white line white line
Заявки на оборудование просьба присылать в технический отдел на e-mail info@ence.ch, тел. +7 (495) 225 57 86
white line white line

Холодильные машины и установки

Швейцарская производственно-инжиниринговая компания ENCE GmbH (ЭНЦЕ ГмбХ) образовалась в 1999 году, имеет 16 представительств и офисов в странах СНГ, предлагает оборудование и комплектующие с производственных площадок в Турции и Республике Корея, готова разработать и поставить по Вашему индивидуальному техническому заданию холодильные машины и установки.

Общие сведения о холодильном оборудовании

Во многих областях промышленности используются различные теплообменные процессы, необходимые для проведения технологических процессов, которые требуют нагрева или охлаждения рабочих сред. Как и нагрев, охлаждение основывается на передаче тепловой энергии между теплоносителями с разной температурой. Наиболее простым видом охлаждения является теплообмен с окружающей средой (естественное охлаждение). Применение данного метода охлаждения позволяет снизить температуру теплоносителя до температуры окружающей среды и ограничивается ее значением. Для достижения более низких температур применяют метод искусственного охлаждения, осуществляемый с помощью специальных холодильных агентов и машин, работающих по замкнутому циклу. Процесс искусственного охлаждения основывается на ряде физических процессов, которые протекают с поглощением тепловой энергии, и в соответствии со вторым законом термодинамики для его проведения требуется подведение энергии. Наиболее широкое применение в промышленности нашли способы охлаждения с помощью испарения низкокипящих жидкостей и расширения сжатых газов и паров. При этом расширение может происходить в аппарате (детандере) или методом дросселирования.
В промышлености выделяют две основных области искусственного охлаждения:

  • умеренное охлаждение (примерно до -100°C);
  • глубокое охлаждение (от -100°C до температур стремящихся к абсолютному нулю, включая криогенные и ультранизкие температуры).

Основы получения холода

Перенос тепловой энергии к более нагретому телу с совершением минимальной работы

Как уже было упомянуто, получение холода основывается на процессе теплообмена. В соответствии с законами термодинамики получение искусственного холода принято рассматривать как процесс теплопередачи от теплоагента с низкой температурой к теплоагенту с высокой температурой, что требует дополнительного подведения энергии компенсирующее изменение энтропии системы. Этот процесс отвечает обратному термодинамическому циклу установленному французским ученым Сади Карно, согласно которому коэффициент полезного действия данного цикла соответствует наибольшей степени превращения тепловой энергии в работу при теплопередаче от теплоагента с высокой температурой к теплоагенту с низкой температурой, и состоит из следующих стадий:

  • адиабатическое сжатие газообразного хладоагента с достижением температуры T;
  • изотермическая конденсация паров хладоагента при температуре Т с переносом в окружающую среду теплоты конденсации Q;
  • адиабатическое расширение жидкого хладагента с достижением температуры Т0;
  • изотермическое испарение жидкого хладоагента при температуре Т0 с отнятием от охлаждаемой среды теплоты испарения.

Важным условием протекания такого цикла является постоянство энтропии системы.
Значение энтропии при нагревании увеличивается, а при охлаждении наоборот уменьшается, при этом величина ее изменения равна отношению количества переданной тепловой энергии (Q0) к абсолютной температуре (Т). В условиях, когда тепловая энергия передается от теплоагента с низкой температурой (Т0) к теплоагенту с высокой температурой (T), энтропия первого уменьшается на величину Q0/T0, а второго увеличивается на Q0/T. Но при этом необходимо учитывать количество тепла эквивалентное затраченной работе L на сжатие хладоагента. В конечном итоге получим увеличение энтропии теплоагента с высокой температурой на величину ((Q0+L)/T).

Общее изменение энтропии будет иметь следующий вид:

∆S = (Q0/T0) – ((Q0+L)/T)

где:
∆S – изменение энтропии, [Дж/(кг·град)];
Q0 – тепловая энергия переданная от охлаждаемой среды или тела к хладоагенту (характеризует холодопроизводительность машины), [Вт];
T0 – абсолютная температура теплоагента с низкой температурой, [K];
T – абсолютная температура теплоагента с высокой температурой, [K];
L – работа, затраченная на осуществление процесса, [Дж].

Откуда можно рассчитать необходимую работу, которую требуется затратить на осуществление процесса охлаждения:

L = Q0[(T – T0)/T0]

Общее уравнение энергетического баланса холодильных машин можно выразить следующим образом.

Q = Q0 + L

где
Q – количество отведенной тепловой энергии, [кВт].

Для оценки эффективности холодильной машины используют холодильный коэффициент, который характеризует отношение холодопроизводительности к затраченной работе и вычисляется следующим образом:

ε = Q0/L

Немаловажным критерием является оценка требуемой мощности привода холодильной машины, определяемая следующим образом:

N = Q0/1000ε [кВт]

Зная расход циркулирующего хладоагента можно определить его удельную холодопроизводительность.

Q0 = G/Q0

где:
G – расход циркулирующего хладоагента в машине, [кг/сек];
Q0 – удельная холодопроизводительность, [Дж/кг].

Адиабатическое расширение газа без совершения внешней работы (методом дросселирования)

Проведение процесса дросселирования газа характеризуется постоянством энтальпии.

i1 = i2 = const

Этот эффект объясняется тем, что совершаемая расширяющимся газом работа, при осуществлении процесса дросселирования, затрачивается на преодоление внутренних сил трения в сужении и переходит в тепловую энергию, которая остается в газе, вследствие чего энтальпия остается без изменения.
Для идеальных газов дросселирование проходит не только с постоянством энтальпии, но и температуры. А вот дросселирование реальных газов отличается изменением температуры при постоянной энтальпии. Данное явление обозначается как дроссельный эффект. В зависимости от направления изменения температуры газа дроссельный эффект разделяют на положительный (при охлаждении) и отрицательный (при нагревании). Также различают дифференциальный и интегральный дроссельный эффект. Дифференциальный дроссельный эффект описывает изменение температуры газа при понижении давления на одну единицу, а интегральный при понижении давления от значения p1 (до дросселирования) до p2 (после дросселирования). Ввиду простоты осуществления, в расчетах чаще используют интегральный дроссельный эффект. Он может быть определен графическим методом при помощи T-S диаграммы, с нанесенными линиями энтальпии.

Дополнительным фактором, влияющим на изменение температуры реальных газов, является зависимость энтальпии от давления, помимо температуры.

i = u + pv = cvT + uп + pv

где:
u – внутренняя энергия реального газа, [Дж];
v – удельный объем, [м³/кг];
cv – удельная теплоемкость при постоянном объеме, [кДж/(кг·град)];
cvT – внутренняя кинетическая энергия молекул газа, [кДж/кг];
uп - внутренняя потенциальная энергия газа (равна работе, затрачиваемой на преодоление сил притяжения между молекулами), [Дж];
pv – объемная энергия газа.

Постоянство энтальпии до и после проведения процесса дросселирования (i1 и i2 соответственно) описывается следующим выражением:

cvT1 + u1 + p1v1 = cvT2 + u2 + p2v2

упростив, получим:

cv (T1 - T2) = (u2 - u1) – (p1v1 - p2v2)

где:
cv (T1 - T2) – уменьшение внутренней кинетической энергия молекул газа в результате охлаждения, [кДж/кг];
(u2 - u1) = ∆uп – увеличение внутренней потенциальной энергии газа, [Дж];
(p1v1 - p2v2) – работа совершаемая газом при дросселировании, [Дж].

Исходя из приведенного выше уравнения, можно сделать вывод, что при дросселировании газа могут проходить два случая охлаждения и один направленный на нагрев.

Охлаждение:

  • когда p1v1 < p2v2, тогда T1 >T2;
  • когда p1v1 > p2v2, при этом ∆uп>(p1v1 - p2v2), тогда T1 > T2;

Нагрев:

  • когда p1v1 > p2v2, при этом ∆uп ˂ (p1v1 - p2v2), тогда T1 ˂ T2;

Возможно протекание еще одного случая, когда с повышением температуры дроссельный эффект приравнивается нулю. Это происходит при инверсионной температуре, когда в уравнении ∆uп = (p1v1 - p2v2) правая часть обращается в ноль. Однако большинство газов обладают высокими значениями инверсионных температур и осуществление процесса дросселирования ведет к их охлаждению.

Область умеренного охлаждения

Получение умеренного холода связано с работой холодильных машин, в которых затрачивается механическая или тепловая энергия. Данные машины работают по замкнутому циклу и в качестве хладоагентов в них применяют разные газообразные или жидкие вещества с низкими температурами кипения. Испаряясь, данные вещества охлаждаются ввиду уменьшения энтальпии до температуры кипения при давлении испарения.
К холодильным машинам, расходующим на образование холода механическую энергию, относят паровые компрессионные машины, а к тепловым машинам относят абсорбционные и пароэжекторные установки.

Компрессионные холодильные машины

Наиболее развитыми и распространенными аппаратами, используемыми в получении умеренного холода являются компрессионные и турбокомпрессионные машины. При использовании этих машин охлаждение осуществляется за счет испарения предварительно сжатых и сконденсированных паров хладоагента.

Компрессионные холодильные машины

Идеальный цикл холодильной машины
Рассмотрим действие компрессионной холодильной машины на примере идеального цикла. Здесь пары хладоагента засасываются в компрессор и сжимаются до давления, при котором они могут быть сконденсированы. Процесс сжатия паров происходит в области «влажного пара», которая определяется по T-S диаграмме, и сопровождается увеличением температуры с Т0 до Т. Далее компрессор нагнетает сжатые пары в конденсатор где они конденсируются при постоянной температуре. На выходе из конденсатора сжиженный хладоагент попадает в детандер, где он расширяется и частично испаряется. При расширении температура хладоагента понижается до Т0, соответствующей давлению испарения. После расширения жидкий хладоагент попадает в испаритель, в котором происходит его испарение и возврат к первоначальным условиям (температуре Т0). Испаряясь жидкий хладоагент отводит тепловую энергию от охлаждаемой среды. Затем пары хладоагента затягиваются в компрессор, и процесс осуществляется снова.

Компрессионные холодильные машины

Реальный цикл холодильной машины
Однако в условиях осуществления реального цикла процесс охлаждения проходит иначе.
Вместо расширительного детандера, ввиду сложного аппаратурного оформления, используют дроссельный вентиль. Это конструктивное изменение сказывается на уменьшение холодопроизводительности машины, но применение дополнительного охлаждения сконденсированного хладоагента перед дросселированием и перемещение работы компрессора из области влажного пара в область перегретого (сухого) пара повышает эффективность работы установки.

Компрессионные холодильные машины

Многоступенчатый цикл холодильной машины
Эффективное использование одноступенчатых компрессионных холодильных машин ограничено температурой -34°C. Достижение более низких температур обеспечивается двух и трехступенчатыми холодильными машинами. При необходимости охлаждения до температуры -50°C или -70°C соответственно используют двухступенчатые или трехступенчатые машины. Технологическая схема многоступенчатых машин дополнена промежуточным оборудованием. Так, например, в двухступенчатую холодильную машину добавлены следующие узлы: холодильник, сосуд отделитель и дроссельный вентиль. Первая ступень компрессора низкого давления сжимает пары хладоагента до промежуточного давления и подает их через холодильник в сосуд отделитель, где они проходят через жидкий хладоагент и охлаждаются до температуры насыщения. Далее насыщенные пары засасываются во вторую ступень компрессора высокого давления, где сжимаются до давления конденсации и потом нагнетаются в конденсатор. В конденсаторе происходит ожижение насыщенных паров. Из конденсатора жидкий хладоагент проходит дроссельный вентиль, с помощью которого его давление снижается до промежуточного, и поступает в сосуд отделитель. В нем происходит охлаждение паров хладоагента, поступающих из холодильника. Часть жидкого хладоагента испаряется и уносится вместе с парами, другая часть проходит через второй дроссельный вентиль, снижая давление до значения испарения, и поступает в испаритель. Пары хладоагента забирают тепловую энергию от охлаждаемой среды, подаваемой в испаритель, и затягиваются в первую ступень компрессора. Цикл повторяется.

Компрессионные холодильные машины

Каскадный цикл холодильной машины
Для охлаждения ниже температуры -70°C применяют каскадный цикл. Отличительной чертой данного цикла является использование нескольких хладоагентов, каждый из которых работает на разных ступенях. Технологическая схема каскадного цикла является сочетанием двух или более циклов, объединенных одним испарителем. Таким образом, он является испарителем для хладоагента обращаемого в верхнем контуре и конденсатором для хладоагента обращаемого в нижнем контуре. Использование многоступенчатого каскадного цикла позволяет ожижать трудносжимаемые газы.

Компрессионные холодильные машины

Используемые хладоагенты

В качестве хладоагентов холодильных установок могут быть использованы различные вещества, которые должны обладать определенными физико-химическими и термодинамическими характеристиками, такими как:

  • безвредность для человека и окружающей среды;
  • пожаро- и взрывобесопасность;
  • инертность к материалам проточной части установки;
  • низкая вязкость;
  • высокое значение теплоты парообразования;
  • низкое значение теплоемкости в жидком состоянии;
  • высокие значения теплоемкости при теплопередаче;
  • давление испарения выше, чем атмосферное давление;
  • доступность.

В настоящее время нет веществ, полностью отвечающих всем требованиям данного списка. Поэтому для осуществления технологического процесса приходится подбирать оптимальный вариант, который позволяет нивелировать недостатки за счет достоинств. Наиболее широкое применение в промышленности нашли такие хладоагенты, как аммиак, диоксид углерода, диоксид серы и фреоны (насыщенные углеводороды содержащие атомы фтора или хлора).
Аммиак характеризуется высоким значением теплоты парообразования и доступностью. К недостаткам его применения можно отнести ядовитые свойства, пожаро- взрывоопасность и коррозионную активность к некоторым конструкционным материалам в присутствии воздуха и влаги соответственно.
О диоксиде углерода можно сказать, что он безвреден, инертен к конструкционным материалам и обладает значительной холодопроизводительностью, что приводит к уменьшению габаритных размеров установки. Но его применение ограничено из-за высокого давления конденсации паров и низкой критической температуры.
К положительным свойствам фреонов относят их безвредность, химическую инертность к конструкционным материалам, пожаро- и взрывобезопасность. Недостатками считают низкую вязкость и высокую взаиморастворимость в смазочных маслах.

Устройство компрессионных машин

Работа компрессионной холодильной машины основывается на действии такого оборудования, как компрессор и теплообменные аппараты.
Назначением компрессора в холодильных установках является всасывание паров хладоагента, их сжатие и нагнетание в конденсатор. Для этих целей применяют компрессоры следующих типов:

  • винтовые;
  • поршневые;
  • ротационные;
  • турбокомпрессоры.

Выбор конструкции компрессора зависит от технологических условий проводимого процесса. Ввиду простоты обслуживания и эксплуатации, чаще других отдают предпочтение поршневым компрессорам. При работе со средними и большими объемами применяют горизонтальные одноступенчатые компрессоры двойного действия. В условиях ограниченного производственного пространства используют компрессоры с оппозитным, вертикальным или "V"- образным расположением цилиндров. С повышением холодопроизводительности установки увеличивается и экономическая целесообразность применения турбокомпрессоров. Повышение степени сжатия достигается не только при эксплуатации многоступенчатых компрессоров, а также с помощью дифференциальных поршневых и соединенных вместе одноступенчатых компрессоров соответствующих размеров.

Главными теплообменными аппаратами холодильной машины являются конденсатор и испаритель. Пары хладоагента нагнетаются в конденсатор, где осуществляется их насыщение и переход в жидкое фазовое состояние. Данный процесс происходит за счет отвода тепловой энергии водой или воздухом. В холодильных машинах с малой холодопроизводительностью используют конденсаторы с воздушным охлаждением. Для установок отличающихся высокой и средней производительностью применяют теплообменные аппараты кожухотрубной и змеевиковой конструкции.
Поступающий в испаритель сжиженный хладоагент закипает и переходит в парообразное состояние, при этом с парами отводится часть тепловой энергии от охлаждаемой среды, также подаваемой в испаритель. В качестве испарителей нашли широкое применение многоходовые кожухотрубные и погружные теплообменные аппараты.

Абсорбционные холодильные машины

Наряду с компрессионными машинами для получения холода за счет испарения жидкого хладоагента также используются абсорбционные машины. Отличительной чертой данных машин является использование тепловой энергии вместо механической для сжатия хладоагента.
В абсорбционных машинах происходит цикличный процесс поглощения хладоагента абсорбентом с последующим его выделением при нагревании. В данном типе холодильных машин используют различные хладоагенты, например фреоны, бромистый литий и аммиак. Наибольшее распространение получил аммиак, а в качестве его абсорбента - вода.
Основу аппаратурного оформления абсорбционных холодильных машин составляют два аппарата, к которым подводится тепловая энергия – кипятильник и испаритель, и два аппарата, от которых отводится тепловая энергия - конденсатор и абсорбер. Исходный раствор подается в кипятильник, в котором происходит выделение легкокипящего компонента смеси (хладоагента). Зачастую кипятильник совмещают с ректификационной колонной для повышения степени разделения компонентов. Пары хладоагента из кипятильника поступают в конденсатор, где происходит их охлаждение и ожижение. Затем жидкий хладоагент направляется в испаритель, через который также проходит охлаждаемая среда. Испаряясь, хладоагент отнимает тепло от охлаждаемой среды и далее его пары попадают в абсорбер, где поглощаются абсорбентом. После абсорбера смесь возвращается в кипятильник. Цикл повторяется снова.

холодильные машины, искусственное охлаждение

Тепловой баланс абсорбционной холодильной машины имеет следующий вид:

Qкип + Q0 = Qконд + Qабс

где:
Qкип – тепловая энергия, сообщаемая в кипятильнике, [Вт] ;
Q0 – тепловая энергия передаваемая от охлаждаемой среды хладоагенту в испарителе (холодопроизводительность установки), [Вт];
Qконд – тепловая энергия, отводимая в конденсаторе, [Вт];
Qабс – тепловая энергия, отводимая в абсорбере, [Вт].

Холодильный коэффициент машины можно найти следующим образом:

ε = Q0/Qкип

Данные машины применяют в случае необходимости охлаждения рабочих сред до температуры не ниже -50 °C. К положительным качествам такого рода машин относят простоту аппаратурного оформления и малую энергозатратность, ввиду применения отработанной тепловой энергии, получаемой при утилизации отходящих дымовых газов или вторичного пара. Недостатками данной машины является высокая металлоемкость и низкий холодильный коэффициент по сравнению с компрессионной машиной.

Пароэжекторные холодильные машины

холодильные машины, искусственное охлаждение

Применение пароэжекторных аппаратов с большой эффективностью позволяет использовать в качестве хладоагентов воду и водные растворы солей, что не возможно в компрессионных установках ввиду требуемого низкого значения давления для создания низких температур испарения. А также из-за большого удельного объема пара, для сжатия которого потребуется компрессор очень большого размера. В пароэжекторных аппаратах широко раскрываются достоинства воды как хладоагента, такие как безвредность, доступность и высокая теплота испарения.
Принцип действия данной машины основывается на частичном испарении воды в условиях вакуума, создаваемого паром при прохождении через эжектор.
Ключевыми аппаратами установки являются паровой эжектор, испаритель и конденсатор. Пар, проходя через эжектор, расширяется и создает разряжение, за счет которого происходит испарение воды в испарителе и отвод паров в эжектор. При испарении пары забирают часть тепловой энергии, вследствие чего вода охлаждается. Далее сжатая в эжекторе смесь паров нагнетается в конденсатор, где происходит ее ожижение с помощью подводимой охлаждающей воды. Сконденсированная смесь паров частично возвращается в испаритель, остальная часть направляется в паровой котел. Охлажденная вода из испарителя подается в аппарат потребляющий холод, а после него возвращается обратно нагретой.

Для пароэжекторной холодильной машины тепловой баланс будет иметь следующий вид.

Q + Q0 = Qк

где:
Q – тепловая энергия, сообщаемая в кипятильнике, [Вт];
Q0 – холодопроизводительность установки, [Вт];
Qк – тепловая энергия, отводимая в конденсаторе, [Вт].

А холодильный коэффициент определяется следующим образом.

ε = Q0/Q

Температурный диапазон применения пароэжекторных холодильных машин ограничен относительно высокими температурами испарения от -10 до +10 °C. В данном интервале пароэжекторные машины характеризуются большей экономичностью по сравнению с абсорбционными и компрессионными машинами. К недостаткам пароэжекторных машин относят большое потребление воды для охлаждения и затруднения связанные с регулированием работы.

Область глубокого охлаждения

Применение очень низких температур обусловлено термодинамическими особенностями проводимых процессов сжижения и разделения некоторых технологических газов или их смесей, которое не возможно произвести в условиях умеренного охлаждения ввиду высоких температур кипения используемых хладоагентов. Для достижения низких температур используют расширение газа методом дросселирования или с отдачей внешней работы в детандере.

Установки с циклами дросселирования газа

Для охлаждения и ожижения технологических газов в промышленности применяют ряд циклов с дросселированием. Однако применение метода дросселирования не достаточно для снижения температуры газа до необходимой температуры его ожижения. Решением этого вопроса стало применение принципа регенерации тепловой энергии. Данный принцип заключается в том, что перед расширением в дроссельном вентиле сжатый газ дополнительно охлаждается за счет возвращаемого в цикл после дросселирования холодного газа.

Цикл с однократным дросселированием
Наиболее простым в реализации методом является цикл с однократным дросселированием. В ходе его проведения газ с начальными характеристиками (температура Т1, давление р1) затягивается в компрессор, где сжимается до давления р2. Далее он подается в холодильник для отвода выделившейся в результате сжатия тепловой энергии. После холодильника газ дополнительно охлаждается в противоточном теплообменнике за счет возвращаемого в цикл не ожиженного после дросселирования газа и направляется на расширение, проходя через дроссель. Расширившийся газ снижает давление до начального р1 и часть его переходит в жидкое состояние. Сжиженная часть газа поступает в сборник. Другая часть, не перешедшая в жидкое состояние возвращается обратно в цикл.

холодильные машины, искусственное охлаждение

Соотношение долей перешедшего в жидкое состояние и несжиженного газа определяется графическим методом из графика T-S.

Холодопроизводительность установки можно вычислить следующим образом:

Q0 = (i1 - i2) – Σqп

где:
(i1 - i2) – разность энтальпий газа до и после сжатия в компрессоре (теоретическая холодопроизводительность);
Σqп – суммарные потери холода в окружающую среду.

Также можно найти реальную долю сжимаемого газа отнесенного к 1 кг:

n = (i1 - i2) – Σqп/ (i1 – i0)

где:
i0 – энтальпия сжиженного газа, [кДж/кг].

Холодильный коэффициент определяется так:

ε = (i1 - i2)/ 1,69RT1ln(p2/p1)

Холодильный коэффициент цикла с однократным дросселированием имеет низкое значение. Для повышения эффективности процесса получения глубокого холода были разработаны и применены два существенных улучшения, это:

  • дополнительное оснащение узлом умеренного охлаждения перед дросселированием;
  • двукратное дросселирование с циркуляцией газа.

Установки с циклами расширения в детандере

Одним из способов получения холода применяемым в промышленности является метод, который основывается на охлаждении газов за счет расширения с отдачей внешней работы при отсутствии теплообмена с окружающей средой. Данный метод реализуется в расширительных машинах имеющих вид поршневых детандеров или турбодетандеров. Существует три основных цикла, основанных на данном методе.

Цикл высокого давления
Отличительной чертой данного цикла является высокое давление сжатого газа (≈ 20 МПа). Это сделано с целью снижения затраты энергии на проведение процесса.
Технологическая схема процесса предусматривает, что сжатый газ разделяется на два потока, один направляется в детандер для расширения, а второй проходит последовательно ряд теплообменных аппаратов. После расширения в детандере газ направляется в первый теплообменный аппарат для охлаждения второго потока газа и далее возвращается в компрессор. Охлажденный второй поток газа дросселируют, тем самым снижая его давление и переводя в жидкое состояние. Не ожиженная после дросселирования часть газа направляется в теплообменники для охлаждения поступающего на дросселирование газа и далее снова поступает в компрессор. Цикл повторяется снова.

холодильные машины, искусственное охлаждение

Холодопроизводительность данного цикла определяется следующим образом:

Q0 = (i1 – i2) + M (i2 – i3)

где:
M – доля газа, проходящего через детандер;
(i1 – i2) – холодопроизводительность, полученная в результате дросселирования, [Вт];
M (i2 – i3) – холодопроизводительность, соответствующая работе, отданной в детандере.

Цикл среднего давления
В компрессор засасывается газ и сжимается до давления р1. Далее он нагнетается в предварительный теплообменник, где происходит его охлаждение. На выходе из предварительного теплообменного аппарата часть газа направляется в детандер для расширения, приводящего к снижению давления и большему охлаждению газа. Из детандера холодный газ подается в главный теплообменный аппарат, через который проходит вторая часть газа. Охлажденная в главном теплообменнике вторая часть газа поступает на дросселирование, за счет которого происходит снижение давления и ожижение газа. Не ожиженная после дросселирования часть газа проходит через все теплообменные аппараты, где охлаждает второй поток газа, и возвращается в компрессор.

холодильные машины, искусственное охлаждение

Холодопроизводительность данного цикла определяется из следующего уравнения:

Q0 = (i1 – i2) + M (i2 – i3)

где:
M – доля газа, проходящего через детандер;
(i1 – i2) – холодопроизводительность, полученная в результате дросселирования;
M (i3 – i4) – холодопроизводительность, соответствующая работе, отданной в детандере.

Цикл низкого давления
Осуществление цикла среднего давления характеризуется низким значением коэффициента полезного действия, вызванным неэффективной работой поршневого детандера в условиях низких температурах. Решением данной проблемы стала разработка и применение турбодетандера специальной конструкции, обладающего высоким значением КПД при низких температурах, позволяющим снизить давление газа. Снижение давление газа сказалось на упрощении аппаратурного оформления и снижении энергозатрат установки. Принципиальная схема цикла низкого давления аналогична циклу среднего давления.

Циклы, основанные на расширении газа в детандере, отличаются большей экономичностью по сравнению с циклами, основанными на дросселировании газа. Применение комбинированных циклов глубокого охлаждения позволяет достичь наибольшей энергоэффективности за счет нивелирования отрицательных качеств одного процесса положительными качествами другого.

Примеры решения задач

Холодильные установки представляют собой сложные машины, которые объединяют в своем составе большое количество различного оборудования, предназначенного для достижения низких температур, ниже значения температуры окружающей среды, и применения их для охлаждения технологических объектов/процессов. Расчет холодильных машин позволяет осуществить правильный подбор главного и вспомогательного оборудования для обеспечения надежного функционирования всей установки.

Рассмотрим расчет холодильных установок на примере решения простых задач по вычислению основных параметров их работы.

Пример 1. Расчет эффективности

Необходимо определить эффективность работы идеальной компрессионной холодильной установки, которая работает по циклу Карно, зная следующие параметры работы аппаратуры в технологическом процессе: температура в испарителе T0 = -17°C, в конденсаторе T = +23°C.

Решение: Эффективность работы холодильной установки определяется с помощью холодильного коэффициента ε, который вычисляется из отношения холодопроизводительности к затрачиваемой работе:

ε = T0 / (T – T0)

где:
T0 – температура испарения хладагента, [K];
T – температура конденсации хладагента, [K].

Для проведения расчета переведем значения температур испарения и конденсации в градусы Кельвина.

T0 = 273 - 17 = 256 K;

T = 273 + 23 = 296 К;

Теперь определим значение холодильного коэффициента:

ε = 256 / (296 – 256) = 6,4

Ответ: Холодильный коэффициент равен 6,4.

Пример 2. Расчет мощности и КПД

Производительность идеальной холодильной установки, работающей по циклу Карно, составляет Q0 = 5000 Дж/с. В испарителе установлена температура T0 = -20°C (253 К), а в конденсаторе T = +19°C (292 К). Определить реальную мощность (Nр) установки и ее КПД (ŋ). Коэффициент k, учитывающий потери в окружающую среду, принять равным 1,2.

Решение: Зная значения температуры в испарителе и конденсаторе определим  холодильный коэффициент для идеальных условий:

εи = T0/(T – T0) = 253/(292 – 253) = 6,5

С учетом коэффициента потерь k, определим холодильный коэффициент для реальных условий:

εр = εи / k = 6,5/1,2 = 5,4

Теперь определим мощность реальной установки:

Nр = Q0 / εр = 5000 / 5,4 = 926 Вт

КПД реальной установки составляет из соотношения холодильных коэффициентов для реальных и идеальных условий:

ŋ = (εр / εи)·100 = (5,4/6,5)·100 = 83%

Ответ: Мощность реальной установки составляет 926 Вт, а КПД – 83%.

Пример 3. Расчет холодопроизводительности установки

Эксплуатируемая холодильная установка вырабатывает G = 750 кг/час льда. Необходимо определить холодопроизводительность установки (Q0).

Решение: Количество энергии (Q), которой необходимо отвести от системы для образования 750 кг льда, определим по формуле:

Q = G · q0

где q0 – удельная теплота образования льда, [Дж/кг] (q0 = 32,5·104).

Q = 750·32,5·104 = 243,75·106 Дж

В таком случае хладопроизводительность установки будет равна:

Q0 = 243,75·106/ 3600 = 67709 Вт

Ответ: Холодопроизводительность установки – 67709 Вт.

Пример 4. Расчет работы, затраченной на осуществление процесса охлаждения

Основываясь на условии и расчете предыдущей задачи определить работу, затрачиваемую на осуществление процесса охлаждения, при условии, что температура в испарителе T0 = -9°C (264 К), а в конденсаторе T = +20°C (293 К).

Решение: Искомая величина может быть найдена следующим образом:

L = Q0·ε = Q0·(T – T0)/T0

L = 67709·(293– 264)/264 = 7438 Вт

Ответ: Работа, затрачиваемая на осуществление процесса – 74388 Вт.

Пример 5. Расчет холодопроизводительности, затраченной работы и расхода воды в конденсаторе

Определить какое количество холода сможет выработать Дана холодильная установка мощностью N = 3400 Вт, работающая при следующих условиях: температура испарения T0 = -22°C, температура конденсации T = +30°C, температура охлаждаемой воды на входе t1 = 12°C, на выходе t2 = 20°C. Определить количество вырабатываемого установкой  холода (Q0) , а также работу L, затраченную на осуществление процесса охлаждения, и расход охлаждаемой воды (Gв) в конденсаторе.

Решение: Определим холодильный коэффициент:

ε = Q0/ L = T0 / (T – T0) = (273 – 22) / ((273 + 30) – (273 - 22)) = 4,8

Затем, преобразовав уравнение для определения мощности, найдем количество холода, которое вырабатывает установка:

Q0 = N · ε = 3400·4,8 = 16320 Вт

Далее определим затрачиваемую работу:

L = Q0 [(T – T0)/T0] = 16320·((303– 251)/251) = 3446 Вт

Согласно общему уравнению энергетического баланса мы можем определить расход тепла в конденсаторе:

Q = L + Q0 = 3446 + 16320 = 19766 Вт

Зная расход теплоты в конденсаторе, мы можем определить количество воды необходимое для отвода тепла:

Gв = Q/((t2 – t1)·Cp) = 19766/ ((21 – 17)·4181) = 1,2 кг/с

где Cp – теплоемкость воды при 21°C ≈ 4181 [Дж/кг·град].

Ответ: Количество вырабатываемого холода – 16320 Вт, затраченная на осуществление процесса работа – 3446 Вт, расход охлаждаемой воды в конденсаторе – 1,2 кг/с.


Инженеры всегда готовы проконсультировать или предоставить дополнительную техническую информацию по предлагаемым холодильным машинам и установкам.

Ваши запросы на холодильные машины и установки просим присылать в технический департамент нашей компании на e-mail: info@ence.ch, тел. +7 (495) 225 57 86.

Центральный сайт компании ENCE GmbH
Наша сервисная компания Интех ГмбХ

Головные Представительства в странах СНГ:
России
Казахстане
Украине
Туркменистане
Узбекистане
Латвии
Литве

Сообщить об ошибке на сайте ENCE GmbH, Switzerland / ENCE gmbH, Schweiz / ЭНЦЕ ГмбХ, Швейцария © ENCE GmbH