Холодильные установки и тепловые насосы

Холодильные установки и тепловые насосы повсеместно используются в современной промышленности. Они обеспечивают ряд важных процессов на производстве, а также отвечают за создание благоприятного микроклимата в рабочих помещениях, условий для длительного хранения продукции. Холодильные установки и тепловые насосы – категория оборудования, обеспечивающая полноценное функционирование производства.

Холодильные установки

Установки используются для отвода тепла от охлаждаемой среды или тела. В зависимости от конструктивных особенностей и принципа действия установки обеспечивают температурный диапазон от +10 до -150С. Они функционируют по подобию теплового насоса – отнимают теплоту от охлаждаемого тела и передают ее окружающей среде, затрачивая механическую, электрическую или другую энергию.

Наиболее распространены несколько типов установок – парокомпрессорные, пароэжекторные, абсорбционные и воздушно-расширительные.  Все установки действуют примерно одинаково. Отличия – характеристики рабочего тела и способ создания давления на него.

1. Наибольшее распространение получили парокомпрессорные установки. Циркуляция хладагента в них осуществляется по замкнутому кругу в следующей последовательности – испаритель-компрессор – конденсатор – ТРВ. После ТРВ он снова возвращается в испаритель. Каждый узел выполняет определенные функции. В испарителе хладагент, поглощая тепло от охлаждаемого тела, нагревается и закипает, переходя в газообразную форму. В компрессоре он сжимается. В конденсаторе возвращается в исходное состояние. Максимальная приближенность к идеальному обратному циклу Карно делает их самыми эффективными и востребованными.
2. В абсорбционных установках используются бинарные растворы, состоящие из двух компонентов, имеющих отличные температуры кипения. Один из них является хладагентом, другой – поглотителем. Для примера возьмем смесь аммиака и воды. В абсорбере находится раствор.  Посредством насоса он нагнетается в нагреватель. Там при повышенном давлении и температуре аммиак начинает испаряться. Находясь в виде пара при повышенном давлении, он переходит в конденсатор, возвращается в жидкое состояние. Далее он снова испаряется уже в испарителе и его поры поглощаются водой в абсорбере.
3. В пароэжекторных установках все происходит иначе. В испарителе установок есть некоторое количество воды. После охлаждения она поступает к потребителям. Эжектором в испарителе создается вакуум за счет чего и происходит снижение температуры. Источником энергии выступает пар.

Холодильные агенты

В современных установках в качестве рабочего тела применяются пары жидкостей, способных закипать при низких температурах. Всего насчитывается более 30 хладагентов, но применяются далеко не все.

Распространены установки на базе аммиака, сернистого ангидрида, углекислого газа, а также разнообразных фреонов.  Все они в известной мере вредны для человека.  Роль холодного источника в установках может выполнять воздух, в тепловых насосах – земля, вода или атмосферный воздух.

Тепловые насосы

Под тепловыми насосами подразумевают установки, отнимающие энергию от тел с более низкой температурой и передающие ее телам с более высокой температурой. Данный способ позволяет извлекать тепловую энергию из окружающего воздуха или холодной воды.  Тепловые насосы делятся на разновидности.

Испарительные компрессионные.

Действуют они довольно просто. Компрессор сжимает газообразный хладагент до такого давления, чтобы начался его переход в жидкость и нагрев. Далее подается в радиатор конденсатора, отдает окружающей среде лишнее тепло, а сам охлаждается. Сжиженный охлажденный фреон передается в расширительную камеру и при прохождении через дроссель или детандер расширяется, теряет давление и частично переходит в газообразную форму и охлаждается. После перехода по каналам испарителя смесь теплоносителя отбирает теплоту из охлаждаемой зоны. Оставшаяся в виде жидкости часть хладагента за счет теплоты продолжает испаряться. Так поддерживается процесс постоянного отбора тепла.

Среди достоинств установок можно назвать высокую эффективность, соотношение которой достигает 1:3.  К недостаткам отнесем наличие компрессора, во время работы неизбежно создающего шум, необходимость использовать конкретное вещество и следить за абсолютной герметичностью установки. Также велика вероятность поломок в результате износа компрессора. Несмотря на минусы именно эти устройства получили повсеместное распространение. 

Испарительные абсорбционные

Рабочий цикл установок очень похож на рассмотренный ранее. Основная разница – использование абсорбента, обеспечивающего поглощение образовавшихся паров.  Из объема испарителя пар удаляется и восстанавливается разряжение, необходимое для того, чтобы испарялись новые порции хладагента. Чаще всего используется пара «аммиак-вода».

Своеобразной изюминкой установок является то, что нагрев рабочего тела вплоть до его кипения обеспечивает выработку холода. Неважно, какой источник нагрева используется.  Для этих целей подойдет даже пламя горелки,  так что наличие электрической энергии необязательно.

Главный плюс установок – возможность использовать любой источник тепла, а не только электроэнергию. Это может быть отработанный или перегретый пар, пламя горелок, солнечная энергия или выхлопные газы.  Еще одно преимущество – бесшумность работы за счет отсутствия движущих деталей. Аммиак в малых дозах достаточно безвреден, так что во время небольшой утечки ничего страшного не произойдет. В отличие от фреонов он не приводит к разрушению озонового слоя.

Минусы тоже есть - недостаточная эффективность, сложность конструкции и повышенные требования к герметичности. Монтаж таких установок целесообразен в тех случаях, если нет возможности использовать электрическую энергию или в результате деятельности завода вырабатываются немалые объемы бросового тепла, которое требуется утилизировать с пользой.

Вихревые тепловые насосы

Еще одна разновидность тепловых насосов – вихревые. Их используют для разделения холодного и горячего воздуха. Это называют эффектом Ранка. Его суть заключается в том, что тангенциально подаваемый в трубу газ, имеет высокую скорость движения.  Внутри трубы происходит его закручивание и разделение на холодный и теплый. Эффект применим и для жидкостей, но не так эффективен.

Установки хороши своей простотой и высокой производительностью. Работают они довольно тихо, служат долго, вибрируют умеренно. Но область применения ограничена, так как эффективность заметно уступает испарительным компрессионным установкам.