Области применения хладагентов.

В компрессионных установках холодильных машин для получения температур кипения –30, –40 °С без вакуума в системе охлаждения применяются хладагенты: аммиак R717, хладоны R12 и R22. R12 применяется в одноступенчатых холодильных машинах, в домашних холодильниках, кондиционерах, водоохлаждающих машинах. Для тропических условий R12 можно использовать в верхней ступени каскадных холодильных машин, в нижней ступени могут использоваться R22, R502, R12В1. Они не могут использоваться в центробежных холодильных машинах.

R22 применяется в поршневых и винтовых компрессорах, одно – и двухступенчатого сжатия и в бытовых холодильниках. Для этих машин могут применятся азеотропные смеси хладагентов у которых в процессе кипения и конденсации не меняется процентный состав смеси и ведут они себя как однокомпонентный хладагент. Их обозначают R501, 502, 503 и т. д. Они применяются, главным образом, в низкотемпературных одноступенчатых машинах при температурах конденсации до 50 °С и кипения –45 °С. Использование в бессальниковых и герметичных компрессорах. R502 повышает холодопроизводительность, снижает расход эл. энергии. В промышленных установках он используется реже из – за высокой стоимости.

Неазеотропные смеси хладагентов характеризуются различием равновесных концентраций компонентов в жидкой и газовой фазе. Кипение и конденсация происходит при переменных температурах. Эти смеси используют для увеличения холодопроизводительности, снижения температуры сжатия паров, и охлаждения обмоток встроенных эл. двигателей, улучшения условий циркуляции масла в системе, устранения вакуумных режимов работы систем. Эффективность достигается за счет высокой степени регенерации тепла в цикле, повышения КПД компрессора и снижение степени сжатия .

Для практического использования перспективными можно считать следующие хладагенты:

для высокотемпературных хол. машин – R12/R114, R22/R114, R143/R142;

для среднетемпературных хол. машин – R22/R114, R143/R12, R13B1/R12, R12/R142, R22/R12, R142/CO₂;

для низкотемпературных холодильных машин – R13/R12, R13B1/R22, R13/R22/R12/азот.

Хладоносители

Их подразделяют на жидкие и твердые. К жидким относятся – водные растворы солей, рассолы и однокомпонентные вещества замерзающие при низких температурах (этиленгликоль, кремний органическая жидкость, хладон R30).

Твердые – эвтектический лед, образующийся при криогидратной температуре, представляющий собой смесь льда и соли и имеющей постоянную температуру плавления.

В холодильной технике применяют водные растворы солей NaCl, MgCl₂, CaCl₂, которые замерзают при отрицательных температурах, температура их зависит от концентрации рассола. Область рационального применения хладаносителя определяется криогидратной точкой, при которой раствор замерзает в виде однородной смеси.

Для NaCl – 21,2 °С, MgCl₂ – 33,6 °С, CaCl₂ – 55 °С криогидратная температура.

Рассолы с воздухом являются сильными окислителями для металла. Для снижения агрессивности добавляют пассиваторы: селикат натрия, хромовую соль, фосфорные кислоты. Системы охлаждения выполняют замкнутыми без воздуха. Для увеличения производительности насосов и снижения потерь на трение, повышения пропускной способности трубопроводов в растворы добавляют высокомолекулярные соединения – полимеры (количестве 0,03¸0,07 %). Их называют поверхностно – активными веществами (ПАВ).

Компрессоры холодильных машин

Классификация компрессоров

В паровых компрессионных машинах используют поршневые, ротационные, винтовые и турбокомпрессоры.

Поршневые компрессоры по холодопроизводительности разделяют на малые Q₀ до 15 кВт, средние Q = 15 ¸120 кВт, крупные Q₀ более 120 кВт.

По роду холодильного агента компрессора подразделяются на аммиачные, хладоновые, универсальные.

В зависимости от области применения различают компрессоры стационарные и транспортные.

По конструкции разделяются: по устройству кривошипно-шатунного механизма – безкрейцкофные (простого действия), крейцкопфные (двойного действия), наибольшее распространение получили первые;

- по конструкции корпуса – блок – картерные (общая отливка блока цилиндров с картером) и разъемные (с отдельными блоками или с индивидуальными цилиндрами);

- по числу цилиндров – одноцилиндровые, двухцилиндровые, многоцилиндровые.

В зависимости от кинематической схемы и расположения цилиндров - горизонтальные, вертикальные, с угловым расположением цилиндров – V, W, V V - обзорные, крестообразные, звездообразные; прямоточные и непрямоточные; по числу ступеней сжатия – одно – и многоступенчатые.

По степени герметичности и числу разъемов компрессоры подразделяются на:

- герметичные со встроенным эл. двигателем в запаянном корпусе без разъемов;

- бессальниковые со встроенным эл. двигателем с разъемами и съемными крышками;

- открытые или сальниковые, в которых ведущий вал уплотняется сальником.

Открытые компрессоры – в основном безкрейцкопфные, отличаются простотой и компактностью. Недостатком является большой унос масла из картера в цилиндры и как следствие загрязнение теплообменных аппаратов. Число цилиндров у этих компрессоров колеблется до16 шт.

Одно – и двух цилиндровые обычно вертикальные, при большем количестве цилиндров – различное пространственное их расположение. Наибольшее распространение получили блок – картерные со сменными гильзами цилиндров. Отличаются компактностью, герметичностью, жесткостью и прочностью стенок цилиндров, проще изготовление и ремонт. Цилиндры выполняются с воздушным или водяным охлаждением в зависимости от хладагента и теплового режима. В прямоточном компрессоре всасывающие клапаны расположены в днище поршня, а нагнетательные – в ложной крышке цилиндра. Клапаны выполнены с большими проходными сечениями для снижения энергетических потерь.

В непрямоточных всасывающие и нагнетательные клапаны размещены в клапанной плите. Компрессоры имеют двухопорный коленчатый вал с двумя коленами и углом развала кален 180°. Коленчатый вал уплотняется сальником. Для смазки цилиндров и механизмов движения применяют одно и тоже масло для амиачных компрессоров – масло ХА. Фригус или ХА 30, ХС – 40, для хладоновых – масло ХФ – 12 – 16 и ХФ – 22 – 24, ХФ – 22с – синтетическое масло с неограниченной смешиваемость R22.

В настоящее время создана новая градация унифицированных поршневых компрессоров для аммиака и хладонов с четырьмя базами I, II, III, IV соответственно диаметры цилиндров 42, 67,5, 76, 115 мм. число цилиндров 1, 2, 4, 6, 8. Типы компрессоров: герметичный I базы, бессальниковые и сальниковые II, III, IV баз. Герметичные компрессоры выпускают марок ПГ5, ПГ7, ПГ10, расположение цилиндров горизонтальное. В сальниковых компрессорах П14, П20, П40, П60, П80, П110, П165, П220, расположение цилиндров V – образное, VV – веерное, количество цилиндров 4, 6, 8. В бессальниковых ПБ5, ПБ7, ПБ10, ПБ14, ПБ28, ПБ20, ПБ40, ПБ60, ПБ80, ПБ110, ПБ165, ПБ220 расположение цилиндров V – образные, W – крестообразные, VV – веерообразное, (П – поршневые, Б – бессальниковые).

Герметичные компрессоры – заключаются в месте с электродвигателем в герметично закрытый сварной стальной штампованный корпус. Преимущества – надежность в эксплуатации, вал ротора электродвигателя является одновременно валом компрессора. Частота вращения до 50 Гц (с^-1), что позволяет уменьшать габариты и массу при той же холодопроизводительности. Обмотка эл. двигателя охлаждается парами хладона, поэтому можно увеличить нагрузку на него. Бесшумны в работе. Основными типами герметичных компрессоров являются одно – и многоцилиндровые, например ФГ0,45, ФГ0,7, ФГ1,1, ФГ2,8, ФГ5,6, ПГ5, ПГ7, ПГ10 с горизонтальным цилиндром. Эти компрессоры применяются в основном в торговом оборудовании и на транспорте. Бывают низкотемпературные герметичные компрессоры ФГН. Количество циркулирующего хладагента меньше чем в обычном, удельная работа сжатия больше. охлаждающие пары направляются в зазор между статором и ротором эл. двигателя.

Бессальниковые компрессоры – отличаются тем, что между эл. двигателем и картером нет сальника. Эл. Двигатель расположен в картере компрессора. Имеют разъемы для доступа к внутренним частям. Обмотку эл. двигателя охлаждают парами хладона, исключается утечка хладона, уменьшены габариты и масса. Смазка разбрызгиванием, принудительная и комбинированная.

Ротационные компрессоры – изготавливаются с катящимися, качающимися и вращающимися роторами, с двумя, четырьмя и более пластинами. Пластинчатые компактные. Сжатие начинается при достижении соответствующей части вращения. У них вал расположен эксцентрично к центру. На вал насажен ротор (поршень) с фрезерованным по всей длине пазами с пластинами. Пластины образуют со стенками цилиндра полости. Пар захватывается пластинами и при дальнейшем вращении сжимается и выталкивается в нагнетательную сеть. Преимущества – небольшая масса, отсутствие кривошипно – шатунного механизма, большая уравновешенность, отсутствие клапанов, равномерность подачи пара, более низкое давление всасывания из – за отсутствия всасывающих клапанов и как следствие возможность работы при более низких температурах кипения хладагентов. Недостатки неплотности пластин в цилиндре, отсутствие высоких степеней сжатия, а следовательно, высоких давлений нагнетания соответствующих реальным температурам конденсации. Ротационные компрессоры используют в основном в установках больших холодопроизводительностей в качестве ступеней низкого давления в агрегатах двухступенчатого сжатия. Ротационный компрессорный агрегат рассчитывают и подбирают аналогично поршневым машинам, иначе рассчитывают лишь величины l и Ne.

, коэффициент подачи,

где а – коэффициент, а= 0,5; Р_нагн – давление нагнетания или промежуточное давление, Р_вс – давление всасывания, т. к. отсутствует Р₀.

Эффективная мощность:

где R – газовая постоянная, Т₀ – температура всасывания, h_iиз – изотермичный КПД, V_q – действительная объемная производительность компрессора по паспорту, r - плотность хладона при всасывании.

Винтовые компрессоры – состоят из корпуса в котором расположены два ротора ведущий и ведомый с зубчато-винтовыми лопастями. Винтовые впадины проходят мимо всасывающего окна, заполняются газообразным хладагентом, при дальнейшем вращение роторов объем пространства между винтами уменьшается, газ сжимается и нагнетается в систему. Применяют маслозаполненные винтовые компрессоры с падачей масла в рабочее пространство. Хладагент подается с маслом через фильтры отделители. Масло шестеренчатым насосом снова подается в компрессор. Преимущества – малые габариты и масса надежность в эксплуатации, отсутствие трения при сжатии, низкий предел давления всасывания 5-2 кПа, что позволяет их использовать в низкотемпературных устройствах. При низкой холодопроизводительности эти компрессоры соизмеримы с поршневыми и теряют преимущества из – за маслосистемы.

На базе винтовых компрессоров 5ВХ – 350, 6ВХ – 700, 7ВХ – 1400 (5, 6, 7 номер базы, 350, 700, 1400 холодопроизводительность) комплектуют компрессорные агрегаты одноступенчатого сжатия охватывающие высокие -, среднее -, низкотемпературные режимы работы. Частота вращения 50 с^-1.

Эффективная мощность винтового компрессора ,

где G_а – количество агента, Di – разность энтальпии конца и начала сжатия,

η_е – эффективный КПД.

Турбокомпрессоры – используются для большой холодопроизводительности, компактны и экономичны, высокооборотные.

Преимущества перед поршневыми: отсутствие клапанов, динамическая уравновешенность, малые габариты. Турбокомпрессоры делают с несколькими рабочими колесами, поэтому они являются многоступенчатыми машинами. Можно проводить промежуточный отбор сжатых паров.

По принципу работы – центровые и осевые. Осевые для очень больших холодопроизводительностей. Центробежные имеют холодопроизводительность от 500 до несколько тысяч кВт.

На валу центробежного компрессора вращается рабочее колесо с лопатками, передающие кинетическую энергию хладагенту, который выбрасывается из колеса в диффузор где его кинетическая энергия преобразуется в энергию давления. Пройдя несколько колес достигают необходимое давление.

Движение пара хладоагента складывается из скорости вращения его вместе с колесом (абсолютное движение) и перемещения вдоль лопаток (относительное движение) сумма этих движений есть абсолютная скорость движения пара. Кинетическая энергия движения пара превращается в давление в диффузоре. Конструктивно диффузоры выполняют безлопаточными, лопаточными и прямолинейными. Работа сжатия пара уменьшается при приближение процесса сжатия к изотермическому, поэтому после группы колес пар охлаждают в промежуточных холодильниках. При использовании легких хладагентов (аммиак) скорости колес, достигают больших величин, поэтому турбо компрессоры используют для сжатия более тяжелых хладонов. В пищевой промышленности мало применяются из-за большой мощности.

Основные узлы и детали компрессоров

К основным узлам и деталям относятся: рама, картер, блок – картер, цилиндры, коленчатый вал, шатун, поршни, кольца, клапаны, сальники.

Основные требования к раме, картеру, блок – картеру –это прочность и жесткость. Последняя определяет точность и сохранение взаимного расположения осей механизма. Картеры и блок – картеры бескрейцкопфных компрессоров находятся под давлением паров хладагента. Изготавливаются литыми из чугуна, иногда сварными из стального листа, в малых компрессорах из силумина.

Цилиндры – выполняются со вставными сменными гильзами, запрессовывают в блокцилиндры по скользящей или легкопрессовой посадке. В прямоточных, особенно двухступенчатых гильзы уплотняют по верхнему и нижнему поясам резиновыми кольцами. Вернее препятствует перепуску пара из нагнетательной полости во всасывающую, нижнее препятствует проникновению масла из картера в полость всасывания.

Коленчатые валы - по конструкции разнообразны (кривошипные и эксцентриковые), выполняются цельнокованными, штампованными и литыми. Изготавливаются из высококачественной или легированной стали. Имеют масляные каналы для смазки.

Шатуны – должны обладать жесткостью при продольном изгибе, прочностью и минимальной массой. Верхняя часть неразъемная с запрессованной бронзовой втулкой, нижняя – разъемная скрепленная болтами или неразъемная. Распространены шатуны со сменными биметалическими вкладышами с тонким антифрикционным слоем – бабиты, аллюминиевые сплавы, свинцовая бронза.

Поршни – дисковые и тронковые. Дисковые применяются в крейцкопфных компрессорах двойного действия. Тронковые бывают проходные и непроходные. Проходные применяются в прямоточных компрессорах. В головке поршня устанавливают всасывающий клапан. На боковой поверхности поршня делают канавки для уплотнительных колец. В нижней части поршня имеется бобышка для соединения пальцем с шатуном. Палец фиксируется кольцами. Достоинством является возможность увеличения сечения проходных всасывающего и нагнетающего клапанов. Недостаток сложность конструкции и большая масса. Непроходные просты, имеют меньшую массу применяются в малых и средних непрямоточных компрессорах. Тронковые поршни малых компрессоров диаметром до 50 мм устанавливают без колец.

Поршневые кольца – делятся на уплотнительные и маслосъемные. Уплотнительные уплотняют, а маслосъемные для предотвращения уноса масла в систему.

Клапаны – должны иметь максимальное проходное сечение, минимальный мертвый объем, наибольшую прямолинейность потока хладагента, небольшое перемещение и малую массу замыкающих органов (для уменьшение силы удара при посадке), герметичность, простоту конструкции и наименьшую трудоемкость изготовления. Наиболее распространены пластинчатые которые могут быть кольцевыми, полосовыми, язычковыми. В крупных и средних компрессорах применяют кольцевые, толщина 0,8–1,5 мм. Высота их подъема зависит от частоты вращения коленвала. При вращении 24 с^-1 подъем пластин 1,1 – 1,5 мм. В конструкциях клапанов на поршнях применяют беспружинные кольцевые или полосовые клапаны. Открытие и закрытие их осуществляется за счет сил инерции. Полосовые имеют меньшую массу чем кольцевые. Клапаны полосовые самопружинящие выполняют из ленточной стали У10 толщиной 0,21 мм шириной 6 мм. Клапанный узел состоит из стального седла с пятью рядами круглых отверстий для прохода хладагента, пяти пластин, стальной розетки с шестью рядами отверстий и фрезерованными пазами между ними для подъема клапанных пластин. Розетка и седло крепятся друг к другу двумя шпильками, точность относительного расположения достигается штифтами. Весь узел клапана крепится на головке поршня четырьмя шпильками с головками в потай. Узел ставится на прокладку. Отсутствие пружин всасывающих клапанов упрощает конструкцию и уменьшает вредное пространство.

Предохранительные клапаны – защищают механизм движения от превышения предельной разности давлений нагнетания и всасывания (Dr = 1,68 МПа), перепуская пар из зоны нагнетания в зону всасывания, но не защищает от превышения давления нагнетания. Такие клапаны устанавливают только на компрессорах с V > 0,03 м³/с. Применяют пружинные самодействующие предохранительные клапаны, а также клапаны в которых при превышении разности давлений разрушается диафрагма разделяющая полость нагнетания и всасывания.

Сальники – специальные устройства для уплотнения подвижных деталей валов, штифтов, плунжеров с целью предотвращения утечек паров, жидкостей, газов. От гидравлических ударов компрессоры защищены с помощью ложных крышек. В качестве ложных крышек используют нагнетательные клапаны, которые прижимают к уплотнительному буртику цилиндра буферной пружиной. Она позволяет подниматься ложной крышке на высоту 0,1 диаметра цилиндра при Dr = 0,35 ¸ 0,45 МПа.