2.1Парокомпрессионные чиллеры

Наиболее обширный класс холодильных машин базируется на компрессионном цикле охлаждения, основными конструктивными элементами которго являются (см. схему)- компрессор, испаритель, конденсатор и регулятор потока (капиллярная трубка, терморегулирующий вентиль), соединенные трубопроводами и представляющие собой замкнутую систему, в которой циркуляцию хладагента (фреона) осуществляет компрессор. Охлаждение в холодильной машине обеспечивается непрерывной циркуляцией, кипением и конденсацией хладагента в замкнутой системе. Кипение хладагента происходит при низком давлении и низкой температуре.

Парообразный хладагент всасывается компрессором, который повышает его давление. Далее в конденсаторе горячий парообразный хладагент охлаждается и конденсируется, т.е. переходит в жидкую фазу. Конденсатор может быть либо воздушным, либо водяным, в зависимости от конструктивного исполнения холодильной системы.

На выходе из конденсатора хладагент находится в жидком состоянии при высоком давлении. Размеры конденсатора выбираются таким образом, чтобы газ полностью сконденсировался внутри конденсатора. Поэтому температура жидкости на выходе из конденсатора оказывается несколько ниже температуры конденсации.

Затем хладагент в жидкой фазе при высокой температуре и давлении поступает в регулятор потока (терморегулирующий вентиль), где давление смеси резко уменьшается, часть жидкости при этом может испариться, переходя в парообразную фазу. Таким образом, в испаритель попадает смесь пара и жидкости. Жидкость кипит в испарителе, отбирая тепло от охлаждаемой среды, и вновь переходит в парообразное состояние. Размеры испарителя выбираются таким образом, чтобы жидкость полностью испарилась внутри испарителя. Поэтому температура пара на выходе из испарителя оказывается выше температуры кипения, происходит так называемый перегрев хладагента в испарителе. В этом случае даже самые маленькие капельки хладагента испаряются и в компрессор не попадает жидкость. Перегретый пар выходит из испарителя и цикл возобновляется.  Таким образом, хладагент постоянно циркулирует по замкнутому контуру, меняя свое агрегатное состояние с жидкого на парообразное и наоборот.

Все компрессионные циклы холодильных машин включают два определенных уровня давления. Граница между ними проходит через нагнетательный клапан на выходе компрессора с одной стороны и выход регулятора потока (терморегулирующего вентиля) с другой стороны.  Нагнетательный клапан компрессора и выходное отверстие регулятора потока являются разделительными точками между сторонами высокого и низкого давлений в холодильной машине. На стороне высокого давления находятся все элементы, работающие при давлении конденсации. На стороне низкого давления находятся все элементы, работающие при давлении испарения.

Несмотря на то, что существует много вариантов исполнения чиллеров с парокомпрессионным рабочим циклом, принципиальная схема цикла в них практически одинакова. Выбор варианта исполнения обусловлен конкретными условиями применения.

Наиболее часто встречающиеся варианты исполнения агрегатированных чиллеров с парокомпрессионным холодильным циклом:

Чиллеры с воздушным охлаждением, с осевыми вентиляторами, наружной установки.

Предназначены для установки вне помещений, на открытом воздухе. Охлаждение конденсатора осуществляется с помощью осевых вентиляторов. У некоторых фирм — производителей возможно низкошумное исполнение — т.е. за счет применения шумоизоляции компрессора, снижения скорости вращения крыльчатки вентиляторов и изменения конфигурации лопастей достигается значительное снижение уровня звуковой мощности агрегата в целом, что однако ведет к увеличению габаритов и стоимости по сравнению с «незащищенным агрегатом той же холодопроизводительности.

Преимущества машин рассматриваемого конструктивного исполнения — возможность использования неэксплуатируемых площадей (кровля, свободные открытые площадки), относительно низкая стоимость.

Недостатки: из агрегатов наружной установки требуется сезонный слив воды из испарителя или применение двухконтурных схем холодоснабжения с использованием незамерзающих растворов (этиленгликоля, пропиленгликоля) в качестве промежуточного теплоносителя (исключение в этом случае составляют чиллеры наружной установки с выносным испарителем, которые, однако, практически не встречаются в стандартном исполнении холодильных машин известных фирм — производителей).

Чиллеры с воздушным охлаждением конденсатора, с центробежными вентиляторами, внутренней установки.

Предназначены для установки внутри помещений. Забор воздуха для охлаждения конденсатора и выброс осуществляется по воздуховодам. Для перемещения воздуха применяются центробежные вентиляторы с высоким статическим напором для преодоления сопротивления сети воздуховодов.

Основные преимущества — «скрытая» установка (отсутствие наружных блоков, градирен, конденсаторов), возможность организации круглогодичной эксплуатации в режиме охлаждения при любых температурах наружного воздуха.

Недостатки — необходимо наличие значительных площадей под размещение агрегата, дополнительные капитальные затраты на вентиляционную сеть.

Чиллеры с водяным охлаждением конденсатора

Предназначены для установки внутри помещения. Для охлаждения конденсатора холодильной машины используется промежуточный теплоноситель, который в свою очередь охлаждается в градирнях и драйкулерах (оборотная система охлаждения). Возможно также охлаждение конденсаторов проточным теплоносителем из естественных водоемов.

Преимущества — возможность организовать круглогодичное получение холода с использованием «свободного охлаждения» (freecooling) — охлаждения теплоносителя без использования холодильного цикла, за счет передачи тепла к наружному воздуху без использования дополнительного оборудования. Возможность рекуперации тепла конденсации.

Недостатки — высокая стоимость, энергоемкость, сложность эксплуатации системы.  Следует заметить, что в ряде случаев применение чиллеров с водяным охлаждением является единственно возможным вариантом.

Чиллеры с выносным конденсатором (компрессорно-испарительные агрегаты)

Это модели исполнены, как правило на базе холодильных машин с водяным конденсатором. Размещаются внутри помещения, соединяются с конденсатором наружной установки системой фреонопроводов.

Преимущества — в отличие от холодильных машин с водяным конденсатором не требуется применение промежуточного теплоносителя в контуре конденсатора и как следствие нет необходимости в применении циркуляционных насосов большой мощности, также сведен к минимуму риск замерзания теплоносителя вследствие чего не требуется применения двухконтурной схемы системы холодоснабжения.  К недостаткам следует отнести ограниченное расстояние между компрессорно-испарительным агрегатом и конденсаторным блоком.

Реверсивные чиллеры (охладитель/тепловой насос)

Некоторые модели чиллеров с воздушным охлаждением могут быть поставлены заводом- изготовителем с возможностью работы как в режиме охлаждения, так и в режиме теплового насоса, что дает возможность использования системы, построенной на базе подобного агрегата, не только для охлаждения воздуха в помещениях летом, но и подогрева воздуха в переходный период.

Исходная P–i-диаграмма для фреона-12 приведена на рис. 9, где по оси ординат приводится абсолютное давление.

Рабочий процесс парокомпрессионной холодильной установки в координатах Т-s

Диаграммы составляются для 1 кг агента. Схема диаграммы Т-s приведена на рис. 2.5. Если рабочим телом является аммиак, пояснение рабочего процесса установки начинается с точки 1, так как аммиачная установкане имеет регенеративного теплообменника(позиция 5, рис. 2.2), поэтому компрессор всасывает из испарителясухой насыщенный пар (х = 1) при р₀ и Т₀. Фреоновая установка имеет регенеративный теплообменник, поэтому компрессор всасывает перегретый пар состояния точки R при ТR и р0. Процесс перегрева паров 1– R происходит в регенеративном теплообменнике

.

Рис. 2.5. Схема диаграммы Т-s

В процессе R –с пары агента адиабатно сжимаются до рс в первой ступени компрессора и вытесняются в промежуточный водяной или воздушный охладитель, где остывают от Тс до Тd при рс = const. Во второй ступени пары сжимаются также адиабатно в процессе d-е до давления в конденсаторе р_K и Те. Перегретый пар точки e охлаждается в конденсаторе при р_K = const до состояния сухого насыщенного пара в точке 2, а затем конденсируется и полностью превращается в жидкость (х = 0) в точке 3 при Т_K. Жидкий аммиак затем поступает в водяной охладитель, а фреон в регенеративный охладитель, где охлаждаются от Т₃ = Т_K до Т₄ при Р_k = const. Затем жидкий агент поступает в регулирующий вентиль, где дросселируется при h = const в процессе 4–5 от р_k, Т₄ до р₀, Т₀. В охлаждающей батарее (или испарителе) агент кипит при р₀, Т₀ в процессе 5–1 и превращается в сухой насыщенный пар точки 1.

Охлаждение жидкого агента перед дросселированием повышает холодопроизводительность установки. Так без охлаждения жидкого агента дросселирование протекало бы процессом 3-4'. При этом после дросселирования х4' = 0,27. Это значит, что 0,27 кг жидкого агента испарилось за счет своей теплоты, а 1 – х4' = 0,73 кг в охлаждающей батарее. При охлаждении в точке 5 х = 0,2. Это значит, что самоиспарилось при дросселировании только 0,2 кг агента, а в охлаждающей батарее испарилось уже 0,8 кг, что больше чем без охлаждения на 0,07 кг. По диаграмме Т-s можно найти все параметры необходимые для расчета холодильной установки или теплового насоса. Однако при решении задач в контрольной работе следует применять диаграмму l g p-h. Схема диаграммы l g p-h приведена на рис. 2.6. По оси ординат отложены абсолютные давления р, в МПа, а по оси абцисс значения энтальпии h в кДж/кг. Изобарные процессы проходят в планшетке координат горизонтально, процессы дросселирования h = const – вертикально. Изотермы в области жидкости представляются вертикальными. На рабочей диаграмме это не показывается. В области влажного насыщенного пара, между линиями х = 0 и х = 1, изотермы совпадают с изобарами, а в области перегретого пара они круто опускаются вниз штрих пунктирными линиями. Из точки К опущены линии постоянной степени сухости от х=0,1 до х=0,9. В области перегретого пара нанесены адиабаты (изоэнтропы s=const). Они начинаются от линии х = 1 направлены вверх вправо в виде сплошных линий.

Рис. 2.6. Схема диаграммы l g р-h

Парокомпрессионные машины (рис. 6) вырабатывают холод, используя кипение жидкостей при низких т-рах с послед. сжатием образовавшихся паров и их конденсацией. Пары хладагента сжимаются в компрессоре К до давления конденсации рконд и сжижаются в конденсаторе ТК, отдавая теплоту конденсации охлаждающей воде или в окружающий воздух. Жидкий хладагент с помощью устройства Др дросселируется до давления кипения ркип, при этом его т-ра снижается до т-ры кипения Ткип. За счет отвода в испарителе теплоты от охлаждаемого объекта жидкость кипит, а образующиеся пары засасываются компрессором и сжимаются. На практике из-за опасности разрушения компрессора при сжатии парожидкостной смеси (процесс 1-2) жидкость полностью испаряют (процесс 1-1') и сжимают только парообразный хладагент (процесс 1'-2'), к-рый в результате оказывается несколько перегрет (точка 2'). В конденсаторе теплоту перегрева отводят охлаждающей водой (процесс 2'-2): кроме того, для снижения расхода энергии на единицу отнятой от охлаждаемого тела теплоты конденсат немного переохлаждают (процесс3-3').

Рис. 6. Схема парокомпрессионной машины и ее холодильный цикл.

Давления ркип и рконд однозначно связаны с Ткип и т-рой конденсации Тконд св-вами хладагента, а Тконд определяется т-рой окружающей среды; поэтому наинизшая т-ра в машине зависит от отношения рконд/ркип , т. е. только от возможностей компрессора. Если это отношение велико, сжатие производится в многоступенчатом компрессоре. В рассматриваемых машинах достигают охлаждения до Тх= 165 К, qх от 30-80 до 5 кВт, = 0,5-7,=0,3-0,5.

Рис.5.Термодинамический цикл парокомпрессионной холодильной установки в Р-I диаграмме