Меню

Эффективность работы холодильных установок

Принцип работы холодильной машины

На сегодняшний день наш быт мы не можем представить без приборов, которые охлаждают продукты. Даже на производстве реализовать технологический процесс невозможно без холодильных машин. Так, получается, что холодильные установки необходимы нам повседневной жизни, включая производство и торговлю.

Использовать естественное охлаждение не всегда можно, учитывая сезонность, и возможность снизить температуру максимум до температуры воздуха, а летом это и вовсе не реально. И здесь начинается наша необходимость в приобретении холодильника. Принцип работы холодильной машины основан на том, чтобы при помощи техники реализовать процесс испарения и выработать конденсат.

Среди преимуществ холодильных установок можно выделить автоматическую работу поддержания постоянной низкой температуры, которая будет оптимальной для конкретной категории продуктов. Но это касается фактической пользы, а если брать во внимание и затраты на эксплуатацию, ремонт и техническое обслуживание, то холодильник и вовсе получается выгодной техникой.

Принцип работы холодильной установки

Принцип работы холодильной машины основан на охлаждении – физическом процессе, базирующимся на потреблении выделяемого машиной тепла в результате кипения жидкости. С каким показателем температуры жидкая среда доходит до кипения – будет зависеть от происхождения жидкости и уровня оказываемого давления.

Высокий показатель давления – высокая температура кипения. Ровно в такой же зависимости работает этот процесс и обратно: ниже давление – меньше температура закипания и испарения жидкости.

Химические свойства каждого вида жидкости качественно влияют на температуру, необходимую для закипания. Так, например, вода, закипает при 100 градусах, а жидкому азоту необходимо -174 градуса по Цельсию.

Рассмотрим жидкий фреон. Этот хладагент является самым популярным веществом, которым насыщена вся система холодильного оборудования. Кстати, фреон в обычных условиях в открытой емкости может закипеть даже при нормальном показателе атмосферного давления. Причем, этот процесс начнется немедленно, как только фреон сконтактирует с воздухом.

Данное явление непременно сопровождается поглощением окружающего тепла. Вы сможете наблюдать, как сосуд будет покрываться инеем, потому что происходит конденсация и замораживание водных паров воздуха. Это действие завершится только тогда, когда хладагент примет газообразное состояние, или не увеличится давление над фреоном, чтобы прекратить испарение и остановить превращение жидкого фреона в газообразный.

Закипающий в испарителе хладагент переходит в активную фазу поглощения тепла, исходящего от шланг узла-теплообменника. А трубки, а точнее их материал, будут омываться жидкостью, а это напрямую связано с процессом охлаждения воздуха. Такой процесс не должен прерываться, он постоянный. Для его поддержания необходимо регулярное кипение фреона в испарителе, а значит – постоянное удаление газообразного хладагента и добавление его в жидком состоянии.

Конденсация пара жидкого фреона требует температуру ровно такую, какой она будет в зависимости от атмосферного давления. Выше показатель давления – выше градус для конденсации. Давление в 23 атмосферы необходимо, что конденсировать пары фреона R22, в то время как температура будет равна +55 градусам.

Пары хладагента во время превращения их в жидкость выделяют большое количество тепла в окружающую среду. Холодильник для такого процесса имеет специальный, абсолютно герметичный тепловой обменник, называемым конденсатором. Он предназначен для отвода выделенной тепловой энергии. Выглядит конденсатор как алюминиевый элемент, имеющий ребристую поверхность.

Чтобы пары фреона вывести из испарителя, а давление создать такое, которое будет оптимально благоприятным для конденсации, необходимо специальное насосное устройство – компрессор. Кроме того, в холодильной установке не обойтись без работы регулятора потока фреона. Эта функция отведена дросселирующей капиллярной трубке. Каждый из элементов холодильной системы соединяется между собой трубопроводом, образуя последовательную цепочку – так круг системы замыкается.

Принцип работы холодильной установки на фреоне

Принцип работы холодильной установки на фреоне предполагает выполнение реального цикла, который существенно отличается от теоретического. Разница заключается в присутствии такого понятия, как потеря давления. Происходит это во время реального цикла на клапанах компрессора (подробнее о видах компрессора читайте здесь: https://megaholod.ru/articles/kakie_byvayut_kompressory_v_kholodilnikakh/) и на его обвязке в частности. Такие потери в последствии необходимо компенсировать.

Для этого следует добиться увеличения работы сжатия, что понизит результативность цикла. В суть этого параметра вложены соотношение мощности агрегата и мощности, необходимой для работы компрессора. А вот насколько эффективно работает установка – параметр сравнительный, который никак не отражается на производительности холодильника.

источник

Способы повышения эффективности холодильных систем на предприятии

Промышленные холодильные системы на крупных предприятиях, которые используют десятки и сотни килограмм хладагента, могут работать еще лучше. Такое оборудование часто эксплуатируется на пищевых и фармацевтических производствах, и, благодаря экспертизе и консультациям специалистов, могут значительно повысить свою энергоэффективность. Это, в свою очередь, приведет к значительному снижению эксплуатационных расходов.

Инженер-исследователь Даниэль Деттмерс, сотрудник Центра HVAC&R, расположенного в университете Висконсин-Мэдисон, рассказал о прямых и косвенных выгодах, которые получит владелец промышленных холодильных установок, решивших заняться их модернизацией. Он высказал ряд предложений, которые должны повысить их эффективность и представил их на технологическом форуме AHR Экспо, состоявшемся в 2015 году.

Выгоды

Прямые выгоды включают в себя снижение потребления энергии, уменьшение времени простоя оборудования и увеличение срока его службы.

Как отметил Деттмерс, при модернизации оборудования его можно будет использовать более эффективно, а значит, потребуется меньшее количество установок, при этом надежность системы значительно повысится. Любой менеджер на предприятии пищевой промышленности прекрасно знает, сколько стоит каждый час простоя одной линии производства. Обычно это десятки тысяч долларов. Именно поэтому нужно избегать того, чтобы неполадки в холодильном оборудовании стали причиной остановки производства.

Кроме того, существуют косвенные выгоды, включающие улучшение качества охлаждения и повышение безопасности эксплуатации. Это достигается пристальным вниманием к деталям со стороны операторов. Подобный подход дает возможность увеличивать количество оборудования, не увеличивая потенциальные мощности электрических сетей.

Читайте также:  Принцип работы холодильной установки рефрижератора

Деттмерс рассказал, что многие промышленные предприятия в США имеют собственные трансформаторные подстанции. Благодаря улучшению и модернизации холодильного оборудования появляется возможность расширять производство без переоборудования таких подстанций, а это – экономия в несколько миллионов долларов, которые можно инвестировать непосредственно в производство.

Крупные оптовые компании и предприятия розничной торговли, которые занимаются улучшением холодильного оборудования путем повышения энергоэффективности, извлекают дополнительную выгоду в виде позитивного имиджа в глазах потенциальных клиентов, особенно тех, которых волнуют вопросы загрязнения окружающей среды. Опыт показывает, что «зеленые» технологии и низкие выбросы углерода в атмосферу гарантированно привлекают дополнительных клиентов.

Проблемы

Но при повышении эффективности работы холодильных систем на крупных предприятиях возникают дополнительные проблемы. Это связано с тем, что такие системы создавались отдельно для каждого предприятия, порой без надлежащего расчета и оформления, а потому они все разные. Деттмерс заметил, что в тех случаях, когда владелец предприятия хочет установить новую технологическую линию, он должен учитывать, как она впишется в общую систему охлаждения. Только в этом случае можно добиться максимальной эффективности системы, но это, как правило, не делается.

Чаще всего подрядчик информирует владельца о том, что он может установить оборудование, рассчитанное на охлаждение определенного количества продукции, которое станет частью общей технологической системы. При этом он устанавливает трубы и устройства, заполняет их хладагентом и подключает к общей сети. Поскольку завод ожидает максимально быстрого запуска нового продукта, никто не оценивает затраты на новую нагрузку, которую обеспечивают установленные устройства. Именно эти спонтанные быстрые изменения являются главным источником проблем для повышения эффективности и модернизации системы охлаждения на предприятии.

Кроме того, системы управления оборудованием на различных объектах абсолютно разные. Деттмерс заявил, что один из лучших способов повышения эффективности работы холодильного оборудования это четкий контроль режима работы холодильных компрессоров и последовательности их включения.

При определении возможностей для экономии энергии лучше всего обратить внимание на самые простые вещи. Известно, что большая часть энергии потребляется компрессорами, мощность двигателей которых составляет от 300 до 1000 (или даже больше) л.с. Специалисты должны определить, нужно ли использовать всю мощность двигателей или давления нагнетания хладагента в систему может быть снижено при той же эффективности. Проще всего обратиться непосредственно к производителю с вопросом, насколько можно снизить мощность нагнетания, чтобы система работала в номинальном режиме?

Также можно определить, можно ли поднять давление всасывания на компрессоре, что приведет к улучшению работы системы в целом. Для этого зачастую нужно просто изменить установки системы автоматического управления клапанами.

10 способов повысить эффективность холодильного оборудования

Как рассказал Деттмерс, есть 10 простых способов, которые позволят существенно повысить эффективность промышленных холодильных систем, не вкладывая в это больших средств:

1. Снизить давление хладагента внутри системы. Для этого нужно проконсультироваться с производителем. При нулевых затратах это будет давать значительную экономию, причем на все время работы оборудования.

2. Увеличить давление всасывания компрессора. Операторы наверняка увидят около 2% экономии энергии на каждый килограмм повышения давления всасывания. В данном случае экономия во многом зависит от погодных условий, но при этом значительно увеличивается пропускная способность холодильной системы.

3. Установить системы управления потребления мощности компрессорами, отрегулировав их на несколько режимов работы. Это не понадобится в том случае, если оборудование на заводе работает круглосуточно с загруженностью в 100%. Но, поскольку современное производство представляет собой сложную структуру, оборудование почти никогда не работает круглосуточно на пике мощности, здесь и появляются возможности для существенной экономии.

4. Установить систему управления вентиляторами конденсатора. Таким образом, оператор сможет быстро изменять режимы работы оборудования.

5. Установить систему управления на вентиляторы испарителей. Кроме экономии энергии этом поможет сделать работу оборудования менее шумной, что в значительной степени улучшит условия труда на предприятии.

6. Воспользоваться системой рекуперации тепла. Компрессоры промышленных холодильных систем, использующих аммиак, работают с масляной системой охлаждения. При этом нагретое масло охлаждается, отдавая тепло воздуху. Если сделать систему напольного отопления, заполненную гликолем, получающую тепло от остывающего масла, можно получить огромные выгоды при достаточно небольших затратах.

7. Проанализировать систему контроля последовательности работы компрессоров и их пропускной способности, чтобы не подключать лишние мощности.

8. Обратить внимание на то, что в летний период чаще приходится размораживать системы, останавливая их работу. В зимнее время, когда воздух более холоден и сух, этим часто пренебрегают, тем самым создавая избыточную нагрузку на систему энергоснабжения предприятия.

9. Модернизация систем охлаждения, которые работают на впрыске жидкого масла. Установка систем впрыска масла намного проще конструктивно, но они уменьшают срок службы компрессора и снижают его эффективность. Именно поэтому не нужно делать масштабных изменений в промышленных холодильных системах в сжатые сроки. Более эффективным окажется поэтапный апгрейд, который достаточно быстро окупится в скором будущем.

10. Снизить так называемые паразитарные нагрузки на энергосистему. Прежде всего, необходимо озаботиться хорошей теплоизоляцией помещений. Все двери и окна должны плотно закрываться, чтобы воздух извне минимально попадал вовнутрь. Необходимо убедиться, что продукты охлаждаются именно до рекомендованной температуры и в холодильных системах не хранятся продукты, не требующие охлаждения. Это поможет снять излишнюю нагрузку с компрессора, что снизит его энергопотребление и увеличит срок службы всего холодильного оборудования на предприятии.

источник

Обратный цикл Карно. Оценка эффективности работы холодильных установок, тепловых насосов и теплофикационных машин

Основы рабочих процессов установок, работающих по обратным термодинамическим циклам и их классификация.

Искусственное охлаждение с помощью холодильных установок и охлаждающих устройств, основано на втором законе термодинамики, согласно которому передача теплоты от менее нагретого тела к более нагретому телу возможна только при затрате внешней работы или другой энергии.

Читайте также:  Картридж для холодильной установки

В холодильных установках внешняя работа затрачивается на осуществление обратного кругового термодинамического процесса (цикла) обеспечивающего перенос теплоты от охлаждаемого объекта к более теплой окружающей среде или более нагретому телу.

Круговым процессом (циклом) – называется процесс, в котором начальное и конечное состояние рабочего тела остается неизменным.

В обратных циклах, циркулирующее в холодильных машинах, рабочее тело называется холодильным агентом.

Принципиальная схема холодильной машины (рис 1)

Охлаждаемый объект (3) имеет температуру Тохл. более низкую, чем окружающая среда (1) с температурой Токр. Холодильный агент (2) способен изменять свою температуру при изменении давления. Предварительно сжатый холодильный агент расширяется до давления, при котором его температура становится ниже Тохл. В результате естественного самопроизвольного процесса хладагент отбирает от охлаждаемого объекта теплоту в количестве (qo). Затем хладагент сжимается при этом затрачивается внешняя энергия (qвэ). Температура хладагента становится выше температуры окружающей среды. В этом случае окружающая среда отбирает от хладагента теплоту в количестве:

(1)

Непрерывно повторяющиеся процессы (теплообмен, сжатие, теплообмен, расширение), в результате которых переносится теплота от охлаждаемого объекта в окружающую среду называют – обратным или холодильным циклом. При этом хладагент может изменять свое не только тепловое, но и агрегатное состояние.

Рис.1 Принципиальная схема холодильной машины.

По обратным круговым циклам работают:

холодильные машины– предназначенные для производства искусственного холода, то есть отвода теплоты от охлаждаемых объектов и передачи её в окружающую среду.

тепловые насосы– предназначенные для производства теплоты, то есть отвод теплоты от окружающей среды и передача ее к нагреваемым объектам (телам с более высокой температурой). Можно отапливать помещения.

теплофикационные холодильные машины– предназначенные для одновременного производства холода и теплоты. Совмещают функции холодильных машин и тепловых насосов.

Все эти машины аналогичны по принципу действия и устройству и различаются по назначению и режиму температур, в котором они функционируют (рис 2).

Рис.2 Принципиальные схемы осуществления обратных циклов: а) – холодильной машины; б) – теплового насоса; в) – теплофикационной (комбинированной) машины.

Перенос теплоты от охлаждаемого объекта 3 (см. рис 1) в окружающую среду 1 с минимальной затратой внешней энергии осуществляется с помощью обратного (холодильного) цикла Карно.

Рис.3 а) — Обратный цикл Карно; б) – обратимый; в) – необратимый

Он состоит из четырех процессов изменения состояния рабочего тела: двух изотерм 2-3 и 4-1 и двух адиабат 1-2 и 3-4.

В процессе 4-1 (при постоянной температуре Tохл) от охлаждаемого объекта отнимается теплота q (площадь а-4-1-b). Затем рабочее тело сжимается (линия 1-2) при s = const (без теплообмена с окружающей средой), в результате температура тела повышается от Тохл до Токр. На совершение процесса сжатия затрачивается работа lсж. В процессе 2-3 (при Tокр = const) теплота q (площадь a-b-2-З) отводится от рабочего тела в окружающую среду. В адиабатном процессе расширения 3-4 рабочее тело совершает полезную работу lpaс, при этом температура тела снижается от Tокр до Tохл.

В результате передачи теплоты от охлаждаемого тела окружающей среде, т. е. при совершении обратного цикла Карно, затрачивается работа l (площадь 4-1-2-3).

Все процессы цикла Карно являются обратимыми.

Обратимым — называется такой идеальный процесс, на выполнение которого в пря­мом и обратном направлении не требуется затрат внешней энергии. Например, в идеальном процессе расширения сжатого газа получае­мая энергия qpac точно равна энергии qсж, затрачиваемой на сжатие газа, т. е. на возвращение его в начальное состояние. В этом случае dq = 0, следовательно, и ds =0.

В обратимых изотермических процессах подвода и отвода теплоты разница температур между охлаждаемым и рабочим телом, а также между рабочим телом и охлаждающей средой равна нулю.

Процессы и циклы, осуществляемые в реальных машинах, необратимы. Различают внутреннюю и внешнюю необратимость.

Внутренние потери –обусловленные нарушением равновесия в хладагенте

( трение, дросселирование, неравномерность температуры хладагента по объему, теплообмен со стенками проточной части компрессора и др.)

Внешние потери — связаны с тем, что реальные процессы подвода и отвода теплоты происходят при конечной разности температур между температурами рабочего тела и охлаждаемой и охлаждающей средами (рис. 3б).

При увеличении разности температур необратимость процесса увеличивается, вызывая дополнительный расход энергии l’>l. Любая необратимость процессов характеризуется ростом энтропии системы хладагент – внешние источники теплоты. Рост энтропии означает рассеяние (диссипацию) энергии. Рассеянная энергия не может быть превращена в работу.

Наиболее экономичные процессы осуществляются при бесконечно малой разности температур между источником теплоты и рабочим телом.

Энергетическая эффективность холодильного циклаоценивается холодильным коэффициентом ε, который равен:

(2)

— отношению количества отведенной теплоты от охлаждаемого тела к затраченной в цикле работе l.

По первому закону термодинамики энергия, переданная окружающей среде равна:

(3)

Энергетическая эффективность холодильного цикла оценивается холодильным коэффициентом

(4)

учитывая, что и (5),(6)

Получим: (7)

— холодный коэффициент цикла Карно зависит только от и , и в заданном интервале температур имеет наивысшее значение.

Сравнивая холодильные коэффициенты обратного цикла Карно и реального холодильного цикла в одинаковых температурных границах, можно определить степень его температурного совершенства.

(8)

— коэффициент совершенства холодильного цикла

— холодильный коэффициент рассматриваемого цикла;

— холодильный коэффициент обратного обратимого цикла Карно, построенного в том же интервале температур.

Энергетическая эффективность цикла теплового насоса и теплофикационных циклов определяется отношением количества теплоты q – переданной нагреваемому помещению, к затраченной работе l.

(9)

Коэффициент отопления с холодильным коэффициентом связан:

(10)

Физические принципы получения низких температур

3.1. Фазовые переходы. Охлаждение при изменении агрегатного состояния.

Читайте также:  Холодильный шкаф способ установки

3.2. Охлаждение с помощью дросселирования.

3.3. Охлаждение при расширении газов.

3.4. Вихревой эффект охлаждения.

3.5. Термоэлектрическое охлаждение.

В любом природном процессе осуществляется непрерывный переход теплоты от тел c высокой к телам с низкой температурой.

Охлаждающими телами в естественных условиях являются воздух, вода, лёд.

При естественном охлаждении температуру ниже температуры окружающей среды получить нельзя.

Рассмотрим искусственные способы охлаждения, основанные на различных физических процессах.

Все реальные вещества в зависимости от их параметров (в состоянии ниже критического) могут находиться в трех агрегатных состояниях или фазах: газовом, жидком и твердом. При изменении равновесных параметров (температуры и давления) вещество может переходить из одного фазового состояния в дру­гое. При этом поглощается или выделяется определенное количество тепла, называемоетеплотой фазового перехода.

На рис. 4 изображена фазовая диаграмма Р-t для воды. Точка Т на этой диаграмме является тройной точкой, в которой сосуществуют все три фазы. Для воды эта точка соответствует температуре 0,01°С и давлению 0,006112 бар. В этой точке пересекаются три кривые состояния равновесия двух фаз. В точках кривой Т-К равновесно сосуществуют жидкость и пар, и эта кривая носит название кривой парообразования (насыщения). Фазовый переход из твёрдой фазы в жидкую проходит через линию плавления (обратно — кристаллизация), а из твёрдой фазы в газообразную через линию сублимации (десублимация).

Рис. 4. Фазовая Р-t диаграмма для воды.

В данном случае, нас интересуют изменения агрегатного состояния тела (плавление, кипение, сублимация), сопровождаемые поглощением значительного количества теплоты, расходуемой на внутреннюю работу по преодолению сил сцепления между молекулами. На практике для получения охлаждающего эффекта используют хладагенты, у которых упоминаемые процессы фазовых переходов протекают при низкой температуре при нормальном атмосферном давлении.

Способы охлаждения, основанные на использовании фазовых превращений веществ возможны только при неограниченном запасе охлаждающих тел. Непрерывное получение холода при использовании одного и того же количества охлаждающего вещества возможно, если после получения холодильного эффекта оно возвращается в начальное состояние. Это осуществляется с помощью холодильных установок.

3.2 Дросселирование

Экспериментально установлено, что при прохождении жидкости или газа через узкое сечение (дроссельная шайба, кран, вентиль, пористая среда и др.) происходит снижение давления движущегося потока. Это явление называют дросселированием(мятием). Оно используется в технике для регулирования мощности паросиловых установок, в холодильной технике при получении холода и др.

Выясним, как изменяется температура потока в результате дросселирования. Температура идеального газа при дросселировании не изменяется. Экспериментально установлено, что при дросселировании реальных газов их температура изменяется (эффект Джоуля-Томсона), причём чем больший перепад давлений, тем больше изменение температуры. Для количественной характеристики явления введено понятие дифференциального дроссельного эффекта представляющего собой отношение изменения температуры газа при адиабатном дросселировании (h=const) к изменению давления в дефференциальном процессе.

(11)

Рис.5 Изменение давления

Для реальных газов знак дроссель-эффекта определяется знаком числителя в выражении (1). Если числитель больше нуля, то αh >0 (положительный дроссель-эффект); а так как при дросселировании dp 0, т.е. температура газа повышается. Если числитель в (1) равен нулю (нулевой дроссель-эффект), то αh =0 и dр 0 С при адиабатном расширении р2=0,1 МПа t2=-193,4 0 С.

Вихревой эффект (эффект Ранка-Хильша) происходит без совершения внешней работы и реализуется с помощью специальной трубы ІІІ, на которой танген­циально к внутренней поверхности расположено сопло І (рис. 1.4). Возле сопла уста­навливается диафрагма с концентрическим отверстием порядка 0,4. 0,5 внутрен­него диаметра трубы. Диафрагма делит трубу по длине на два участка: справа от диафрагмы располагается холодный участок трубы, слева — горячий учас­ток, оканчивающийся дроссельным клапаном по образующей трубы (рис. , б). При прямоточном движении холодного и горячего потоков сопло и диафрагма с кольцевым дроссельным клапаном разнесены по концам трубы (рис. , а).

Рис.7 Принципиальная схема вихревой трубы:

а – прямоточная; б — противоточная.

Поток сжатого газа (обычно рс = (0,3. 0,5) МПа), охлажденного до температу­ры окружающей среды Тс, подается в сопло, в котором потенциальная энергия дав­ления преобразуется в кинетическую энергию движущегося потока. На выходе из сопла поток поступает по касательной к внутренней поверхности трубы в улитку Архимеда, где закручивается. В трубе поток совершает вращательное движение и поступательное перемещение вдоль оси трубы, разделяясь при этом на два потока — холодный и горячий. Горячий движется по периферии трубы от соплового сечения к горячему торцу трубы (к кольцевому дроссельному клапану), а холодный — по цен­тру трубы к диафрагме (холодному торцу трубы).

Явления, протекающие в вихревой трубе, еще мало изучены. Физическая сущность явления приближенно заключается в следующем. Газовый поток, вы­шедший из сопла, образует свободный вихрь, угловая скорость вращения кото­рого максимальна у оси и уменьшается по мере приближения к образующей тру­бы. При движении вихря вдоль оси к дроссельному вентилю, в результате тре­ния между слоями газа, поток приобретает почти одинаковую угловую скорость (режим квазитвердого вихря). При этом внутренние слои потока теряют скорость, а внешние — увеличивают. Поэтому внутренние слои, теряя часть кинетической энергии, охлаждаются, а периферийные слои, приобретая эту часть кинетичес­кой энергии, нагреваются.

Так как процесс расслоения газа происходит значительно быстрее вы­равнивания температур между слоями посредством кондуктивного переноса теп­ла от более нагретых периферийных слоев к центральным, то внутренние слои потока, охладившиеся при истечении, отдавая свою кинетическую энергию, не получают в поле вихревого разделения эквивалентного возврата тепла. Поэтому внешние слои выходят через кольцевой дроссельный вентиль нагретыми, а внут­ренние — через отверстие диафрагмы холодными.

Дата добавления: 2014-11-28 ; Просмотров: 2637 ; Нарушение авторских прав?

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

источник

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *