Пароэжекторные холодильные машины

 

Пароэжекторные холодильные машины относятся к группе теплоиспользующих. В них осуществляются одновременно два цикла: прямой (силовой), в котором теплота пре-вращается в механическую работу, и обратный (холодильный), в котором эта механи-ческая работа используется для получения холода. В качестве рабочих тел в пароэжек-торных холодильных машинах могут быть использованы вода, аммиак и хладоны. Од-нако практически применяют чаще всего пароводяные эжекторные холодильные маши-ны, в которых рабочим телом и одновременно хладоносителем служит вода.

 

Пароводяные эжекторные холодильные машины работают при температуре кипения выше 0°С. В них охлаждают воду для установок кондиционирования воздуха и произ-водственно-технологических нужд. Холодильный цикл протекает при давлении ниже атмосферного, температура кипения рабочей воды обычно 2 — 15 °С, что со-ответствует остаточному давлению в испарителе 700 — 1700 Па. Показатель µ совре-менных пароэжекторных холодильных машин в зависимости от условий работы и кон-струкции составляет 0,14 — 0,18.

Машины обычно выполняют в виде агрегатов, включающих теплообменные аппараты, эжекторы и внутримашинный трубопровод с запорной, регулирующей и защитной ар-матурами. Агрегатированные пароэжекторные холодильные машины имеют холодо-производительность от 200 до 2000 кВт.

 

Вопросы для самоконтроля

 

1 Аммиак.

 

2 Хладоны (фреоны).

 

3 Азеотропные смеси.

 

4 Теплофизические свойства.

 

5 Физико-химические свойства.

 

6 Галогенизированные хладагенты.

 

7 Гидрофторуглеводороды (ГФУ) и гидрохлорфторуглеводороды (ГХФУ).

 

8 Жидкие хладоносители.

 

9 Твердые хладоносители.

 

10 Функциональная схема воздушной холодильной машины.

 

11 Машины вихревого типа.

 

12 Компрессионные паровые холодильные машины.

 

13 Холодильные машины с центробежными компрессорами.

 

14 Холодильные машины с винтовыми маслозаполненными компрессорами.

 

15 Холодильные машины с ротационными пластинчатыми компрессорами.

 

16 Абсорбционные холодильные машины.

 

17 Сорбционных холодильные машины.

 

18 Пароэжекторные холодильные машины.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

Основная

 

7. Расщепкин А.Н., Ермолаев В.А., Кемеровский Теплообменные аппараты низкотемпературной техники. [Электронный ресурс] 2012 URL: http://www.iprbookshop.ru/14393.html (Дата обращения: 23.09.2013).

 

8. Буянов О.Н.,Воробьёва Н.Н.,Усов А.В. Холодильное технологическое обору-

дование [Электронный ресурс] 2009 URL: http://www.iprbookshop.ru/14401.html

(Дата обращения: 23.09.2013).

 

Дополнительная

 

10. Большаков С.А. Холодильная техника и технология продуктов питания. – М.: Изда-тельский центр «Академия», 2003. – 304 с.

11. Курылев Е.С., Оносовский В.В., Румянцев Ю.Д. Холодильные установки. – СПб.: Политехника, 2002. – 576 с.

12. Куцакова В.Е. и др. Примеры и задачи по холодильной технологии пищевых про-

дуктов. – М.: Колосс, 2003. – 240 с.

 

 

Лекция 5

 

КОМПРЕССОРЫ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН

 

Поршневые компрессоры

 

Виды поршневых компрессоров. Поршневые компрессоры подразделяют по холодо-производительности, виду холодильного агента, области применения, устройству кри-вошипно-шатунного механизма, конструкции корпуса, расположению цилиндров, на-правлению движения пара в последних, числу степеней сжатия, степени герметичности и некоторым другим признакам.

 

По холодопроизводительности поршневые компрессоры подразделяют на малые (Q₀ до 12 кВт), средние (Q₀ 12—120 кВт) и крупные (Q₀ более 120 кВт).

 

По виду холодильного агента различают аммиачные, хладоновые (фреоновые) и уни-версальные компрессоры.

В зависимости от области применения компрессоры подразделяют на стационарные, транспортные и др.

По устройству кривошипно-шатунного механизма различают компрессоры крейцкопф-ные, или ползунковые (двойного действия), и бескрейцкопфные (простого действия). Крейцкопфные компрессоры бывают в основном одноцилиндровые, горизонтальные, сальниковые, непрямоточные.

Наиболее распространены бескрейцкопфные открытые компрессоры вертикальные и V-образные, прямоточные и непрямоточные (рис. 1).

Число цилиндров у бескрейцкопфных компрессоров колеблется от 2 до 16. Двухцилин-дровые компрессоры, как правило, вертикальные. Если цилиндров больше, применяют различные пространственные схемы их расположения.

 

Бескрейцкопфные компрессоры разнообразны по конструктивному исполнению.

По конструкции корпуса компрессоры подразделяют на блок-картерные (общая отлив-ка блока с картером) и разъемные (блок цилиндров и картер представляют собой от-дельные детали).

Большое распространение получили блок-картерные компрессоры. В цилиндровую часть блок-картера вставляют сменные цилиндровые гильзы. Блок-картерные компрес-соры по сравнению с разъемными отличаются большей жесткостью и прочностью при меньшей толщине стенок цилиндров; их изготовление и ремонт проще.

В зависимости от кинематической схемы и расположения оси цилиндров компрессоры делят на прямоточные и непрямоточные; горизонтальные и вертикальные; с угловым расположением цилиндров — V-, W-образные или веерные, крестообразные, звездооб-разные.

В прямоточном компрессоре всасывающие клапаны располагаются на днище поршня, а нагнетательные — в верхней части цилиндра, в ложной крышке.

В непрямоточных компрессорах клапаны всасывающие и нагнетательные размещаются в верхней части цилиндра — на клапанной доске. При движении поршня вниз давление в цилиндре компрессора становится ниже, чем во всасывающей полости, и пар прохо-дит через вентиль во всасывающую полость, а затем через всасывающий клапан в по-лость цилиндра. При движении поршня вверх пар сжимается до давления конденсации и через нагнетательный клапан попадает в нагнетательную полость.

По числу степеней сжатия компрессоры бывают одно- и многоступенчатые. По степени герметичности и числу разъемов компрессоры подразделяют:

 

на герметичные — со встроенным электродвигателем в запаянном кожухе без разъе-мов;

бессальниковые — со встроенным электродвигателем, с разъемами и съемными крышками;

 

открытые, или сальниковые, в которых ведущий вал уплотняется при помощи саль-ника;

 

простого действия, в которых сжатие пара осуществляется одной стороной поршня, и двойного действия, в которых обе стороны поршня рабочие.

Герметичные компрессоры — компрессор и электродвигатель заключены в общий гер-метически закрытый сварной стальной кожух. Электродвигатели устанавливают одно-фазные и трехфазные асинхронные. Ротор электродвигателя насаживается непосред-ственно на вал компрессора. Частота вращения вала может быть близка к 50 с^-1, что по-зволяет уменьшить геометрические размеры, габариты и массу компрессора при той же холодопроизводительности. Обмотка электродвигателя охлаждается потоком вса-сываемого пара холодильного агента, благодаря чему возможно повышение на него на-грузки. Герметичные машины почти бесшумны. Их холодопроизводительность нахо-дится в пределах от нескольких сотен ватт до 10 кВт. Герметичные компрессоры изго-тавливают для трех различных диапазонов температур кипения холодильного агента: С

— среднетемпературного от-25 до +10 ^оС; Н - низкотемпературного от -40 до -25 °С и В

 

— высокотемпературного от -10 до +10 °С.

Компрессоры С используют в торговом холодильном оборудовании и бытовых холо-дильниках. В бытовых холодильниках применяют в основном одноцилиндровые порш-невые непрямоточные герметичные компрессоры с вертикальным цилиндром и гори-зонтальным валом. Электродвигатели в последнее время используют однофазные асин-хронные с пусковой обмоткой и короткозамкнутым ротором, скорость вращения кото-рого, а следовательно, и вала компрессора 50 с^-1.

 

Компрессоры Н применяют в низкотемпературном холодильном оборудовании и не-больших морозильных устройствах.

Компрессоры В используют для кондиционеров, охладителей напитков, соков, молока и других устройств.

 

Бессальниковые компрессоры непрямоточные. Разъемное соединение и съемные крышки обеспечивают доступ к их внутренним частям. Обмотки электродвигателей, как и герметичных компрессоров, охлаждаются всасываемым паром холодильного агента.

Отличительная особенность бессальниковых компрессоров – отсутствие сальников, так как электродвигатель находится на одном валу с компрессором и располагается в его картере. Такая конструкция позволяет уменьшить габариты и практически полностью исключить утечку рабочего тела.

Холодопроизводительность таких компрессоров находится в пределах от нескольких до нескольких десятков киловатт (средние по величине холодопроизводительности компрессоры).

 

 

 

Рис. 5.1. Бескрейцкопфный непрямоточный VV-образный

 

одноступенчатый компрессор П220:

а - продольный разрез; б — поперечный разрез; 1 — блок-картер; 2 — гильза Цилинд-ра; 3— поршень с кольцами; 4— шатун; 5— заборный масляный фильтр; 6 - шестерен-чатый затопленный насос; 7— шестерни привода масляного насоса; 8 - коленчатый вал с противовесами; 9 — ложная крышка; 10 — всасывающий клапан; 11 — нагнетатель-ный клапан; 12— сальник уплотнения вала

 

В сальниковых компрессорах самым уязвимым конструктивным узлом является уплот-нение коленчатого вала, через которое наиболее вероятна утечка холодильного агента. Особенно велика опасность утечки в малых хладоновых компрессорах.

 

По характеру охлаждения блока цилиндров бывают компрессоры с воздушным и водя-ным охлаждением. Воздушное охлаждение используется в малых холодильных ком-прессорах, во всех остальных применяют водяное принудительное охлаждение.

 

Для смазки трущихся деталей используются принудительная, непринудительная или комбинированная системы смазки.

 

По типу привода различают компрессоры с ременной передачей; непосредственно со-единенные с электродвигателем муфтой; с электродвигателем, ротор которого насажен на вал компрессора.

По частоте вращения коленчатого вала компрессоры разделяют на тихоходные — до

500 об/мин и быстроходные — свыше 500 об/мин.

Унифицированные поршневые компрессоры выпускают для хладонов I и II баз, для аммиака и хладонов — III и IV баз, для аммиака — V базы.

Герметичные компрессоры I базы имеют горизонтальное и вертикальное расположения двух или четырех цилиндров.

Компрессоры герметичные и бессальниковые предназначены для хладонов, сальнико-вые — для аммиака и хладонов. Хладоновые компрессоры I, II и III баз — непрямоточ-ные, IV — прямоточные; аммиачные III и IV баз — прямоточные; аммиачные комп-рессоры V базы — крейцкопфные непрямоточные с опозитным расположением двух или четырех цилиндров.

Для смазки цилиндров и механизма движения в аммиачных компрессорах используют масла ХА, ХА-30, ХС-40, а в хладоновых - ХФ-12-16, ХФ-22-24, ХФ-22с.

При маркировке унифицированных поршневых компрессоров применяют следующие обозначения: П — поршневой, Ф — хладоновый (фреоновый), А — аммиачный, В — вертикальный, V — V-образный, W — веерообразный, Б — бессальниковый, Г — гер-метичный, О — опозитный. Цифры после букв означают холодопроизводительность (кВт).

В сальниковых компрессорах марок П14, П20, П28 и др. расположение цилиндров V-, W-, VV-образное.

В бессальниковых компрессорах марок ПБ5, ПБ7 — ПБ220 расположение цилиндров также V-, W-, VV-образное.

 

Основные конструктивные узлы и детали поршневых компрессоров — рама, картер, блок-картер, цилиндры, коленчатые валы, шатуны, поршни, поршневые кольца, клапа-ны, сальники.

Картер представляет собой конструктивную основу машины.Картер вертикальных иV-образных компрессоров имеет вид коробки с боковыми окнами, которые закрывают-ся съемными крышками. Крышку со стороны маховика, через которую проходит ко-ленчатый вал компрессора, называют задней, а противоположную ей — передней. Сверху картера крепится блок цилиндров. Многие конструкции вертикальных компрес-соров выполняются блок-картерными. В этом случае цилиндры и картеры отливаются в виде единой детали. Блок-картерные компрессоры компактнее, имеют меньше флан-цевых соединений, проще и дешевле в производстве.

В каждый цилиндр запрессовывают сменные гильзы, которые в случае износа могут быть заменены новыми. Сменные гильзы уплотняют по верхнему и нижнему поясам резиновыми кольцами. Для охлаждения цилиндров верхнюю часть их боковой поверх-ности отливают с ребрами (при охлаждении воздухом) или со специальной полостью (при охлаждении водой — водяной рубашкой).

Коленчатые валы по конструкции могут быть кривошипными и эксцентриковыми.Ихвыполняют штампованными, литыми или цельноковаными из высококачественной уг-леродистой или легированной стали. Опорой коленчатого вала служат подшипники, расположенные в крышках картера или корпусе.

Чтобы движение поршня было равномерным, на конец коленчатого вала, выступающий из картера, насаживается маховик — шкив большего диаметра с тяжелым ободом. При непосредственном соединении компрессора с электродвигателем надобность в махови-ке отпадает, его роль выполняет ротор двигателя.

 

Шатуны передают движение от коленчатого вала к поршням.Они—штампованныестальные двутаврового сечения с разъемной нижней головкой, с вкладышем, залитым баббитом, и неразъемной верхней головкой с бронзовой втулкой.

 

Нижние головки шатунов, которые охватывают шейки коленчатого вала, стягиваются стальными болтами с зашплинтованными корончатыми гайками. Верхние головки пальцами поршня закрепляются в поршне.

Поршни по конструкции делят на дисковые и тронковые.Дисковые используют в круп-ных крейцкопфных компрессорах двойного Действия, когда по обе стороны поршня расположены рабочие объемы цилиндра. Тронковые поршни могут быть двух типов: проходные для прямоточных машин, непроходные для непрямоточных.

Конструкция проходных поршней позволяет увеличить проходные сечения всасываю-щего и нагнетательного клапанов.

Непроходные поршни отличаются простотой конструкции и небольшой массой. Их ис-пользуют в малых и средних непрямоточных компрессорах. Поршни для герметичных компрессоров делают без поршневых колец. Вместо них на боковой поверхности про-тачивают неглубокие канавки для сбора и равномерного распределения масла по зерка-лу цилиндра.

Всасывающие и нагнетательные клапаны выполняют в компрессоре распределитель-ную функцию. Через всасывающие клапаны происходит засасывание паров холодиль-ного агента из всасывающего трубопровода в цилиндр компрессора, а через нагнета-тельные — выталкивание сжатых паров в нагнетательный трубопровод. В поршневых холодильных компрессорах клапаны самодействующие, т.е. они открываются и закры-ваются под действием разности давлений по обе их стороны.

На всасывающие клапаны прямоточных компрессоров, расположенные в днище порш-ня, помимо давления газа действуют силы инерции. В вертикальном прямоточном ком-прессоре при движении поршня вверх и достижении им верхней мертвой точки кла-панная пластина по инерции стремится продолжить движение вверх, и клапан открыва-ется, в то время как поршень после остановки начинает двигаться вниз. Когда же пор-шень останавливается в нижней мертвой точке, клапанная пластина по инерции стре-мится продолжить движение вниз, прижимается к седлу клапана, и он закрывается.

 

В бескрейцкопфных компрессорах применяют пластинчатые клапаны, получившие свое название потому, что их рабочей запорной деталью служат тонкие (0,8— 1,5 мм) стальные пластины. Пластинчатые клапаны в зависимости от конфигурации и крепле-ния клапанных пластин бывают кольцевыми, полосовыми, язычковыми.

Кольцевые клапаны применяют в средних и крупных компрессорах.

В конструкциях клапанов, закрепленных на поршнях, используют беспружинные коль-цевые и полосовые клапаны. Полосовые клапаны называют еще ленточными, посколь-ку в них отверстия для прохода пара перекрываются упругими пластинами, имеющими форму лент.

Предохранительные клапаны предотвращают аварии при чрезмерном повышении дав-ления нагнетания. При превышении предельной разности давлений нагнетания и вса-сывания (∆ P = 1,68 МПа) предохранительные клапаны перепускают сжатый пар из по-лости нагнетания в полость всасывания.

Применяют в основном пружинные самодействующие предохранительные клапаны. Когда разность давлений превышает допустимую, пружина сжимается, клапан откры-вается и нагнетательная сторона компрессора соединяется с всасывающей.

Сальниками называют специальные устройства для уплотнения подвижных деталей,например валов, штоков, плунжеров, в целях предотвращения утечки жидкостей, пара или газа. Применяют сальники с кольцами трения. Сальники открытых хладоновых компрессоров бывают сильфонного и мембранного типов.

 

Ротационные компрессоры

 

Ротационные компрессоры более уравновешены, чем поршневые, поскольку у них нет кривошипно-шатунного механизма, совершающего возвратно-поступательное движе-ние. Кроме того, они не имеют всасывающих клапанов и могут работать при больших частотах вращения вала. Габариты ротационных компрессоров невелики. Изготавлива-ют их с катящимися, качающимися и вращающимися роторами, последние (пластинча-тые компрессоры) — с двумя, четырьмя и более пластинами, с круглым или эллиптиче-ским цилиндром.

 

Вал ротационных компрессоров расположен эксцентрично по отношению к цилиндру. На вал насажен ротор (поршень) с фрезерованными по всей длине пазами, в которые вставлены асботекстолитовые пластины. При вращении ротора пластины под дей-ствием центробежной силы выходят из пазов и прижимаются к поверхности цилиндра, образуя замкнутые полости.

Пар из всасывающего трубопровода захватывается пластинами, отсекается в верхней части цилиндра вращающимся ротором и сжимается. При дальнейшем вращении по-лость со сжатым паром соединяется с нагнетательным трубопроводом и пар вытал-кивается.

Ротационные компрессоры используют в основном в установках большой холодопро-изводительности в качестве ступеней низкого давления в агрегатах двухступенчатого сжатия. Но выпускают и герметичные компрессоры небольшой холодопроизводитель-ности.

Ротационный герметичный компрессор с катящимся ротором состоит из неподвижного цилиндра и поршня-ротора, вращающегося на эксцентриковой шейке вала. К ротору при помощи пружины прижимается лопасть, разделяющая рабочий объем цилиндра на две части: в одной протекает процесс всасывания, в другой — сжатия и нагнетания.

При работе компрессора пары хладона поступают через всасывающий патрубок в ко-жух, омывают электродвигатель и охлаждают его, затем через всасывающую трубку всасываются компрессором. Сжатые пары холодильного агента через нагнетательный клапан выталкиваются из цилиндра в глушитель, а из него по трубопроводу подводятся

 

к нагнетательному штуцеру. Холодопроизводительность таких компрессоров от 255 до

640 Вт.

 

Винтовые компрессоры

 

Основу винтовых компрессоров составляют два ротора (оба с зубчато-винтовыми лопа-стями): ведущий и ведомый, расположенные в корпусе (рис. 2).

 

Рис. 5.2. Роторы винтового компрессора:

 

1 —ведущий ротор с четырьмя зубьями; 2 —ведомый роторс шестью впадинами; 3 — синхронизирующие шестерни

 

Винтовые впадины роторов, проходя мимо всасывающего окна, заполняются газооб-разным холодильным агентом. При дальнейшем вращении роторов газ сжимается, так как зубья одного ротора входят во впадины другого и при этом уменьшается объем, за-нимаемый газом. К концу сжатия впадины со сжатым газом объединяются с нагнета-тельным окном. Винтовое расположение на роторах нескольких впадин обеспечивает непрерывность подачи газа компрессором.

 

Применяют большей частью маслозаполненные винтовые компрессоры, в рабочее про-странство которых подается масло. Это повышает производительность компрессора вследствие уменьшения внутренних перетечек холодильного агента через зазоры меж-ду корпусом и роторами и между самими роторами, а также снижения температуры на-гнетания холодильного агента.

После прохождения компрессора хладагент направляется в маслоотделитель, в котором отделяется до 95 % масла. Шестеренчатым насосом масло направляется в маслоохлади-тель, через фильтры снова подается в рабочее пространство компрессора и на смазку подшипников.

Винтовые компрессоры надежны в эксплуатации, их холодопроизводительность можно плавно регулировать с помощью золотникового устройства, изменяющего активную длину винтов, у них отсутствует трение в полости сжатия. Они имеют небольшие габа-риты и массу по сравнению с поршневыми и даже ротационными компрессорами.

Винтовые компрессоры характеризуются очень низким пределом давления всасывания (5 — 2 кПа), что позволяет широко использовать их в низкотемпературных установках. Частота вращения ведущего ротора у них составляет 50 с^-1.

 

Целесообразно применение аммиачных винтовых компрессоров холодопроизводитель-но-стью 350—1745 кВт. При более низкой производительности они утрачивают пре-имущества перед поршневыми по массе и габаритным размерам из-за громоздкости маслосистемы.

 

Турбокомпрессоры

 

Турбокомпрессоры редко используют в пищевой промышленности из-за большой хо-лодопроизводительности и широкого применения аммиака в качестве холодильного агента. По сравнению с поршневыми они обладают рядом преимуществ: отсутствие клапанов, динамическая уравновешенность, высокооборотность и малые габариты. Турбокомпрессоры обычно имеют несколько колес, поэтому являются многоступенча-тыми машинами. По принципу работы они подразделяются на осевые и центробежные. Осевые компрессоры применяют для очень большой холодопроизводительности, цен-тробежные — для холодопроизводительности от 500 до нескольких тысяч киловатт. На валу центробежного компрессора вращаются рабочие колеса с лопатками, передающие кинетическую энергию холодильному агенту, который выбрасывается из колеса в диф-фузор, где его кинетическая энергия преобразуется в энергию давления. Диффузор вы-полняется безлопаточным, лопаточным и прямолинейным. Движение пара на рабочем колесе складывается из вращения его вместе с колесом (абсолютное движение) и пере-мещения вдоль лопаток (относительное движение), что в сумме определяет абсолют-ную скорость движения пара, а следовательно, его кинетическую энергию. Работа, за-трачиваемая на сжатие пара, уменьшается по мере приближения процесса сжатия к изотермическому, поэтому после группы колес применяется промежуточное охлажде-ние пара в холодильниках.

 

 

 

 

Вопросы для самоконтроля

 

1 Виды поршневых компрессоров.

 

2 Герметичные компрессоры.

 

3 Бессальниковые компрессоры.

 

4 Картер.

 

5 Блок цилиндров.

 

6 Коленчатые валы.

 

7 Шатуны.

 

8 Поршни.

 

9 Всасывающие и нагнетательные клапаны.

 

10 Предохранительные клапаны.

 

11 Сальники.

 

12 Ротационные компрессоры.

 

13 Винтовые компрессоры.

 

14 Турбокомпрессоры.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

Основная

 

9. Расщепкин А.Н., Ермолаев В.А., Кемеровский Теплообменные аппараты низкотемпературной техники. [Электронный ресурс] 2012 URL: http://www.iprbookshop.ru/14393.html (Дата обращения: 23.09.2013).

 

10. Буянов О.Н.,Воробьёва Н.Н.,Усов А.В. Холодильное технологическое обору-

дование [Электронный ресурс] 2009 URL: http://www.iprbookshop.ru/14401.html

(Дата обращения: 23.09.2013).

 

Дополнительная

 

13. Большаков С.А. Холодильная техника и технология продуктов питания. – М.: Изда-тельский центр «Академия», 2003. – 304 с.

14. Курылев Е.С., Оносовский В.В., Румянцев Ю.Д. Холодильные установки. – СПб.: Политехника, 2002. – 576 с.

15. Куцакова В.Е. и др. Примеры и задачи по холодильной технологии пищевых про-

дуктов. – М.: Колосс, 2003. – 240 с.

 

 

 

Лекция 6