3.3. Паровые (парокомпрессионные) холодильные машины

Бродянский В.М. От твердой воды до жидкого гелия (история холода)

Идея паровой компрессионной холодильной машины зародилась, по существу, уже тогда, когда впервые вода была охлаждена под колпаком при откачке воздуха насосом. Однако до машины как таковой было еще далеко, так как производилось лишь однократное, а не непрерывное охлаждение. Но и при этом удаление большого количества водяного пара при низком давлении вызывало большие трудности. Чтобы их уменьшить, прибегали даже к тому, что вместо механического насоса стали применять поглощение водяного пара серной кислотой. [Эта, на первых порах малоперспективная, идея тоже содержала рациональное зерно, которое, как мы увидим, потом проросло, дав начало абсорбционным холодильным машинам.] Систематическое исследование получения холода при испарении не только воды, но и легкокипящих жидкостей проводили сначала (1781 г.) Т. Кавалло и позже (1813 г.) А. Маре.

В 1805 г. О. Эванс опубликовал описание машины «для охлаждения жидкостей», в котором предлагалось использовать для этой цели испарение этилового спирта.

Описанная им идея включает почти все принципиально важные для холодильной машины процессы: испарение эфира при низком давлении (под вакуумом), откачку пара насосом (т.е. компрессором) в другой сосуд и конденсацию этого пара холодной водой, отводящей от него тепло. Здесь не хватает только одного важного элемента, который позволил бы замкнуть цикл и вернуть жидкий эфир в сосуд, где он бы мог снова испаряться, охлаждая или замораживая воду.

Для этого был только единственный путь — заставить эфир циркулировать в замкнутом контуре так же, как и в газовой машине.

Первым, кто успешно вступил на этот путь и подготовил условия для продвижения по нему, был англичанин Я. Перкинс. В августе 1834 г. он получил британский патент N°6662 «Аппарат для производства холода и охлаждающих жидкостей». Эта дата может быть с полным основанием принята как начальная точка отсчета в истории паровых холодильных машин.

Я. Перкинс родился в 1766 г (рис. 3.8). Получив техническое образование, он всю жизнь работал над совершенствованием паровых машин и накопил большой опыт в этой области. Только в довольно солидном возрасте он по причинам, которые его биографы не могли выяснить, обратился к холодильным машинам, которые в то время не имели какого-либо промышленного значения. Ему было 68 лет, когда он получил свой основополагающий патент на парокомпрессионную холодильную машину с замкнутым контуром. Он прожил еще 15 лет, но реализовать эти идеи ему не удалось, хотя ему, как известному конструктору паровых машин, казалось бы, признание должно было быть обеспечено. Один из его биографов писал: «Нет сомнения, что он заплатил штраф за то, что опередил свое время».

Рис. 3.8. Якоб Перкинс.

Судьба идей Перкинса обычна: большинство слишком новых предложений не нашли отклика у современников. Однако она уникальна в том смысле, что трудно найти в истерии техники человека, который в таком возрасте сделал бы столь важное изобретение, да еще в новой области.

В своем патенте Перкинс предложил собирать испарившееся летучее вещество, затем сжимать его газовым насосом, т.е. компрессором) и после этого снова конденсировать холодной водой, т.е. осуществлять полный цикл, чтобы непрерывно снова получать то же самое количество легколетучего вещества. Эта кажущаяся теперь очень естественной мысль в четкой форме до Перкинса никому не приходила в голову. Он, однако, не ограничился престо выдвижением идеи, а продумал и ее инженерную реализацию.

На рис. 3.9 показан чертеж из его патента. В изолированном сосуде а находится охлаждаемая жидкость. Предусмотрен также сосуд с легкокипящим испаряющимся веществом (испаритель) b. В качестве такого вещества Перкинс рекомендовал эфир (этиловый эфир), поскольку он дешев и характеризуется невысоким давлением пара. Пары поступают по трубопроводу f в паровой насос с (т.е. компрессор) и после сжатия подаются по трубопроводу g в конденсатор d, помещенный в ванне е с холодной водой (погружной конденсатор). Здесь пар при давлении, близком к атмосферному, конденсируется, и жидкость через дроссельный клапан h возвращается в испаритель. Видно, что здесь полностью предусмотрены все части парокомпрессионной холодильной установки. Если весь воздух из машины удалить, она будет исправно работать.

Рис. 3.9. Парокомпрессионная холодильная машина Перкинса (схема из патентного описания).

Я. Перкинсу не пришлось увидеть свою машину «в металле». Довольно несовершенная опытная машина по идее Перкинса была сделана уже после его смерти. Ее устройство полностью повторяет эскиз Перкинса (рис. 3.10), но ручной насос заменен уже механическим компрессором. Испаритель выполнен в виде двух соединенных полушарий. В верхний помещается замораживаемая вода, а в междустенное пространство — испаряющийся хладагент. На этой машине удалось получать довольно много льда. Я. Перкинс не был единственным, кто подошел к идее цикла. Похожие мысли высказывали в 30-е годы немец Хазен и англичанин Шоу. Однако их идеи не были столь доработаны. Большого успеха достиг в практическом осуществлении идеи Перкинса А. Твиннинг, с 1848 г. начавший работу с этиловым эфиром. В 1850 г. он получил английский, а в 1853 г. американский патент (№10221). Одна такая машина работала в Кливленде и давала 50 кг льда в час.

Рис. 3.10. Усовершенствованный вариант машины Перкинса.

Наибольший успех в развитии паровых холодильных машин был достигнут Дж. Гаррисоном (родился в 1816 г. в Глазго). Это, несомненно, вторая крупная фигура в истории паровых холодильных машин после Перкинса. Он эмигрировал в Австралию (Сидней) в 1837 г. и поселился вблизи Мельбурна. Был сначала журналистом и издателем газеты, но с 1850 г. занялся проблемами получения холода. Его первая профессия давала возможность быть в курсе главных экономических проблем того времени. Одна из них была связана с потребностью в замораживании мяса, экспортируемого из Австралии в Англию.

В период 1856-1857 гг. он получил два основополагающих английских патента (№747 и 2362) на машины с этиловым эфиром в качестве хладагента. Правда, он уже обдумывал в это время использование других рабочих тел, в особенности аммиака. В 1875 г. Гаррисон ездил в Лондон, где обсуждал проблемы охлаждения с Фарадеем и Тиндалем.[ Характерно, что многие создатели холодильной техники поддерживали связь с тогдашними корифеями науки и консультировались с ними. В числе таких консультантов был наряду с Фарадеем и Тиндалем и В. Томсон-Кельвин (который помогал Големану), Гей-Люссак и др.]

Наладив производство холодильных машин, Гаррисон занялся непосредственно замораживанием мяса для экспорта в Англию. Однако сначала он попробовал замораживать мясо на берегу в стационарных условиях. В 1873 г. он провел эксперимент в Мельбурне, заморозив посредством своей машины мясо, рыбу и тушки птицы. Через 6 мес. был проведен осмотр и проверка качества. После удачного окончания этой пробы Гаррисон в 1873 г. решился на широкомасштабный эксперимент. Он погрузил на судно «Норфольк», оборудованное его холодильной установкой, 20 т баранины и говядины, заморозил груз на борту, и судно отправилось в Англию. Однако здесь Гаррисона ожидало поражение: машина вышла по дороге из строя и по прибытии в Лондон покупателя на привезенное мясо не нашлось. Гаррисон понес большие убытки, вынужден был оставить коммерческую деятельность и занялся научной работой, Умер он в 1893 г. Машины Гаррисона, работающие на эфире, продолжали несколько лет выпускаться в Лондоне.

Независимо от Гаррисона, Ф. Карре, известный тем, что изобрел совершенно новый и оригинальный вариант паровой холодильной машины (о котором речь будет дальше), разработал паровые холодильные машины не только на этиловом эфире, но и на сернистом ангидриде (французский патент от 27.06.1857).

Одна из установок, построенных по этому патенту, была смонтирована в южной Франции на заводе по производству соли и использовалась при получении сернокислого натрия (глауберовой соли) из морской воды.

Следующая страница: Эволюция паровых холодильных машин

Главная   • Библиотека   • История холода   • 3. 3. Паровые (парокомпрессионные) холодильные машины

ПКХМ: описание и сравнение с АБХМ

Парокомпрессионные холодильные машины (ПКХМ). Сравнение с АБХМ.

Мы подготовили для Вас краткую таблицу, в которой сравнили основные характеристики ПКХМ и АБХМ.  Благодаря этому наглядному сравнению, вы сможете выбрать для себя лучший вариант охлаждения.

Модельный ряд АБХМ

Сравнение ПКХМ с АБХМ.

	АБХМ	ПКХМ	Примечание
Источник энергии	Тепловая энергия («бросовое тепло» – горячая вода, пар, выхлопные и природные газы, прямое сжигание топлива).	Электроэнергия	Цикл охлаждения в ПКХМ происходит за счет механического сжатия пара с помощью компрессора, для которого необходимо подвести электрическую энергию. К АБХМ необходимо подвести не электрическую, а тепловую энергию. АБХМ вместо электроэнергии потребляют тепловую энергию и, в большинстве случаев, для работы используется «бросовое тепло», таким образом получение холода становится практически бесплатным.
Применение	Объекты, на которых широко применяются АБХМ: объекты, к которым подведён природный газ; объекты, имеющие собственную генерацию горячей воды/пара.	Объекты, на которых широко применяются ПКХМ: объекты, не имеющие подведения газа; объекты, не имеющие собственной генерации горячей воды/пара.	Объекты, на которых применяются ПКХМ, это в основном объекты, требующие малой холодопроизводительности (до 200 кВт). Для АБХМ это объекты большой холодопроизводительности (более 200 кВт). Использование АБХМ целесообразно в местах с дефицитом электроэнергии, высокими тарифами, наличием больших пиковых нагрузок на сеть.  Также применение АБХМ особенно актуально для систем кондиционирования, которые в летний сезон потребляют до 80% всей электроэнергии здания.
Энергоэффективность	Высокая	Низкая	Стоимость газа и горячей воды значительно ниже стоимости электричества. При использовании электрических чиллеров пиковое потребление электричества системами кондиционирования и вентиляции достигает 50% от общего электропотребления здания. При использовании АБХМ потребление электричества возможно снизить до 50%.
Регулирование холодопроизводительности	От 10 до 100% плавное	Зависит от производителя	АБХМ Thermax может работать в диапазоне 10-100% расчетной мощности с плавным регулированием. Это избавляет от необходимости установки объемной буферной емкости. Что обеспечивается, в том числе, за счет использования частотных приводов насосов. Плавная регулировка частоты насосов АБХМ Thermax применяется для повышения надежности функционирования чиллера и экономии электроэнергии, особенно при работе на частичной нагрузке.
Хладагент	Деминерализованная вода	Хладагенты на основе хлорфотруглеродов  (ХФУ) и гидрохлрфторуглеродов  (ГХФУ)	Хладагенты в АБХМ отличаются высокой экологической безопасностью. В парокомпрессионных чиллерах используются хладагенты, разрушающие озоновый слой и создающих парниковый эффект, что негативно влияет на экологию.
Срок службы	25 лет	12-15 лет	Еще одно преимущество – в АБХМ нет сложных элементов типа компрессоров, мощных электродвигателей и движущихся деталей, за счёт чего продлевается срок службы абсорбционных чиллеров.
Уровень шума	До 40 ДБ и ниже	74 ДБ	Уровень шума у АБХМ ниже почти в 2 раза, чем у ПКХМ. При работе АБХМ нет шума и вибраций –обеспечение акустического комфорта без установки звуко- и виброизоляции.
Капитальный ремонт	Не требуется	Требуется	Компрессоры электрических холодильных машин требуют капитального ремонта.
Суммарная потребляемая электрическая мощность, кВт	174	730	Получение 1 МВт холода с помощью АБХМ может в разы дешевле электрических чиллеров. Для получения 1 МВт холода АБХМ потребуется всего лишь 3 кВт электроэнергии. Для парокомпрессионных холодильных машин на 1 МВт холода приходится 250 кВт израсходованного электричества.
Суммарное годовое потребление электроэнергии	527	2,208,000	Потребление АБХМ с градирнями электроэнергии по сравнению с ПКХМ экономичнее в разы, до 72 раз выгоднее. Работающая на горячей воде АБХМ холодопроизводительностью 1500 кВт потребляет всего 3,8 кВт·ч электроэнергии.

За более подробной информацией обращайтесь к нашим специалистам!

Многоканальный телефон:
+7 (812) 385-57-73
info@thermax-limited.ru

Нужна помощь в подборе оборудования?

Опросный лист

Обратный звонок

Наши клиенты

Как работает компрессионная холодильная система?

Как работает компрессионная холодильная система?

• Автор сообщения: Process Solutions, Inc.
• Сообщение опубликовано: 1 июля 2020 г.
• Категория сообщения: Информационная

Парокомпрессионные холодильные установки обычно используются на промышленных предприятиях для создания условий, способствующих сохранению и безопасному хранению продуктов. В этом руководстве мы рассмотрим, как работает компрессионная холодильная система, и четыре основных компонента, используемых для создания холодильного цикла.

Парокомпрессионный холодильный цикл

Компрессионный холодильный цикл состоит из циркуляции жидкого хладагента через четыре ступени замкнутой системы. По мере циркуляции хладагента по системе он то сжимается, то расширяется, меняя свое состояние с жидкого на парообразное. По мере изменения состояния хладагента тепло поглощается и отводится системой, снижая температуру кондиционируемого пространства.

Этап 1: Сжатие

На первом этапе цикла охлаждения хладагент поступает в компрессор в виде пара низкого давления. Компрессор сжимает хладагент до пара высокого давления, вызывая его перегрев. Как только хладагент сжимается и нагревается, он выходит из компрессора и переходит на следующую стадию цикла.

КОНЧИК:

Существует несколько типов компрессоров, которые можно использовать в холодильном цикле, включая спиральные, винтовые, центробежные или поршневые компрессоры.

Этап 2: Конденсация

После выхода из компрессора горячий парообразный хладагент переходит на следующую стадию цикла — конденсацию. На стадии конденсации хладагент поступает в конденсатор и проходит через ряд S-образных трубок. Когда горячий пар проходит через конденсатор, вентилятор продувает холодный воздух по трубкам.

Поскольку воздух, обдуваемый трубками, холоднее хладагента, тепло передается от трубок более холодному воздуху. Этот теплообмен приводит к тому, что горячий парообразный хладагент достигает температуры насыщения, которая затем меняет свое состояние на жидкость под высоким давлением. Как только хладагент находится в жидком состоянии под высоким давлением, он готов покинуть конденсатор и перейти к этапу измерения и расширения цикла.

Этап 3: Измерение и расширение

Третий этап работы компрессионных холодильных систем состоит из подачи жидкого хладагента под высоким давлением в дозирующее устройство или расширительный клапан. Дозирующее устройство поддерживает высокое давление на входе, а также расширяет жидкий хладагент и снижает давление на выходе. В процессе расширения температура жидкого хладагента также снижается.

Стадия 4: Испарение

В холодном жидком состоянии при низком давлении хладагент теперь готов вступить в стадию испарения, на которой тепло окончательно отводится из кондиционируемого пространства.

На этапе испарения холодный жидкий хладагент выходит из дозатора и поступает в испаритель по змеевикам. Затем вентиляторы используются для продувки теплого воздуха из кондиционируемого помещения через змеевики испарителя. Более холодный хладагент в змеевиках испарителя начинает поглощать тепло из более теплого воздуха, снижая температуру в кондиционируемом помещении

Тем временем, когда хладагент поглощает тепло из воздуха, он начинает кипеть и превращается в пар низкого давления. Затем пар низкого давления втягивается обратно в компрессор, и цикл начинается заново.

О компании Process Solutions, Inc.

Компания Process Solutions, расположенная недалеко от Сиэтла, штат Вашингтон, обладает более чем 30-летним опытом разработки высококачественных и надежных систем управления. Имея в штате более 100 инженеров и техников и производя более 3000 промышленных панелей управления в год, Process Solutions является крупнейшим интегратором систем управления на Северо-Западе. В дополнение к индивидуальному дизайну панели управления, сборке и вводу в эксплуатацию, услуги Process Solutions по системам управления включают программирование ПЛК и ЧМИ, интеграцию роботизированных систем, системы управления энергопотреблением и промышленным охлаждением, программное обеспечение SCADA и программное обеспечение для мониторинга машин DAQuery.

Система сжатия пара | Компрессионный цикл

Парокомпрессионному холодильному циклу уже почти 200 лет, но, похоже, он не готов уйти со сцены в ближайшее время. Хотя некоторые считают этот метод экологически вредным и неэффективным, цикл по-прежнему применим в промышленной сфере. Заводы по производству природного газа, нефтеперерабатывающие и нефтехимические заводы, а также большинство процессов производства продуктов питания и напитков являются одними из промышленных предприятий, в которых используются холодильные системы с компрессией пара. Какова отличительная черта этих систем? Простейшим объяснением этой системы является работающая в обратном направлении тепловая машина, технически называемая реверсивной машиной Карно. Другими словами, это передача тепла от холодного резервуара к горячему. Постановление Клаузиуса о втором законе термодинамики гласит: «Невозможно сконструировать устройство, которое работает в цикле и не производит никакого эффекта, кроме передачи тепла от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой». Поскольку цикл сжатия пара противоречит второму закону термодинамики, для осуществления переноса необходима некоторая работа.

Почему мы используем термин «сжатие»?

Парокомпрессионный холодильный цикл включает четыре компонента: компрессор , конденсатор, расширительный клапан/дроссельный клапан и испаритель. Это процесс сжатия, целью которого является повышение давления хладагента, вытекающего из испарителя. Хладагент высокого давления проходит через конденсатор/теплообменник, прежде чем достичь начального низкого давления и вернуться в испаритель. Более подробное объяснение шагов приведено ниже.

Этап 1: Сжатие

Хладагент (например, R-717) поступает в компрессор при низкой температуре и низком давлении. Он находится в газообразном состоянии. Здесь происходит сжатие для повышения температуры и давления хладагента. Хладагент выходит из компрессора и поступает в конденсатор. Поскольку этот процесс требует работы, можно использовать электродвигатель. Сами компрессоры могут быть спиральными, винтовыми, центробежными или поршневыми.

Этап 2: Конденсация

Конденсатор представляет собой теплообменник. Тепло передается от хладагента потоку воды. Эта вода поступает в градирню для охлаждения в случае конденсации с водяным охлаждением. Обратите внимание, что эту роль также могут играть методы охлаждения морской водой и воздухом. Когда хладагент проходит через конденсатор, он находится под постоянным давлением. Нельзя игнорировать безопасность и производительность конденсатора. В частности, контроль давления имеет первостепенное значение с точки зрения безопасности и эффективности. Существует несколько устройств контроля давления, отвечающих этому требованию  

Этап 3: Дросселирование и расширение

Когда хладагент попадает в дроссельный клапан, он расширяется и сбрасывает давление. Следовательно, на этом этапе температура падает. Из-за этих изменений хладагент выходит из дроссельной заслонки в виде смеси жидкости и пара, обычно в пропорциях около 75 % и 25 % соответственно. Дроссельные клапаны играют две важные роли в цикле сжатия пара. Во-первых, они поддерживают перепад давления между сторонами низкого и высокого давления. Во-вторых, они контролируют количество жидкого хладагента, поступающего в испаритель.

Этап 4: Испарение

На этом этапе парокомпрессионного холодильного цикла температура хладагента ниже температуры окружающей среды. Поэтому испаряется и поглощает скрытую теплоту парообразования . Отбор тепла из хладагента происходит при низком давлении и температуре. Эффект всасывания компрессора помогает поддерживать низкое давление. На рынке существуют различные версии испарителей, но основными классификациями являются жидкостное охлаждение и воздушное охлаждение, в зависимости от того, охлаждают ли они жидкость или воздух соответственно.

Рис. 1: Схематическое изображение этапов

Проблемы в цикле сжатия пара

Коэффициент производительности (COP) выражает эффективность этого цикла. Зная, что целью холодильника является отвод тепла и что этот процесс требует работы, КПД цикла принимает вид: Где «h» — энтальпия в системе. Некоторые из проблем холодильного цикла с компрессией пара, которые могут повлиять на это значение:

Утечка/отказ компрессора

Выход из строя промышленного холодильного компрессора может дорого обойтись компании и нанести ущерб репутации производителя. Часто производители разбирают возвращенные компрессоры в поисках неисправности. За годы исследований были выявлены некоторые распространенные причины отказа компрессора, в том числе проблемы со смазкой, перегрев, заклинивание, обратный поток и загрязнение .

Загрязнение – испаритель и конденсатор

Загрязнение – это любой изолятор, препятствующий переходу между водой и хладагентом. Это может быть результатом роста водорослей, осаждения, образования накипи или слизи. Поскольку эта проблема увеличивает давление напора, это может привести к увеличению потребления энергии компрессором. Какова наилучшая практика? Содержите поверхность испарителя и трубы конденсатора в чистоте . Методы очистки воды должны быть на точке, чтобы держать эту проблему в страхе.

Охлаждение двигателя

Двигатель является самым большим потребителем энергии в цикле сжатия пара . В большинстве случаев эффективность этого устройства падает из-за проблем с охлаждением. К этому могут привести многие проблемы: засоренные воздушные фильтры, грязные воздушные каналы и т. д. Регулярная проверка журналов чиллера должна выявить любую аномалию, особенно сравнение между силой тока и напряжением.

Ограничение жидкостной линии

Если вы специалист по холодильному оборудованию и столкнулись с низким давлением в испарителе, одной из областей, которую следует проверить, является жидкостная линия , в частности, на наличие любых ограничений. Многие другие симптомы могут указывать на проблему, влияющую на энтальпию системы, как показано в следующих примерах:

1. Аномально высокая температура нагнетания
2. Низкое потребление тока
3. Высокие перегрева
4. Низкое давление конденсации
5. Локальный заморозок, близкий к ограничению
6. Пузырьки в смотровом стекле

В коммерческом охлаждении перекрытие линии жидкости может снизить охлаждающую способность системы на 50%. Диагностика этой проблемы не должна быть сложной, так как опытный специалист может сказать, что что-то не так, просто проверив историю системы или проверив визуально. Если вы не знакомы с системой, вам может потребоваться провести несколько тестов, чтобы выявить проблему. Первый – это тест на перепад температуры, который проводится во всех точках, где может развиться ограничение. Вы также можете выполните тест на замораживание , если поиск точной точки становится проблематичным. Этот тест пригодится, если вы подозреваете несколько компонентов, таких как испаритель, питающие трубы и дозирующее устройство. Тепловизионное изображение должно быть наиболее передовым и надежным методом определения засорения жидкостной линии. Это дает результаты в режиме реального времени, которые помогают вам определить проблему, о чем свидетельствуют изменения температуры.

Необходимо улучшить систему?

Понимание цикла сжатия пара — это важный шаг к решению общих проблем промышленного охлаждения.