Назначение и работа испарителя
В составлюбой парокомпрессионной холодильной машины входят как минимум, дватеплообменных аппарата, обеспечивающих обмен энергией в виде теплоты междухладагентом и внешней средой. Этими обязательными теплообменными аппаратамиявляются испаритель и конденсатор холодильной машины. Кроме них в составхолодильной машины может быть включен регенеративный теплообменник,обеспечивающий обмен теплотой между потоками хладагента и повышающийэффективность и надежность работы холодильной машины.
Испаритель – это теплообменный аппарат, устанавливаемый в охлаждаемомпомещении, камере или отсеке холодильного оборудования и обеспечивающийохлаждение газообразной или жидкой среды. Во внутреннем объеме испарителя принизкой температуре кипит хладагент, воспринимая теплоту охлаждаемой среды.
По видуохлаждаемой среды различают испарители для охлаждения жидких теплоносителей идля охлаждения воздуха.
Испарителидля охлаждения жидких теплоносителей используются при охлаждении напитков(сокоохладители, охладители пива, кваса, газированной воды) или промежуточныхтеплоносителей, в качестве которых применяются вода, водные растворы солей,этиленгликоль или пропиленгликоль.
В качествепромежуточных теплоносителей при отрицательных температурах широко используютсяводные растворы солей NaCl и CaCl2. Эти растворы, получившиеназвание «рассолы» имеют минимальную (эвтектическую) температуру: -21,20Сдля NaCl, -550С для CaCl2.
Поконструкции различают панельные испарители открытого типа, кожухоотрубныеиспарители, кожухозмеевиковые листорубные и ребристорубные испарители.
Испарителидля охлаждения воздуха получили наибольшеераспространение, так как они применяются практически во всех видах холодильногооборудования. Эти испарители устанавливаются в холодильных камерах. Различаютиспарители с естественной циркуляцией воздуха и воздухоохладители (спринудительным движением воздуха, создаваемым вентилятором).
Кипениехладагента в испарителе происходит при передаче теплоты от охлаждаемой средычерез твердую герметическую разделяющую стенку, называемую теплопередающейповерхностью испарителей. Ее изготавливают из теплопроводных материалов,например, из медных труб. Для интенсификации теплообмена поверхность трубиспарителей, соприкасающуюся с охлаждаемым воздухом, оребряют. Оребрениеповерхности проводят чаще всего нанизыванием на трубы тонкостенныхметаллических пластин с определенным расстоянием между ними.
Наиболеепростую конструкцию имеют панельные испарители открытого типа.Испаритель состоит из бака прямоугольного сечения, заполненного теплоносителем,внутрь которого помещаются панели испарителя. Испарители данного типаиспользуются в крупных аммиачных холодильных машинах.
Прииспользовании панельных испарителей для охлаждения воды возможно расширениефункциональных возможностей аппаратов. Расстояние между панелями увеличивают, ипри охлаждении воды добиваются образования слоя льда на наружной поверхностипанелей. Слой льда выполняет функции аккумулятора теплоты. Такиеиспарители-аккумуляторы находят применение в технологических циклах снеравномерной тепловой нагрузкой, например, на предприятиях молочнойпромышленности, пиво-алкогольного производства и др.
Недостаткомпанельных испарителей открытого типа является существенная коррекция панелей ибаков, т.е. элементов, смачиваемых теплоносителем и имеющих контакт сокружающим воздухом.
Болеевысокими эксплуатационными характеристиками обладает замкнутая системациркуляции теплоносителя. В этой системе охлаждение теплоносителяобеспечивается в кожухоотрубном испарителе. Испаритель представляетсобой цилиндрический кожух, внутри которого проходит трубной пучок. Наружнаяповерхность труб представляет собой теплопередающую поверхность, через которуютеплота от теплоносителя, протекающего внутри труб, передается кипящему вмежтрубном пространстве хладагенту. Торцы труб герметично закреплены в двухтрубных решетках, приваренных к кожуху. Трубные решетки закрыты крышками,причем в крышке предусмотрены патрубки для подвода и отвода теплоносителя(воды, рассола).
Жидкийхладагент (аммиак) через вентиль подается в межтрубное пространство испарителя.Поплавковый регулятор поддерживает уровень хладагента на высоте примерно 0,8диаметра кожуха. Парообразный хладагент отводится из испарителя черезотделитель жидкости (сухопарник), размещенный в верхней части аппаратаустановлен маслосборник, через который из испарителя периодически сливаютсобранное смазочное масло и загрязнения.
В малыххолодильных машинах чаще используют модифицированные кожухотрубные испарители,получившие название – кожухозмеевиковые испарители. Испарители данноготипа имеют только одну трубную решетку, к которой присоединены U-образные трубы. Хладагент кипит внутритруб, а охлажденные теплоноситель прокачивается по межтрубному пространству.Для интенсификации теплообмена при кипении хладагента внутри трубыустанавливается специальная вставка, выполняющая функции внутреннего оребрения.
Организациякипения хладагента внутри труб позволяет существенно (примерно в 2–3 раза)снизить количество хладагента в контуре холодильной машины. Кроме того,исключена возможность замерзания теплоносителя внутри труб и их разрыва.
Длянебольших холодильных камер чаще всего используются испарителинепосредственного охлаждения. В них теплота охлаждаемого воздуха (безпромежуточного теплоносителя) непосредственно передается кипящему хладагенту.
Всовременном холодильном оборудовании (низкотемпературные секции) частоизготавливают панельные испарители в виде листотрубной конструкции.Данные испарители состоят из двух тонкостенных листов, на которых изготовленыполовины профилей каналов хладагента. После соединения листов они подвергаютсягорячей прокатке и в месте контакта поверхностей свариваются. Половины профилейлистов, совмещаясь, образуют сеть каналов для хладагента. Для присоединенияиспарителя к подводящему и отходящему трубопроводам предусмотрены штуцеры. Вкачестве материала испарителей может использоваться тонкостенный лист нержавеющейстали.
Разновидностьюпанельных испарителей являются панельные испарители. Они состоят из панелитребуемой формы, к которой пайкой крепится медная труба испарителя. Панельможет иметь различную форму (короб, лоток и пр.), соответствующую конфигурацииохлаждаемого объема оборудования.
Листотрубныепанельные испарители применяют в бытовых холодильниках.
У ребристотрубныхиспарителей теплообменная поверхность испарителя образована из гладкихмедных труб, на которые насажены штампованные пластинчатые ребра. Испарителиданного типа наиболее часто используют для охлаждения холодильных камер. Ихразмещают в охлаждаемых помещениях на стенах, поэтому эти испарители получилиназвание «настенные».
Примеромребристого испарителя являются испарители типа ИРСН (испаритель ребристый сухойнастенный). Испарительная батарея ИРСН изготовлена из медных труб, внутрикоторых кипит хладагент, чаще всего R12 или R22.
Трубыдиаметром 18*2 расположены в два ряда, на наружной поверхности труб размещеныстальные или латунные штампованные ребра. Трубы испарителя последовательносоединяются друг с другом полукруглыми трубками, получившими название «калачи».Для подсоединения испарителя к линии подвода жидкого хладагента и отводапарообразного предусмотрены штуцеры. Для крепления испарителя к стенепредусмотрены два кронштейна, расположенные по боковым сторонам на задней частииспарителя.
В обозначениииспарителя, например ИРСН – 12,5, присутствует цифра, показывающаявеличину теплообменной поверхности в квадратных метрах. Испарители ИРСНвыпускаются с разной величиной поверхности теплообмена от 4,7 до 18 м2.
Испарительс принудительным движением воздуха через оребренную теплообменную поверхностьназывается воздухоохладителем. Движение воздуха осуществляетсявентилятором с приводом от электродвигателя. Воздухоохладители более компактныи легче, чем испарители с естественной циркуляцией воздуха.
Воздухоохладителинаходят применение в торговом холодильном оборудовании, хорлодильных камерах, воборудовании для охлаждения и замораживания пищевых продуктов.
Воздухоохладительпомещен в корпус, в нижней части которого предусмотрен поддон для сбора талой водыпри оттаивании. Вентилятор, состоящий из крыльчатки и электродвигалеля,устанавливается в специальном кожухе, который крепится к корпусувоздухоохладителя. Заполнение воздухоохладителя хладагентом осуществляетсячерез терморегулирующий вентель, выполняющий функции дросселирующего устройстваи автоматического регулятора. Оребренная теплообменная поверхность.
Аммиак. Свойства, применение, недостатки и преимущества
Аммиак – NH3,нитрид водорода, при нормальных условиях – бесцветный газ с резкимхарактерным запахом (запах нашатырного спирта), почти вдвое легче воздуха,ядовит. Растворимость NH3 в воде чрезвычайно велика – около1200 объёмов (при 0 °C) или 700 объёмов (при 20 °C) в объёме воды. Вхолодильной технике носит название R717, где R – Refrigerant (хладагент),7 – тип хладагента (неорганическое соединение), 17 – молекулярнаямасса. Холодильный агент (хладагент) – рабочее вещество холодильной машины,которое при кипении и в процессе изотермического расширения отнимает теплоту отохлаждаемого объекта и затем после сжатия передаёт её охлаждающей среде за счётконденсации (воде, воздуху и т.п.).
Хладагентявляется частным случаем теплоносителя. Важным отличием является использованиетеплоносителей в одном и том же агрегатном состоянии, в то время, какхладагенты обычно используют фазовый переход (кипение и конденсацию).
Основнымихолодильными агентами являются аммиак, фреоны (хладоны), элегаз и некоторыеуглеводороды. Следует различать хладагенты и криоагенты. У криоагентов нижетемпература кипения. Это не касается появившихся в последнее времякомпрессионных криостатов, способных охлаждать до температур ниже −120 °Cбез применения жидкого азота, как это было принято последние сто лет. Вкачестве холодильного агента при создании оксиликвита используется кислород. Онже служит окислителем.
Принципиальнойразницей в использовании холодильных агентов в виде азота, гелия и т.д.является то, что жидкость расходуется и испаряется (как правило, в атмосферу).В холодильных машинах фреон или аналогичный газ ходит по кругу, при помощикомпрессора, сжижаясь в конденсаторе, испаряясь в испарителе.
Особоговнимания требует расширение применения аммиака. Аммиак по сравнению суглеводородами менее опасен. За прошедшее столетие отношение к аммиаку, какхладагенту, менялось от полного приятия до резкого отторжения, связанного сзаполнением рынка хладагентов ХФУ и ГФУ, которые первоначально рассматривалиськак панацея, обещающая полное вытеснение МНз из холодильной техники. К счастью,этого не произошло. Аммиак, открытый 255 лет назад, с 1859 года применяется какхолодильный агент, сначала в абсорбционных машинах, а с 1876 года – вкомпрессионных. При нулевых потенциалах разрушение озона и глобальногоПотепления аммиак не вызывает, термодинамически эффективен и абсолютно чистэкологически. Энергетические показатели аммиачных холодильных машин и установоквысоки: с энергетической точки зрения альтернативы аммиаку нет. Кроме того,аммиак обладает характерным запахом, который позволяет органолептически почтимгновенно определять его утечку. Аммиак легче воздуха и при утечке поднимаетсяв воздух, уменьшая опасность отравления. К сожалению, зачастую эти достоинствааммиака относят к его существенным недостаткам. Действительно, аммиактеоретически взрывоопасен при объемном содержании в воздухе от 15 до 28%,однако, случаи взрыва воздушно-аммиачной смеси в практической деятельностинастолько редки, что их можно отнести к разряду легенд многолетней давности,когда в холодильной технике отсутствовала надежная автоматика, а нарушениережимов эксплуатации такой техники приводило к гидроударам и, как следствиепоследних, – взрывам. В жизнедеятельности человека известно множество случаеввзрыва бытового газа, приводящих к трагическим последствиям, но никому и вголову не приходит запретить газоснабжение квартир и домов. Следует обратитьвнимание и на то, что мгновенная разгерметизация аммиачной холодильнойустановки не приведет к моментальному выбросу аммиака в атмосферу. Выйдеттолько паровая фаза, которая составляет незначительную часть от общегосодержания аммиака в системе. Остальной жидкий аммиак будет медленно выкипать.Аммиак не текуч в той степени, которая свойственна другим хладагентам, невзаимодействует с черным металлом, а, следовательно, все аммиачное оборудованиедешево, в отличие от фреонового, для которого используют в основном цветныеметаллы. Отрицательные свойства аммиака проявляются только при большом егоколичестве (несколько тонн) в системе и при условиях, когда могут создатьсякритические концентрации (до 50–60 грамм на один киловатт производимогохолода). В традиционной насосно-циркуляционной системе заправка аммиакасоставляет около 3 кг на 1 кВт холода. Кроме того, современные средстваавтоматизации позволяют создавать высоконадежные холодильные комплексы.
Сегодня этодостаточно легко решается путем перевода крупных холодильных объектов нааммиачные установки, содержащие минимальное количество аммиака и оснащениемаммиачной холодильной техники современными высоконадежными средствамиавтоматизации.
Это привелок расширению области применения аммиака за рубежом, в частности, к егоиспользованию в системах кондиционирования и холодоснабжения супермаркетов. Приэтом были приняты меры к снижению опасности выбросов NH3 и в первую очередь куменьшению количества заправляемого хладагента. Уменьшение количества аммиакапри сохранении заданной холодопроизводительности возможно при принятииследующих мер:
•заменасистем непосредственного кипения аммиака на системы с промежуточнымхладоносителем;
•использованиеХМ с малоемкими тешюобменными аппаратами для охлаждения промежуточныххладоносителей;
•применениеновых хладоносителей, нейтральных к металлам, экологически безопасных;
•оборудованиевыпускаемых холодильных машин устройствами и средствами автоматизации, позволяющимилокализовать аммиак в случае разгерметизации холодильной машины.
Разработчикихолодильного аммиачного оборудования предлагают несколько путей перевооруженияхолодильных установок.
Первый путьпригоден для крупных АХУ, расположенных в городах вблизи жилыхмассивов. Это возврат к системе с промежуточным хладоносителем, где недостаткиподобных систем охлаждения на современном витке развития технологий исключаютсяприменением нового теплообменного оборудования, приборов автоматизации,арматуры, материалов. Рекомендуется применять блочные малоемкие холодильныеагрегаты с дозированной заправкой МНз, в которых в качестве испарителей иконденсаторов применяется высокоэффективная аппаратура пластинчатого типа, вкачестве хладоносителей – некорродирующие растворы, а в холодильных камерахбатарейные системы охлаждения заменять малопоточными воздухоохладителями.Аммиачное оборудование в данном случае может располагаться как в традиционныхцентральных машинных отделениях, так и в блочных машинных отделениях контейнерноготипа, оборудованных устройствами для полного поглощения аммиака в случаеразгерметизации. При этом количество аммиака обычно не превышает 100–150 граммна 1 кВт холодопроизводительности.
Второй путьмодернизации и усовершенствования крупных АХУ, располагающихся впромзонах, вдали от жилых массивов и общественных объектов. Этот путьэффективен для предприятий с большим числом разнотемпературных потребителейхолода и обеспечивает снижение аммиако-емкости систем охлаждения почти напорядок.
Третий путьявляется весьма перспективным, заключается в разработкеагрегатированных блочных аммиачных установок непосредственного кипения аммиакапо типу фреоновых, так называемых сплит-систем. Холодильные машины с небольшимколичеством NH3 размещаются в специальных герметичных контейнерных блоках, ааммиак в случае разгерметизации полностью поглощается нейтрализаторами, непопадая в окружающую среду. Подобные аммиачные установки уже в настоящее времяшироко применяются в Японии и США.
Холодильныеи морозильные камеры. Устройство, виды, применение
Конструктивно все виды торгового холодильного оборудования имеютмного общего. Основной несущей конструкцией является металлический каркасразличной, в зависимости от назначения оборудования, конфигурации. С внешней ивнутренней стороны он облицован пластиком, стеклом либо стальными листами,покрытыми синтетической эмалью. В качестве технологических декоративныхэлементов могут использоваться: нержавеющая сталь, цветной слоистый пластик;алюминиевый профиль; стекло (плоское, гнутое, цветное); зеркала.
Стенки и дверцы торгового холодильного оборудования имеютмногослойную конструкцию. За внешними отделочными материалами следует:гидроизоляционная прослойка (пергамин, пергаментная бумага, полиэтиленоваяпленка и др.), а затем теплоизоляционный слой (пенопласт, мипора, стекловата,шлаковата, пенополистирол)
После теплоизоляционного слоя вновь проложена гидроизоляционнаяпрокладка и далее следует внутренняя отделка охлаждаемого пространства.Поскольку внутренняя поверхность охлаждаемых камер может соприкасаться спродуктами, она должна быть выполнена из нейтральным не коррозирующихматериалов (нержавеющая сталь, пищевой алюминий, эмалированная сталь).
Для более эффективного использования внутреннего охлаждаемогообъема шкафы, прилавки, витрины, камеры оборудуют стеллажами, полками,кассетами, кронштейнами, изготовленными из тех же нейтральных материалов.
Холодильные и морозильные камеры использует широкий кругпотребителей – от небольших предприятий до огромных складских комплексов,нуждающихся в создании специальных условий хранения.
По своему назначению, устройству и правилам эксплуатации такиекамеры аналогичны маленьким стационарным холодильникам.
По площади, необходимой для размещения товаров в таре, подбираюттип и количество немеханического складского оборудования, площадь которых исоставляет потребную грузовую охлаждаемую площадь.
Холодопроизводительность машины должна быть достаточной дляподдержания в холодильных камерах заданных температурных режимов и отводатеплопритоков. Расчет потребной холодопроизводительности машины начинают сопределения суммы всех теплопритоков по каждой камере в отдельности, а затем похолодильнику в целом (калорический расчет).
Общая сумма теплопритоков включает следующие теплопритоки:
Ø поступающие через ограждения с наружным вентиляционным воздухом;
Ø вносимые с продуктами и тарой;
Ø за счет открывания дверей, пребывания людей в камерах, нагреваламп освещения.
Определив сумму теплопритоков, выбирают охлаждающую систему – непосредственногоили рассольного охлаждения. Непосредственное охлаждение испарительнымибатареями, в которых происходит кипение хладагента, имеет более широкоераспространение благодаря большей экономичности, меньшей громоздкостиоборудования и возможности автоматизации процессов охлаждения.
Однако в некоторых случаях вместо системы непосредственногоохлаждения целесообразно применять рассольную систему охлаждения, например, прибольшом удалении холодильных камер от машинного отделения при необходимостиобеспечения стабильного температурного режима и если правилами техникибезопасности запрещается применять непосредственное охлаждение.
Затраты на установку и эксплуатацию рассольной системы охлажденияоправдывают себя в крупных холодильниках с количеством камер более четырех ипотребной холодопрозводительностью машин не менее 13 900 Вт или 12 000 ккал/ч(с учетом переводного коэффициента 1 Вт = = 0,86 ккал/ч).
Расчет холодильной установки непосредственного охлаждения начинаютс группировки холодильных камер с примерно одинаковыми температурными режимамии величинами теплопритоков. При этом учитывают, что на две – четыре камеры сравными условиями хранения приходится одна холодильная машина.
Потребную холодопроизводительность машины для каждой группы камеропределяют исходя из часового расхода холода и коэффициента рабочего времени.
Часовой расход холода определяется делением суточного расходахолода для данной группы камер по калорическому расчету на продолжительностьсуток в часах. Коэффициент рабочего времени равен отношению времени работымашины в сутки к продолжительности суток в часах.
Оптимальным временем работы крупных холодильных машин считают 20–22 ч,небольших – 16–17 ч в сутки отсюда значение коэффициента рабочего времени,при котором завод-изготовитель гарантирует бесперебойную работу, для крупныхмашин равно 0,85, для небольших – 0,75
Для определения потребной холодопроизводительности машиныиспользуют приближенный расчет по удельному расходу холода на 1 м2площади охлаждаемых помещений. Для камер с плюсовым температурным режимом онсоставляет 75–83 ккал/ч, или 90 – 100 Вт, для камер с температурным режимомхранения -8 «С – 96–104 ккал/ч, или 110–120 Вт.
Виды холодильных и морозильных камер. Такие камеры предназначены для хранения в складских помещенияхмагазинов запасов скоропортящихся продуктов в течение времени, не превышающегодопустимые сроки хранения (3–5 суток). Они могут быть стационарными и сборными.
Стационарные камеры проектируются и строятся в соcтаве торговыхзданий.
Сборные холодильные камеры могут устанавливаться Как на новых, таки на действующих предприятиях торговли, где строительство стационарных камерявляется нецелесообразным или для этого нет соответствующих условий.
Сборные камеры собирают из отдельных щитов – деревянных рам,обшитых с двух сторон металлическими листами, между которыми находитсятеплоизоляция (пенопласт или пенополиуретан). В охлаждаемом объеме камербоковых стенках установлены полки (решетки) для продуктов. К потолку камер илик специальным штангам крепятся крюки для подвешивания мясных туш. Дверь камерыимеет замок и ручку для открывания ее снаружи и изнутри Уплотнитель дверидолжен плотно прилегать к дверному проему по всему его контуру, что уменьшаеттепловые притоки.
Испарители располагают под потолком камеры. Под ними крепитсяподдон с трубкой для отвода конденсата при оттаивании испарителя. Внутри камерыимеется закрытый светильник. Охлаждающие агрегаты устанавливают отдельно околокамер.
Все большим спросом в условиях развивающейся рыночной экономики пользуютсясборно-щитовые холодильные и морозильные камеры различных объемов иконфигураций.
Основные элементы корпуса холодильной камеры дверной блок,стеновые и потолочные панели, половые пане ли, угловые элементы
Дверной блок представляет собой единое изделие, включающее в себядверную коробку с элементами крепления к корпусу камеры, дверное полотно снавесками, устройство подогрева дверного проема (для дверей морозильных камер).
Список используемойлитературы
1. Железний В.П., Биковець Н.П. Pабoта холодильных установок // Холод. –2004. – 205 с.
2. Овчаренко B.C., Афонский В.Л. Основные аспекты комплексного подхода красширению применения аммиачного оборудования в холодильной промышленности //Холодильная техника. – 2001. – 112 с.
3. Перелыптейн И.И., Парушин Е.Б. Термодинамические итеплофизические свойства рабочих веществ холодильных машин и тепловых насосов. –М.: Легкая и пищевая промышленность, 2000. – 232 с.
4. Маляренко В.А., Варламов Г.Б., Любчик Г.Н. и др.Энергетические установки и окружающая среда Харьков: ХГАГХ, 2002. – 398 с.
5. Калинь И.М., Васютин В.А., Пустовалов СБ. Условияэффективного применения диоксида углерода в качестве рабочего вещества тепловыхнасосов // Холодильная техника. – 2003. – 100 с.