Назначение и работа испарителя
В состав любой парокомпрессионной холодильной машины входят как минимум, два теплообменных аппарата, обеспечивающих обмен энергией в виде теплоты между хладагентом и внешней средой. Этими обязательными теплообменными аппаратами являются испаритель и конденсатор холодильной машины. Кроме них в состав холодильной машины может быть включен регенеративный теплообменник, обеспечивающий обмен теплотой между потоками хладагента и повышающий эффективность и надежность работы холодильной машины.
Испаритель – это теплообменный аппарат, устанавливаемый в охлаждаемом помещении, камере или отсеке холодильного оборудования и обеспечивающий охлаждение газообразной или жидкой среды. Во внутреннем объеме испарителя при низкой температуре кипит хладагент, воспринимая теплоту охлаждаемой среды.
По виду охлаждаемой среды различают испарители для охлаждения жидких теплоносителей и для охлаждения воздуха.
Испарители для охлаждения жидких теплоносителей используются при охлаждении напитков (сокоохладители, охладители пива, кваса, газированной воды) или промежуточных теплоносителей, в качестве которых применяются вода, водные растворы солей, этиленгликоль или пропиленгликоль.
В качестве промежуточных теплоносителей при отрицательных температурах широко используются водные растворы солей NaCl и CaCl2. Эти растворы, получившие название «рассолы» имеют минимальную (эвтектическую) температуру: -21,20С для NaCl, -550С для CaCl2.
По конструкции различают панельные испарители открытого типа, кожухоотрубные испарители, кожухозмеевиковые листорубные и ребристорубные испарители.
Испарители для охлаждения воздуха получили наибольшее распространение, так как они применяются практически во всех видах холодильного оборудования. Эти испарители устанавливаются в холодильных камерах. Различают испарители с естественной циркуляцией воздуха и воздухоохладители (с принудительным движением воздуха, создаваемым вентилятором).
Кипение хладагента в испарителе происходит при передаче теплоты от охлаждаемой среды через твердую герметическую разделяющую стенку, называемую теплопередающей поверхностью испарителей. Ее изготавливают из теплопроводных материалов, например, из медных труб. Для интенсификации теплообмена поверхность труб испарителей, соприкасающуюся с охлаждаемым воздухом, оребряют. Оребрение поверхности проводят чаще всего нанизыванием на трубы тонкостенных металлических пластин с определенным расстоянием между ними.
Наиболее простую конструкцию имеют панельные испарители открытого типа. Испаритель состоит из бака прямоугольного сечения, заполненного теплоносителем, внутрь которого помещаются панели испарителя. Испарители данного типа используются в крупных аммиачных холодильных машинах.
При использовании панельных испарителей для охлаждения воды возможно расширение функциональных возможностей аппаратов. Расстояние между панелями увеличивают, и при охлаждении воды добиваются образования слоя льда на наружной поверхности панелей. Слой льда выполняет функции аккумулятора теплоты. Такие испарители-аккумуляторы находят применение в технологических циклах с неравномерной тепловой нагрузкой, например, на предприятиях молочной промышленности, пиво-алкогольного производства и др.
Недостатком панельных испарителей открытого типа является существенная коррекция панелей и баков, т.е. элементов, смачиваемых теплоносителем и имеющих контакт с окружающим воздухом.
Более высокими эксплуатационными характеристиками обладает замкнутая система циркуляции теплоносителя. В этой системе охлаждение теплоносителя обеспечивается в кожухоотрубном испарителе. Испаритель представляет собой цилиндрический кожух, внутри которого проходит трубной пучок. Наружная поверхность труб представляет собой теплопередающую поверхность, через которую теплота от теплоносителя, протекающего внутри труб, передается кипящему в межтрубном пространстве хладагенту. Торцы труб герметично закреплены в двух трубных решетках, приваренных к кожуху. Трубные решетки закрыты крышками, причем в крышке предусмотрены патрубки для подвода и отвода теплоносителя (воды, рассола).
Жидкий хладагент (аммиак) через вентиль подается в межтрубное пространство испарителя. Поплавковый регулятор поддерживает уровень хладагента на высоте примерно 0,8 диаметра кожуха. Парообразный хладагент отводится из испарителя через отделитель жидкости (сухопарник), размещенный в верхней части аппарата установлен маслосборник, через который из испарителя периодически сливают собранное смазочное масло и загрязнения.
В малых холодильных машинах чаще используют модифицированные кожухотрубные испарители, получившие название – кожухозмеевиковые испарители. Испарители данного типа имеют только одну трубную решетку, к которой присоединены U-образные трубы. Хладагент кипит внутри труб, а охлажденные теплоноситель прокачивается по межтрубному пространству. Для интенсификации теплообмена при кипении хладагента внутри трубы устанавливается специальная вставка, выполняющая функции внутреннего оребрения.
Организация кипения 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.
Для небольших холодильных камер чаще всего используются испарители непосредственного охлаждения. В них теплота охлаждаемого воздуха (без промежуточного теплоносителя) непосредственно передается кипящему хладагенту.
В современном холодильном оборудовании (низкотемпературные секции) часто изготавливают панельные испарители в виде листотрубной конструкции. Данные испарители состоят из двух тонкостенных листов, на которых изготовлены половины профилей каналов хладагента. После соединения листов они подвергаются горячей прокатке и в месте контакта поверхностей свариваются. Половины профилей листов, совмещаясь, образуют сеть каналов для хладагента. Для присоединения испарителя к подводящему и отходящему трубопроводам предусмотрены штуцеры. В качестве материала испарителей может использоваться тонкостенный лист нержавеющей стали.
Разновидностью панельных испарителей являются панельные испарители. Они состоят из панели требуемой формы, к которой пайкой крепится медная труба испарителя. Панель может иметь различную форму (короб, лоток и пр.), соответствующую конфигурации охлаждаемого объема оборудования.
Листотрубные панельные испарители применяют в бытовых холодильниках.
У ребристотрубных испарителей теплообменная поверхность испарителя образована из гладких медных труб, на которые насажены штампованные пластинчатые ребра. Испарители данного типа наиболее часто используют для охлаждения холодильных камер. Их размещают в охлаждаемых помещениях на стенах, поэтому эти испарители получили название «настенные».
Примером ребристого испарителя являются испарители типа ИРСН (испаритель ребристый сухой настенный). Испарительная батарея ИРСН изготовлена из медных труб, внутри которых кипит хладагент, чаще всего R12 или R22.
Трубы диаметром 18*2 расположены в два ряда, на наружной поверхности труб размещены стальные или латунные штампованные ребра. Трубы испарителя последовательно соединяются друг с другом полукруглыми трубками, получившими название «калачи». Для подсоединения испарителя к линии подвода жидкого хладагента и отвода парообразного предусмотрены штуцеры. Для крепления испарителя к стене предусмотрены два кронштейна, расположенные по боковым сторонам на задней части испарителя.
В обозначении испарителя, например ИРСН – 12,5, присутствует цифра, показывающая величину теплообменной поверхности в квадратных метрах. Испарители ИРСН выпускаются с разной величиной поверхности теплообмена от 4,7 до 18 м2.
Испаритель с принудительным движением воздуха через оребренную теплообменную поверхность называется воздухоохладителем. Движение воздуха осуществляется вентилятором с приводом от электродвигателя. Воздухоохладители более компактны и легче, чем испарители с естественной циркуляцией воздуха.
Воздухоохладители находят применение в торговом холодильном оборудовании, хорлодильных камерах, в оборудовании для охлаждения и замораживания пищевых продуктов.
Воздухоохладитель помещен в корпус, в нижней части которого предусмотрен поддон для сбора талой воды при оттаивании. Вентилятор, состоящий из крыльчатки и электродвигалеля, устанавливается в специальном кожухе, который крепится к корпусу воздухоохладителя. Заполнение воздухоохладителя хладагентом осуществляется через терморегулирующий вентель, выполняющий функции дросселирующего устройства и автоматического регулятора. Оребренная теплообменная поверхность.
Аммиак. Свойства, применение, недостатки и преимущества
Аммиак – NH3, нитрид водорода, при нормальных условиях – бесцветный газ с резким характерным запахом (запах нашатырного спирта), почти вдвое легче воздуха, ядовит. Растворимость NH3 в воде чрезвычайно велика – около 1200 объёмов (при 0 °C) или 700 объёмов (при 20 °C) в объёме воды. В холодильной технике носит название R717, где R – Refrigerant (хладагент), 7 – тип хладагента (неорганическое соединение), 17 – молекулярная масса. Холодильный агент (хладагент) – рабочее вещество холодильной машины, которое при кипении и в процессе изотермического расширения отнимает теплоту от охлаждаемого объекта и затем после сжатия передаёт её охлаждающей среде за счёт конденсации (воде, воздуху и т.п.).
Хладагент является частным случаем теплоносителя. Важным отличием является использование теплоносителей в одном и том же агрегатном состоянии, в то время, как хладагенты обычно используют фазовый переход (кипение и конденсацию).
Основными холодильными агентами являются аммиак, фреоны (хладоны), элегаз и некоторые углеводороды. Следует различать хладагенты и криоагенты. У криоагентов ниже температура кипения. Это не касается появившихся в последнее время компрессионных криостатов, способных охлаждать до температур ниже −120 °C без применения жидкого азота, как это было принято последние сто лет. В качестве холодильного агента при создании оксиликвита используется кислород. Он же служит окислителем.
Принципиальной разницей 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 помощи компрессора, сжижаясь в конденсаторе, испаряясь в испарителе.
Особого внимания требует расширение применения аммиака. Аммиак по сравнению с углеводородами менее опасен. За прошедшее столетие отношение к аммиаку, как хладагенту, менялось от полного приятия до резкого отторжения, связанного с заполнением рынка хладагентов ХФУ и ГФУ, которые первоначально рассматривались как панацея, обещающая полное вытеснение МНз из холодильной техники. К счастью, этого не произошло. Аммиак, открытый 255 лет назад, с 1859 года применяется как холодильный агент, сначала в абсорбционных машинах, а с 1876 года – в компрессионных. При нулевых потенциалах разрушение озона и глобального Потепления аммиак не вызывает, термодинамически эффективен и абсолютно чист экологически. Энергетические показатели аммиачных холодильных машин и установок высоки: с энергетической точки зрения альтернативы аммиаку нет. Кроме того, аммиак обладает характерным запахом, который позволяет органолептически почти мгновенно определять его утечку. Аммиак легче воздуха и при утечке поднимается в воздух, уменьшая опасность отравления. К сожалению, зачастую эти достоинства аммиака относят к его существенным недостаткам. Действительно, аммиак теоретически взрывоопасен при объемном содержании в воздухе от 15 до 28%, однако, случаи взрыва воздушно-аммиачной смеси в практической деятельности настолько редки, что их можно отнести к разряду легенд многолетней давности, когда в холодильной технике отсутствовала надежная автоматика, а нарушение режимов эксплуатации такой техники приводило к гидроударам и, как следствие последних, – взрывам. В жизнедеятельности человека известно множество случаев взрыва бытового газа, приводящих к трагическим последствиям, но никому и в голову не приходит запретить газоснабжение квартир и домов. Следует обратить внимание и на то, что мгновенная разгерметизация аммиачной холодильной установки не приведет к моментальному выбросу аммиака в атмосферу. Выйдет только паровая фаза, которая составляет незначительную часть от общего содержания аммиака в системе. Остальной жидкий аммиак будет медленно выкипать. Аммиак не текуч в той степени, которая свойственна другим хладагентам, не взаимодействует с черным металлом, а, следовательно, все аммиачное оборудование дешево, в отличие от фреонового, для которого используют в основном цветные металлы. Отрицательные свойства аммиака проявляются только при большом его количестве (несколько тонн) в системе и при условиях, когда могут создаться критические концентрации (до 50–60 грамм на один киловатт производимого холода). В традиционной насосно-циркуляционной системе заправка аммиака составляет около 3 кг на 1 кВт холода. Кроме того, современные средства автоматизации позволяют создавать высоконадежные холодильные комплексы.
Сегодня это достаточно легко решается путем перевода крупных холодильных объектов на аммиачные установки, содержащие минимальное количество аммиака и оснащением аммиачной холодильной техники современными высоконадежными средствами автоматизации.
Это привело к расширению области применения аммиака за рубежом, в частности, к его использованию в системах кондиционирования и холодоснабжения супермаркетов. При этом были приняты меры к снижению опасности выбросов NH3 и в первую очередь к уменьшению количества заправляемого хладагента. Уменьшение количества аммиака при сохранении заданной холодопроизводительности возможно при принятии следующих мер:
•замена систем непосредственного кипения аммиака на системы с промежуточным хладоносителем;
•использование ХМ с малоемкими тешюобменными аппаратами для охлаждения промежуточных хладоносителей;
•применение новых хладоносителей, нейтральных к металлам, экологически безопасных;
•оборудование выпускаемых холодильных машин устройствами и средствами автоматизации, позволяющими локализовать аммиак в случае разгерметизации холодильной машины.
Разработчики холодильного аммиачного оборудования предлагают несколько путей перевооружения холодильных установок.
Первый путь пригоден для крупных АХУ, расположенных в городах вблизи жилых массивов. Это возврат к системе с промежуточным хладоносителем, где недостатки подобных систем охлаждения на современном витке развития технологий исключаются применением нового теплообменного оборудования, приборов автоматизации, арматуры, материалов. Рекомендуется применять блочные малоемкие холодильные агрегаты с дозированной заправкой МНз, в которых в качестве испарителей и конденсаторов применяется высокоэффективная аппаратура пластинчатого типа, в качестве хладоносителей – некорродирующие растворы, а в холодильных камерах батарейные системы охлаждения заменять малопоточными воздухоохладителями. Аммиачное оборудование в данном случае может располагаться как в традиционных центральных машинных отделениях, так и в блочных машинных отделениях контейнерного типа, оборудованных устройствами для полного поглощения аммиака в случае разгерметизации. При этом количество аммиака обычно не превышает 100–150 грамм на 1 кВт холодопроизводительности.
Второй путь модернизации и усовершенствования крупных АХУ, располагающихся в промзонах, вдали от жилых массивов и общественных объектов. Этот путь эффективен для предприятий с большим числом разнотемпературных потребителей холода и обеспечивает снижение аммиако-емкости систем охлаждения почти на порядок.
Третий путь является весьма перспективным, заключается в разработке агрегатированных блочных аммиачных установок непосредственного кипения аммиака по типу фреоновых, так называемых сплит-систем. Холодильные машины с небольшим количеством NH3 размещаются в специальных герметичных контейнерных блоках, а аммиак в случае разгерметизации полностью поглощается нейтрализаторами, не попадая в окружающую среду. Подобные аммиачные установки уже в настоящее время широко применяются в Японии и США.
Холодильные и морозильные камеры. Устройство, виды, применение
Конструктивно все виды торгового холодильного оборудования имеют много общего. Основной несущей конструкцией является металлический каркас различной, в зависимости от назначения оборудования, конфигурации. С внешней и внутренней стороны он облицован пластиком, стеклом либо стальными листами, покрытыми синтетической эмалью. В качестве технологических декоративных элементов могут использоваться: нержавеющая сталь, цветной слоистый пластик; алюминиевый профиль; стекло (плоское, гнутое, цветное); зеркала.
Стенки и дверцы торгового холодильного оборудования имеют многослойную конструкцию. За внешними отделочными материалами следует: гидроизоляционная прослойка (пергамин, пергаментная бумага, полиэтиленовая пленка и др.), а затем теплоизоляционный слой (пенопласт, мипора, стекловата, шлаковата, пенополистирол)
После теплоизоляционного слоя вновь проложена гидроизоляционная прокладка и далее следует внутренняя отделка охлаждаемого пространства. Поскольку внутренняя поверхность охлаждаемых камер может соприкасаться с продуктами, она должна быть выполнена из нейтральным не коррозирующих материалов (нержавеющая сталь, пищевой алюминий, эмалированная сталь).
Для более эффективного использования внутреннего охлаждаемого объема шкафы, прилавки, витрины, камеры оборудуют стеллажами, полками, кассетами, кронштейнами, изготовленными из тех же нейтральных материалов.
Холодильные и морозильные камеры использует широкий круг потребителей – от небольших предприятий до огромных складских комплексов, нуждающихся в создании специальных условий хранения.
По своему назначению, устройству и правилам эксплуатации такие камеры аналогичны маленьким стационарным холодильникам.
По площади, необходимой для размещения товаров в таре, подбирают тип и количество немеханического складского оборудования, площадь которых и составляет потребную грузовую охлаждаемую площадь.
Холодопроизводительность машины должна быть достаточной для поддержания в холодильных камерах заданных температурных режимов и отвода теплопритоков. Расчет потребной холодопроизводительности машины начинают с определения суммы всех теплопритоков по каждой камере в отдельности, а затем по холодильнику в целом (калорический расчет).
Общая сумма теплопритоков включает следующие теплопритоки:
поступающие через ограждения с наружным вентиляционным воздухом;
вносимые с продуктами и тарой;
за счет открывания дверей, пребывания людей в камерах, нагрева ламп освещения.
Определив сумму теплопритоков, выбирают охлаждающую систему – непосредственного или рассольного охлаждения. Непосредственное охлаждение испарительными батареями, в которых происходит кипение хладагента, имеет более широкое распространение благодаря большей экономичности, меньшей громоздкости оборудования и возможности автоматизации процессов охлаждения.
Однако в некоторых случаях вместо системы непосредственного охлаждения целесообразно применять рассольную систему охлаждения, например, при большом удалении холодильных камер от машинного отделения при необходимости обеспечения стабильного температурного режима и если правилами техники безопасности запрещается применять непосредственное охлаждение.
Затраты на установку и эксплуатацию рассольной системы охлаждения оправдывают себя в крупных холодильниках с количеством камер более четырех и потребной 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 начинают с группировки холодильных камер с примерно одинаковыми температурными режимами и величинами теплопритоков. При этом учитывают, что на две – четыре камеры с равными условиями хранения приходится одна холодильная машина.
Потребную холодопроизводительность машины для каждой группы камер определяют исходя из часового расхода холода и коэффициента рабочего времени.
Часовой расход холода определяется делением суточного расхода холода для данной группы камер по калорическому расчету на продолжительность суток в часах. Коэффициент рабочего времени равен отношению времени работы машины 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 крупных машин равно 0,85, для небольших – 0,75
Для определения потребной холодопроизводительности машины используют приближенный расчет по удельному расходу холода на 1 м2 площади охлаждаемых помещений. Для камер с плюсовым температурным режимом он составляет 75–83 ккал/ч, или 90 – 100 Вт, для камер с температурным режимом хранения -8 «С – 96–104 ккал/ч, или 110–120 Вт.
Виды холодильных и морозильных камер. Такие камеры предназначены для хранения в складских помещениях магазинов запасов скоропортящихся продуктов в течение времени, не превышающего допустимые сроки хранения (3–5 суток). Они могут быть стационарными и сборными.
Стационарные камеры проектируются и строятся в соcтаве торговых зданий.
Сборные холодильные камеры могут устанавливаться Как на новых, так и на действующих предприятиях торговли, где строительство стационарных камер является нецелесообразным или для этого нет соответствующих условий.
Сборные камеры собирают из отдельных щитов – деревянных рам, обшитых с двух сторон металлическими листами, между которыми находится теплоизоляция (пенопласт или пенополиуретан). В охлаждаемом объеме камер боковых стенках установлены полки (решетки) для продуктов. К потолку камер или к специальным штангам крепятся крюки для подвешивания мясных туш. Дверь камеры имеет замок и ручку для открывания ее снаружи и изнутри Уплотнитель двери должен плотно прилегать к дверному проему по всему его контуру, что уменьшает тепловые притоки.
Испарители располагают под потолком камеры. Под ними крепится поддон с трубкой для отвода конденсата при оттаивании испарителя. Внутри камеры имеется закрытый светильник. Охлаждающие агрегаты устанавливают отдельно около камер.
Все большим спросом в условиях развивающейся рыночной экономики пользуются сборно-щитовые холодильные и морозильные камеры различных объемов и конфигураций.
Основные элементы корпуса холодильной камеры дверной блок, стеновые и потолочные панели, половые пане ли, угловые элементы
Дверной блок представляет собой единое изделие, включающее в себя дверную коробку с элементами крепления к корпусу камеры, дверное полотно с навесками, устройство подогрева дверного проема (для дверей морозильных камер).
Список используемой литературы
Железний В.П., Биковець Н.П. Pабoта холодильных установок // Холод. – 2004. – 205 с.
Овчаренко B.C., Афонский В.Л. Основные аспекты комплексного подхода к расширению применения аммиачного оборудования в холодильной промышленности // Холодильная техника. – 2001. – 112 с.
Перелыптейн И.И., Парушин Е.Б. Термодинамические и теплофизические свойства рабочих веществ холодильных машин и тепловых насосов. – М.: Легкая и пищевая промышленность, 2000. – 232 с.
Маляренко В.А., Варламов Г.Б., Любчик Г.Н. и др. Энергетические установки и окружающая среда Харьков: ХГАГХ, 2002. – 398 с.
Калинь И.М., Васютин В.А., Пустовалов СБ. Условия эффективного применения диоксида углерода в качестве рабочего вещества тепловых насосов // Холодильная техника. – 2003. – 100 с.