системы, в ее верхней точке (на 1…2 м выше верхнего потребителя холода) устанавливают расширительный сосуд. Воздух выпускается непосредственно из приборов охлаждения через установленные в их верхней части угловые вентили.
Закрытая трехтрубная система имеет преимущества перед открытой:
Относительно малый расход энергии на привод насоса, так как столб жидкости в подающем трубопроводе уравновешивается столбом жидкости в компенсационном трубопроводе;
РИС. в. Система охлаждении с промежуточным хладоносителем закрытая трехтрубная: / — насос; 2 — Линия подачи хладагента в испаритель; 3 — кожухотрубный испаритель; 4 — отсос паров хладагента; 5 — охлаждающая батарея; 6 — вентиль для выпуска воздуха; 7 — задвижка; 8 — расширительный бак; 9 — переливная линия; 1 — подающий трубопровод; И — обратный трубопровод; 111 — компенсационный трубопровод |
Небольшая коррозия металла;
Значительно меньшее снижение концентрации рассола.
Закрытая рассольная система требует строго выбирать и контролировать концентрацию рассола, а значит, и температуру его замерзания, чтобы исключить замерзание рассола в трубах кожухотруб — ного испарителя. Концентрация рассола должна быть такой, чтобы температура его замерзания была на 8—10 °С ниже температуры кипения хладагента.
В системах с промежуточным хладоносителем приборы охлаждения оттаивают, подавая в них хла — доноситель, подогретый до 40 °С в специальном электро — или пароподогревателе.
При использоиапии в качестве приборов охлаждения воздухоохладителей дли удаления инея с их поверхности нужны дополнительные меры. Иногда наружную по — иерхноеть воздухоохладители орошают горячей водой, незамерзающей жидкостью или встраивают в него трубчатые электронагреватели.
Достоинства систем охлаждения с промежуточным хладоносителем, связанные с высокой теплоемкостью таких. хладоиосителей. как вода и водяные растворы солей, используют в холодильных установках молочных и пивоваренных заводов. Наиболее распространенный способ охлаждения молока — охлаждение его хладоносителем (водой или рассолом), который, в свою очередь, охлаждается в испарителе холодильной установки.
Характерной особенностью этих предприятий является резко переменная в течение суток тепловая нагрузка на холодильное оборудование. Обеспечить отвод максимальных «пиковых» тепловых нагрузок и уменьшить установленную мощность холодильного оборудования позволяет применение так называемых аккумуляторов холода. Они представляют собой емкости, куда в спокойный (междупиковый) период суток сливается охлажденный и испарителе хладо — носитель -— аккумулятор заряжается. При возрастании тепловой нагрузки (наступлении пика тепловой нагрузки) накопленный в аккумуляторе хладоноснтель направляется на охлаждение молока — аккумулятор разряжается.
В тех случаях, когда и качестве хладоносителя используют воду, аккумуляцию холода осуществляют путем ее частичного намораживания на секциях открытого испарителя или применяют смени ал ьные л ьдоа к кум ул иторы.
Системы охлаждения с промежуточным хладоносителем эффективно работают на холодильниках малой емкости, а также во фрукто — хранилищах.
.
Системы хладоснабжения холодильников бывают централизованные и децентрализованные. Централизованные применяют главным образом на крупных и средних холодильниках, децентрализованные — чаще на небольших холодильниках, в основном емкостью до 2000 т.
Централизованная система хладоснабжения располагается в общем машинном отделении. Оно состоит из компрессорного цеха, где установлены компрессоры, и аппаратного отделения, где размещены теп лообменные аппараты, ресиверы, насосы, вспомогательное оборудование. На небольших предприятиях компрессорный цех и аппаратное отделение совмещены — занимают одно помещение.
Недостатками централизованной системы хладоснабжения являются значительная протяженность и разветвленность трубопроводов, большое число запорной и распределительной арматуры, относительно сложная автоматизация.
При компоновке холодильной установки ее узлы стремятся расположить так, чтобы уменьшить протяженность трубопроводов и облегчить обслуживание.
Выбор схемы подключения компрессоров и число ступеней сжатия холодильной установки зависят от температуры кипения хладагента, а также от ее производительности, типа применяемого оборудования, вида хладагента. В централизованных системах хладоснабжения в качестве хладагента обычно используют аммиак.
Схем^ подключения одноступенчатых компрессоров холодильной установки, работающей на три температуры кипения /оі, hа, /ц;),показана на рис. I.
На нагнетательной линии каждого компрессора установлен обратный клапан для предотвращения обратного тока пара при остановке компрессора. Нагнетательные трубопроводы компрессоров подключены к общему нагнетательному трубопроводу сверху. Из испарительной системы пар хладагента через отлелитель жидкости или защитный ресивер поступает в общий всасывающий трубопровод, а оттуда направляется к компрессору.
Схема подключения двухступенчатой холодильной установки, в которой установлен промежуточный сосуд со змеевиком, показана на рис. 2.
РИС. I. Узел подключения одноступенчатых компрессоров: 1, 2. 3 — отделители жидкости; 4 — компрессор; 5 — обратный клапан |
Адо* |
Для разгрузки компрессоров при их последующем пуске и предотвращения гидравлических ударов линии всасывания обеих ступеней сжатия соединены между собой трубопроводом, на котором смонтирован электромагнитный (соленоидный) вентиль, открывающийся при остановке компрессоров.
Posted in К холодильной технике