close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

2529.«Теоретические процессы бытовых машин и приборов»

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» (ПГУ)
à. Ä. ëÖêÉÖÖÇÄ
íÖéêÖíàóÖëäàÖ èêéñÖëëõ
ÅõíéÇõï åÄòàç à èêàÅéêéÇ
ì˜Â·ÌÓ ÔÓÒÓ·ËÂ
Пенза
Издательство ПГУ
2012
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 921.3
С32
Р е ц е н з е н т ы:
доктор технических наук, профессор
кафедры «Технология машиностроения»
Пензенского государственного университета
В. А. Скрябин;
кандидат технических наук, доцент,
начальник бюро станков с ЧПУ ОАО «Пензадизельмаш»
А. П. Жук
Сергеева, И. А.
С32
Теоретические процессы бытовых машин и приборов :
учеб. пособие / И. А. Сергеева. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2012. – 156 с.
ISBN 978-5-94170-504-7
Рассмотрены теоретические основы бытовых машин и приборов,
принципы выбора и расчета их элементов, особенности конструкции,
эксплуатации и технического обслуживания.
Учебное пособие подготовлено на кафедре «Металлообрабатывающие станки и комплексы», написано в соответствии с государственными требованиями к обязательному минимуму содержания и уровню
подготовки выпускников высших учебных заведений по программе
дисциплины «Теоретические процессы бытовых машины и приборов»
специальности 150408 «Бытовые машины и приборы» и предназначено
для студентов специальности 150408 при изучении курса «Теоретические процессы бытовых машин и приборов».
УДК 921.3
ISBN 978-5-94170-504-7
© Пензенский государственный
университет, 2011
2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ëéÑÖêÜÄçàÖ
Введение .................................................................................................................... 5
Глава 1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ.
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ МАШИН
И АППАРАТОВ ХОЛОДИЛЬНЫХ УСТАНОВОК .................................. 7
1.1. Физические основы получения низких температур.................................. 8
1.1.1. Параметры состояния тела ................................................................. 13
1.1.2. Охлаждение за счет фазовых превращений веществ ........................ 14
1.1.3. Охлаждение дросселированием (эффект Джоуля–Томсона) ............ 18
1.1.4. Охлаждение расширением газа
с совершением внешней работы ..................................................................... 18
1.1.5. Охлаждение с помощью вихревого эффекта
(эффект Ранка–Хильша).................................................................................. 19
1.1.6. Термоэлектрическое охлаждение (эффект Пельтье)........................ 20
1.1.7. Охлаждение с помощью абсорбционной холодильной машины......... 22
1.1.8. Холодильный цикл работы
компрессионной холодильной машины ............................................................. 23
1.2. Хладагенты ...................................................................................................... 31
1.2.1. Термодинамические диаграммы ............................................................ 31
1.2.2. Хладагенты бытовых холодильников ................................................... 34
1.2.3. Особенности термодинамики смесей хладагентов............................ 43
1.3. Вириальное уравнение Боголюбова–Майера ........................................... 46
1.4. Холодильный цикл работы бытового холодильника ............................. 47
1.4.1. Теоретический и реальный цикл охлаждения ...................................... 50
1.4.2. Оценка эффективности цикла охлаждения ........................................ 55
1.5. Конструкции холодильных машин............................................................. 55
1.5.1. Работа холодильного агрегата ............................................................. 55
1.5.2. Компрессор .............................................................................................. 57
1.5.3. Динамика поршневого компрессора ...................................................... 72
1.5.4. Силы инерции в поршневом компрессоре и их уравновешивание ....... 75
1.5.5. Расчет маховика ..................................................................................... 85
1.5.6. Электродвигатель .................................................................................. 94
1.5.7. Конденсатор ........................................................................................... 95
1.5.8. Испаритель ............................................................................................ 105
1.5.9. Капиллярная трубка ............................................................................. 112
1.5.10. Фильтр ................................................................................................. 113
1.5.11. Адсорбенты ......................................................................................... 114
1.5.12. Осушительный патрон ...................................................................... 115
1.5.13. Индикатор влажности ...................................................................... 117
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глава 2. ПРИБОРЫ ДЛЯ СОЗДАНИЯ
МИКРОКЛИМАТА – КОНДИЦИОНЕРЫ .............................................. 119
2.1. Схема компрессионного цикла охлаждения ........................................... 120
2.2. Виды кондиционеров ................................................................................... 123
2.3. Устройство кондиционера .......................................................................... 124
2.4. Неисправности .............................................................................................. 125
Глава 3. ПРИБОРЫ ЭЛЕКТРОВОДОНАГРЕВА .................................. 127
3.1. Классификация и принципы работы
электроводонагревателей................................................................................... 128
3.2. Проточные электроводонагреватели........................................................ 130
3.3. Приборы для нагрева малого количества воды ..................................... 134
3.4. Емкостные электроводонагреватели ........................................................ 138
3.5. Описание некоторых моделей электроводонагревателей
и их характеристики ........................................................................................... 144
3.6. Основы расчета емкостных теплоаккумуляционных
электроводонагревателей................................................................................... 151
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................... 153
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................................................. 154
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ÇÇÖÑÖçàÖ
Объектами профессиональной деятельности инженера, получившего образование по специальности 150408 «Бытовые машины
и приборы», являются бытовые машины и приборы, способы и методы их проектирования, производство, отладка, сервисное и эксплуатационное обслуживание.
Данное пособие является первой частью объемного материала,
знакомящего студентов с бытовыми приборами, производство которых является массовым. Такие приборы получили повсеместное
распространение, и поэтому весьма актуальными являются вопросы
улучшения их потребительских свойств, повышения экономичности
и надежности работы, решать которые призваны специалисты, работающие в области проектирования, производства и обслуживания
техники бытового назначения.
При изучении соответствующих разделов пособия студенты
знакомятся с основными типами бытовых машин, их классификацией, техническими характеристиками, требованиями эксплуатации,
стандартами. В пособии приведены конструкции различных машин,
их особенности и принципы действия. Обозначены проблемы теории процессов в бытовых машинах, а также проектирования и расчета различных элементов бытовых машин и приборов, устранения
неисправностей, встречающихся при эксплуатации.
Знания, полученные при изучении курса «Теоретические процессы бытовых машин и приборов», будут необходимы для успешного освоения дисциплин, таких как «Бытовые машины и приборы»,
«Проектирование бытовых машин и приборов, «Надежность бытовых машин и приборов», «Ремонт бытовых машин» и др.
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ÉãÄÇÄ 1
íÖïçéãéÉàóÖëäàÖ èêéñÖëëõ.
èêéàáÇéÑàíÖãúçéëíú åÄòàç
à ÄèèÄêÄíéÇ ïéãéÑàãúçõï
ìëíÄçéÇéä
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1.1. îàáàóÖëäàÖ éëçéÇõ èéãìóÖçàü
çàáäàï íÖåèÖêÄíìê
Холодильная техника – высокоразвитая отрасль промышленности, способная удовлетворять самые разнообразные требования,
возникающие в связи с необходимостью отводить теплоту от различных объектов.
Холодильная машина – это замкнутая система, состоящая
из аппаратов и устройств, предназначенных для осуществления холодильного цикла. Используют холодильные машины для охлаждения разнообразной продукции ниже температуры окружающей среды и для непрерывного поддержания заданной температуры в течение необходимого времени.
Холодильная установка включает в себя холодильную машину, приборы автоматики, трубопроводы и сооружения, необходимые для проведения технологических процессов.
В 1834 г. была изобретена компрессионная холодильная машина. Искусственное охлаждение начали применять при заготовке,
обработке и транспортировке скоропортящихся продуктов. Первая
установка для замораживания мяса была построена в Австралии
в 1861 г. Изотермические вагоны с ледяным охлаждением начали
эксплуатировать в США с 1858 г. Первую холодильную машину
в России применили в 1888 г. на рыбных промыслах в Астрахани.
В настоящее время практически нет такой отрасли промышленности, где бы не применялся искусственный холод. Холодильное хозяйство страны носит комплексный характер и представляет собой
единую холодильную цепь, охватывающую все последовательные
звенья производства, хранения, транспортировки и реализации пищевых продуктов.
Пути получения холода
Из физики известно, что понятия «холод» и «теплота» условны, так как их физическая природа одинакова. Теплота – это один
из видов энергии, который может быть преобразован в ее другие
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
виды, и наоборот. Теплота может переходить от одного вещества
(тела1) к другому лишь при наличии разности температур между
ними. Вещества находятся в одном из трех (основных) фазовых (агрегатных) состояний – твердом, жидком или газообразном – в зависимости от окружающих условий (давления и температуры) и могут
переходить из одного состояния в другое при подводе или отводе
теплоты, вызывающей изменение строения вещества. Твердая фаза –
агрегатное состояние вещества, характеризуемое жесткой молекулярной структурой. Твердое тело сохраняет свою форму и размеры,
практически не сжимается. Жидкая фаза – агрегатное состояние
вещества, молекулы которого, обладающие большей энергией, чем
молекулы твердого тела, не так плотно соединены друг с другом.
Это позволяет им более легко преодолевать силы взаимного притяжения. Жидкость практически не сжимается, сохраняет свой объем.
Наиболее характерная особенность жидкости – текучесть, благодаря
которой она принимает форму сосуда, в котором находится. Газовая
или паровая фаза – агрегатное состояние вещества, молекулы которого, обладающие большей энергией, чем молекулы жидкости, не
связаны силами взаимного притяжения и движутся свободно. Газ
легко сжимается и заполняет весь объем сосуда, в котором находится. В холодильной технике обычно имеют дело с веществами в жидком или газообразном состоянии. Пар отличается от газа тем, что
его состояние ближе к жидкому состоянию. Газ – это сильно перегретый пар. В парокомпрессионных холодильных машинах рабочее
вещество обычно находится в жидком и парообразном состоянии, в
отличие от так называемых газовых холодильных машин, в которых
рабочее вещество – газ – не меняет своего агрегатного состояния.
По температурному уровню различают области (рис. 1): умеренного
холода – от температуры окружающей среды (условно 20 °С)
до –120 °С – и глубокого холода – от –120 °С до абсолютного нуля
(–273,15 °С).
Любое физическое тело, имеющее более высокую температуру, чем окружающая среда, охлаждается естественным путем.
В этом случае теплота от тела будет рассеиваться в окружающую
1
В физике под термином «тело» понимают любое вещество независимо
от его агрегатного состояния.
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
среду, а температура тела будет понижаться до тех пор, пока не
наступит тепловое равновесие, т.е. температура тела не сравняется с
температурой окружающей среды. Дальнейшее понижение температуры тела возможно только искусственным путем.
Получение холода, или охлаждение – это процесс отнятия теплоты от физического тела, сопровождающийся обычно понижением
температуры. Различают два способа получения холода – естественное и искусственное.
При естественном охлаждении температура понижается
только до температуры окружающей среды – наружного воздуха,
почвы, речной и морской воды. Естественное охлаждение применяется в ограниченных размерах, поскольку температура окружающей
среды в наземных условиях имеет значительные колебания и не
подвергается регулированию. Охлаждение тела ниже температуры
окружающей среды называется искусственным. Оно применяется с
участием охлаждаемой среды (воздуха камеры с продуктами, воды –
при получении льда. Для непрерывности охлаждения необходимо
поддержание определенной разности температур между охладителем и охлаждаемой средой.
Искусственное охлаждение можно осуществлять двумя способами:
– с помощью другого вещества с более низкой температурой
за счет отвода теплоты, чаще всего при изменении его агрегатного
состояния (безмашинное охлаждение);
– с помощью охлаждающих устройств, холодильных машин и
установок, которые составляют специализированную область техники, называемую холодильной техникой (машинное охлаждение).
Безмашинное охлаждение бывает двух видов.
Ледяное охлаждение – с использованием водного льда. Этот
метод основной, так как лед в процессе плавления способен поглощать довольно большое количество теплоты. Используются смеси
дробленого водного льда и соли. Льдосоляные смеси применяют в
основном для охлаждения вагонов-ледников. Охлаждение сухим
льдом – это диоксид углерода в твердом состоянии. Он превращается при атмосферном давлении в углекислый газ. Сухой лед получают в виде блоков, пачек на заводах. Его применяют для охлаждения
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
мороженого при транспортировке и хранении, продаже в киосках,
палатках, ларьках.
Искусственными источниками холода для поддержания в
охлаждаемом объекте температуры ниже температуры окружающей
среды служат холодильные машины.
Для получения искусственного холода может быть применен
любой физический процесс, связанный с отводом теплоты. С этой
точки зрения одними из наиболее эффективных являются процессы,
сопровождаемые изменением агрегатного состояния вещества, т.е.
переходом вещества из одного состояния в другое.
В основе машинных способов охлаждения лежат процессы фазового перехода, протекающие с поглощением значительного количества тепла от охлаждаемого тела, в частности процессы кипения
или испарения жидкостей, а также плавления и сублимации твердых
тел. Сублимацией называется процесс перехода твердого вещества
непосредственно в газообразное состояние.
В основе принципов действия бытовых холодильных
устройств лежат физические круговые процессы, осуществляемые
над рабочими телами – холодильными агентами или электрическим
током с помощью комплекса технических элементов – холодильной
машины. За счет подведенной электрической энергии в холодильной машине происходит перенос теплоты от источника низкой температуры (холодильной камеры) к источнику высокой температуры
(окружающей среде).
Машинное охлаждение основано на свойстве жидких холодильных агентов кипеть при низкой температуре с поглощением
теплоты из охлаждаемой среды. Температура среды при этом
уменьшается. Для непрерывного охлаждения среды образующиеся в
процессе кипения пары путем их конденсации вновь переводятся в
жидкое состояние. Эти круговые процессы совершаются в холодильной машине. Холодильная машина – это комплекс устройств,
необходимых для осуществления замкнутого кругового процесса
перехода холодильного агента из одного состояния в другое. В результате теплообменов в охлаждаемой среде создается и поддерживается температура ниже температуры окружающей среды. Применение холодильных машин позволяет длительное время без боль-
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ших затрат на техническое обслуживание и эксплуатацию автоматически поддерживать заданную постоянную температуру, создавать необходимые санитарные условия для скоропортящихся продуктов.
Тепловой поток Q – это количество теплоты, отводимое (подводимое) от вещества (к веществу) в 1 с. Следовательно, тепловой поток
выражают в джоулях в секунду (Дж/с) или в килоджоулях в секунду
(кДж/с). Но 1Дж/с = 1Вт, а 1 кДж/с = 1 кВт, т.е. тепловой поток как
один из видов энергии выражают в тех же единицах, что и мощность.
Удельная теплоемкость с – это количество теплоты в Дж
(кДж), которое необходимо отвести (подвести) от вещества (к веществу) массой 1 кг, чтобы понизить (повысить) его температуру на
1 °С (или 1 К – Кельвин). Эта величина зависит от температуры вещества и его агрегатного состояния. Удельная теплоемкость указывает на изменение энтальпии вещества, отнесенной к единице массы, при изменении его температуры на 1 К. Энтальпией называют
полную энергию рабочего тела.
В практических расчетах можно принимать следующие значения удельной теплоемкости:
– для воды – 4,19 кДж/(кг · K);
– глицерина – 2,26;
– водного льда – 2,095;
– стали – 0,425;
– воздуха при давлении 0,1 МПа (760 мм рт. ст.) –
1 кДж/(кг · K).
При отводе (подводе) теплоты переход через определенный
температурный предел вызывает изменение агрегатного состояния.
Так, при дальнейшем отводе теплоты от воды, когда ее температура уже снизилась до 0 °С, она замерзает, а при дальнейшем подводе
теплоты, когда температура поднялась до 100 °С, вода закипает.
Обычно теплоту, вызывающую изменение только температуры
(без изменения агрегатного состояния) называют «сухой». Ее количество, необходимое для понижения (повышения) температуры вещества массой m от начальной температуры t1 до конечной t2, определяют по формуле
Q = mc(t1 – t2).
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1.1.1. è‡ð‡ÏÂÚð˚ ÒÓÒÚÓflÌËfl Ú·
Тепловое состояние тела характеризуется его температурой.
Для измерения температуры применяют различные шкалы: термодинамическую, выраженную в градусах Кельвина (T, К), и международную практическую – в градусах Цельсия (t, °С).
За начало отсчета в термодинамической температурной шкале
принят абсолютный нуль, расположенный на 273,15 К ниже температуры тройной точки воды. Принятие в качестве реперной точки температуры тройной точки воды, характеризующей равновесное состояние кристаллической, жидкой и парообразной фаз, вызвано тем, что
эта точка может быть определена точнее, чем точка таяния льда.
По величине один градус Цельсия равен одному градусу Кельвина.
Соотношение между температурами в градусах Цельсия и
Кельвина следующее:
Т  t  273,15 C  t  273 C .
За рубежом применяют также шкалу Фаренгейта, начало отсчета которой (0 °F) соответствует –18 °С; таяние льда (0 °С) соответствует 32 °F, а кипение воды – 212 °F. Таким образом, 1 °С = 1,8 °F.
Градусы одной шкалы переводят в градусы другой по следующим формулам:
t C  t , K  273,15 
T , K  t C  273,15 
5
 F  32  ,
9
5
F  255,37 .
9
Давление рабочего тела характеризует отношение силы давления, действующей на поверхность, к площади этой поверхности.
В Международной системе единиц (СИ) за единицу давления принят паскаль: 1 Па = 1 Н/м2. Кроме того, используются внесистемные
единицы: техническая атмосфера (1 атм = 1 кгс/см2), физическая атмосфера (1 атм = 1,033 кгс/см2).
Давление рабочего тела, превосходящее давление окружающей среды, называют избыточным, или манометрическим. Давле-
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ние, меньшее атмосферного давления, называют разрежением, или
вакуумом. Для измерения избыточного давления используют манометры, а разрежения – мановакуумметры и вакуумметры.
Абсолютное давление равно сумме манометрического и атмосферного. Соотношение между единицами давления следующее:
1 кгс/см2 = 1 атм = 105 Па = 105 Н/м2 = 1 бар;
1 мм рт. ст. = 133,3 Па; 1 мм вод. ст. = 9,8 Па.
Удельным объемом (v, мЗ/кг) называют отношение объема,
занимаемого веществом, к массе этого вещества; плотностью
(, кг/м3) – отношение массы вещества к его объему.
Для измерения количества теплоты в системе СИ применяют
джоуль (Дж), представляющий собой работу силы в 1 Н на пути
в 1 м. Внесистемная единица измерения теплоты – калория:
1 Дж = 1 Н·м; 1 ккал = 4186 Дж.
Мощностью называют отношение работы к времени:
N = А/T,
где А – работа, Дж; T – время, с.
За единицу мощности принят ватт (Вт): 1 Вт = Дж/с = 1,163 кал/ч.
1.1.2. éı·ʉÂÌË Á‡ Ò˜ÂÚ
Ù‡ÁÓ‚˚ı Ôð‚ð‡˘ÂÌËÈ ‚¢ÂÒÚ‚
Каждое вещество в зависимости от внешних условий – температуры и давления – может находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии. При подводе или отводе теплоты меняется
форма связи между молекулами, вызывая тем самым изменение вещества, т.е. происходит фазовое превращение. Для получения холода используют фазовые превращения, протекающие при низких
температурах с поглощением теплоты из охлаждаемой среды. К ним
относятся плавление, кипение и сублимация.
Плавление. Процесс перехода вещества из кристаллического
состояния в жидкое с поглощением теплоты называют плавлением
(например, при нагревании водного льда его температура повышается до температуры 0 °С, дальнейшее нагревание ведет к его плав-
14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
лению). Температура плавления зависит от вида тела и внешних
условий (давления). Для каждого тела существует своя постоянная
температура плавления, и, как уже отмечалось выше, для водного
льда при атмосферном давлении она составляет 0 °С. Этот способ
искусственного охлаждения широко применяют на практике, в
частности при охлаждении продуктов в бытовых холодильниках, на
хладотранспорте и т.д. При атмосферном давлении (760 мм рт. ст.)
температура плавления водного льда равна 0 °С. Количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг льда в воду (или наоборот),
называется скрытой или удельной теплотой плавления r.
Для водного льда r = 335 кДж/кг.
Количество теплоты, необходимое для превращения льда массой m в воду, определяют по формуле
Q = mr.
Процесс перехода жидкости в твердое состояние при постоянной температуре плавления называют отвердеванием. Данный процесс осуществляется при отводе теплоты от жидкости, когда температура жидкости снижается до температуры начала отвердевания,
равной температуре плавления.
Более низкие температуры плавления получают при охлаждении льда солеными смесями, например смесью хлорида натрия со
льдом. Это позволяет получить температуру плавления льдосолевой
смеси –21,2 °С (при массовой доле соли 23,1 %), а скрытая теплота
плавления составляет 236,1 кДж/кг.
Применяя в смеси хлористый кальций (29,9 %), можно понизить
температуру плавления смеси до –55 °С, в этом случае r = 214 кДж/кг.
Наиболее низкая температура для данных компонентов смеси
(например соль + вода) называется эвтектической или криогидратной. При данной постоянной температуре происходит кристаллизация смеси.
Эвтектические растворы применяют для охлаждения продуктов на автомобильном транспорте и т.д. Емкости с эвтектическими
растворами называют зероторами, или эвтектическими аккумуляторами.
Процесс парообразования, происходящий со свободной поверхности жидкости при различных температурах, называют испа-
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
рением. Его физическая природа объясняется вылетом молекул, обладающих большой скоростью и кинетической энергией теплового
движения, из поверхностного слоя. Жидкость при этом охлаждается.
Данный процесс используют при испарении воды в водоохлаждающих
устройствах (градирни, брызгательные бассейны или испарительные
конденсаторы). При атмосферном давлении и температуре 0 °С скрытая теплота r испарения воды составляет 2509 кДж/кг, при температуре 100 °С r = 2257 кДж/кг.
Кипение. Процесс интенсивного парообразования, происходящий по всему объему жидкости в результате поглощения теплоты
окружающей среды, называют кипением. При постоянном давлении
температура кипения для данного вещества постоянна и зависит от
давления паров над жидкостью. Уменьшение давления приводит к
снижению температуры жидкости вплоть до ее замерзания. Процесс
кипения жидкости при низкой температуре – один из основных в
парокомпрессионных холодильных машинах, где кипит хладагент.
Аппарат, в котором происходит кипение, называют испарителем.
В испарителе осуществляется отвод теплоты от окружающей среды,
а кипящая жидкость переходит в парообразное состояние.
Количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг жидкости, взятой при температуре кипения, в пар, называют скрытой
теплотой парообразования r или удельной теплотой парообразования. С повышением давления кипения жидкости скрытая теплота
парообразования уменьшается. Количество теплоты Q, подводимое
к кипящей жидкости, определяют по формуле
Q = mr,
где m – масса жидкости, превратившейся в пар. Кипение однородного («чистого») вещества происходит при постоянной температуре, зависящей от давления. С изменением давления меняется и температура кипения. Зависимость температуры кипения от давления
кипения (давления фазового равновесия) изображают кривой, называемой кривой упругости насыщенного пара.
Для наиболее распространенного в холодильной технике хладагента – аммиака – такая кривая приведена на рис. 1.1. Атмосферному давлению, равному 0,1 МПа, соответствует температура кипения аммиака –33 °С, давлению 1,2 МПа – температура 30 °С.
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
p, Мпа
1,1
0,9
0,7
0,5
0,3
0,1
–30 –10 0 10 30
t0, °С
Рис. 1.1. Кривая упругости насыщенного пара аммиака
Из табл. 1.1 видно, что у аммиака по сравнению с другими
хладагентами наибольшая скрытая теплота парообразования, дающая ему преимущество при выборе хладагента для той или иной
конкретной холодильной машины.
Таблица 1.1
Значения скрытой (удельной) теплоты парообразования r и давления
кипения pо для некоторых хладагентов при температуре кипения –15 °С
Хладагент
R717 (аммиак)
R12
R502
R13
r, кДж/кг
1313
159
153
106
pо, МПа
0,236
0,183
0,348
1,315
Хладагент R12, имея значительно меньшую скрытую теплоту
парообразования, обеспечивает работу холодильной машины при более низких (по сравнению с работой на аммиаке) давлениях конденсации, что для конкретных условий может иметь решающее значение.
Сублимация. Процесс перехода тела из твердого состояния
в парообразное, минуя промежуточное жидкое состояние, с поглощением теплоты, называют сублимацией. В качестве рабочего тела
для охлаждения объектов наиболее широко применяют твердый
диоксид углерода СO2 (сухой лед). Температура сублимации СО2
при атмосферном давлении равна –78,9 °С, теплота сублимации
r = 574 кДж/кг. Для интенсификации сублимационной сушки в аппаратах (сублиматорах) поддерживают с помощью вакуумных насосов давление ниже атмосферного.
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Конденсация. Процесс превращения насыщенного пара в
жидкость, сопровождающийся отводом выделяемой теплоты, называют конденсацией. Температура конденсации зависит от давления.
Конденсация жидкости из насыщенного пара – один из основных
рабочих процессов в холодильных машинах – осуществляется в аппаратах, называемых конденсаторами.
1.1.3. éı·ʉÂÌË ‰ðÓÒÒÂÎËðÓ‚‡ÌËÂÏ
(˝ÙÙÂÍÚ ÑÊÓÛÎfl–íÓÏÒÓ̇)
Одним из основных процессов, применяемых для получения
умеренно низких (в парокомпрессионных холодильных машинах) и
низких температур, является дросселирование, заключающееся в
снижении давления и температуры газа (жидкости) при его прохождении через суженное отверстие (капиллярную трубку, диафрагму,
дроссель, пористую среду и т.д.). В этом процессе не совершаются
внешняя работа и теплообмен с окружающей средой, т.е. энтальпия
остается постоянной. В суженном сечении скорость потока возрастает, внутренняя энергия расходуется на преодоление внутреннего
трения между молекулами, что приводит к испарению части жидкости и снижению температуры потока. Процесс происходит в регулирующем вентиле или другом дроссельном органе (капиллярной
трубке) холодильной машины.
1.1.4. éı·ʉÂÌË ð‡Ò¯ËðÂÌËÂÏ „‡Á‡
Ò ÒÓ‚Âð¯ÂÌËÂÏ ‚̯ÌÂÈ ð‡·ÓÚ˚
Процесс основан на адиабатном расширении сжатого газа с
одновременным понижением температуры. Процесс используют в
газовых холодильных машинах.
Если на пути потока, движущегося под воздействием разности
давлений, поставить детандер (расширительную машину, в которой
поток вращает колесо или толкает поршень), то энергия потока бу-
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
дет совершать полезную внешнюю работу. При этом после детандера одновременно с понижением давления будет снижаться и температура хладагента.
1.1.5. éı·ʉÂÌËÂ Ò ÔÓÏÓ˘¸˛ ‚ËıðÂ‚Ó„Ó ˝ÙÙÂÍÚ‡
(˝ÙÙÂÍÚ ê‡Ì͇–ïËθ¯‡)
С помощью специального устройства – вихревой трубы (рис. 1.2)
французский инженер Ранк в 1931 г. предложил использовать вихревой эффект, заключающийся в разделении теплого и холодного
воздуха в закрученном потоке внутри трубы.
а)
б)
Рис. 1.2. Вихревая труба: а – конструкции; б – схема протекания воздуха;
1 – сопло; 2 – диафрагма; 3 – дроссельный вентиль; 4 – горячий конец трубы;
5 – холодный конец трубы
Сжатый в компрессоре и затем охлажденный до температуры
окружающей среды to cp воздух поступает к соплу 1, откуда после
расширения выходит с большой скоростью. В результате образуется
свободный вихрь, у которого угловая скорость вращения мала на
периферии и велика вблизи оси трубы. При движении к дроссельному вентилю 3 поток газа вследствие воздействия сил трения между газовыми слоями приобретает почти постоянную скорость вращения. В начальный момент процесса разделения газа угловая скорость вращения частиц на некотором расстоянии от оси трубы
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
больше, чем в последующие моменты. Вследствие этого образуется
избыток кинетической энергии, передаваемый внешним газовым
слоям. Температура внешних слоев повышается, а внутренних понижается. В результате внешние слои газа выходят нагретыми до
температуры tн через дроссельный вентиль 3, а внутренние – через
отверстие в диафрагме 2 охлажденными до tx.
Преимущества данного метода охлаждения: простота конструкции вихревой трубы и надежность ее работы; недостаток: значительный расход электроэнергии.
1.1.6. íÂðÏÓ˝ÎÂÍÚð˘ÂÒÍÓ Óı·ʉÂÌËÂ
(˝ÙÙÂÍÚ èÂθڸÂ)
Термоэлектрические явления обусловлены наличием связи между тепловыми и электрическими процессами. Если к термопаре подвести постоянный ток, один из спаев будет нагреваться, другой охлаждаться. При перемене направления тока изменится и нагрев спаев –
нагретый спай будет охлаждаться, а холодный нагреваться. Эффект
Пельтье обусловлен особенностями прохождения потока электронов
через поверхность спая разнородных металлов. Описанное явление
открыто еще в 1834 г., но практического значения долгое время не
имело.
В последние годы эффект Пельтье применен в домашних электрохолодильниках и комнатных кондиционерах с термопарами из
различных полупроводников.
Эффект Пельтье основан на пропускании постоянного тока
через термоэлемент, состоящий из двух различных проводников.
При этом один из спаев нагревается, а другой охлаждается. Поглощенное или выделенное количество теплоты Q пропорционально
силе тока I и времени T:
Q  ПIТ ,
где П – коэффициент Пельтье, зависящий от физических свойств
применяемых материалов и температуры спаев.
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Эффект термоэлектрического охлаждения долгое время не
находил практического применения из-за отсутствия эффективных
материалов для термоэлементов. Однако благодаря разработкам
российских ученых во главе с А. Ф. Иоффе, когда стали известны
свойства полупроводников, появилась возможность практического
использования термоэлектрического охлаждения.
Q0
tx
1
2
–
+
tн
–
+
2
3
Qr
–
3
tx
1
3
+
tн
а)
б)
Рис. 1.3. Схема термоэлектрического охлаждения:
а – термоэлемент; б – термобатарея; 1, 2 – полупроводники;
3 – спай термоэлементов; Q0 – поглощаемая теплота; Qr – выделяемая теплота;
tx – температура охлаждения, tн – температура нагревания
Термоэлектрический эффект используют в электрической цепи, состоящей из двух полупроводников, обладающих дырочной
(р-типа) и электронной (n-типа) проводимостью. Если к полупроводнику с электронной проводимостью подключить положительный
полюс источника постоянного тока (рис. 1.3), то в месте спая ветвей
температура понижается, а на противоположной стороне термоэлемента возрастает. Понижение температуры вызвано тем, что движущиеся по ветви термоэлемента электроны под воздействием
электрического поля переходят в новое состояние с более высокой
энергией. При этом энергия электронов повышается за счет кинетической энергии, отбираемой от атомов ветвей элемента в местах их
сопряжения. При обратном направлении движения тока электроны
переходят на более низкий энергетический уровень и отдают избыточную энергию атомам кристаллической решетки, нагревая спай
термоэлемента.
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1.1.7. éı·ʉÂÌËÂ Ò ÔÓÏÓ˘¸˛
‡·ÒÓð·ˆËÓÌÌÓÈ ıÓÎÓ‰ËθÌÓÈ Ï‡¯ËÌ˚
В абсорбционных холодильных машинах бытовых холодильников применяют растворы, где функции хладагента, кипящего при
низкой температуре, выполняет аммиак, а абсорбента (поглотителя) –
бидистиллят воды; компонентами раствора являются также ингибитор – двухромовокислый натрий, вводимый в количестве 2 % для
предохранения внутренней поверхности труб холодильного агрегата
от коррозии, и инертный газ – водород для создания противодавления аммиачному пару. Принцип работы абсорбционной холодильной машины изображен на рис. 1.4.
Рис. 1.4. Принцип работы абсорбционной холодильной машины:
1 – генератор; 2 – дефлегматор; 3 – конденсатор; 4 – испаритель;
5 – нагреватель; 6 – абсорбер; 7 – холодильная камера
В генераторе 1, обогреваемом нагревателем 5 (электрическим,
газовым и др.), кипит концентрированный водоаммиачный раствор
и выделяются пары аммиака с незначительным количеством водяных паров. Затем смесь паров поступает в дефлегматор 2, где водяной пар конденсируется, после чего стекает в генератор 1, а концентрированные пары аммиака поступают в конденсатор 3 с воздушным охлаждением. Высококонцентрированный жидкий хладагент
из конденсатора 3 направляется в испаритель 4, где он кипит при
отрицательной температуре (парциальное давление кипения аммиака составляет (2...3) · 105 Па), отбирая теплоту из холодильной камеры 7.
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Оставшийся в генераторе после выкипания аммиака слабый
водоаммиачный раствор возвращается в абсорбер 6 и охлаждается
окружающей средой до температуры начала абсорбции. Выходящие
из испарителя 4 пары хладагента также поступают в абсорбер
навстречу движущемуся охлажденному слабому раствору. В абсорбере пары хладагента поглощаются слабым раствором с выделением
некоторого количества теплоты абсорбции в окружающую среду.
Образовавшийся в абсорбере 6 концентрированный раствор с помощью термосифона уносится в генератор 1, преодолевая сопротивление трубок.
Циркуляция раствора и аммиака осуществляется непрерывно,
пока работают генератор и термосифон, обогреваемые нагревателем. Таким образом, в абсорбционной холодильной машине роль
всасывающей части механического компрессора играет абсорбер, а
поглотительной – термосифон.
Для повышения эффективности холодильного цикла абсорбционной холодильной машины применяют также жидкостные и паровые теплообменники, сокращающие непроизводительные потери
теплоты.
1.1.8. ïÓÎÓ‰ËθÌ˚È ˆËÍÎ ð‡·ÓÚ˚
ÍÓÏÔðÂÒÒËÓÌÌÓÈ ıÓÎÓ‰ËθÌÓÈ Ï‡¯ËÌ˚
Схема устройства и принцип работы
компрессионной холодильной машины
Компрессионная холодильная машина (рис. 1.5) состоит из
компрессора К, испарителя И, конденсатора КД и регулирующего
вентиля РВ. Все указанные узлы соединены между собой трубопроводами и образуют замкнутую систему, в которой находится холодильный агент.
Компрессор обеспечивает циркуляцию хладагента в системе
холодильной машины. Он отсасывает из испарителя пары хладагента в цилиндр, сжимает их и нагнетает в конденсатор. Компрессор
приводится в действие электродвигателем.
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
РВ
КД
И
К
Рис. 1.5. Принципиальная схема компрессионной холодильной машины:
– пар низкого давления;
– пар высокого давления;
– жидкость низкого давления;
– жидкость высокого давления
В конденсаторе обеспечивается охлаждение паров хладагента
до их насыщения и конденсации, т.е. до перехода паров в жидкое
состояние. Конденсатор охлаждается воздухом или водой.
Эффект охлаждения объекта достигается в испарителе. В нем
жидкий хладагент кипит (испаряется), отбирая тепло от окружающей среды, подлежащей охлаждению. Испаритель и конденсатор
являются основными теплообменными аппаратами холодильной
машины.
Регулирующий вентиль пропускает жидкий хладагент из конденсатора в испаритель через проходное отверстие малого диаметра. При прохождении хладагента через такое отверстие происходит
дросселирование жидкости, т.е. жидкий хладагент поступает в испаритель под низким давлением, что необходимо для его кипения
(испарения) при низкой температуре.
В качестве регулирующего устройства используют вентили
или капиллярные трубки. В холодильных агрегатах бытовых холодильников применяют только капиллярные трубки.
Трубопровод, соединяющий компрессор с конденсатором,
называется нагнетательным, а с испарителем – всасывающим.
Принцип работы компрессионной холодильной машины заключается в следующем. При работе компрессора (см. рис. 1.5)
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
в испарителе, находящемся на стороне всасывания, понижается давление имеющегося в нем хладагента. При низком давлении хладагент интенсивно испаряется (кипит), отнимая необходимое для этого тепло из окружающей среды через металлические стенки испарителя. Пары хладагента отсасываются компрессором и, пройдя по
всасывающему трубопроводу, поступают в цилиндр компрессора.
В цилиндре пары хладагента сжимаются и под давлением (примерно от 6 до 15 атмосфер) нагнетаются по нагнетательному трубопроводу в конденсатор. В конденсаторе, охлаждаемом водой или воздухом, хладагент при высоком давлении и температуре, соответствующей температуре конденсации, переходит в жидкое состояние
и через регулирующий вентиль поступает в испаритель. В момент
прохождения хладагента через малое отверстие вентиля давление
его понижается – от давления, сопровождающегося конденсацией
хладагента, до давления, когда происходит его испарение.
Низкое давление в испарителе, создаваемое компрессором,
обеспечивает кипение хладагента при низкой температуре.
Таким образом, при работе холодильной машины в ее системе
циркулирует холодильный агент, который, отнимая тепло от охлаждаемого объекта через испаритель, отдает его в окружающую среду через конденсатор.
Система холодильной машины разделена регулирующим
устройством на две части, отличающиеся разным давлением циркулирующего хладагента. Так, от нагнетательного клапана компрессора до регулирующего устройства холодильный агент находится под
высоким давлением конденсации, а от противоположной стороны регулирующего устройства до всасывающего клапана компрессора –
под низким давлением испарения.
Эффективность работы компрессионной холодильной машины
можно повысить, применив дополнительно теплообменник. Принципиальная схема такой машины приведена на рис. 1.6.
Теплообменник представляет собой две трубки, имеющие
между собой тепловой контакт. По одной трубке проходят холодные пары из испарителя, поступающие в компрессор; по другой –
противотоком жидкий, относительно теплый хладагент из конденсатора поступает через регулирующее устройство в испаритель.
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При прохождении через теплообменник холодные пары хладагента
подогреваются за счет охлаждения жидкого хладагента.
РВ
КД
И
ТО
К
Рис. 1.6. Принципиальная схема компрессионной холодильной машины
с теплообменником: К – компрессор; КД – конденсатор;
РВ – регулирующий вентиль; И – испаритель; ТО – теплообменник
Дополнительное (после конденсатора) охлаждение жидкого
хладагента (переохлаждение жидкости) перед его поступлением в
испаритель увеличивает количество тепла, отнимаемое хладагентом
от окружающей среды. Одновременно подогрев холодных паров
хладагента (перегрев паров), выходящих из испарителя, предотвращает попадание в цилиндр компрессора жидкого хладагента, что
исключает возможность гидравлического удара
Действительный цикл работы холодильной машины
Искусственное охлаждение (согласно второму закону термодинамики) не может происходить без затраты энергии. При этом совокупность процессов, протекающих при искусственном охлаждении, называют обратным термодинамическим циклом. В обратном
цикле (холодильном) с помощью затраченной энергии теплота переносится от холодного тела (Т0) к нагретому (Tk). В условиях постоянных значений Т0 и Tk идеальным циклом для передачи теплоты
является цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат (обратный цикл Карно).
При рассмотрении принципа действия холодильной машины
различают идеальный теоретический и действительный циклы.
В идеальном теоретическом цикле пары хладагента всасываются в
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
компрессор в состоянии насыщения при температуре и давлении кипения, а жидкость из конденсатора поступает в дросселирующий орган в состоянии насыщения при температуре и давлении конденсации. Считается также, что в системе нет потерь давления на трение и
местные сопротивления в трубопроводах и аппаратах. Кроме того,
процесс сжатия в компрессоре – адиабатный (без теплообмена с
окружающей средой), поэтому отсутствуют объемные потери в компрессоре.
Действительный цикл применяют при эксплуатации холодильных машин в реальных условиях. Принципиальная схема и
цикл компрессионной холодильной машины (с регенеративным
теплообменником) представлены на рис. 1.7.
а)
б)
Рис. 1.7. Принципиальная схема (а) и цикл холодильной машины
с теплообменником (б)
Принцип работы холодильной машины следующий. Пар, образующийся в результате кипения хладагента в испарителе, отсасывается компрессором Км (рис. 1.7,а). В компрессоре пар сжимается
(при этом температура и давление его повышаются), а затем пар высокого давления нагнетается через трубопровод в конденсатор Кд.
В конденсаторе пары хладагента охлаждаются воздушной средой и
конденсируются, превращаясь в жидкость. Далее жидкий хладагент
по трубопроводу поступает в дросселирующий орган ДО, где происходят его дросселирование и резкое снижение давления и температуры. Из дросселирующего органа хладагент поступает в испаритель, где и происходит его кипение, в результате чего он превраща-
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ется из жидкости в пар и поглощает определенное количество теплоты от объекта охлаждения (холодильной камеры). Пары хладагента по всасывающему трубопроводу далее направляются в компрессор, но предварительно они подогреваются в регенеративном теплообменнике, образованном капиллярной трубкой и плотно соединенным с ней всасывающим патрубком. Переохлаждение жидкости
способствует увеличению холодопроизводительности, а перегрев
пара во всасывающем трубопроводе уменьшает объемные потери и
также повышает холодопроизводительность компрессора. Кроме
того, при наличии теплообменника допускается некоторое переполнение испарителя хладагентом без опасения гидравлического удара
и появляется возможность лучше организовать возврат масла из испарителя в компрессор.
Цикл фреоновой холодильной машины с теплообменником
приведен на рис. 1.7,б. Для построения рабочего цикла по диаграмме h – lgp выбирают конкретные параметры: температуру кипения t0,
температуру конденсации tк, температуру всасывания tвс. Вначале
определяют р0 и рк по соответствующим температурам и проводят
две горизонтальные прямые – изобары pк и p0. Пересечение изобары
давления кипения p0 с кривой насыщенного пара показывает состояние хладагента на выходе из испарителя (точка 1'' на диаграмме).
Перегрев пара происходит в теплообменнике и во всасывающем
трубопроводе перед компрессором при p0 до температуры tвс. Точка
всасывания 1 лежит на пересечении изобары p0 и изотермы tвс в области перегретого пара. При сжатии пара в компрессоре давление
повышается до рк, а сам процесс сжатия считается адиабатным, точка конца сжатия 2 лежит на пересечении адиабаты, проведенной из
точки 1, и изобары рк. Температуру этой точки называют температурой нагнетания компрессора. Из компрессора перегретый пар поступает в конденсатор, где сначала охлаждается до состояния насыщения (точка 2''), а затем конденсируется при постоянной температуре до состояния насыщенной жидкости (точка 3' ). Процесс переохлаждения (3–3' ) проходит в теплообменнике, и точка 3 определяется из
соотношения h3' – h3 = h1 – h1'', откуда h3 = h3' + h1'' – h1.
Переохлажденная жидкость поступает к дросселирующему
органу ДО и дросселируется до давления кипения p0 при h = const.
Линия изоэнтальпии (энтальпия) проходит вертикально вниз до пе-
28
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ресечения с изобарой p0. В состоянии влажного пара (точка 4) хладагент поступает в испаритель, где кипит при постоянных температуре и давлении кипения до состояния насыщенного пара (точка 4).
Цикл замыкается и затем повторяется вновь.
Таким образом, действительный цикл холодильной машины
состоит из следующих процессов:
1'' – 1 – перегрев пара в период всасывания в компрессор при
p0 = const,
1 – 2 – адиабатное сжатие в компрессоре от p0 до pк при
s = const;
2 – 2'' – сбив перегрева в конденсаторе при pк = const;
2'' – 3' – конденсация пара в конденсаторе при pк = const;
3' – 3 – переохлаждение жидкости при pк = const;
3 – 4 – дросселирование от pк до p0 при h = const;
4 – 1'' – кипение жидкости в испарителе при p0 = const и
t0 = const.
Параметры теоретического цикла работы холодильной машины
Для каждой узловой точки определяют все термодинамические параметры и составляют таблицу их значений. Зная параметры
узловых точек цикла, можно определить параметры теоретического
цикла.
Удельная массовая холодопроизводительность хладагента
(кДж/кг) q0  h1  h4 .
Удельная работа сжатия в компрессоре (кДж/кг) l  h2  h1 .
Удельная тепловая нагрузка на конденсатор (кДж/кг)
qk  h2  h3 .
q
Холодильный коэффициент цикла    .
l
Холодильный коэффициент   характеризует КПД цикла и
используется для сравнения эффективности работы различных компрессионных машин: чем выше   , тем выше эффективность цикла.
При эксплуатации холодильной машины стремятся поддерживать
по возможности более высокую температуру кипения, так как при
понижении p0 на каждый градус затраты механической работы увеличиваются на 2...4 %.
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
По известным параметрам теоретического цикла можно определить основные параметры действительной холодильной машины, имеющей компрессор с теоретической объемной производительностью Vт.
Теоретическую объемную производительность компрессора
3
(м /с) определяют из выражения
D 2
Vт 
Szn ,
4
где D – диаметр цилиндра, м; S – ход поршня, м; z – число цилиндров; n – частота вращения, c–1.
Действительная объемная производительность компрессора
3
(м /с)
VД  Vт ,
где  – коэффициент подачи компрессора, учитывающий суммарные объемные потери,   0,5...0,75.
На основании полученного значения Vт подбирают компрессор
или агрегат по каталогу или таблицам.
Теоретическую объемную производительность компрессора
можно определить по выражению.
Vт 
где M км 
Q
q0
M км  вс
,

– массовый расход хладагента, необходимый для
отбора суммарных теплопритоков
сываемого пара, м3/кг.
Холодопроизводительность
Q ; 
вс
– удельный объем вса-
компрессора
Q0   Q
или
Q0  M км q0 .
Нагрузка на конденсатор Qк  M км qк .
Теоретическая мощность компрессора N т  M км  lт , где lт –
удельная работа сжатия.
N
Действительная потребляемая мощность (от сети) N э  т ,
э
где э – КПД компрессора, учитывающий потери из-за отклонения
30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
действительного цикла от теоретического: потери на трение и потери в электродвигателе.
Q
Действительный холодильный коэффициент  д 
.
Nэ
Значение  д примерно в 2 раза меньше, чем  т .
1.2. ïãÄÑÄÉÖçíõ
1.2.1. íÂðÏÓ‰Ë̇Ï˘ÂÒÍË ‰Ë‡„ð‡ÏÏ˚
При работе холодильной машины, в том числе и компрессионного бытового холодильника, в ней непрерывно происходят процессы, изменяющие агрегатное состояние хладагента и его параметры.
Надежная эксплуатация холодильной машины невозможна без правильного понимания происходящих в ней термодинамических процессов. Для определения параметров хладагента при изучении отдельных процессов, входящих в цикл паровой компрессионной холодильной машины, а также отдельных характеристик холодильной
машины используют термодинамические диаграммы хладагентов.
Умение пользоваться диаграммами позволяет осуществлять контроль и анализ параметров действующих машин, настройку приборов автоматики и расчет циклов холодильных машин.
Для каждого хладагента существуют свои диаграммы, но
принцип их построения и пользования ими одинаков.
В практике наибольшее применение находят диаграммы энтальпия – давление (h – lgp) и энтропия – температура (s – T). Диаграмма h – lgp наиболее удобна, так как теплота и работа для адиабатного процесса изображаются на ней отрезками по оси абсцисс, а не
площадями, как в s – Т-диаграмме. Ниже рассматривается диаграмма
h – lgp.
На рис. 1.8 приведены области фазового перехода хладагента,
отделенные одна от другой кривыми насыщенной жидкости и
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
насыщенного пара. Слева от кривой насыщенной жидкости находится область переохлажденной жидкости. Между кривыми насыщенной жидкости и насыщенного пара расположена область влажного пара. Влажный пар представляет собой смесь насыщенной
жидкости и насыщенного пара, находящуюся либо в состоянии кипения, либо в состоянии конденсации. Фазовый переход от жидкости к пару происходит слева направо (кипение), а из пара в жидкость – справа налево (конденсация). Содержание пара в парожидкостной смеси определяет линия постоянного паросодержания
x = const, показывающая массовую долю пара в парожидкостной
смеси в долях единицы (рис. 1.8,б). На линии насыщенной жидкости
паросодержание х = 0, на линии насыщенного пара х = 1.
а)
б)
Рис. 1.8. Диаграмма h – lgp праметров хладагентов: а – зоны фазового перехода;
б – кривые основных параметров; I – область переохлажденной жидкости;
II – область перегретого пара; III – область влажного насыщенного пара;
1 – кривая насыщенной жидкости; 2 – кривая насыщенного пара;
3 – линия конденсации пара; 4 – линия кипения жидкости
Область перегретого пара отражает состояние пара с температурой выше температуры насыщения при соответствующем давлении р. Показанная на рис. 1.8,б диаграмма h – lgp отражает шесть
параметров хладагента, изображенных в виде линий. Цифровые
значения основных параметров приведены в удельных величинах,
отнесенных к 1 кг хладагента.
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Линии постоянного паросодержания х проходят в области
влажного пара.
Линии постоянного давления р (МПа) – изобары – проходят
горизонтально через все области фазового перехода. Для удобства
пользования диаграммой и вследствие неравномерности шкалы давлений в области вакуума и избыточного давления по оси ординат
применен логарифмический масштаб (lgр).
Линии постоянных температур t (°С) – изотермы – в области
переохлаждения проходят вертикально, в области влажного пара –
горизонтально. В этой области изотермы совпадают с изобарами,
так как фазовое состояние хладагент меняет при постоянных значениях t и р. В области перегретого пара изотермы с наклоном идут
вниз.
Линии постоянных удельных энтальпий h (изоэнтальпы) отложены по оси абсцисс и проходят вертикально. Удельной энтальпией называют полную энергию 1 кг рабочего тела, равную сумме
удельной внутренней энергии u и потенциальной энергии давления
pv, т.е. h = u + pv. Изменение удельной энтальпии (кДж/кг) в термодинамическом процессе при р = const равно удельному количеству
подведенной теплоты.
Линии постоянных удельных объемов v (м3/кг) – изохоры –
обозначены прерывистыми линиями, проходящими в области влажного и перегретого пара. В области жидкости изохоры не показаны
из-за слишком малого объема жидкости по сравнению с объемом
пара, поэтому v по диаграмме не определяется (его можно найти по
таблице насыщенных паров хладагента).
Линии постоянных удельных энтропий s [кДж/(кг·К)] – адиабаты – проходят через поле диаграммы в виде наклонных кривых.
Энтропия – это функция состояния термодинамической системы,
характеризующая направление протекания процесса теплообмена
между системой и внешней средой.
Каждой точке на поле диаграммы соответствует состояние
хладагента с определенными параметрами. Соединение двух точек
линией указывает на характер процесса, протекающего между двумя состояниями.
33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1.2.2. ï·‰‡„ÂÌÚ˚ ·˚ÚÓ‚˚ı ıÓÎÓ‰ËθÌËÍÓ‚
Хладагентом (сокращение от слов «холодильный агент»)
принято называть рабочее вещество с низкой температурой кипения
(испарения), с помощью которого осуществляется охлаждение в абсорбционных и компрессионных холодильных машинах. В абсорбционных бытовых холодильниках в качестве хладагента применяют
водоаммиачный раствор. В компрессионных бытовых холодильных
приборах (БХП) применяют разные марки хладагентов. В термоэлектрических холодильниках хладагента нет, здесь электрическая
энергия преобразуется непосредственно в тепловую, когда электрический ток проходит через полупроводниковые элементы, при этом
внутренние участки элементов охлаждаются, а наружные нагреваются.
На хладагенты, являющиеся охлаждающими низкозамерзающими жидкостями, установлены государственные и международные
стандарты. Хладагенты должны быть нейтральными к металлам,
сплавам и другим материалам, используемым при изготовлении холодильного агрегата. Они не должны: 1) быть взрывоопасными и
воспламеняющимися в смеси с воздухом и маслами; 2) быть ядовитыми; 3) вызывать удушья и раздражения слизистых носа и дыхательных путей человека; 4) отравлять или ухудшать экологическую
среду. Хладагенты современных БХП не должны содержать веществ, разрушающих озон или вызывающих парниковый эффект.
Они должны быть экологически безопасными, не оказывающими
влияния на образование «озоновых дыр» в атмосфере.
Требования к хладагентам. Прежде чем рассматривать свойства хладагентов, остановимся на основных требованиях, предъявляемых к ним. Требования подразделяются на следующие группы:
– экологические – озонобезопасность, низкий потенциал глобального потепления, негорючесть и нетоксичность;
– термодинамические – большая объемная холодопроизводительность; низкая температура кипения при атмосферном давлении;
невысокое давление конденсации; хорошая теплопроводность; малые
плотность и вязкость хладагента, обеспечивающие сокращение гидравлических потерь на трение и местные сопротивления при его
транспортировке; максимальная приближенность к заменяемым хла-
34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
дагентам (для альтернативных озонобезопасных хладагентов) по
давлениям, температурам, удельной объемной холодопроизводительности и холодильному коэффициенту;
– эксплуатационные – термохимическая стабильность, химическая совместимость с материалами и холодильными маслами, достаточная взаимная растворимость с маслом для обеспечения его
циркуляции, технологичность применения; негорючесть и невзрывоопасность; способность растворять воду, незначительная текучесть; наличие запаха, цвет и т.д.;
– экономические – наличие товарного производства, доступные (низкие) цены.
Хладагенты, отвечающие перечисленным требованиям, найти
практически невозможно, поэтому в каждом отдельном случае выбирают хладагент с учетом конкретных условий работы холодильной машины, и предпочтение следует отдавать таким, которые удовлетворяют принципиальным и определяющим требованиям.
При нормальном атмосферном давлении все хладагенты компрессионных БХП имеют газообразное состояние. Под давлением в
герметичных емкостях они сжижаются и сохраняются в жидком состоянии. Фазовое состояние хладагентов в отдельных составных частях герметичных холодильных агрегатов БХП зависит от давления
и температуры. При высоком давлении – это жидкость, а при низком – газ. При сжатии хладагент нагревается, а при расширении
(кипении и испарении) охлаждается.
В компрессор БХП должен поступать обязательно газообразный хладагент, чтобы не происходили гидравлические удары и разрушения деталей компрессора. Под давлением компрессора газообразный хладагент сжимается и при этом выделяет тепло. Поэтому
трубки на выходе из компрессора при его работе всегда горячие.
Из компрессора горячий газ поступает в конденсатор. По мере
охлаждения в конденсаторе сжатый газ постепенно превращается
в жидкость. На входном участке конденсатора – это чистый газ
с температурой на десятки градусов Цельсия выше окружающей
среды, на среднем – газ с конденсировавшимися каплями жидкости
и жидкость с пузырьками газа, а на выходе – однородная жидкость
с температурой, близкой к окружающей среде.
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При работающем компрессоре нагнетательный трубопровод и
входной участок конденсатора должны быть горячими, а участок
конденсатора на выходе хладагента немного теплее окружающего
воздуха.
Под действием разрежения, создаваемого во всасывающем
трубопроводе компрессора, жидкий хладагент из конденсатора поступает в испаритель. При разрежении в испарителе происходит кипение (испарение) жидкого хладагента. При испарении хладагент
отбирает тепло от стенок испарителя и охлаждает камеру БХП.
Первые компрессионные холодильники работали на сернистом ангидриде. Этот газ опасен для здоровья человека и имеет неприятный запах. Практически с 50-х и до конца 80-х гг. прошлого
века во всех компрессионных БХП отечественного и зарубежного
производства в качестве хладагента применяли фреон-12, получивший условное международное обозначение R12 (по первой букве
английского слова Refrigerant). Для смазки деталей компрессора использовали минеральное масло, растворимое во фреоне («фреоновое
масло»). При обычных условиях R12 представляет собой нейтральный газ без цвета и запаха, не представляющий серьезной угрозы
для здоровья человека. В холодильнике средних размеров его менее
100 г. и при аварийном нарушении герметичности системы он быстро улетучивается.
Производство R-12 было организовано впервые в 1931 г. американской фирмой Frigidaire, которая затем продала свои патенты
концерну DU PONT. В начале 1990-х гг. DU PONT выпустил на замену R12 новый альтернативный хладагент R134a, не разрушающий озон. В 1980-е гг. было открыто разрушающее воздействие
атомарного хлора на озон в атмосфере. Озоновый слой в атмосфере
служит защитным щитом от космических излучений для всего живого на Земле. Из открытия ученые сделали вывод о глобальной
угрозе здоровью людей и окружающей природе из-за истощения
озонового слоя в результате промышленной деятельности, в том
числе выброса в атмосферу фреонов. В качестве подтверждения
глобальной угрозы приводили расширение «озоновых дыр» над полюсами Земли. Принятые международные соглашения призывали
все страны к прекращению производства и потребления веществ,
разрушающих озон. Монреальский протокол 1987 г. предусматри-
36
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
вал постепенный перевод производства БХП во всех странах
на озононеразрушающие хладагенты. Поскольку R12 в своем составе содержит хлор, который разрушает озон, он попал в перечень
запрещенных хладагентов.
В последующие годы наблюдалось сужение «озоновых дыр»,
никак не связанное с производством фреонов для холодильников.
Мнение других ученых о циклическом характере изменения размеров «озоновых дыр», как глобальных явлений природы, и невозможном влиянии на них тех объемов фреонов, которые производились
в 1980-е гг., не было принято экологами. R12 был «осужден» окончательно.
Во исполнение Монреальского протокола взамен единого хладагента R12 в разных странах стали разрабатывать озонобезопасные и экологически чистые хладагенты. По энергетическим характеристикам некоторые из них даже превосходят традиционный R12.
В США разработали озонобезопасный хладагент R134а, который
нельзя использовать в холодильных машинах, спроектированных
под R12. Новый хладагент должен работать вместе со специальным
синтетическим маслом, которое разрушает электроизоляционные
материалы электродвигателей компрессоров, спроектированных для
работы на R12 с минеральным маслом. Для перевода производства
БХП с R12 на R134a необходимы существенные конструктивные
изменения компрессоров, электродвигателей и всей системы охлаждения. Большие затраты на переоснащение производства, необходимые для перехода с R12 на R134а, явились главным препятствием
внедрению этого хладагента в производство отечественных БХП.
В 1990-е гг. международные организации по защите климата
Земли пришли к выводу о глобальной опасности потепления. В 1997 г.
был принят Киотский протокол, направленный на ограничение выбросов в атмосферу «парниковых газов». Этот протокол обязывает
страны докладывать в Международный комитет по защите климата
Земли о выбросах в атмосферу парниковых газов.
Вместо R12 и R134a в Германии в 1990-х гг. стали применять
природный газ изобутан, совместимый с минеральными маслами.
Этот хладагент получил условное сокращенное международное обозначение R600a. Он не разрушает озон и не вызывает парникового
эффекта и поэтому получает все большее признание. Около 10 %
37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
БХП в мире и более 35 % в Европе (в том числе холодильники «Атлант») в 2005 г. работают на R600a. По теплофизическим и эксплуатационным характеристикам R600a превосходит R134a. Самые экономичные холодильники с классами энергопотребления А+ и А++
работают на R600a. Природные углеводороды как хладагенты
не находили широкого применения в БХП из-за повышенной пожарной опасности. В современных конструкциях эту проблему решили благодаря уменьшению дозы заправки до таких объемов, которые практически не могут привести к пожару. Доза заправки бытовых холодильников и морозильников столь мала, что даже при
полной утечке хладагента из агрегата его концентрация в кухне
объемом 20 м3 будет ниже порога горючести в десятки раз.
В 130-литровом холодильнике всего 20 г R600a, а в начале
прошлого века в холодильник такого же объема заправляли 250 г
изобутана.
В России взамен R12 используют импортные хладагенты
R134a и начинают применять экологически чистые хладагенты отечественной разработки: диметиловый эфир, пропан, бутан, изобутан
и их смеси. На российских предприятиях освоено производство
R600a. Российские хладагенты на основе смесей газов известны под
марками: С-1, С-2, СМ-1, Экохол-3.
Хладагент марки С-1 представляет собой смесь углеводородов
и фторуглеродов (азеотропная смесь R152/R600a). Хладагент марки
СМ-1 представляет собой смесь R134a/R218/R600 по термодинамическим характеристикам, близкую к R12. Совместимость хладагентов марок С-1 и СМ-1 с минеральным маслом ХФ12–16 и конструкционными материалами отечественных компрессоров позволяет
максимально упростить процесс перехода с R12 на отечественные
хладагенты.
Все хладагенты, применяемые в массовых БХП, обладают
очень высокой текучестью и не имеют ни цвета, ни запаха. Они способны проникать даже через микротрещины и микропоры обыкновенного чугуна (воздух, вода и керосин не проникают через такой
чугун).
Особо высокие требования предъявляют к герметичности холодильных агрегатов, работающих на смесях из низкокипящих газов
с разными температурами кипения. При нарушении герметичности
38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
системы в первую очередь улетучиваются высококипящие фракции.
Самая малая утечка одной из фракций приводит к нарушению соотношения пропорций между ними, к изменению температуры кипения хладагента и нарушению температурного режима работы БХП.
При устранении утечек возникают повышенные трудности, поскольку исключается возможность дополнения хладагента или
только улетучившейся фракции. Из-за разных температур кипения
газов приходится полностью перезаправлять холодильный агрегат.
Марка хладагента для российских покупателей не имеет
большого значения при нормальной работе БХП. О ней можно забыть до момента, когда возникнет необходимость ремонта БХП.
При нарушении герметичности системы охлаждения специалисту
нужно знать, какой хладагент заправлен, оптимальную дозу заправки и марку масла. Эти данные указываются на табличке с характеристикой БХП или холодильного агрегата. Марку хладагента и масла должны указывать и на мотор-компрессоре. Технологические инструкции определяют возможности взаимозаменяемости разных марок хладагентов и масел, с которыми они могут работать.
Фреон – фторсодержащее производное насыщенное углеводородом (главным образом метаном и этаном), используется как хладагент
в холодильных машинах. Кроме атомов фтора, в молекулах фреона содержатся обычно атомы хлора, реже – брома. Известно более 40 различных фреонов, например: R12, R22, R134а, R404а, R600 и т.д.
Рассмотрим некоторые из них.
R12, формула CF2Cl2 – дифтордихлорметан (ГОСТ 19212–87) –
бесцветный газ со слабым запахом четыреххлористого углерода,
сжиженный под давлением. Предназначен для использования в качестве хладагента, пропеллента аэрозолей. Дифтордихлорметан относится к группе ХФУ (хлорфторуглероды) (CFC). Характеризуется
высоким потенциалом разрушения озона (ODP = 1) и большим потенциалом глобального потепления (GWP = 8500). Это – один из
наиболее распространенных и безопасных при эксплуатации хладагентов. Но при объемной доле его в воздухе более 30 % наступает
удушье из-за недостатка кислорода. Предельно допустимая концентрация (ПДК) R12, в частности при длительности воздействия 2 ч,
соответствует объемной доле его 38,5...30,4 %. Невзрывоопасен, но
при t > 330 °С разлагается с образованием хлорида водорода, фтористого водорода и следов отравляющего газа – фосгена. Неограни-
39
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ченно растворяется в масле, не проводит электрический ток и слабо
растворяется в воде. Объемная доля влаги в R12 для бытовых холодильников не должна превышать 0,0004 %. Обезвоженный R12
нейтрален ко всем металлам. Характеризуется повышенной текучестью, что способствует проникновению его через мельчайшие неплотности и даже через поры обычного чугуна. В то же время благодаря повышенной текучести R12 холодильные масла проникают во
все трущиеся детали, снижая их износ. Поскольку R12 хороший растворитель многих органических веществ, при изготовлении прокладок
в производстве бытовых холодильных машин применяют специальную
резину – севанит или паронит. В холодильной технике до 1990-х гг.
R12 широко применяли для получения средних температур.
R22, формула CHClF2 – дифторхлорметан – ГОСТ 8502–93 –
бесцветный газ со слабым запахом хлороформа, сжиженный под
давлением. Предназначен для использования в органическом синтезе и в качестве хладагента. Дифторхлорметан относится к группе
ГХФУ (HCFC). Имеет низкий потенциал разрушения озона
(ODP = 0,05), невысокий потенциал парникового эффекта (GWP = 1700),
т.е. экологические свойства R22 значительно лучше, чем у R12
и R502, но более ядовит, чем R12, невзрывоопасен и негорюч.
По сравнению с R12 хладагент R22 хуже растворяется в масле,
но легко проникает через неплотности и нейтрален к металлам.
Для R22 холодильной промышленностью выпускаются холодильные масла хорошего качества. При температуре выше 330 °С
в присутствии металлов R22 разлагается, образуя те же вещества,
что и R12. Хладагент R22 слабо растворяется в воде, объемная доля
влаги в нем не должна превышать 0,0025 %. Коэффициент теплоотдачи при кипении и конденсации на 25...30 % выше, чем в R12, однако R22 имеет более высокие давление конденсации и температуру
нагнетания (в холодильных машинах). Предельно допустимая концентрация R22 в воздухе 3000 мг/м3 при длительности воздействия
1 ч. Этот хладагент широко применяют для получения низких температур в холодильных компрессионных установках, в системах
кондиционирования и тепловых насосах. В холодильных установках, работающих на R22, необходимо использовать минеральные
или алкилбензольные масла. Нельзя смешивать R22 с R12 – образуется азеотропная смесь.
40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
R134a, формула CF3CFH2 – тетрафторэтан. Молекула R134a
имеет меньшие размеры, чем молекула R12, что делает более значительной опасность утечек. Потенциал разрушения озона ODP = 0,
потенциал глобального потепления GWP = 1300.
Хладагент R134a нетоксичен и не воспламеняется во всем
диапазоне температур эксплуатации. Однако при попадании воздуха
в систему и сжатии могут образовываться горючие смеси. Не следует смешивать R134a с R12, так как образуется азеотропная смесь
высокого давления с массовыми долями компонентов 50 и 50 %.
Давление насыщенного пара этого хладагента несколько выше, чем
у R12 (соответственно 1,16 и 1,08 МПа при 45 °С). Пар R134a разлагается под влиянием пламени с образованием отравляющих и раздражающих соединений, таких как фторводород.
По международной классификации ASHRAE этот продукт относится к классу А1. В среднетемпературном оборудовании (температура кипения –7 °С и выше) R134a имеет эксплуатационные характеристики, близкие к R12. Для R134a характерны небольшая температура нагнетания (она в среднем на 8...10 °С ниже, чем для R12)
и невысокие значения давления насыщенных паров.
В холодильных установках, работающих при температурах
кипения ниже –15 °С, энергетические показатели R134a хуже, чем у
R12 (на 6 % меньше удельная объемная холодопроизводительность
при –18 °С), и холодильный коэффициент соответственно ниже.
В таких установках целесообразно применять хладагенты с более
низкой нормальной температурой кипения либо компрессор с увеличенным часовым объемом, описываемым поршнями.
В среднетемпературных холодильных установках и системах
кондиционирования воздуха холодильный коэффициент R134a равен коэффициенту для R12 или выше. В высокотемпературных холодильных установках удельная объемная холодопроизводительность
при работе на R134a также несколько выше (на 6 % при t0 = 10 °С),
чем у R12.
Из-за значительного потенциала глобального потепления GWP
рекомендуется применять R134a в герметичных холодильных системах. Влияние R134a на парниковый эффект в 1300 раз сильнее, чем у
СО2. Так, выброс в атмосферу одной заправки R134a из бытового хо-
41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
лодильника (около 140 г) соответствует выбросу 170 кг СО2. В Европе
в среднем 448 г СО2 образуется при производстве 1 кВт/ч энергии, т.е.
этот выброс соответствует производству 350 кВт/ч энергии.
Для работы с хладагентом R134a рекомендуются только полиэфирные холодильные масла, которые характеризуются повышенной гигроскопичностью. R134a широко используют во всем мире в
качестве основной замены R12 для холодильного оборудования, работающего в среднетемпературном диапазоне. Его применяют в автомобильных кондиционерах, бытовых холодильниках, торговом
холодильном среднетемпературном оборудовании, промышленных
установках, системах кондиционирования воздуха в зданиях и промышленных помещениях, а также на холодильном транспорте. Хладагент можно использовать и для ретрофита2 оборудования, работающего при более низких температурах. Однако в этом случае, если
не заменить компрессор, то холодильная система будет иметь пониженную холодопроизводительность. R134a совместим с рядом уплотняющих материалов, в частости с прокладками, сделанными из таких
материалов, как «Буна-Н», «Хайпалон 48», «Неопрен», «Нордел», а
также со шлангами, футурованными нейлоном. Вместе с тем в водоохладительных установках с винтовыми и центробежными компрессорами применение R134a имеет определенные перспективы.
R600 – это газ без цвета и запаха, химическая формула
CH(CH3)3. Температура кипения –11,7 °С, не растворяется в воде, не
смешивается с ней и не вступает с ней в химические реакции. Взрывоопасен (содержит изобутан, и при скоплении в больших количествах может взорваться). Предел взрывоопасности: 1,8 ~ 8,4 массовые
доли. Химическая классификация – по HFC; эффективность охлаждения (Дж/г) – 150,7; при объеме насыщенной жидкости 0,844 (л/кг)
и объеме насыщенного газа 27,11 л/кг. В связи с тем, что R-600a взрывоопасен, заправку этим хладагентом могут производить только специалисты сервисных центров, прошедших специальную подготовку
по работе с R600a.
R404a – это близкозеотропная смесь R125/R143a/R134a с соотношением массовых долей компонентов 44/52/4. Температурный
2
Ретрофит – это реконструкция и модернизация действующего оборудования.
42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
глайд3 менее 0,5 К. В зависимости от условий эксплуатации обеспечиваются повышение холодопроизводительности на 4...5 % и снижение температуры нагнетания в компрессоре до 8 % по сравнению
с аналогичными характеристиками R502.
После поступления в продажу с конца 1993 г. R404A первоначально использовали в новом оборудовании, рассчитанном на низкие
и средние температуры кипения. В настоящее время R404A применяют в качестве заменителя R502 при ретрофите систем. При этом необходима замена минерального масла на полиэфирное и соответственно
следует заменить фильтр-осушитель. Изменение состава смеси, циркулирующей в холодильной системе, может привести к ухудшению ее
энергетических характеристик, особенно в схемах с ресивером или
при значительной длине коммуникационных линий.
1.2.3. éÒÓ·ÂÌÌÓÒÚË ÚÂðÏÓ‰Ë̇ÏËÍË ÒÏÂÒÂÈ ı·‰‡„ÂÌÚÓ‚
В молекулярной теории растворов различают зеотропные (неазеотропные) и азеотропные смеси.
Термодинамическое поведение смеси азеотропного состава
подобно поведению чистого вещества, поскольку состав паровой и
жидкой фаз у нее одинаков, а давления в точках росы и кипения
совпадают (рис. 1.9).
t = const
t = const
Рис. 1.9. Термодинамическое поведение смеси азеотропного состава
3
Глайд – от англ. glide – скольжение, изменение.
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Концентрации паровой и жидкой фаз зеотропной смеси в
условиях термодинамического равновесия различаются, а изотерма
под бинодалью в p–h-координатах имеет наклон, т.е. кипение при
постоянном давлении происходит при увеличении температуры
хладагента от t01 до t02, а конденсация – при падении температуры
от tк1 до tк2 (см. рис. 1.9). Это необходимо учитывать при определении степени перегрева пара на входе в компрессор, а также при
оценке энергетических характеристик холодильной установки.
Таким образом, температуру кипения и температуру конденсации следует находить по-другому. Температуру кипения вычисляют как среднюю температуру t0 между температурой точки росы
t02 при постоянном давлении всасывания рвс и температурой, при которой хладагент поступает в испаритель t01.
Температуру конденсации определяют как среднюю температуру tкср между температурой точки росы tк1 (температура начала
процесса конденсации при постоянном давлении нагнетания pн) и
температурой tк2 жидкости на выходе из конденсатора. Разность
температур фазового перехода при постоянном давлении (при кипении или конденсации) получила название ∆tgl, или температурный
глайд. Значение ∆tgl зависит от состава рабочего тела и является
важным технологическим параметром.
Перегрев всасываемого пара вычисляют как разность температуры tвс на входе в компрессор и температуры точки росы t02 хладагента при давлении всасывания рвс. При регулировании холодопроизводительности холодильных установок с помощью регулирующих вентилей все изложенное выше необходимо учитывать.
Переохлаждение жидкости вычисляют как разность между
действительной температурой жидкости и температурой точки
окончания процесса конденсации tк2 при давлении нагнетания рн.
Особенно важно при регулировании давления учитывать температурный глайд смеси хладагентов, например хладагентов 407С,
R410A и др. Кроме того, температурный глайд – решающий фактор
при определении размеров теплообменных аппаратов.
Потери давления в системе существенно увеличивают температурный глайд. Пренебрежение данным явлением при составлении
теплового баланса может привести к занижению размеров теплообменных аппаратов и других элементов холодильной системы. Влия-
44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ние этого фактора особенно существенно, когда холодильная система эксплуатируется на пределе своих возможностей.
Таким образом, зеотропные смеси имеют свои преимущества и
недостатки. С одной стороны, изменение состава рабочего тела при
циркуляции его по контуру холодильной системы может привести к
возрастанию холодопроизводительности и холодильного коэффициента по сравнению с этими характеристиками для чистых хладагентов. С другой стороны, применение зеотропных смесей приводит к
снижению интенсивности теплообмена в испарителе и конденсаторе.
Еще один недостаток зеотропной смеси – потенциальная возможность изменения ее состава при появлении утечек в контуре холодильной системы, что влияет на пожаробезопасность и холодопроизводительность установки. Чтобы снизить вероятность изменения состава в области концентраций, где преобладает пожароопасный компонент, в смесь добавляют негорючий компонент, давление насыщенных паров которого близко к давлению паров пожароопасного компонента или выше него. Если смесь содержит хотя
бы один горючий компонент, то необходимо при заправке избегать
попадания воздуха в систему.
Основные механизмы изменения состава многокомпонентного
хладагента в холодильной установке следующие:
– парожидкостное разделение зеотропных смесей в компрессоре и теплообменных аппаратах;
– различная растворимость компонентов смеси в холодильном масле;
– селективная потеря какого-либо компонента из-за утечки
компонента вследствие негерметичности системы; изменения массы
многокомпонентного рабочего тела в отдельных элементах холодильной системы при различных тепловых нагрузках.
При практическом использовании зеотропных смесей рекомендуется:
– заправлять холодильную систему из баллона, заполненного
жидким хладагентом;
– смеси с отчетливо выраженным температурным глайдом
не следует рекомендовать для применения в холодильных установках с затопленным испарителем;
45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
– учитывать неодинаковую растворимость каждого компонента смесевого хладагента в холодильных маслах;
– при расчете характеристик холодильной машины следует
принимать во внимание изменение состава многокомпонентного
хладагента.
1.3. ÇàêàÄãúçéÖ ìêÄÇçÖçàÖ
ÅéÉéãûÅéÇÄ–åÄâÖêÄ
Тепловой расчет термодинамического цикла холодильной
машины обычно выполняют с помощью диаграмм состояния или
паровых таблиц рабочего тела. Стремление применить для этой цели современные расчетные методы связано с использованием соответствующих уравнений состояния. Пары практически всех хладагентов представляют собой реальные газы; для аналитической связи их параметров – давления – плотности – температуры предложено большое число уравнений состояния. Теоретически хорошо
обосновано и удобно для расчетов с использованием ЭВМ вириальное уравнение Боголюбова–Майера:

b


Р = z  RT = 1     ijj i   RT ,
 i 1  j 1 
 
где Р, , Т – параметры состояния хладагента (давление, плотность,
температура); R – газовая постоянная; z – коэффициент сжимаемости; bij – коэффициенты разложения;  – T/Tкр – приведенная температура, здесь Tкр – критическая температура хладагента.
Значения коэффициентов разложения для хладагентов транспортных холодильных установок представлены в табл. 1.2. Для них
z < 1, т.е. пары этих хладагентов обладают большей сжимаемостью,
чем идеальный газ, у которого z = 1.
46
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 1.2
Коэффициенты разложения для хладагентов холодильных установок
i
j
0
1
2
3
4
5
6
1,356
–25,051
86,844
–107,783
83,232
–33,033
1
2
3
4
5
6
7
3,512
3,658
–8,616
1,966
7,101
–19,332
8,997
1
2
3
4
5
6
7
4,535
43,107
–280,130
1029,089
–2009,954
1785,179
–596,500
1
R12
2,133
50,031
–159,574
155,610
–89,497
36,338
R22
–9,852
–18,473
56,067
–43,810
38,225
0
–5,988
R717
–14,682
–46,042
421,667
–1060,667
1732,929
–979,702
0
2
3
–1,394
–23,437
72,350
–44,569
0
0
0
0
0
0
0
0
7,592
29,593
–89,648
62,858
–50,319
20,003
0
–3,716
–12,683
42,085
–18,976
0
0
0
13,589
46,090
–159,688
35,905
2,251
0
0
–9,913
12,864
10,473
–0,956
0
0
0
1.4. ïéãéÑàãúçõâ ñàäã êÄÅéíõ
ÅõíéÇéÉé ïéãéÑàãúçàäÄ
При работе холодильной машины компрессионного типа поступающий в испаритель под давлением P0 жидкий хладагент кипит
при отрицательной температуре T0, поглощая из холодильной каме-
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ры в единицу времени определенное количество тепла Q0, называемое холодопроизводительностью машины.
Пары хладагента отсасываются компрессором, обеспечивая в
испарителе постоянное давление кипения P0, и нагнетаются под
давлением Р в конденсатор. При Р>Р0 и температуре Т пары хладагента конденсируются, отдавая теплоту конденсации Q окружающей среде.
Жидкий хладагент далее поступает в расширительный цилиндр,
где давление хладагента снижается от давления конденсации Р
до давления кипения в испарителе Р0. При этом совершается некоторое количество полезной работы в виде рабочего движения поршня.
Поступив в испаритель под давлением Р0, жидкий хладагент
вновь закипает, и теплота холодильной камеры Q0 расходуется на
парообразование.
Такой замкнутый цикл движения хладагента в герметичной системе машины происходит непрерывно, пока работает компрессор.
Теоретический цикл работы холодильного агрегата бытового
назначения можно построить в виде диаграммы T(S) – температура
(энтропия), рис. 1.10 (S – энтропия хладагента – математический параметр состояния, зависящий от температуры и удельного объема).
Из точки 1 проводится изобара до температуры tbc. Полученная точка 2 определяет состояние паров хладагента, всасываемых
компрессором. Процесс сжатия паров компрессором отразится
адиабатой 2–3.
При этом точка 3 образуется пересечением изобары конденсации с адиабатой. Процесс охлаждения паров до температуры конденсации отразится изобарой 3–4, а процесс конденсации паров –
изотермой 4–5. На участке 5–6 температура жидкого хладагента,
движущегося по капиллярной трубке, снижается до tп вследствие
теплообмена как с окружающей средой, так и с холодильными парами хладагента, идущими от испарителя.
При этом снижается и давление жидкости за счет потерь напора на участке длины капиллярной трубки от конденсатора до конца
теплообменника. Дальнейшее снижение давления и температуры
жидкого хладагента до значений р0 и t0 приближенно можно считать
проходящим по линии постоянного теплосодержания 6–7, так как
при большой скорости движения жидкости в капиллярной трубке
теплообмен с окружающей средой будет незначительным.
48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
T
P
x=0
5
t
tп
t0
6
x=1
A
8
7
q0
a
3
4
P0
2
1 tbc
b c S
Рис. 1.10. Холодильный цикл работы бытового холодильника:
Т – температура; S – энтропия хладагента; Р – давление
Таким образом, теоретический цикл работы холодильного агрегата бытового холодильника на S-, T-диаграмме отразится контуром 1–2–3–4–5–6–7–1. Из диаграммы видно, что тепло перегрева
пара qп, поглощенное единицей массы хладагента из окружающей
среды в теплообменнике и ресивере, равно площади b–c–2–1–b,
а работа, затраченная на перенос этого тепла в окружающую среду
через конденсатор Ап, равна площади 1–2–3–4–1.
При нагреве пара происходит только перераспределение тепла
qп, улучшающее условие работы холодильного агрегата. Поэтому
величину qп к полезной холодопроизводительности хладагента относить нельзя. Полезная холодопроизводительность хладагента –
тепло q0, поглощенное единицей массы хладагента из холодильной
камеры, в построенной диаграмме определится площадью b–1–7–a–b.
Работа А, затраченная на перенос этого тепла в окружающую среду,
определится площадью 1–4–4–5–8–1.
Холодильный коэффициент теоретического цикла работы холодильного агрегата бытового холодильника определится отношением
  S  b  1  7  a  b  S 1  4  4  5  8  1 .
Холодильный коэффициент реальных холодильных агрегатов
всегда меньше теоретического значения, так как рассмотренный
теоретический цикл не учитывает ряда других факторов, влияющих
в той или иной степени на холодильный процесс. В частности, не
учитывается наличие в конструкциях машин и агрегатов вспомогательных аппаратов. К таковым относятся фильтры, влагопоглотители, ресиверы, маслоотделители и т.д. Теоретический цикл не учиты-
49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
вает наличия разности температур в теплообменных аппаратах холодильной машины. Температура конденсации хладагента всегда
выше температуры окружающей среды, а температура кипения в
испарителе ниже температуры холодильной камеры. Увеличение
этой разницы температур в конденсаторе и испарителе приводит к
увеличению затрачиваемой на охлаждение работы и, следовательно,
к снижению холодильного коэффициента.
1.4.1. íÂÓðÂÚ˘ÂÒÍËÈ Ë ð‡θÌ˚È ˆËÍÎ Óı·ʉÂÌËfl
Цикл охлаждения можно представить графически в виде диаграммы зависимости абсолютного давления и теплосодержания
(энтальпии). На диаграмме (рис. 1.11) представлена характерная
кривая, отображающая процесс насыщения хладагента.
Левая часть кривой соответствует состоянию насыщенной
жидкости, правая часть – состоянию насыщенного пара. Две кривые
соединяются в центре в так называемой «критической точке», где
хладагент может находиться как в жидком, так и в парообразном
состоянии. Зоны слева и справа от кривой соответствуют переохлажденной жидкости и перегретому пару. Внутри кривой линии помещается зона, соответствующая состоянию смеси жидкости и пара.
Риc. 1.11. Диаграмма давления и теплосодержания
50
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Схема теоретического (идеального) цикла охлаждения представлена на рис. 1.12.
A'
E
D
A
C
B
C'
HC' HD
HB
Рис. 1.12. Изображение теоретического цикла сжатия
на диаграмме «Давление и теплосодержание»
Рассмотрим наиболее характерные процессы, происходящие в
компрессионном цикле охлаждения.
Сжатие пара в компрессоре
Холодный парообразный насыщенный хладагент поступает в
компрессор (точка С). В процессе сжатия повышаются его давление
и температура (точка D). Теплосодержание также повышается на
величину, определяемую отрезком НС'–HD, т.е. проекцией линии
C'–D на горизонтальную ось.
Конденсация
В конце цикла сжатия (точка D) горячий пар поступает в конденсатор, где начинается его конденсация и переход из состояния
горячего пара в состояние горячей жидкости. Этот переход в новое
состояние происходит при неизменных давлении и температуре.
Следует отметить, что, хотя температура смеси остается практически неизменной, теплосодержание уменьшается за счет отвода тепла
от конденсатора и превращения пара в жидкость, поэтому он отображается на диаграмме в виде прямой, параллельной горизонтальной оси.
51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Процесс в конденсаторе происходит в три стадии: снятие перегрева (D–E), собственно конденсация (Е–А) и переохлаждение
жидкости (А–А').
Рассмотрим кратко каждый этап.
Снятие перегрева (D–E)
Это первая фаза, происходящая в конденсаторе, и в течение
нее температура охлаждаемого пара снижается до температуры
насыщения или конденсации. На этом этапе происходит лишь отъем
излишнего тепла и не происходит изменения агрегатного состояния
хладагента.
На этом участке происходит примерно 10–20 % общего теплосъема в конденсаторе.
Собственно конденсация (Е–А)
Температура конденсации охлаждаемого пара и образующейся
жидкости сохраняется постоянной на протяжении всей этой фазы.
Происходит изменение агрегатного состояния хладагента с переходом насыщенного пара в состояние насыщенной жидкости. На этом
участке происходит 60–80 % теплосъема.
Переохлаждение жидкости (А–А')
На этой фазе хладагент, находящийся в жидком состоянии,
подвергается дальнейшему охлаждению, в результате чего его температура понижается. Получается переохлажденная жидкость (по
отношению к состоянию насыщенной жидкости) без изменения агрегатного состояния.
Переохлаждение хладагента дает значительные энергетические преимущества: при нормальном функционировании понижение температуры хладагента на один градус соответствует повышению мощности холодильной машины примерно на 1% при том же
уровне энергопотребления.
Количество тепла, выделяемого в конденсаторе, определяем
по участку D–A', который соответствует изменению теплосодержания хладагента в конденсаторе и характеризует количество тепла,
выделяемого в конденсаторе.
52
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Регуляция потока (А'–B)
Переохлажденная жидкость с параметрами в точке А' поступает на регулятор потока (капиллярную трубку или терморегулирующий расширительный клапан), где происходит резкое снижение
давления. Если давление за регулятором потока становится достаточно низким, то кипение хладагента может происходить непосредственно за регулятором, достигая параметров точки В.
Испарение жидкости в испарителе (В–C)
Смесь жидкости и пара (точка В) поступает в испаритель, где
она поглощает тепло от окружающей среды (потока воздуха) и переходит полностью в парообразное состояние (точка С). Процесс
идет при постоянной температуре, но с увеличением теплосодержания.
Как уже отмечалось выше, парообразный хладагент несколько
перегревается на выходе испарителя. Главная задача фазы перегрева
(С–С') – обеспечение полного испарения остающихся капель жидкости, чтобы в компрессор поступал только парообразный хладагент. Для этого требуется повышение площади теплообменной поверхности испарителя на 23 % на каждые 0,5 ºС перегрева. Поскольку обычно перегрев соответствуют 5–8 ºС, то увеличение
площади поверхности испарителя может составлять около 20 %,
что, безусловно, оправдано, так как увеличивает эффективность
охлаждения.
Количество тепла, поглощаемого испарителем, определяется
по участку HB–НС', который соответствует изменению теплосодержания хладагента в испарителе и характеризует количество тепла,
поглощаемого испарителем.
Реальный цикл охлаждения
В действительности в результате потерь давления, возникающих на линии всасывания и нагнетания, а также в клапанах компрессора, цикл охлаждения отображается на диаграмме несколько
иным образом (рис. 1.13).
53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
A'
M
D D'
A
C C'
B
L
HB
HC' HD HD'
Тепло
от сжатия
Рис. 1.13. Изображение цикла реального сжатия на диаграмме
«Давление–теплосодержание»: C'–L – потеря давления при всасывании;
MD' – потеря давления при выходе; HD–HC' – теоретический термический
эквивалент сжатия; HD'–HC' – реальный термический эквивалент сжатия;
C'–D – теоретическое сжатие; L–M – реальное сжатие
Из-за потерь давления на входе (участок C'–L) компрессор должен производить всасывание при давлении ниже давления испарения.
С другой стороны, из-за потерь давления на выходе (участок
М–D') компрессор должен сжимать парообразный хладагент до давлений выше давления конденсации.
Необходимость компенсации потерь увеличивает работу сжатия и снижает эффективность цикла.
Помимо потерь давления в трубопроводах и клапанах, на отклонение реального цикла от теоретического влияют также потери в
процессе сжатия.
Во-первых, процесс сжатия в компрессоре отличается от адиабатического, поэтому реальная работа сжатия оказывается выше
теоретической, что также ведет к энергетическим потерям.
Во-вторых, в компрессоре имеются чисто механические потери, приводящие к увеличению потребной мощности электродвигателя компрессора и увеличению работы сжатия.
54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В третьих, из-за того, что давление в цилиндре компрессора в
конце цикла всасывания всегда ниже давления пара перед компрессором (давления испарения), также уменьшается производительность компрессора. Кроме того, в компрессоре всегда имеется объем, не участвующий в процессе сжатия, например, объем под головкой цилиндра.
1.4.2. éˆÂÌ͇ ˝ÙÙÂÍÚË‚ÌÓÒÚË ˆËÍ· Óı·ʉÂÌËfl
Эффективность цикла охлаждения обычно оценивается коэффициентом полезного действия или коэффициентом термической
(термодинамической) эффективности.
Коэффициент эффективности может быть вычислен как соотношение изменения теплосодержания хладагента в испарителе (НС–НВ)
к изменению теплосодержания хладагента в процессе сжатия (НD–НС).
Фактически он представляет собой соотношение холодильной
мощности и электрической мощности, потребляемой компрессором.
Причем он не является показателем производительности холодильной машины, а представляет собой сравнительный параметр
при оценке эффективности процесса передачи энергии. Так, например, если холодильная машина имеет коэффициент термической
эффективности, равный 2,5, то это означает, что на каждую единицу
электроэнергии, потребляемую холодильной машиной, производится 2,5 единицы холода.
1.5. äéçëíêìäñàà
ïéãéÑàãúçõï åÄòàç
1.5.1. ꇷÓÚ‡ ıÓÎÓ‰ËθÌÓ„Ó ‡„ð„‡Ú‡
Холодильная камера бытового холодильника охлаждается
вследствие изменения агрегатного состояния хладагента в системе
герметичного холодильного агрегата, принцип действия которого за-
55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ключается в следующем (рис. 1.14). Пары хладона-12 отсасываются из
испарителя 5 компрессором 1 и проходят внутри кожуха, охлаждая
обмотку электродвигателя. Сжатые в компрессоре пары хладагента по
нагнетательной трубке 2 поступают в охлаждаемый окружающим
воздухом конденсатор 4. Давление паров хладона в конденсаторе равно 600...1050 кПа. В конденсаторе пары хладона переходят в жидкое
состояние, отдавая тепло окружающей среде. Жидкий хладон из конденсатора поступает через фильтр 3 в капиллярную трубку (где происходит его дросселирование) и затем в испаритель. Капиллярная
трубка 7 создает необходимый для работы перепад давления между
конденсатором и испарителем. Давление хладагента в испарителе понижается до 98 кПа. Жидкий хладон при низком давлении кипит, отнимая тепло от стенок испарителя и воздуха холодильной камеры.
Из испарителя 5 пары хладагента по всасывающей трубке 8
поступают в кожух компрессора 1 и цикл повторяется. Холодные
пары хладагента, проходя из испарителя в компрессор по всасывающей трубке, охлаждают жидкий хладон, который поступает по капиллярной трубке из конденсатора 4 в испаритель.
5
6
4
3
2
1
7
8
Рис. 1.14. Схема компрессионного холодильного агрегата
Теплообменником 6 служит участок всасывающей 8 и капиллярных трубок 7, спаянных между собой. В ряде холодильников капиллярная трубка пропущена внутри всасывающей.
Компрессор приводится в движение встроенным однофазным
электродвигателем переменного тока, имеющим рабочую и пусковую обмотки.
56
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для запуска электродвигателя и защиты его от токовых перегрузок применяется пускозащитное реле. Заданная температура в
холодильной камере поддерживается автоматически датчиком-реле
температуры. Электрическая лампа накаливания для освещения камеры шкафа включена в сеть параллельно цепи двигателя и последовательно с дверным выключателем. При открывании двери холодильника контакты выключателя замыкаются, включая лампу независимо от электродвигателя.
1.5.2. äÓÏÔðÂÒÒÓð
Компрессор – устройство для сжатия и подачи воздуха или
другого газа под давлением. Степень повышения давления в компрессоре более 3. Для подачи воздуха с повышением его давления
менее чем в 2–3 раза применяют воздуходувки, а при напорах до
10 кН/м2 (1000 мм вод. ст.) – вентиляторы. Компрессоры впервые
стали применяться в середине XIX в., в России – с начала XX в.
Основы теории центробежных машин были заложены
Л. Эйлером, теория осевых компрессоров и вентиляторов создавалась
благодаря трудам Н. Е. Жуковского, С. А. Чаплыгина и других ученых.
По принципу действия и основным конструктивным особенностям различают компрессоры поршневые, ротационные, центробежные, осевые и струйные. Компрессоры также подразделяют
по роду сжимаемого газа (воздушные, кислородные и др.), по создаваемому давлению рн (низкого давления – от 0,3 до 1 МН/м2, среднего – до 10 МН/м2 и высокого – выше 10 МН/м2), по производительности, т.е. объему всасываемого Vвс (или сжатого) газа в единицу
времени (обычно в м3/мин) и другим признакам, также характеризуются частотой оборотов n и потребляемой мощностью N.
Поршневой компрессор в основном состоит из рабочего цилиндра и поршня; имеет всасывающий и нагнетательный клапаны,
расположенные обычно в крышке цилиндра. Для сообщения поршню возвратно-поступательного движения в большинстве поршневых
компрессоров имеется кривошипно-шатунный механизм с коленчатым валом. Поршневые компрессоры бывают одно- и многоцилиндровые, с вертикальным, горизонтальным, V- или W-oбразным
и другим расположением цилиндров, одинарного и двойного дей-
57
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ствия (когда поршень работает обеими сторонами), а также одноступенчатого или многоступенчатого сжатия. Действие одноступенчатого воздушного поршневого компрессора заключается в следующем (рис. 1.15). При вращении коленчатого вала 1 соединенный с
ним шатун 2 сообщает поршню 3 возвратные движения. При этом в
рабочем цилиндре 4 из-за увеличения объема, заключенного между
днищем поршня и крышкой 5 цилиндра, возникает разрежение и
атмосферный воздух, преодолев своим давлением сопротивление
пружины, удерживающей всасывающий клапан 9, открывает его и
через воздухозаборник (с фильтром) 8 поступает в рабочий цилиндр. При обратном ходе поршня воздух будет сжиматься, а затем,
когда его давление станет больше давления в нагнетательном патрубке на величину, способную преодолеть сопротивление пружины, прижимающей к седлу нагнетательный клапан 7, воздух открывает последний и поступает в трубопровод 6. При сжатии газа в
компрессорах его температура значительно повышается. Для
предотвращения самовозгорания смазки компрессоры оборудуются
водяным (труба 10 для подвода воды) или воздушным охлаждением.
Рис. 1.15. Одноступенчатый воздушно-поршневой компрессор
58
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При этом процесс сжатия воздуха будет приближаться к изотермическому (с постоянной температурой), который является теоретически наивыгоднейшим. Одноступенчатый компрессор исходя
из условий безопасности и экономичности его работы целесообразно применять со степенью повышения давления при сжатии до
b = 7 – 8. При больших сжатиях применяются многоступенчатые компрессоры, в которых, чередуя сжатие с промежуточным охлаждением,
можно получать газ очень высоких давлений – выше 10 МН/м2.
В поршневых компессорах обычно предусматривается автоматическое регулирование производительности в зависимости от расхода
сжатого газа для обеспечения постоянного давления в нагнетательном
трубопроводе. Существует несколько способов регулирования. Простейший из них – регулирование изменением частоты вращения вала.
Ротационные компрессоры имеют один или несколько роторов, которые бывают различных конструкций (рис. 1.16). Значительное распространение получили ротационные пластинчатые
компрессоры, имеющие ротор 2 с пазами, в которые свободно входят пластины 3. Ротор расположен в цилиндре корпуса 4 эксцентрично. При его вращении по часовой стрелке пространства, ограниченные пластинами, а также поверхностями ротора и цилиндра
корпуса, в левой части компрессора будут возрастать, что обеспечит
всасывание газа через отверстие 1. В правой части компрессора
объемы этих пространств уменьшаются, находящийся в них газ сжимается и затем подается из компрессора в холодильник 5 или непосредственно в нагнетательный трубопровод. Корпус ротационного
компрессора охлаждается водой, для подвода и отвода которой предусмотрены трубы 6 и 7. Степень повышения давления в одной ступени
пластинчатого ротационного компрессора обычно бывает от 3 до 6.
Двухступенчатые пластинчатые ротационные компрессоры с промежуточным охлаждением газа обеспечивают давление до 1,5 МН/м2.
Принципы действия ротационного и поршневого компрессоров
в основном аналогичны и отличаются лишь тем, что в поршневом все
процессы происходят в одном и том же месте (рабочем цилиндре), но
в разное время (из-за чего и потребовалось предусмотреть клапаны),
а в ротационном компрессоре всасывание и нагнетание осуществляются одновременно, но в различных местах, разделенных пластинами ротора. Известны другие конструкции ротационного компрессо-
59
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ра, в том числе винтовые, с двумя роторами в виде винтов. Для удаления воздуха с целью создания разрежения в каком-либо пространстве применяют роторные водокольцевые вакуум-насосы. Регулирование производительности ротационного компрессора осуществляется обычно изменением частоты вращения их ротора.
Рис. 1.16. Ротационный пластинчатый компрессор
Основные типы компрессоров, их параметры и области применения показаны в табл. 1.3.
Таблица 1.3
Типы компрессоров и их характеристика
Тип компрессора Предельные параметры
1
2
3
Поршневой
Vвс = 2...5 м /мин
Рн = 0,3...200 МН/м2
(лабораторно до 7000 МН/м2)
n = 60...1000 об/мин
N до 5500 кВт
60
Область применения
3
Химическая
промышленность,
холодильные установки,
питание пневматических
систем, гаражное
хозяйство
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Окончание табл. 1.3
1
Ротационный
Центробежный
Осевой
2
Vвс = 0,5...300 м3/мин
Рн = 0,3...1,5 МН/м2
n = 300...3000 об/мин
N до 1100 кВт
Vвс = 10...2000 м3/мин
Рн = 0,2...1,2 МН/м2
n = 1500...10000
(до 30 000) об/мин
N до 4400 кВт
(для авиационных –
до десятков тысяч кВт)
Vвс = 100...20 000 м3/мин
Рн = 0,2...0,6 Мн/м2
n = 2500...20 000 об/мин
N до 4400 кВт
(для авиационных –
до 70 000 кВт)
3
Химическая
промышленность, дутье
в некоторых
металлургических печах и др.
Центральные компрессорные
станции в металлургической,
машиностроительной,
горнорудной,
нефтеперерабатывающей
промышленности
Доменные и сталелитейные
заводы, наддув поршневых
двигателей, газотурбинных
установок, авиационных
реактивных двигателей и др.
Конструкция поршневого компрессора показана на рис. 1.17.
Хладагент из воздухоохладителя всасывается компрессором, проходит через автоматический запорный вентиль во всасывающую полость картера, далее через всасывающие клапаны поступает в три
цилиндра низкого давления, где сжимается и затем поступает в четвертый цилиндр высокого давления. После сжатия в цилиндре высокого давления горячий хладагент нагнетается из компрессора через автоматический запорный вентиль в конденсатор. Картер компрессора, корпус электродвигателя 7 и крышка 3 корпуса для снижения массы отлиты из газонепроницаемого алюминиевого сплава,
который подвергнут диффузионному отжигу и искусственному старению. Картер отлит за одно целое с блоками цилиндров.
В каждом блоке цилиндров имеются два цилиндра, в которые
запрессованы гильзы 6. С одного торца картера крепится крышка 3,
через которую обеспечивается доступ к кривошипно-шатунному
механизму и маслонасосу 1, с фильтром 11, а с другого торца – корпус электродвигателя 7.
61
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 1.17. Конструкция поршневого компрессора
На картере имеется смотровое стекло для контроля уровня
масла, угловой вентиль для заправки маслом и две маслоспускные
пробки 10. Внутри картера предусмотрены ребра жесткости.
Под картером расположены электронагревательные элементы
12 масляной ванны. В корпусе 7 размещен трехфазный асинхронный электродвигатель 8. Статор запрессован в корпус электродвигателя 7, а ротор крепится на консольной части коленчатого вала 4.
Кривошипно-шатунный механизм (см. рис. 1.17) состоит из
коленчатого вала, шатунно-поршневой группы 5, коренного 9 и
опорного 2 подшипников с упорными шайбами. Коленчатый вал –
штампованный, двухколенный, стальной. На переднем конце он
имеет шейку для переднего опорного 2 втулочного подшипника и
напрессованную стальную шестерню привода масляного насоса, а
на заднем – две шейки под опорные втулки заднего коренного подшипника 9. На консольной части насажен на шпонке короткозамкнутый ротор электродвигателя 8. В средней части коленчатого вала
имеются две шатунные шейки. Для подвода смазки к шатунным
подшипникам в коленчатом валу просверлен канал. Передний опорный втулочный подшипник 2 установлен в приливе со стороны пе-
62
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
редней крышки 3 картера. Задний коренной 9 подшипник коленчатого вала состоит из корпуса, отлитого из серого чугуна, в котором
установлены две втулки комбинированных опорных подшипников.
Корпус фланцев прикреплен к перегородке картера. Для восприятия
осевых нагрузок служат два стальных закаленных упорных кольца,
расположенных по торцам корпуса коренного подшипника. Втулки
коренных подшипников – комбинированные стальные, залитые
свинцово-оловянистой бронзой.
Шатунно-поршневая группа показана на рис. 1.18. Шатун 7 –
стальной, штампованный, состоит из верхней головки, в которой
размещен игольчатый подшипник 6; стержня двутаврового сечения
и нижней разъемной головки с парой стальных вкладышей 8, залитых свинцово-оловянистой бронзой. От проворачивания и смещения
вкладыши удерживаются штифтом. Нижняя крышка шатуна 9 прикреплена двумя шатунными болтами 11 с предохранительными пластинами 10. Момент затяжки шатунного болта 4,5 Н·м (кгс·м).
Игольчатый подшипник 6 установлен в верхнюю головку шатуна
без сепаратора. Два установочных торцевых кольца предохраняют
игольчатый подшипник от осевого смещения. В верхней головке
шатуна имеются два отверстия для смазки игольчатого подшипника.
Поршень 3 отлит из алюминиевого сплава, непроходной, имеет два компрессионных кольца 1 прямоугольного сечения и одно
маслосъемное кольцо 2 с браслетной пружиной. В бобышках поршня установлен полый стальной палец 5, который фиксируется стопорными кольцами 4 от осевых перемещений.
Рис. 1.18. Шатунно-поршневая группа
63
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Кривошипно-шатунный механизм подвергается динамической
балансировке, а шатуны – уравновешиванию.
Система смазки компрессора (рис. 1.19) – комбинированная:
часть трущихся деталей смазывается под давлением от смазочного
насоса, а другая – разбрызгиванием. Насос 10 для смазывания расположен ниже уровня масла. Привод насоса осуществляется от шестерни коленчатого вала. Конструктивно шариковые клапаны обеспечивают неизменное направление подачи масла при различных
направлениях вращения вала компрессора.
Из ванны масло всасывается насосом 10 через колонки магнитного фильтра 7 и сетчатые шайбы всасывающего фильтра 6.
Вихревое колесо 9, приводимое во вращение насосом и расположенное в масляной ванне, обеспечивает хорошее отделение хладагента от масла и позволяет в более короткое время создать в системе необходимое давление. Поступая от насоса 10, масло подается к
коренным подшипникам 4 и 11 по двум каналам. По одному каналу
через трубопровод 5 масло подается к заднему коренному подшипнику 4 коленчатого вала для смазки втулок и упорных колец.
По другому каналу смазка подводится к переднему опорному подшипнику 11 коленчатого вала со стороны насоса 10 и к шатунным
подшипникам 3 через отверстия в коленчатом валу. Через этот же
канал подается смазка к измерительному трубопроводу давления
смазки для управления автоматическим запорным вентилем и оттуда к манометру 12 давления масла.
Рис. 1.19. Смазочная система компрессора
64
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Гильзы цилиндров 1, поршневые пальцы 2 и шестерня привода
насоса 10 смазываются разбрызгиванием. Необходимая разность
давления масла в смазочной системе по отношению к давлению в
картере компрессора должна составлять 0,25...0,45 МПа. При превышении этого давления редукционный клапан 8, установленный на
насосе 10, перепускает лишнее масло в картер.
Компрессор с кривошипно-шатунным механизмом
Компрессор с кривошипно-шатунным механизмом имеет чугунный корпус. В верхней части корпуса находится цилиндр, по обе
стороны которого внизу расположены подшипники коленчатого вала. Внутри цилиндра расположен стальной поршень, который с помощью чугунного шатуна соединен с шейкой коленчатого вала.
Крышка нижней головки шатуна съемная, без вкладышей. В шатуне
закреплен поршневой палец. Фиксатор поршневого пальца обеспечивает надежное соединение пальца с верхней головкой шатуна
и бесшумность в работе.
В верхней части поршня имеются две канавки, заполняющиеся
при работе маслом и обеспечивающие компрессию в цилиндре.
К верхнему торцу цилиндра четырьмя винтами привернута головка,
собранная с клапанным устройством и глушителями. Головка цилиндра в сборе с глушителями состоит из нагнетательного клапана,
седла клапана и глушителя нагнетания и всасывания. Корпус головки стальной, он состоит из двух камер.
Верхняя камера всасывания с двумя всасывающими трубками
и глушителем может соединяться с цилиндром через отверстия,
расположенные по окружности в дне камеры, закрытые снизу всасывающим клапаном. Нижняя камера нагнетания с нагнетательной
трубкой и глушителем может соединяться с цилиндром через отверстия, расположенные по окружности в седле и закрытые нагнетательным клапаном. Седло запрессовано в корпус головки и вместе с
нагнетательным клапаном склепано в центре с корпусом. Оба клапана пластинчатые, стальные.
Клапаны компрессора работают следующим образом. При
движении поршня вниз всасывающий клапан, прижатый по окруж-
65
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ности к кромке седла, отходит от нее вследствие образующегося в
цилиндре разрежения. Пары хладона из кожуха компрессора через
всасывающие трубки и глушитель попадают в камеру всасывания,
откуда через отверстия в корпусе головки поступают в цилиндр.
При обратном движении поршня всасывающий клапан препятствует
выходу хладона в камеру нагнетания. Сжатые пары хладона через
отверстия в седле, приподняв по всей окружности нагнетательный
клапан, поступают в камеру нагнетания, а оттуда через нагнетательный патрубок и глушитель в нагнетательную трубку. Смазка трущихся деталей компрессора осуществляется рефрижераторным маслом, залитым в кожух компрессора с помощью ротационного насоса, расположенного в корпусе компрессора. Кожух представляет собой цилиндр, закрытый с обеих сторон наглухо приваренными
крышками. Внутри кожуха имеется кольцевой выступ, по одну сторону которого запрессован компрессор, по другую – статор электродвигателя.
Корпус компрессора и статор электродвигателя скреплены
между собой четырьмя стяжными болтами. В одну из крышек
(со стороны статора) впаяны проходные контакты, через которые
подается напряжение на электродвигатель, а также штуцер (или
трубка) для заполнения агрегата маслом и хладоном. Для уменьшения шума во время работы холодильника кожух мотор-компрессора
подвешен на пружинах к раме холодильного агрегата.
Кривошипно-шатунный компрессор морально устарел и заменяется высокооборотным (частота вращения 3000 об/мин) компрессором кривошипно-кулисного типа с внутренней подвеской. К достоинствам этих компрессоров следует отнести меньшую массу
и габариты, лучшие показатели по теплоэнергетическим характеристикам, низкий уровень звука и вибраций.
Кривошипно-кулисный мотор-компрессор
Кривошипно-кулисный мотор-компрессор с вертикальным
расположением вала подвешен на пружинах 23 (рис. 1.20) внутри
герметичного кожуха 1. В зависимости от конструкции подвески
пружины работают на сжатие или растяжение и служат для гашения
66
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
колебаний, возникающих при работе компрессора. Пружины крепятся на кронштейнах, находящихся в верхней части кожуха,
и ввинчиваются в отверстия специальных приливов на корпусе 6.
9 10 11, 121314, 1516, 17 18
19 20
21
22
8
7
6
23
5
4
3
24
2
1
Рис. 1.20. Кулисный мотор-компрессор
Корпус компрессора, в свою очередь, приливами опирается
на пружины.
Электродвигатель однофазный, асинхронный, с пусковой обмоткой. Для пуска двигателя и защиты от перегрузок применяют
пускозащитное реле, соединенное с двигателем с помощью колодки
зажимов, закрепленной на проходных контактах пластинчатой скобой. Реле установлено на раме.
Ротор 2 электродвигателя помещен непосредственно на валу 21
компрессора. Статор 3 прикреплен к корпусу 6 компрессора четырьмя винтами 4.
Статор набран из штампованных листов электротехнической
стали. Обмотка статора – двухполюсная, четырехкатушечная. Корпус компрессора чугунный, одновременно служащий опорой вала.
Цилиндр 16 отлит вместе с глушителями. Он устанавливается на
67
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
корпусе мотор-компрессора по четырем штифтам 8 и крепится двумя винтами. Противовес отлит вместе с кривошипным валом. Для
уменьшения инерционных масс поршень 18 изготовлен полым из
листовой стали. Обойма 19 свернута из листовой стали. Поршень
соединен с ней пайкой медистыми припоями. Ползун 20 кулисы –
чугунный. На торце цилиндра установлена прокладка 15 всасывающего клапана и сам клапан 14 по двум установочным цилиндрическим штифтам 8. Нагнетательный клапан 12 вместе с ограничителем
крепится к седлу заклепками. Клапаны – пружинные пластинки из
стальной высокоуглеродистой, термически обработанной ленты –
установлены на штифты 8. На тех же штифтах установлены скобы,
которые ограничивают подъем клапана. Высота подъема всасывающего клапана 0,5±0,08 мм, нагнетательного – 1,18 мм. Диаметр
всасывающего отверстия 5 мм, нагнетательного – 3,4 мм.
Седло 13 клапанов и головка 10 цилиндра отлиты из чугуна.
Вал 21 ротора 2 вращается в подшипнике в корпусе компрессора.
Кожух 1 мотор-компрессора изготовлен из листовой стали.
Трущиеся части компрессора смазываются маслом под действием центробежной силы через косое отверстие в нижнем торце
коренной шейки вала. При вращении вала 21 масло, попадая в
наклонный канал, поднимается вверх и попадает к трущейся паре
вал – корпус компрессора. Дальше по винтовой канавке масло поступает к паре вал – ползун. Пара поршень – цилиндр смазывается
разбрызгиванием.
Пары хладона всасываются из кожуха в цилиндр 16 через
глушитель всасывания и нагнетаются через глушитель нагнетания в
трубку 22. Змеевик нагнетательной трубки 22 способствует гашению колебаний мотор-компрессора, корпус которого опирается на
три пружины 23. Пружины предохраняет от выпадания шпилька 24.
Кожух 1 закрыт сверху крышкой 7, приваренной по фланцу и
ограничивающей перемещение мотор-компрессора вверх.
Налажен выпуск хладоновых герметичных компрессоров
с кривошипно-кулисным механизмом, вертикальной осью вращения
(ХКВ) объемом до 400 см3 · с–1 (1,44 м3 · ч–1), встроенным двухполюсным однофазным асинхронным электродвигателем и пускоза-
68
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
щитным реле. Эти компрессоры предназначены для холодильных
агрегатов с капиллярной трубкой и применяются в бытовых холодильниках и морозильниках, работающих на хладагенте R12 и рассчитанных на температуру кипения в испарителе от минус 10 до
минус 30 °С.
Обозначения и классификация компрессоров
В бытовых холодильниках отечественного производства применяют одноцилиндровые поршневые непрямоточные компрессоры
трех типов: ДХ, ФГ и ХКВ, работающие на хладоне-12 и озонобезопасных хладагентах (табл. 1.4).
Таблица 1.4
Технические характеристики компрессоров бытовых холодильников
Характеристики
Холодопроизводительность, Вт
Потребляемая мощность, Вт
Частота вращения вала, об/мин
Диаметр цилиндра, мм
Ход поршня, мм
Масса компрессора, кг
Масса масла, г
ДХ-1010 ДХ2-1010 ФГ-0,100 ФГ-0,225
165
140
116
145
180
160
135
150
1450
1450
3000
3000
27
27
21
23
16
14
14,2
14,2
14
14
9
9,5
430
430
350
350
Компрессор ДХ имеет кривошипно-шатунный механизм, горизонтальный вал с частотой вращения 1500 об/мин и наружную
подвеску, а компрессоры ФГ и ХКВ – кривошипно-кулисный механизм с вертикальным валом с частотой вращения 3000 об/мин и
внутреннюю подвеску.
Мотор-компрессоры типов ДХ и ФГ можно внешне отличить
по подвеске (рис. 1.21).
В мотор-компрессоре ДХ компрессор и двигатель закреплены
жестко в кожухе, подвешенном (или опирающемся) на раме и пружинах.
Компрессор и двигатель мотор-компрессора ФГ подвешены на
пружинах внутри кожуха, а кожух жестко закреплен на раме. Кроме
внешнего различия (по подвеске) эти компрессоры и двигатели отличаются также своей конструкцией.
69
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
б)
а)
в)
Рис. 1.21. Мотор-компрессоры: а – с внутренней подвеской в кожухе;
б – с наружной подвеской кожуха на двух пружинах;
в – с наружной подвеской кожуха на четырех пружинах
Пуск и защиту электродвигателя компрессора осуществляют с
помощью пускозащитного реле.
Компрессор и электродвигатель агрегата соединены общим
валом и заключены в герметичный кожух (рис 1.22).
Компрессор обеспечивает циркуляцию холодильного агента в
системе агрегата. Он определяет работоспособность холодильника,
его экономичность и производительность. В бытовых холодильниках установлен одноцилиндровый компрессор поршневого типа, который приводится в движение электродвигателем.
Компрессоры подразделяют на следующие исполнения.
В зависимости от номинального напряжения и частоты тока:
– 1 – при напряжении сети 220 В и частоте 50 Гц;
– 2 – при напряжении сети 115 В и частоте 60 Гц.
В зависимости от электродвигателя и пускозащитного реле:
– Д – двухполюсный однофазный асинхронный электродвигатель холодильной машины (ДХМ), пускозащитное, токовое, комбинированное реле (РТК);
– Л – двухполюсный однофазный асинхронный электродвигатель (ЭД) и двухполюсный однофазный асинхронный электродвига-
70
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
тель с повышенным пусковым моментом (ЭДП), пускозащитное
комбинированное реле (Р).
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15 16
5
4
39
3
17
2
18
19
20
21
22
23
1
24
38
37
36
35
34
33
32
31 30
29
28
27 26 25
Рис. 1.22. Компрессор с электродвигателем: 1 – кожух; 2 – кольцо замочное
переднего подшипника; 3 – штифт; 4 – передний подшипник; 5 – винт крепления
компрессора; 6 – коленчатый вал; 7, 32 – пружинные шайбы; 8 – шайба;
9 – корпус компрессора: 10 – всасывающий клапан; 11 – винт крепления
головки цилиндра; 12 – головка цилиндра с глушителями; 13 – фланцевая
гайка; 14, 38 – крышки кожуха; 15 – запорная игла; 16 – пробка штуцера
заполнения; 17 – электродвигатель; 18 – ротор электродвигателя;
19 – редукционный клапан; 20 – пружина редукционного клапана;
21 – заглушка; 22 – плунжер масляного насоса; 23 – пружина плунжера;
24 – заглушка масляного насоса; 25 – поршень; 26 – шатун; 27 – крышка
нижней головки шатуна; 28 – пружинная шайба; 29 – болт крепления крышка;
30 – приемник масляного насоса; 31 – крышка приемника масляного насоса;
33 – винт крепления приемника; 34 – пружина клина; 35 – клин поршневого
пальца; 36 – фиксатор поршневого пальца; 37 – поршневой палец;
39 – защитная шайба переходного контакта
В зависимости от наличия устройств охлаждения:
– Б – без устройства для дополнительного охлаждения;
– М – с устройством для дополнительного охлаждения.
71
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В зависимости от условий эксплуатации:
– УХЛ – для условий эксплуатации в районах с умеренным и
холодным климатом;
– Т – для условий эксплуатации в районах с тропическим климатом.
Пример условного обозначения компрессора типоразмера 5, для
сети напряжением 220 В и частотой тока 50 Гц, с электродвигателем
ЭД и пускозащитным реле типа Р, без дополнительного охлаждения,
климатического исполнения УХЛ: ХКВ5 – 1 ЛБ УХЛ (ГОСТ 17008).
1.5.3. ÑË̇ÏË͇ ÔÓð¯ÌÂ‚Ó„Ó ÍÓÏÔðÂÒÒÓð‡
В компрессорах происходит преобразование энергии, подводимой двигателем к валу, в энергию проходящих через них газов.
Способ передачи энергии является основой классификации компрессоров по принципу действия.
По принципу действия все многообразие компрессорных машин можно подразделить на объемные, динамические и струйные.
В объемных компрессорах передача энергии от двигателя к газу
происходит в рабочей камере, периодически изменяющей объем изза перемещения двигателем привода одной или нескольких ее стенок. В процессе изменения объема камера поочередно соединяется с
полостью низкого и высокого давления газа, а некоторое время отсоединена от обеих полостей. За полный период изменения камер
находящийся в ней газ переместится из полости низкого в полость
высокого давления. При этом двигателем производится работа для
перемещения стенок камеры. К объемным компрессорам относятся
все виды поршневых, винтовых и роторных машин.
В динамических или турбокомпрессорных машинах передача
энергии к газу происходит непрерывно во вращающемся рабочем
колесе, снабженном лопатками. При обтекании потоком газа решетки из профилей лопаток вращающегося колеса возникает подъемная
сила, вызывающая ускорение потока, увеличение его скорости и
давления. В дальнейшем в неподвижных элементах происходит добавочное увеличение давления за счет преобразования кинетиче-
72
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ской энергии газа. К динамическим компрессорам относятся центробежные, диагональные, осевые и вихревые машины.
В струйных компрессорах повышение давления основано на
увлечении сжимаемого газа струей пара; жидкости или газа.
Рассмотрим более подробно рабочий цикл поршневого компрессора (рис. 1.23), в котором изменение объема рабочей камеры (цилиндра) происходит при возвратно-поступательном движении поршня.
Рис. 1.23. Схема поршневого компрессора с одной рабочей камерой:
1 – всасывающий патрубок; 2 – камера всасывания; 3 – всасывающие клапаны;
4 – цилиндр; 5 – поршень; 6 – шатун, 7 – коленчатый вал; 8 – камера нагнетания;
9 – нагнетательные клапаны; 10 – нагнетательный патрубок
Основные кинематические соотношения
Совокупность подвижных деталей компрессора – коленчатый
вал, шатун, поршень или поршневая группа, шток и крейцкопф
(в крейцкопфных машинах) – называют механизмом движения.
Поршень, шток, крейцкопф совершают только возвратнопоступательное движение; коленчатый вал – вращательное; шатун –
сложно-плоское. Схема механизма движения изображена на рис. 1.24.
Положение поршня, наиболее удаленное от вала, называется
верхней мертвой точкой (ВМТ) независимо от фактической ориентации ряда; наиболее близкое – нижней мертвой точкой (НМТ).
Описывая движение поршня, за начальное положение принимают
ВМТ. Текущее значение хода поршня определяется по формуле
73
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
S  l  r  (l  cos   r  cos  t ),
(1.1)
где l – длина шатуна; r – радиус кривошипа; β – угол между осью
шатуна и осью ряда; ω – постоянная угловая скорость.
Учитывая, что sinβ/sinωt = r/l, т.е. отношение радиуса кривошипа к длине шатуна, которое принято обозначать λ, получим
cosβ = 1  sin 2   1   2 sin 2 t .
(1.2)
Разлагая последнее выражение в степенной ряд и учитывая
только первые два члена ряда, будем иметь
 2  2
 2 
cos   1    sin t  1     1  cos 2t  .
 2 
 4 
(1.3)
Подставляя (1.2) в (1.1), получим
  l 2 

S  l  r  l  
  1  cos 2t   r cos t  
  4 




 r 1  cos t   1  cos 2t   .
(1.4)
4


Дифференцируя (1.4) по времени последовательно два раза,
получим выражения для скорости поршня и его ускорения:
dS



 r   sin t  sin 2t  ;
dt
2


d 2S
 r 2  cos t   cos 2t  .
2
dt
Рис. 1.24. Схема кривошипно-шатунного механизма
74
(1.5)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1.5.4. ëËÎ˚ ËÌÂðˆËË ‚ ÔÓð¯Ì‚ÓÏ ÍÓÏÔðÂÒÒÓðÂ
Ë Ëı Ûð‡‚Ìӂ¯˂‡ÌËÂ
Масса, приведенная к пальцу поршня, называется массой возвратно-поступательно движущихся частей и обозначается ms. Масса, приведенная к пальцу кривошипа, называется массой вращающихся частей и обозначается mr.
Шатун с массой mш, совершающий сложноплоское движение, заменяется системой из двух масс: mшs = (0,2 – 0,3)mш и mшr = (0,8 – 0,7)mш,
первая из которых совершает только возвратно-поступательное
движение, а вторая – только вращательное.
Масса колена вала, приведенная к пальцу кривошипа, согласно
рис. 1.25, будет равна
r
mк  mк1  mк 2 1 .
r
Рис. 1.25. Схема коленчатого вала
Тогда масса возвратно-поступательно движущихся частей будет равна сумме масс поршня mп, штока mшт , крейцкопфа mкр и части массы шатуна mш s:
mш s = mп+ mшт+ mкр+ mш s.
Для неуравновешенной массы вращающихся частей будем иметь
mr = mК + mш r .
Рассмотрим схему кривошипно-шатунного механизма с массами ms
и mr, сосредоточенными соответственно в центре поршневого (крейцкопфного) пальца и центре пальца кривошипа (рис. 1.26). При движении
массы ms возникает сила инерции, действующая вдоль оси ряда.
75
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 1.26. К расчету сил инерции
Условимся о следующем правиле знаков: силы, действующие
вдоль оси ряда в направлении, соответствующем растяжению шатуна, будем считать положительными, а действующие в обратном
направлении, – отрицательными (рис. 1.27).
Сила инерции возвратно-поступательно движущихся частей
определяется по формуле
d 2S
I s  ms
 ms r 2  cos t   cos 2t  .
dt
Рис. 1.27. Диаграммы сил инерции возвратно-поступательно движущихся
частей: – • – – I порядка; – – – – II порядка; ––– – суммарная сила
76
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Здесь I s целесообразно представить в виде суммы двух сил
I sI , и I sII :
I s = I sI + I sII ,
где
I s I  ms r 2 cos t ; I s II  ms r 2  cos 2t .
Сила I sI изменяется периодически с частотой вращения вала и
называется силой инерции первого порядка. Сила I sII изменяется
с частотой, вдвое превышающей частоту вала, и называется силой
инерции второго порядка. Зависимости сил инерции I s , I sI и I sII
от угла поворота коленчатого вала показаны на рис. 1.27.
Отметим, что амплитудное значение силы I sII отличается
от амплитудного значения силы I sI множителем λ. Учитывая, что в
поршневых компрессорах λ = 1/3,5...1/5,5, приходим к выводу, что
максимальное значение сил инерции второго порядка в 1/λ раз
меньше максимального значения силы инерции первого порядка.
Сила инерции вращающихся частей Ir направлена всегда вдоль
по кривошипу и определяется по формуле
Ir = mr r2 .
Наличие в поршневом компрессоре ускоренно движущихся
масс ms и mr приводит к появлению сил инерции, которые передаются фундаменту и вызывают вибрации фундамента и компрессора.
Уменьшение вибраций может быть достигнуто двумя способами:
1) сооружением массивных фундаментов (что удорожает установку);
2) уравновешиванием сил инерции.
Силы инерции (рис. 1.28) являются свободными относительно
машины, поэтому уравновесить их можно только другими силами
инерции, изменяющимися по такому же закону, но имеющими противоположное направление. Способы уравновешивания зависят от
конкретной схемы компрессора, причем выбор схемы сам по себе
может рассматриваться как мероприятие, повышающее (либо пони-
77
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
жающее) уравновешенность машины. Рассмотрим уравновешивание
компрессоров на примере нескольких характерных схем.
Рис. 1.28. Схема силы инерции, развиваемой противовесом, и ее составляющие
Уравновешивание сил инерции однорядного компрессора
Рассмотрим уравновешивание сил инерции вращающихся частей как более простую задачу. Коленчатый вал в однорядном компрессоре имеет одно колено. Сила Ir приложена посередине шейки
(см. рис. 1.26) и легко может быть уравновешена двумя одинаковыми противовесами, закрепленными на коленчатом валу со стороны,
противоположной шейке. Если центр тяжести каждого из противовесов отстоит от оси вращения на расстоянии rпр (радиус крепления
противовеса), то общая масса противовесов mпр находится из условия равенства сил инерции противовеса и Ir:
mпр rпрω2 = msrω2.
Для массы одного противовеса получим
mпр /2 = 1/2/ mr / rпр.
Будем в дальнейшем предполагать, что rпр = r, если это не так,
то необходимо делать пересчет массы.
78
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для уравновешивания силы Is нужно создать равную ей силу,
действующую по оси ряда в противоположном направлении. Достичь этого можно, лишь сильно усложнив конструкцию компрессора путем включения в него уравновешивающего механизма. В кинематической схеме компрессора с противовесами, вращающимися
с основной частотой, должны содержаться противовесы, вращающиеся с удвоенной частотой, но такие устройства применяются
крайне редко.
Можно попытаться уравновесить силу инерции первого порядка с помощью дополнительного противовеса (см. рис. 1.26). Такой противовес массой ms разовьет центробежную силу msrω2, проекция которой на ось ряда равна msrω2·cosωt и направлена в противоположную от IsI сторону. Однако уравновешенность машины от
этого не улучшается, так как, помимо составляющей центробежной
силы, вдоль ряда имеется составляющая msrω2 sinωt, направленная
перпендикулярно оси.
На практике массу дополнительных противовесов выбирают
значительно меньше ms и тем самым достигают некоторого уравновешивания силы IsI, но в результате этого появляется перпендикулярная к оси ряда новая неуравновешенная сила. Дополнительные
противовесы выполняются заодно с противовесами, необходимыми
для уравновешивания силы Ir.
Уравновешивание сил инерции
вертикального двухрядного компрессора
Рассмотрим схему вертикального двухрядного компрессора
с углом смещения колен вала на 180° (рис. 1.29). При такой компоновке силы инерции вращающихся масс уравновешены, так как эти
массы обычно одинаковы для обоих рядов. Момент сил инерции Ir
может быть легко уравновешен моментом сил инерции противовесов, установленных на валу, как это показано на рисунке. Масса
противовесов находится из условия
mпр = mrl / l1,
где l / l1 – отношение плеч моментов.
79
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 1.29. Схема уравновешивания вертикального двухрядного компрессора
Силы инерции IsI соответственно в первом и втором ряду:
IsI(1) = ms(1) rω2 cosωt;
IsI(2) = ms(2) rω2cos(ωt ± π) = –ms (2) rω2 cosωt;
а их сумма
∑ IsI = (ms(1) + ms(2))rω2 cosωt;
При равенстве масс ms в первом и втором ряду достигается
полное уравновешивание сил IsI. Для выравнивания масс поршень
в ряду низкого давления, имеющий большие размеры, выполняется облегченным, изготовленным, например, из алюминиевых
сплавов.
Силы инерции второго порядка в первом и втором ряду
IsII (1) = λms (1) rω2 cos2ωt;
IsII (2) = λms (2) rω2 cos2(ωt +π) = λms (2) rω2 cos2ωt;
их сумма
∑ IsII = λ(ms(1) + ms(2)) rω2 cos2ωt;
а при равенстве масс в рядах
∑ IsII = 2λmsrω2cos2ωt.
80
(1.6)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Силы инерции первого порядка создают момент на плече l,
максимальное значение которого
Msmax = lmsrω2.
Силы инерции второго порядка и момент сил инерции возвратно-поступательно движущихся частей остаются здесь неуравновешенными и воспринимаются фундаментом. Все изложенное в
этом параграфе справедливо для любых двухрядных компрессоров с
цилиндрами, расположенными в параллельных рядах по одну сторону вала.
Уравновешивание сил инерции
двухрядного оппозитного компрессора
В двухрядном оппозитном компрессоре (рис. 1.30) цилиндры
расположены по обе стороны вала. Развал цилиндров и смещение
колен составляют каждый по 180°. Положение поршней всегда
симметрично относительно оси вала, а движение происходит по
встречным направлениям. Силы инерции первого и второго порядка
при равенстве масс в рядах уравновешены (табл. 1.5). Остается неуравновешенным их момент, максимальное значение которого
можно представить в следующем виде:
Мs mах = l ms r ω2 (1 +λ).
Рис. 1.30. Схема уравновешивания оппозитного компрессора
81
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 1.5
Амплитудные значения сил инерции первого и второго порядков
и их моментов для некоторых характерных компоновок
Компоновка
1
Амплитуда сил
первого
второго
порядка
порядка
2
3
2msrω2λ
0
2 msrω2
0
Амплитуда моментов
первого
второго
порядка
порядка
4
5
msrω2а
2
2
msrω2а
0
msrω2λа
0
0
3 msrω2а
0
0
2 2 msrω2а
2msrω2λа
0
0
2 msrω2а
4msrω2λа
0
4msrω2λ
0
0
0
0
msrω2а
msrω2λа
0
0
0
0
82
3 msrω2λа
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Окончание табл. 1.5
1
2
3
4
5
0
2msrω2λ
3 msrω2а
0
0
2 msrω2а
0
0
0
0
0
0
0
2msrω2λа
3 msrω2λа
0
Расстояние между осями в оппозитных компрессорах значительно
меньше, чем в компрессорах с расположением цилиндров по одну сторону вала. В последнем случае расстояние между осями рядов лимитируется размерами двух соседних цилиндров. В оппозитном компрессоре это расстояние определяется, как правило, конструкцией вала.
Уравновешивание углового двухрядного компрессора
Рассмотрим уравновешивание углового компрессора с углом
развала цилиндров 90°. Оба шатуна компрессора соединены с общим коленом (рис. 1.31,a). Силы инерции Ir уравновешиваются
установкой двух противовесов на щеках колена. Сила инерции первого порядка возвратно-поступательно движущихся частей в первом
ряду действует вдоль оси ряда, и ее можно определить по формуле
IsI(1) = ms(1) rω2 cosωt.
83
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а)
б)
в)
Рис. 1.31. Схема уравновешивания углового компрессора:
а – ms(1) ≠ ms(2); б, в – ms(1) = ms(2) = ms
Соответствующая ей сила во втором ряду

IsI (2) = ms (2) rω2 cos(  ωt) = ms (2) rω2 sinωt;
2
а геометрическая сумма этих сил
 I sI 
I
(1)
sI
  I
2
(2)
sI
.
2
Годограф вектора этой силы представляет собой эллипс с
большой полуосью, совпадающей с осью ряда, в котором масса возвратно-поступательно движущихся частей больше. При равенстве
масс в рядах суммарная сила инерции первого порядка
∑ IsI = msrω2 cos 2 t  sin 2 t = msrω2.
Она постоянна по величине, направлена вдоль радиуса кривошипа (рис. 1.31,б) и может быть уравновешена установкой двух
равных дополнительных противовесов с общей массой тs.
84
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Силы инерции второго порядка в первом и втором ряду соответственно
IsII (1) = λms (1) rω2 cos2ωt;
IsII (1) = λms (2) rω2 cos 2(

– ωt) = – λms rω2 cos 2ωt;
2
а их геометрическая сумма при равенстве масс в рядах (рис. 1.31,в)
IsII (1) =
2 λmsrω2cos2ωt (эта сила не уравновешивается).
Уравновешивание многорядных компрессоров
В случае многорядных компрессоров число возможных комбинаций углов развалов цилиндров и углов смещения колен возрастает. Появляется больше возможностей достигнуть взаимного уравновешивания сил инерции путем рациональной компоновки рядов.
Анализ уравновешенности компрессора может быть проведен аналогично тому, как это было сделано выше. Амплитудные значения
сил инерции первого и второго порядков, а также их моментов для
некоторых характерных компоновок приведены в табл. 1.5.
1.5.5. ê‡Ò˜ÂÚ Ï‡ıÓ‚Ë͇
В рабочих полостях компрессора происходит изменение давления газа и, следовательно, сил, действующих на поршни со стороны газа, при вращении вала. Переменными в этом случае будут также силы инерции и силы трения поршней о стенки цилиндров. Противодействующий момент на валу компрессора, который создают
эти силы, зависит от угла поворота вала и не может оставаться постоянным в течение полного его поворота. Если предположить, что
со стороны привода к валу приложен постоянный момент, равный
среднему значению противодействующего, то при некоторых положениях вала он будет меньше его, а при других – больше. При недостаточном приложенном моменте угловая скорость вращения вала
будет уменьшаться, в противном случае – увеличиваться.
Приводом поршневого компрессора, как правило, служит
электродвигатель, в котором из-за неравномерности скорости вращения вала возникают нежелательные пульсации потребляемого то-
85
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ка. Неравномерность вращения вала может быть уменьшена с помощью маховика, накапливающего энергию при избытке приложенного момента и возвращающего ее при его недостатке. Расчет
требуемого момента инерции маховика может быть выполнен по
кривой противодействующего момента.
Силы, действующие в компрессоре
Рассмотрим компрессор, имеющий одну рабочую полость
со стороны крышки (рис. 1.32). Давление газа в рабочей полости
действует на поршень с силой Рr = pFп, где р – давление газа;
Fп – площадь поршня. Равная по величине и противоположно
направленная сила действует на торец цилиндра и отрывает цилиндр от картера. Сила Рr через механизм движения и коренные
подшипники действует на картер в противоположном направлении.
Таким образом, газовые силы замыкаются внутри компрессора и на
фундамент не передаются.
Рис. 1.32. Схема действия сил в компрессоре
К пальцу поршня (или крейцкопфа), помимо силы Рr, приложены также силы инерции Is и сила трения Ртр возвратно-поступательно
86
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
движущихся частей, которые действуют вдоль оси ряда. Их результирующая называется поршневой силой Р. Разложим эту силу по двум
направлениям – вдоль по шатуну (Рш = P/cosβ) и нормально к оси ряда N = Рtgβ. Перенесем начало вектора силы Рш в центр пальца кривошипа и разложим ее на тангенциальную силу Pt, перпендикулярную оси кривошипа, и силу Рr, направленную по кривошипу.
Тангенциальная сила определяется по формуле
Pt = Psin(ωt + β) / cosβ
и образует момент относительно центра вращения кривошипа
М = Pt r = Рrsin(ωt + β) / cosβ.
Это и есть противодействующий момент, зависимость которого от угла поворота вала необходима для расчета маховика.
Построение диаграммы противодействующего момента
и расчет необходимого момента инерции маховика
Диаграмма противодействующего момента строится на основании схематизированных индикаторных диаграмм с последующим учетом сил инерции и трения. Построения выполняются для каждого ряда
отдельно (за исключением идентичных рядов). Затем находится суммарный противодействующий момент. Схематизированные индикаторные диаграммы строятся в координатах Рr, S (рис. 1.33). Выбор таких координат позволяет при построении индикаторных диаграмм сохранить один и тот же масштаб для различных ступеней компрессора.
Рис. 1.33. Схематизированная индикаторная диаграмма:
1–2 – сжатие; 2–3 – нагнетание; 3–4 – расширение из мертвого пространства;
4–1 – всасывание
87
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Построение диаграммы показано на рис. 1.34. Сначала на диаграмме отмечаются средние усилия всасывания Рr вc и нагнетания
Рr нг, которые определяются по формулам
Рr вc = pн(1 – χ1)Fп;
Рr нг = pн(1 + χ2)Fп.
Рис. 1.34. Графический метод учета поправки на конечную длину шатуна
Затем отмечаются крайние положения поршня – мертвые точки. Одна из них – ВМТ находится на расстоянии 2аr от оси ординат
(ход поршня, соответствующий мертвому пространству), другая –
НМТ – на расстоянии 2r (1 + а). Построение линии сжатия проводится в соответствии с уравнением политропы сжатия
Рri = Pr1 S1пc /Siпc.
(1.7)
Задавая произвольные значения Si, по формуле (1.7) вычисляют
соответствующие значения Pri. Построение продолжают до пересечения
c линией Рr нг. Линию расширения строят аналогично, пользуясь соотношением Рri = Pr3 S3пp /Siпp, до пересечения е линией Рr вc = const.
Усилия при всасывании и нагнетании мы считаем постоянными. На диаграмме они изображаются отрезками 4–1 и 2–3.
Для построения линии сжатия ступени, сжимающей реальный
газ, можно воспользоваться следующим соотношением:
Pr1 
i Ti Si
,
1 T1 S1
88
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где 1 – коэффициент сжимаемости при давлении и температуре,
соответствующих точке 1 диаграммы на рис. 1.33; i – тот же коэффициент при давлении pi и температуре Ti , равной температуре при
политропном сжатии до давления pi (она приближенно может быть
найдена по формулам для сжатия идеального газа).
Линию расширения можно построить по уравнению
 T S
Pr1  i  i  i , если заменить в нем индекс 1 на индекс 3. В случае,
1 T1 S1
если в ряду компрессора имеется не одна, а несколько рабочих полостей, то следует построить расчетные индикаторные диаграммы
для каждой полости. Затем приступить к построению диаграммы
поршневых сил, откладывая по оси ординат усилия вдоль ряда Р, а
по оси абсцисс – угол поворота   t . Длина диаграммы соответствует полному обороту вала, ее левая половина представляет изменение поршневых сил при ходе поршня к валу, а правая – при обратном ходе. На диаграмму поршневых сил переносят развернутые
индикаторные диаграммы.
Координату St на индикаторной диаграмме, соответствующую
некоторому углу поворота вала ti , находят следующим образом.
На ходе поршня 2r как на диаметре строят полуокружность.
Из точки 0 ', отстоящей от центра окружности на расстоянии е – r2/2L,
под углом ti к оси S (см. рис. 1.34) проводится прямая до пересечения с полуокружностью, а из точки пересечения – параллельная
оси ординат до пересечения с осью S. Точка пересечения соответствует ходу поршня Si. Смещение центра из 0 в 0' на величину е,
называемую поправкой Брикса, автоматически приводит к учету
влияния конечной длины шатуна на кинематику механизма движения. Это смещение делается в «сторону» коленчатого вала (т.е. в
направлении от ВМТ к НМТ).
Всю длину диаграммы поршневых сил разбивают на равное
число частей (например 24 или 36). Из точки 0 ' проводят соответствующее число лучей через равные углы. Считывая значения газовой силы, соответствующие последовательным углам поворота вала,
переносят эти значения на диаграмму поршневых сил (рис. 1.35).
На эту же диаграмму наносят силы инерции и силы трения. Работа трения возвратно-поступательно движущихся частей составляет 60–70 %
от общей работы трения. Силу трения полагают постоянной и ме-
89
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
няющей знак в мертвых точках. Величину силы трения в данном ряду компрессора можно найти из соотношения
Pтр S  (0,6  0,7)  N и 1  мех  / 2 Snмех  ,
где Nи – индикаторная мощность всех ступеней данного ряда.
Рис. 1.35. Силовые диаграммы
Если в ряду компрессора имеется уравнительная полость, то
сила давления со стороны уравнительной полости наносится на диаграмму в виде постоянной силы в соответствии с принятым правилом знаков. Для бескрейцкопфных компрессоров на диаграмму
наносят постоянную силу, действующую со стороны картера на
тыльную поверхность тронкового поршня.
После того как на диаграмму поршневых сил нанесены все действующие в ряду силы, т.е. силы давления газа, инерции и трения,
производят их суммирование и получают кривую суммарной поршневой силы Р. Затем рассчитывают кривую противодействующего момента для рассматриваемого ряда (рис 1.36).
Рис. 1.36. Диаграмма противодействующего момента одного ряда
90
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Аналогично выполняют построения кривой противодействующего момента для каждого ряда отдельно. После построения диаграмм моментов проводят их суммирование, смещая диаграммы относительно друг друга в соответствии с углами смещения колен вала и углами развала цилиндров. При этом диаграмму опережающего
ряда, т.е. ряда, в котором поршень раньше достигает ВМТ, смещают
относительно отстающего ряда так, чтобы 0° на диаграмме отстающего ряда совпал с углом опережения опережающего ряда. Это равносильно смещению диаграммы опережающего ряда влево (в сторону, обратную нарастанию углов) на величину угла опережения.
Часть диаграммы опережающего ряда, оказавшуюся слева от 0° отстающего, следует пристроить справа к диаграмме опережающего
ряда. Проведя необходимые смещения кривых моментов отдельных
рядов, строят кривую суммарного момента ∑ М путем алгебраического сложения соответствующих ординат.
Для завершения построения кривой противодействующего
момента необходимо еще учесть момент сил трения вращательного
движения
М тр r  (0,3  0, 4)  N и 1  мех  / 2nмех  ,
где под Nи следует понимать индикаторную мощность всего компрессора.
Учет момента Мтр r производится смещением оси абсцисс вниз
на величину, соответствующую Мтр r.
На диаграмму противодействующего момента наносится значение среднего момента Мср. Его значение (в масштабе диаграммы)
может быть найдено планиметрированием площади под кривой
суммарного противодействующего момента и делением ее на длину
диаграммы. Между прямой, параллельной оси абсцисс Мcр, и кривой
∑ М образуются площадки (рис. 1.37).
Условимся величины площадок, лежащих над прямой Мcр,
считать положительными, а под ней – отрицательными. Их сумма
должна быть равна нулю (в пределах точности построений и планиметрирования), и это условие можно использовать для контроля
правильности нахождения Мcр. Кроме того, величина Мcр пропорциональна потребляемой компрессором мощности, следовательно,
имеет место следующее равенство:
NK = ωМcр.
91
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Если предположить, что со стороны привода к валу компрессора приложен постоянный момент, равный Мcр, то площадки под
линией среднего момента будут выражать в соответствующем масштабе избыток энергии, сообщаемой двигателем в этот период компрессору, а площадки над этой линией – ее недостаток. Если на валу
компрессора имеются маховик или какие-либо другие вращающиеся
массы, то во время, когда двигатель сообщает компрессору избыточную энергию, угловая скорость вращения будет расти. В противном случае она будет уменьшаться. Следовательно, угловая скорость вращения, оставаясь постоянной в среднем, будет изменяться
в пределах одного поворота вала.
Назначение маховика состоит в том, чтобы, аккумулируя или
отдавая энергию, удерживать изменения угловой скорости вала
компрессора в пределах заданной степени неравномерности.
Вращающиеся массы элементов коленчатого вала имеют сравнительно малый момент инерции, поэтому изменение кинетической
энергии этих масс обычно не учитывается и считается, что допустимая разность максимальной и минимальной угловых скоростей
должна обеспечиваться только маховиком.
Рис. 1.37. График зависимости противодействующего момента
от угла поворота вала
Наибольшее изменение кинетической энергии маховика на
протяжении одного оборота определяют по векторной диаграмме
(см. рис. 1.37). При построении векторной диаграммы векторы положительных и отрицательных площадок, численно равные их площади, должны быть отложены в том же порядке, что и площадки на
диаграмме противодействующего момента. Второй вектор ведут па-
92
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
раллельно первому, поместив начало второго против конца первого.
Таким же путем откладываются остальные векторы. Векторная диаграмма отражает последовательность накопления и расхода энергии
маховиком. Общая высота векторной диаграммы определяет абсолютную величину результирующего вектора или предельное изменение
кинетической энергии маховика на протяжении одного оборота вала.
У однорядных компрессоров результирующая высота равна
площади наибольшей из площадок, у многорядных она часто превышает наибольшую. Найдем требуемый момент инерции маховика J.
В течение одного оборота вала его угловая скорость изменяется в пределах от ωmin до ωmах. Величину (ωmах + ωmin)/2 = ωср называют средней скоростью вращения вала, а величину (ωmах – ωmin)/ωср –
степенью неравномерности вращения. Последняя не должна превышать некоторых допустимых значений.
Абсолютное значение изменения энергии маховика в течение
оборота вала
|ΔL| = J  2max  2min  / 2 
2
 J  2max  2min  2max  2min  / ср / 2ср  J ср
.
(1.8)
Из этого уравнения находим
2
J = |ΔL|/ ср
.
Выбирая подходящее смещение колен у вала, угла развала цилиндров и направление вращения вала, стремятся к тому, чтобы результирующая площадка оказалась наименьшей. При этом следует
параллельно анализировать уравновешенность компрессора, так как
требования хорошей уравновешенности и по возможности лучшей
гладкости кривой противодействующего момента не всегда совместимы. В таких ситуациях ищется некоторое компромиссное решение. При эксплуатации поршневых компрессоров предусматривается
изменение производительности без изменения скорости вращения
вала (например, дросселированием на всасывании, присоединением
дополнительных мертвых пространств и т.п.). В этом случае изменяются индикаторные диаграммы ступеней, следовательно, необходимо строить диаграммы противодействующего момента и для режимов уменьшенной производительности, причем благоприятная компоновка компрессора определяется совместной оценкой диаграмм.
93
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Как видно из выражения (1.8), момент инерции маховика обратно пропорционален квадрату угловой скорости вращения вала.
Поэтому у высокооборотных компрессоров он мал. При многорядном выполнении таких компрессоров их компоновку выбирают, руководствуясь не уменьшением маховика, а уравновешиванием сил
инерции.
1.5.6. ùÎÂÍÚðÓ‰‚Ë„‡ÚÂθ
Холодильные агрегаты выпускаются на одно напряжение –
127 или 220 В. Электродвигатель холодильника в нормальных условиях работает циклично, т.е. периодически включается и выключается через определенные промежутки времени. Отношение части
цикла, в продолжение которой электродвигатель работает, к общей
продолжительности цикла называют коэффициентом рабочего времени. Чем больше коэффициент рабочего времени (при постоянной
температуре в помещении), тем ниже температура в холодильной
камере и тем больше среднечасовой расход электроэнергии.
Определенную цикличность в работе холодильника (коэффициент рабочего времени) обеспечивает датчик–реле температуры –
прибор, регулирующий температуру в шкафу холодильника.
Для привода герметичных компрессоров и работы в среде хладона и рефрижераторного масла предназначаются однофазные короткозамкнутые асинхронные электродвигатели. Они выпускаются
на номинальное напряжение 127 или 220 В с номинальной мощностью 60, 90, 120 Вт. Частота вращения 1500 и 3000 об/мин.
Электродвигатели работают при отклонениях напряжений от
номинального значения в пределах –15...+10 %.
На статоре двигателя расположены две обмотки – рабочая и
пусковая. Переменный ток, проходя по рабочей обмотке, создает
переменное магнитное поле, наводящее токи в короткозамкнутом
роторе двигателя. Электромагнитная сила, возникающая в результате взаимодействия магнитного поля с токами ротора, взаимно уравновешивается, благодаря чему ротор стоит на месте относительно
магнитного поля статора.
94
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для образования вращающегося магнитного поля и сдвига ротора с места применяют дополнительную пусковую обмотку. При
включении обеих обмоток образуется вращающееся магнитное поле, которое увлекает за собой ротор. Когда частота вращения ротора
достигает 75–80 % частоты вращающегося магнитного поля в рабочей обмотке, пусковая обмотка отключается пусковым реле.
В холодильных агрегатах применяются электродвигатели типа
ДХМ, ЭД, ЭДП и др.
1.5.7. äÓ̉ÂÌÒ‡ÚÓð
Конденсатор холодильного агрегата является теплообменным
аппаратом, в котором хладагент отдает тепло окружающей его среде. Эти агрегаты должны быть простыми и компактными по конструкции, удобными в эксплуатации и ремонте, иметь высокий коэффициент теплопередачи, малое гидравлическое и аэродинамическое сопротивление, больший моторесурс.
Пары хладагента, охлаждаясь до температуры конденсации,
переходят в жидкое состояние. Конденсатор представляет собой
трубопровод, изогнутый в виде змеевика, внутрь которого поступают пары хладона.
Змеевик охлаждается снаружи окружающим воздухом.
Наружная поверхность змеевика обычно недостаточна для отвода
тепла воздухом, поэтому поверхность змеевика увеличивают за счет
большого количества ребер, креплением змеевика к металлическому
листу и другими способами.
Широкое распространение получили конденсаторы конвективного охлаждения с проволочным оребрением (рис. 1. 38,а).
Конденсатор представляет собой змеевик из медной трубки с
приваренными к ней с обеих сторон (друг против друга) ребрами из
стальной проволоки диаметром 1,2 – 2 мм. Ребра из проволоки приваривают к трубке точечной электросваркой или припаивают медью. Применяются также конденсаторы щитовые с завальцованной
трубкой (холодильники ЗИЛ-63, ЗИЛ-64).
95
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а)
б)
в)
Рис. 1.38. Конденсатор холодильного агрегата: а – с проволочным оребрением,
б – листотрубчатый, в – прокатно-сварной
В холодильниках старых моделей применялись листотрубчатые
конденсаторы. Листотрубчатый щитовой конденсатор (рис. 1.38,б) состоит из змеевика, который приварен, припаян или плотно прижат к
металлическому листу, выполняющему роль сплошного ребра.
В листе иногда делают прорези с отбортовкой по типу жалюзи.
Это увеличивает теплопередающие поверхности за счет торцов отогнутых металлических язычков и циркуляции воздуха. Диаметр
труб 4,75...8 мм, шаг 35...60 мм, толщина листа 0,5...1 мм.
Трубы змеевика на листе обычно располагают горизонтально.
В некоторых листотрубчатых конденсаторах их располагают вертикально, чтобы последние витки трубопровода не нагревались от кожуха компрессора. Длина трубопровода конденсатора составляет
6500...14 000 мм.
Листотрубчатый прокатно-сварной конденсатор (рис. 1.38,в)
изготовлен из алюминиевого листа толщиной 1,5 мм с раздутыми в
нем каналами змеевика. Конденсатор имеет форму сплюснутой трубы и закреплен на задней стенке шкафа холодильника. При сравнительно небольших размерах конденсатор работает эффективно благодаря высокой теплопроводности алюминия и теплопередачи через
однородную среду. Для более эффективной циркуляции воздуха в
щите сделаны сквозные просечки. Конденсатор с одной стороны соединен трубопроводами с нагнетательной линией компрессора, а с
другой через фильтр и капиллярную трубку – с испарителем.
96
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для защиты от коррозии конденсатор окрашивают черной
эмалью.
Существенным недостатком конденсатора этого типа является
его выход из строя при засорении капиллярной трубки. Происходит
вздутие листа алюминия и его разрыв.
Теплопередача в конденсаторах
и тепловой расчет конденсатора
Пары хладагента конденсируются внутри труб конденсатора при
соприкосновении с их стенками, температура которых ниже температуры насыщения пара, соответствующей давлению в аппарате.
Интенсивность теплопередачи зависит от характера образования конденсата, скорости и направления движения хладагента,
от состояния поверхности труб, содержания воздуха в парах, конструктивного исполнения теплообменного аппарата и скорости
движения внешней охлаждающей среды.
Различают два вида конденсации – пленочную и капельную.
В первом случае жидкость осаждается на холодной стенке трубы
в виде сплошной пленки, во втором – в виде отдельных капель.
Последнее явление наблюдается, когда конденсат не смачивает поверхность охлаждения или когда она загрязнена маслом или различными отложениями. Большинство теплообменников работает со
смешанной конденсацией, когда в одной части аппарата возникает
капельная конденсация, а в другой – пленочная. Образующийся
жидкий хладагент необходимо быстро удалять с теплопередающей
поверхности.
От состояния внутренней поверхности зависит толщина пленки конденсата. Она увеличивается при шероховатой поверхности, и
это сопровождается снижением коэффициента теплоотдачи. Резко
зависит этот коэффициент и от наличия отложений на внутренней и
внешней сторонах труб (масло, накипь, ржавчина, пыль, краска).
Присутствие воздуха в парах хладагента заметно снижает коэффициент теплоотдачи. От конструкции аппарата зависят характер
и скорость движения конденсата в нем и внешней охлаждающей
среды. С увеличением скорости возрастают коэффициент теплоотдачи и затраты мощности на перемещение охлаждающего воздуха
или воды. С возрастанием скорости движения жидкого хладагента в
трубе ламинарный (спокойный) режим движения жидкости перехо-
97
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
дит в турбулентный (с завихрениями), при котором процессы теплопередачи интенсифицируются.
Тепловой расчет конденсатора предусматривает определение
либо проверку площади теплопередающей поверхности, обеспечивающей снятие тепловой нагрузки конденсатора:
Qк = Qпер +Qконд +Qож,
где Qпер, Qконд, Qож – соответственно теплота охлаждения перегретых
паров хладагента, его конденсации и переохлаждения жидкости перед дроссельным вентилем.
Площадь теплопередающей поверхности можно найти по
уравнению теплопередачи:
Fk 
Qk
,
K
где θ – средний температурный напор конденсатора, К; ψ – коэффициент (индекс противоточности), учитывающий схему движения
теплоносителей (при противотоке, прямотоке или постоянной температуре одного из теплоносителей, ψ = 1); K – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 · К).
При проектировании холодильной машины на заданные условия работы по найденному значению Fк подбирают соответствующий тип конденсатора. В поверочных расчетах площадь Fк согласовывают с параметрами, определяющими температурный напор конденсатора, для наиболее тяжелых условий работы машины в летнее
время. Теплопередающую поверхность конденсатора условно можно разделить на элементы, соответствующие снятию отдельных составляющих тепловой нагрузки Qпер, Qконд, Qож:
Fк = Fпер +Fконд +Fож .
Схема изменения температур хладагента tк и охлаждающей среды (воздуха) tв на поверхности конденсатора приведена на рис. 1.39.
Средний температурный напор конденсатора

 t2  tв   t3  tв  ,
tб  tм

ln  tб tм  ln  t2  tв   t3  tв  
где Δtб > Δtм – большая и меньшая разности температур теплоносителей для входа в конденсатор и выхода из него.
98
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Коэффициент теплопередачи для тонкостенной трубки теплопередающей поверхности с наружным оребрением при движении
хладагента внутри трубы может быть определен в виде
K
1
,
1  к   Ri  1  в пр н
где αк – коэффициент теплоотдачи от хладагента к стенке трубы,
Вт/(м2 · К); Ri = δi/λi– термическое сопротивление теплопроводности
материала стенки трубы и отложений на ее поверхности, (ма·К)/Вт;
δi – толщина стенки или слоя отложения, м; λi – коэффициент теплопроводности материала стенки или слоя отложения, Вт/(м · К);
αв пр – приведенный коэффициент теплоотдачи от оребренной наружной поверхности трубы к охлаждающей среде (воздуху), Вт/(м2 · К);
φн – степень оребрения наружной поверхности трубы.
Рис. 1.39. Изменение температур хладагента и охлаждающей среды
по поверхности конденсатора
Определить величину αк в целом по конденсатору достаточно
сложно. Обычно это выполняют раздельно для основных процессов,
составляющих теплоотдачу от хладагента к стенке трубы (теплоотдача без изменения агрегатного состояния и пленочной конденсации).
Теплоотдача без изменения агрегатного состояния хладагента
при его турбулентном движении внутри канала (трубы)
0,2
,
αк = В w0,8   d экв
99
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где В – коэффициент, зависящий от физических свойств хладагента;
w – скорость течения хладагента (для пара 5–20 м/с, для жидкости
0,5–1,5 м/с);  – поправочный коэффициент, учитывающий изменение коэффициента теплоотдачи по длине канала; dэкв – эквивалентный диаметр канала (для трубы – внутренний диаметр dвн, м).
Формула отвечает значениям числа Рейнольдса, характеризуwd экв
ющего режим течения, Re 
 104 (ν – кинематическая вяз
2
кость хладагента, м /с).
Коэффициент ε определяют по формуле
 1 1 
  0,6 

 Re d экв 
1/ 7

1
1  2,5
Re d экв


,

где l – длина канала (трубы), м.
Для течения хладагента внутри трубы формула справедлива
при l/dвн< 0,1Re.
Пленочная конденсация на внутренней поверхности канала
(формула Нуссельта)
r 3 g
 к  0,72 4
,
vа d экв
где r – теплота парообразования хладагента, Дж/кг; ρ – плотность
жидкости, кг/м3; λ – коэффициент теплопроводности жидкости,
Вт/(м · К) (табл. 1.6); g – ускорение свободного падения, м/с2;
ν – кинематическая вязкость жидкости, м2/с; θа – разность температур конденсации хладагента и стенки, К; dэкв – эквивалентный диаметр канала (для трубы – внутренний диаметр dвн), м.
Таблица 1.6
Значение коэффициента теплопроводности для R12 и R22
Температура, °С
0
10
20
30
40
Значения λ для хладагента
R12
R22
3,40
3,31
3,12
3,08
2,88
2,93
2,67
2,77
2,58
2,69
100
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Физические параметры хладагента, входящие в формулу, принимают по температуре конденсации tк.
Интенсивность теплообмена при пленочной конденсации,
имеющей место в конденсаторах паровых холодильных машин, в
основном зависит от плотности передаваемого теплового потока
qк = Qк / Fк.
Средние значения коэффициента теплоотдачи от хладагента к
стенке канала в конденсаторах паровых холодильных машин при
конденсации чистого хладагента составляют для R12 = 1100...2300,
для R22 = 1500...2800 и аммиака 7000...10 000 Вт/(м2 · К). Наличие
в хладагенте неконденсируемых примесей, в частности воздуха,
ухудшает процесс теплоотдачи особенно при малой плотности теплового потока. Так, для qк = 4650 Вт/м2 при концентрации воздуха
5 % по объему коэффициент теплоотдачи аммиака снижается почти
в 5 раз, для R12 концентрация воздуха порядка 10 % снижает коэффициент теплоотдачи на 20 %.
Термическое сопротивление теплопроводности в конденсаторах холодильных машин с тонкостенной трубной теплопередающей
поверхностью в основном определяется сопротивлением слоя загрязняющих отложений. Значения коэффициентов теплопроводности для металлов, используемых при изготовлении труб конденсатора, а также характерных загрязнений теплопередающей поверхности, Вт/(м · К) приведены в табл. 1.7.
Таблица 1.7
Значения коэффициентов теплопроводности
Коэффициенты
Наименование теплопроводности Наименование
для металлов
Сталь
углеродистая
Алюминий
Медь
Латунь
Цинк
45
200...230
300...385
86...106
113
Смазочное
масло
Слой краски
Слой пыли
Слой накипи
101
Коэффициенты
теплопроводности
для загрязнений
теплопередающей
поверхности
0,14
0,23
0,80
1,75...1,80
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Коэффициент теплоотдачи со стороны конденсирующегося
рабочего тела определим по формуле, Вт/м2К:
r 2   3  g
 2  0,72  4
,
  m  d ВН
где θm – разность температур конденсации и поверхности стенки,
на которой происходит конденсация, принимаем равной 20,44°С;
r – теплота парообразования, равна 295,79·103 Дж/кг; ρ – плотность
жидкого хладагента, равна 600 кг/м3; λ – коэффициент теплопроводности хладагента, равен 0,095 Вт/мК; μ – динамическая вязкость
фреона, равна 1,2·10–4 Па·с; dВН – внутренний диаметр трубы, равен
0,00406 м; g – ускорение свободного падения, равно 9,81 м/с2.
Коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности конденсатора к окружающей среде, Вт/м2 К:
В 
Nu  
,
d ВН
где λ = 2,757·103 – коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/м К;
Nu – критерий Нуссельта определяем из критериального уравнения
для случая теплоотдачи при свободной под действием сил тяжести
конвекции воздуха.
Значения dВН, принимается с конденсатора, применяемого на
серийных холодильниках.
Nu = 46·Gr0,21,
где Gr – критерий Гроссгофа:
3
g  d НАР
Gr 
  m ,
2
где g = 9,81 м/с2; β = 1/Т = 1/32 = 0,0032 – коэффициент объемного
расширения, К–1; v = 16·106 – вязкость сухого воздуха при температуре окружающей среды 32°С и нормальном атмосферном давлении.
Средние значения коэффициента теплоотдачи от наружной
трубной поверхности конденсатора к охлаждающему воздуху при его
принудительном движении со скоростью 3...8 м/с составляют в конденсаторах транспортных холодильных установок 20...100 Вт/(м2 · К).
102
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При этом средние значения коэффициента теплопередачи для
конденсаторов трубного типа с воздушным охлаждением находятся
в пределах 15...50 Вт/(м2 · К).
Особенность теплового расчета конденсатора состоит в том,
что условия теплоотдачи при конденсации зависят от неизвестной
разности температур хладагента и стенки теплопередающей поверхности. Поэтому при машинном способе счета тепловой расчет
ведут методом последовательных приближений, задаваясь рядом
значений θа; при ручном способе используют графоаналитический
метод расчета в координатах; разность температур конденсации и
стенки – плотность теплового потока.
Гидромеханический расчет конденсатора
Гидромеханический расчет конденсатора включает определение
потерь давления (сопротивлений), возникающих при движении хладагента и охлаждающей среды (воздух, вода), а также мощности вентилятора или насоса, обеспечивающего движение охлаждающей среды.
Потери давления по хладагенту при его движении в трубах
L w2
w2
,
Px  Pтр  Pм   
 
2
d экв 2
где ∆Ртр, ∆Рм – соответственно потери давления от трения и местных
сопротивлений при изменении направления движения потока или
скорости, Па;  и  – коэффициенты трения и местных сопротивлений, которые определяются по справочникам; L и dэкв – длина и эквивалентный диаметр канала, по которому течет хладагент, м.
Потери давления охлаждающегося воздуха при поперечном
смывании трубных пучков с круглыми или спиральными ребрами, Па,
Pв  ССz Cs Cl Ct  w  .
n
Значения коэффициентов С, Cs, Cl, Ct (t – температура воздуха, °С)
и показателя степени n, учитывающие расположение труб в пучке,
приведены в табл. 1.10 ; значение коэффициента Сz, зависящего от
числа рядов труб в пучке по потоку охлаждающего воздуха z, приведено в табл. 1.11 (при z > 6 коэффициент Сz = z); граничные условия применения формулы даны в табл 1.12.
103
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 1.11
Значения коэффициентов С, Cs, Cl, Ct и показателя степени n,
учитывающие расположение труб в пучке
Расположение труб в пучке
коридорное
шахматное
С
Cl
СS
0,26  S 2  d н   S1  d н  
0,68
1
2,70
Ct
n
0,22
усл
0,3
экв
0,326+
1,92
+0,001275t
0,05
lусл
0,0505+
1,75
+0,00023t
l
d
d
0,3
экв
Таблица 1.12
Значение коэффициента Сz, зависящего от числа рядов труб
в пучке по потоку охлаждающего воздуха z
Расположение труб
Re · 10–3
в пучке
1
12
2,6
коридорное
50
2,3
12
1,20
шахматное
30
1,30
1,45
SO
2
3,4
3,0
2,20
2,46
2,60
Число рядов труб
3
4
4,2
4,7
3,6
4,2
3,25
4,20
3,30
4,20
3,45
4,30
5
5,5
5,0
5,00
5,00
5,10
Эквивалентный диаметр минимального проходного сечения
d экв  2  Sр  S1  d н   2р hр 
 2h
р
 Sр  ,
где hp, δp – соответственно высота и толщина ребра, м; Sp –шаг ребер, м.
При использовании формулы для гладкотрубных пучков
lусл  d н ; d экв  2  S1  d н  .
Мощность вентилятора, обеспечивающего движение охлаждающего воздуха в конденсаторе
Nв 
Gв
 pв  Pc  ,
в в
где Gв – расход охлаждающего воздуха, кг/с; ρв – плотность воздуха,
кг/м3; в – КПД вентилятора; ∆Рс – потери давления во внешней
воздушной сети, Па.
Выбирают вентилятор по расходу охлаждающего воздуха и суммарным потерям его давления в системе охлаждения конденсатора.
104
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1.5.8. àÒÔ‡ðËÚÂθ
Испарители – основной элемент паровых холодильных машин.
В них жидкий хладагент, получая теплоту от охлаждаемого объекта,
кипит и в виде паров отсасывается компрессором. Испарители могут быть выполнены в различных теплотехнических и конструктивных вариантах. В испарителе происходит передача тепла от охлаждаемого объекта к испаряющемуся (кипящему) вследствие этого
холодильному агенту.
По принципу действия испарители аналогичны конденсаторам, но отличаются тем, что в конденсаторе холодильный агент отдает тепло окружающей среде, а в испарителях поглощает его из
охлаждаемой среды.
В однокамерных холодильниках испаритель предназначен для
хранения замороженных продуктов, поэтому его делают в виде полки. Для поддержания низкой температуры испаритель закрывают
спереди дверцей, а сзади стенкой. Такой испаритель является низкотемпературным (морозильным) отделением.
В настоящее время применяются алюминиевые испарители,
изготовленные прокатно-сварным методом. Исходным материалом
для их изготовления служат листы алюминия марки АД, АД-1.
Алюминиевые испарители менее долговечны, чем стальные, они
рассчитаны на срок службы 6–8 лет.
Испарители имеют каналы различной конфигурации и отличаются способом крепления в холодильной камере. В некоторых холодильных агрегатах испарители отличаются тем, что система каналов у них
имеет вместо двух выходных отверстий для присоединения капиллярной и всасывающей трубки лишь одно. У таких агрегатов капиллярная
трубка проходит внутри всасывающей. Конец всасывающей трубки
приваривают в торце выходного канала испарителя, а капиллярная
трубка проходит через выходной канал во входной, где ее обжимают,
чтобы не было перетекания хладона из входного канала в выходной.
Для защиты алюминиевых испарителей от коррозии их анодируют в сернокислых или хромокислых ваннах, получая защитную
пленку толщиной 10...12 мкм. Для сохранения анодной пленки испаритель дополнительно покрывают лаком УВЛ-3 или эпоксидной
105
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
смолой. Особое внимание уделяют внутрикоррозийной защите стыков медно-алюминиевых трубок, соединяющих алюминиевый испаритель с медными трубопроводами.
Испарители выпускают различных конструкций. Широкое
распространение в холодильниках ранних выпусков имели испарители, изготовленные в виде перевернутой буквы П (рис. 1.40,а), часто вытянутой во всю ширину камеры, с полкой для продуктов.
а)
б)
в)
Рис. 1.40. Испарители: а – в виде перевернутой буквы П;
б – О-образной формы; в –листотрубчатый (вид снизу)
В современных холодильниках с морозильными отделениями во
всю ширину камеры испарители делают в виде вытянутой буквы О
(рис. 1.40,б) или повернутой вверх буквы С. Испаритель крепят к
потолку или боковым стенкам камеры.
В настоящее время в некоторых моделях двухкамерных холодильников применяют листотрубчатые (рис. 1.40,в) секционные испарители, плоские, расположенные на задней стенке камеры холодильника или устанавливаемые горизонтально (в этом случае испаритель одновременно является полкой). Трубопровод испарителя
диаметром 8 мм прикреплен к металлическому листу с внутренней
стороны. Для крепления трубопровода и циркуляции воздуха на листе сделаны просечки.
В холодильниках ранних выпусков применялись стальные испарители из двух сваренных листов нержавеющей стали. Стальные
испарители отличаются относительно небольшими размерами и
большой прочностью.
106
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Классификация испарителей
Испарители – основной элемент паровых холодильных машин.
В них жидкий хладагент, получая теплоту от охлаждаемого объекта,
кипит и в виде паров отсасывается компрессором. Испарители могут быть выполнены в различных теплотехнических и конструктивных вариантах. Наибольшее распространение получили испарители
непосредственного действия (воздухоохладители), в которых хладагент обеспечивает отвод теплоты от воздуха, непосредственно подаваемого к охлаждаемому объекту, и рассольные, где хладагент
охлаждает промежуточный теплоноситель (рассол). В транспортных
холодильных установках испарители-воздухоохладители используют в машинах, работающих на R12 и R22, R134a.
Испарители-воздухоохладители выполняют в виде рекуперативных аппаратов с трубной или пластинчатой (листовой) поверхностью (табл 1.13).
Таблица 1.13
Значение коэффициентов
Расположение труб
в пучке
коридорное
шахматное
Re · 10–4
lусл/dэкв
 S 2  d н   Si  d н  
0,4...16
0,2...18
0,8...11,5
0,15...6,5
0,5...2,0
–
Теплопередача в испарителях
Испарители бытовых холодильных машин являются теплообменными аппаратами, в которых осуществляется поглощение тепла.
Воздух в холодильной или морозильной камере нагревается
из-за поступления тепла через ограждения и за счет отвода тепла от
продуктов. Тепло воздуха идет на испарение кипящего хладагента и
превращение его в сухой насыщенный пар. Таким образом, в испарителях с одной стороны теплопередающей поверхности проходит
хладагент, претерпевающий фазовые превращения, в результате чего на этой стороне реализуются высокие коэффициенты теплоотдачи. С другой стороны теплопередающей поверхности проходит воздух и коэффициент теплоотдачи в десятки раз ниже. Эта сторона и
будет определять эффективность работы теплообменника, интенсивность кипения хладагента и восприятия им тепла от охлаждаемо-
107
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
го воздуха. Дополнительную роль играют принятые расчетные параметры установки и эксплуатационное состояние теплообменника.
Тепло в испарителе передается хладагенту от охлаждаемой
среды через стенку трубы. Эффективность такой теплопередачи зависит от характера кипения самого хладагента. Возможны два режима кипения: пузырчатый и пленочный. Пузырчатый режим кипения возникает и поддерживается, когда в ряде точек теплопередающей поверхности образуются отдельные пузырьки пара, которые
отрываются от поверхности и поднимаются вверх. Точками или
центрами парообразования являются пузырьки газов, легко выделяющиеся из жидкости на поверхности теплообмена, а также бугорки и микронеровности теплопередающей поверхности. При таком
кипении значительная часть поверхности покрыта жидкостью.
Однако это наблюдается (рис. 1.41) при хорошей смачиваемости поверхности и при небольшой разности температур поверхности нагрева t и насыщения образующихся паров t0.Эта разность температур Δt = t – t0 и характеризует интенсивность процесса кипения
и теплоотдачи. Чем больше Δt, тем больше центров парообразования и тем чаще пузырьки пара отрываются от поверхности. Могут
увеличиваться и размеры пузырьков.
а)
б)
в)
Рис. 1.41. Формы паровых пузырьков при кипении жидкости:
а, б, в – соответственно при плохой, нормальной и хорошей
смачиваемости поверхности теплопередачи
Увеличение перепада температур свыше 30 °С вызывает
уменьшение коэффициента теплоотдачи, так как пузырьки сливаются на поверхности и образуют участки, покрытые паровой пленкой.
Эта пленка неустойчива, поднимается вверх большими пузырями,
но само ее наличие отделяет жидкость от теплой поверхности и резко увеличивает термическое сопротивление теплопереходу. Это и
108
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
есть пленочный режим кипения. Аналогичный процесс может возникнуть и при меньших температурных напорах, но при замасленной поверхности, т.е. когда жидкий хладагент плохо смачивает поверхность теплообмена, да и сама масляная пленка обладает термическим сопротивлением.
На характер кипения влияют физико-химические свойства
жидкости – плотность, теплота парообразования, коэффициент теплопроводности и др.
Во вторую очередь эффективность теплопередачи зависит от
интенсивности теплоотдачи со стороны охлаждаемой среды, а также
в меньшей степени от величины термического сопротивления стенки теплообменника. Здесь сказываются особенности конструкции
испарителя (воздухоохладителя), быстрота удаления образующегося
пара с теплопередающей поверхности, скорость движения охлаждаемого воздуха.
Примерные значения коэффициента теплоотдачи  [Вт/(м2·К)]
для хладона R12 500...900 Вт/Н2·К; для воздуха при свободном движении 1,2...12, при принудительном 14...15.
Теплопередача в испарителе определяется коэффициентами
теплоотдачи с обеих сторон труб с учетом наличия загрязнений на
их поверхности.
Расчет испарителей
Тепловой расчет испарителей так же, как и конденсаторов, состоит в определении площади теплопередающей поверхности Fи,
обеспечивающей снятие тепловой нагрузки испарителя Q0, т.е. реализацию холодопроизводительности машины. Для испарителейвоздухоохладителей коэффициент теплоотдачи от стенки к хладагенту (хладону) при пузырьковом режиме его кипения, характерном
для процесса испарения в холодильных машинах при малых плотностях теплового потока qи = Q0/Fи, определяют по формуле
 и  Сqи0,15  w  ,
n
где ρ– плотность жидкого хладагента, кг/м3; w – скорость течения
хладагента, w = 0,05...0,5 м/с.
109
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Коэффициент С и показатель степени n зависят от типа хладагента: для R12 С = 23,4, а для R22 С = 32,0; показатель степени n
для обоих хладагентов равен 0,47.
При более высоком уровне qи коэффициент теплоотдачи определяют в виде
 и  Aqи0,6  w d экв  ,
0,2
где dэкв – эквивалентный диаметр канала, м (для трубы – внутренний
диаметр dвн).
Значения коэффициента А, зависящего от температуры кипения хладагента, приведено в табл. 1.14.
Таблица 1.14
Значения коэффициента А, зависящего
от температуры кипения хладагента
Массовая скорость w ,
Температура кипения
2
хладагента, °C
Хладагент
кг/(м · с)
60
120 250 400 650 –30 –10
0
10
30
R12
1500 1800 2000 2500 3000 0,85 1,04 1,14 1,23 1,47
R22
1500 1800 2000 2500 3000 0,95 1,17 1,32 1,47 1,25
Средние значения коэффициента теплоотдачи при кипении
хладонов составляют 1500...2000 Вт/(м2 · К).
Особенность работы и расчета испарителей-воздухоохладителей связана с характером процесса тепломассообмена при охлаждении влажного воздуха. В этом случае конденсация влаги из
охлаждаемого воздуха приводит к выпадению и осаждению на
наружной теплопередающей поверхности испарителя инея («снеговая шуба»), что существенно ухудшает процесс теплопередачи.
Коэффициент теплоотдачи от влажного воздуха к стенке оребренной поверхности трубного пучка, учитывающий выделение влаги в процессе охлаждения, определяют по формуле
в   в ,
где αв – коэффициент теплоотдачи для сухого воздуха; – коэффициент влаговыделения при конденсации влаги.
110
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Коэффициент теплоотдачи для сухого воздуха для испарителей-воздухоохладителей транспортных холодильных установок составляет 30...50 Вт/(м2 · К).
Коэффициент влаговыделения при температуре наружной поверхности испарителя tн находят в виде
  1    d1  d н   t1  tн   ,
где t1 – начальная температура охлаждаемого воздуха, °С;
d1 – влагосодержание, кг влаги / кг сухого воздуха; dн – влагосодержание охлаждаемого воздуха при температуре tн, кг влаги / кг сухого воздуха;  – коэффициент, зависящий от tн (при tн > 0 °С
 = 2500; при tн < 0 °С χ = 2835).
При определении коэффициента теплопередачи испарителявоздухоохладителя необходимо учитывать термическое сопротивление теплопроводности слоя инея Rин = δинλин. Толщина слоя, зависящая от условий работы испарителя (от характера охлаждаемого
груза, его тепловлажностного режима и параметров наружного воздуха), не должна превышать 5–6 мм. Коэффициент теплопроводности слоя инея при начальной относительной влажности воздуха
70...80 %, скорости его движения 4...6 м/с и частых оттаиваниях
принимают равным 0,15 Вт/(м · К).
Помимо увеличения термического сопротивления теплопроводности, слой инея ухудшает эффективность оребрения наружной
поверхности испарителя-воздухоохладителя. В этом случае параметр m, определяющий коэффициент эффективности ребра, находят
по формуле
m  2 1 в    ин  н   р  р .
Средние значения коэффициента теплопередачи для испарителей-воздухоохладителей холодильных машин, работающих
на R12 или R22, при чистой наружной поверхности составляют
20...35 Вт/(м2·К).
Гидромеханический расчет испарителей, как и конденсаторов,
состоит в определении потерь давления (сопротивлений) при движении хладагента или охлаждающего воздуха, а также необходимой
мощности вентиляторов охлаждающего воздуха.
111
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1.5.9. ä‡ÔËÎÎflð̇fl Úð۷͇
кПа
Капиллярная трубка в сборе с отсасывающей является регулирующим устройством для подачи жидкого хладагента в испаритель. Она служит трубопроводом (медь марки ДКРХТ с внутренним диаметром 0,5...0,8 и длиной 2800...6000 мм (в зависимости от
модели холодильника), соединяющим стороны высокого и низкого
давления в системе холодильного агрегата. Имея небольшую проходимость (5,6...8,5 л/мин), капиллярная трубка является дросселем
и создает перепад давления между конденсатором и испарителем и
подает в испаритель определенное количество жидкого хладона.
К преимуществам капиллярных трубок по сравнению с другими дросселирующими устройствами (например с терморегулирующими вентилями) следует отнести простоту конструкции, отсутствие движущихся частей и надежность в работе. Кроме того, капиллярная трубка, соединяя между собой стороны нагнетания и всасывания, уравнивает давление в системе агрегата при его остановах
(рис. 1.42). Это снижает противодавление на поршень компрессора
в момент запуска и позволяет применять электродвигатель компрессора с относительно небольшим пусковым моментом.
Рис. 1.42. Кривые изменения давления в холодильном агрегате за цикл работы:
1 – давление в капиллярной трубке; 2 – давление в отсасывающей трубке
Недостатком капиллярной трубки является невозможность необходимого регулирования подачи хладона в испаритель при раз-
112
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ных температурных условиях эксплуатации холодильника. Учитывая это, проходимость капиллярной трубки устанавливают исходя
из нормальных эксплуатационных условий холодильника.
Для улучшения теплообмена между отсасывающими холодными парами и теплым жидким хладагентом, которые движутся
противотоком, капиллярную и отсасывающую трубки спаивают
между собой на большом участке. В некоторых холодильных агрегатах капиллярную трубку наматывают на отсасывающую или помещают внутри нее.
1.5.10. îËθÚð
Фильтр-грязеуловитель (механический фильтр) предназначен
для защиты компрессора от попадания окалины и других загрязнений. В цилиндрическом металлическом корпусе фильтра имеются
штуцеры для входа и выхода паров холодильного агента, расположенные под прямым углом один к другому. Внутрь корпуса вставлена двойная металлическая сетка с мелкими ячейками. Загрязненную сетку вынимают для промывки, сняв глухую крышку на торце
корпуса. У многих вертикальных компрессоров грязеуловители
монтируются во всасывающем коллекторе.
В холодильной установке FAL-056/7 механический фильтр
расположен в жидкостном трубопроводе на выходе из ресивера.
В латунном корпусе 1 (рис. 1.43) помещена сетчатая вставка 3, закрепленная пробкой 5 с уплотнительной прокладкой 4. Медные
трубопроводы крепятся двумя накидными гайками 2. Стрелка на
корпусе фильтра указывает направление потока хладагента.
Рис. 1.43. Механический фильтр: 1 – корпус; 2 – накидные гайки;
3 – вставка; 4 – уплотнительная прокладка; 5 – пробка
113
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Фильтр устанавливают у входа в капиллярную трубку для
предохранения ее от засорения твердыми частицами.
Фильтры изготавливают из мелких латунных сеток или металлокерамики. Металлокерамический фильтр состоит из бронзовых
шариков диаметром 0,3 мм, сплавленных в столбик конусообразной
формы, заключенный в металлический корпус. Капиллярную трубку
припаивают к металлокерамическому фильтру под углом 30°.
В большинстве холодильников фильтр смонтирован в одном корпусе с осушительным патроном. По краям корпуса расположены сетки, а между сетками – адсорбент. Попадание влаги в систему, заполненную хладоном и смазочным маслом, при воздействии высоких температур в компрессоре приводит к образованию минеральных и органических кислот. Эти кислоты разрушающе действуют на
детали компрессора, в первую очередь на электрическую изоляцию
встроенного электродвигателя. Капли свободной влаги замерзают в
капиллярной трубке и нарушают работу агрегата. Поэтому при изготовлении, монтаже и ремонте холодильные агрегаты (или отдельно узлы) тщательно очищают и осушают.
1.5.11. ĉÒÓð·ÂÌÚ˚
Для очистки рабочей среды хладоновых холодильных машин
от влаги и кислот применяют адсорбенты различных марок. Ими заполняют фильтры-осушители.
Эффективными поглотителями влаги являются синтетические
цеолиты МаА-2МШ и NаА-2КТ. Их выпускают в виде таблеток или
шариков размером 1,5...3,5 мм. По сравнению с минеральными адсорбентами (силикагелем, алюмогелем и др.) цеолиты хорошо поглощают воду из холодильного агента.
Преимущества цеолита по сравнению с силикагелем становятся еще значительнее при наличии масла в холодильном агенте.
Синтетический цеолит МаА-2МШ предназначен для заполнения осушительных патронов бытовых холодильников, работающих
на хладоне-12. Он активно адсорбирует следы воды и почти поглощает холодильные агенты и смазочные масла.
114
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1.5.12. éÒÛ¯ËÚÂθÌ˚È Ô‡ÚðÓÌ
Для поглощения влаги из хладагента и предохранения регулирующего устройства (капиллярной трубки) от замерзания в нем воды служит осушительный патрон. Корпус 2 (рис. 1.44,а) осушительного патрона состоит из металлической трубки длиной 105...135 мм
и диаметром 12...18 мм с вытянутыми концами, в отверстия которых
впаивают соответствующие трубопроводы холодильного агрегата.
Внутри корпуса патрона помещают 10...18 г адсорбента (синтетического цеолита). Адсорбенты имеют простую кристаллическую структуру. Мельчайшие поры соединены узкими каналами.
Благодаря такой структуре возникает избирательная адсорбция, т.е.
свойство молекулярного сита, когда в полости пор проникают лишь
те частицы, размер которых меньше диаметра каналов. Поэтому вся
активная поверхность и объем пор используются для удержания молекул воды и не засоряются прочими веществами с более крупными
молекулами (в частности хладоном и маслом).
а)
б)
Рис. 1.44. Фильтр–осушительный патрон: а – без металлокерамики;
б – с металлокерамикой
115
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Корпус осушительного патрона в зависимости от места установок его в агрегате изготавливают из стальных, медных или алюминиевых трубок. Адсорбент 3 помещают в корпус патрона между сетками 4
с обоймами 1, которые установлены на входе и выходе патрона. Если
осушительный патрон помещен в штампованном испарителе, корпусом осушителя служит коллектор испарителя, куда кладут адсорбент в
сетчатом чехле. Осушительные патроны с силикагелем обычно ставят
в холодильной зоне агрегата – испарителе. Осушительные патроны с
цеолитом устанавливают на стороне нагнетания перед входом в капиллярную трубку, т.е. там же, где находится фильтр. В этом случае осушительный патрон совмещают с фильтром (фильтр-осушитель).
Наряду с медной сеткой используют металлокерамику. Фильтр 7
(рис. 1.44,б) состоит из большого количества бронзовых шариков
диаметром 0,25 мм, которые в результате спекания образуют столбик конической формы. Между прилегающими друг к другу поверхностями шариков имеются мельчайшие зазоры, образующие
многочисленные лабиринты, которые, однако, не препятствуют
проходу жидкого хладагента. Для увеличения поверхности фильтра
в торце большого основания конуса имеется глухое отверстие.
Во входное отверстие корпуса 6 фильтра запаивают трубку 5
конденсатора, а в выходное – капиллярную трубку 8.
В холодильных агрегатах со стальным испарителем и конденсатором из медной трубки для предотвращения или устранения замерзания влаги в капиллярной трубке вместо осушительного патрона применяют метиловый спирт. В этом случае вода не устраняется
от системы агрегата, так как понижается температура ее замерзания.
Обычно в систему агрегата вводят 1–2 % (количества хладона) химически чистого метилового спирта. Его использование в агрегатах
с алюминиевым испарителем или конденсатором недопустимо, так
как взаимодействие спирта с алюминием приводит к разрушению и
выходу хладона из системы агрегата.
Все имеющиеся в холодильном агрегате соединения выполнены сваркой и пайкой твердыми припоями. Алюминиевые части соединяют аргонодуговой сваркой, медные – пайкой. Соединения
алюминиевых частей с медными трубопроводами осуществляют через переходные медно-алюминиевые трубки, предварительно сваренные встык на специальной электросварочной машине.
116
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1.5.13. à̉Ë͇ÚÓð ‚·ÊÌÓÒÚË
Перед тем как в холодильный агрегат залить хладон, проверяют его влажность. Для этого служит индикатор влажности, установленный на трубопроводе, подающем хладон к агрегату. Индикатор
влажности ИВ-7 состоит из латунного корпуса 1 (рис. 1.45) со смотровым стеклом 3, накидной гайкой 4 и чувствительного элемента 2
на капроновом стержне 5.
Рис. 1.45. Индикатор влажности
Чувствительным элементом служит фильтровальная бумага,
пропитанная 4 %-м раствором бромистого кобальта. Цвет бумаги
зависит от содержания воды в хладоне и от температуры, с повышением которой растворимость воды в хладоне увеличивается
(табл. 1.15).
Таблица 1.15
Определение влажности хладона, мг/кг
Температура, ºС
–20
–40
–55
–20
–40
Цвет бумаги
Зеленый
Синий
Голубой
Хладон-12
<5
5–15
–
<10
15–30
–
20
30–50
–
Хладон–22
–
<15
15–60
–
<30
30–200
117
Розовый
>15
>30
>50
>60
>200
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Растворимость воды в хладоне-22 значительно выше, чем в
хладоне-12, поэтому в хладоне-22 допускается более высокое ее содержание.
118
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ÉãÄÇÄ 2
èêàÅéêõ Ñãü ëéáÑÄçàü
åàäêéäãàåÄíÄ –
äéçÑàñàéçÖêõ
119
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2.1. ëïÖåÄ äéåèêÖëëàéççéÉé ñàäãÄ
éïãÄÜÑÖçàü
Кондиционе́р – это устройство для поддержания оптимальных
климатических условий в квартирах, домах, офисах, автомобилях, а
также для очистки воздуха в помещении от нежелательных частиц.
Кроме того, кондиционер обладает существенно большими возможностями, сложной конструкцией и многочисленными дополнительными опциями. Обработка воздуха предполагает придание ему
определенных кондиций, таких как температура и влажность, а также
его направление движения и подвижность (скорость движения). Остановимся на принципе работы и физических процессах, происходящих
в холодильной машине (кондиционере). Охлаждение в кондиционере
обеспечивается непрерывной циркуляцией, кипением и конденсацией
хладагента в замкнутой системе. Кипение хладагента происходит при
низком давлении и низкой температуре, а конденсация – при высоком
давлении и высокой температуре. Принципиальная схема компрессионного цикла охлаждения показана на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Схема компрессионного цикла охлаждения
Охлаждение в кондиционерах производится за счет поглощения тепла при кипении жидкости. Когда мы говорим о кипящей
120
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
жидкости, мы, естественно, думаем, что она горячая. Однако это не
совсем верно.
Во-первых, температура кипения жидкости зависит от давления окружающей среды. Чем выше давление, тем выше температура
кипения, и наоборот: чем ниже давление, тем ниже температура кипения. При нормальном атмосферном давлении, равном 760 мм рт.ст.
(1 атм), вода кипит при +100 °С, но если давление пониженное, как
например в горах на высоте 7000...8000 м, вода начнет кипеть уже
при температуре +40...60 °С.
Во-вторых, при одинаковых условиях разные жидкости имеют
различные температуры кипения.
Например, фреон R22, широко используемый в холодильной
технике, при нормальном атмосферном давлении имеет температуру кипения минус 4, 8 °С.
Если жидкий фреон находится в открытом сосуде, т.е. при атмосферном давлении и температуре окружающей среды, то он немедленно вскипает, поглощая при этом большое количество тепла
из окружающей среды или любого материала, с которым находится
в контакте. В холодильной машине фреон кипит не в открытом сосуде, а в специальном теплообменнике, называемом испарителем.
При этом кипящий в трубках испарителя фреон активно поглощает
тепло от воздушного потока, омывающего наружную, как правило,
оребренную поверхность трубок.
Рассмотрим процесс конденсации паров жидкости на примере
R22. Температура конденсации паров фреона так же, как и температура кипения, зависит от давления окружающей среды. Чем выше
давление, тем выше температура конденсации. Так, например, конденсация паров фреона R22 при давлении 23 атм начинается уже
при температуре +55 °С. Процесс конденсации фреоновых паров, как
и любой другой жидкости, сопровождается выделением большого количества тепла в окружающую среду или, применительно к холодильной машине, передачей этого тепла потоку воздуха или жидкости в
специальном теплообменнике, называемом конденсатором.
Естественно, чтобы процесс кипения фреона в испарителе и
охлаждения воздуха, а также процесс конденсации и отвода тепла в
конденсаторе были непрерывными, необходимо постоянно «подливать» в испаритель жидкий фреон, а в конденсатор постоянно подавать пары фреона. Такой непрерывный процесс (цикл) осуществляется в холодильной машине.
121
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Наиболее обширный класс холодильных машин базируется на
компрессионном цикле охлаждения, основными конструктивными
элементами которого являются компрессор, испаритель, конденсатор и регулятор потока (капиллярная трубка), соединенные трубопроводами и представляющие собой замкнутую систему, в которой
циркуляцию хладагента (фреона) осуществляет компрессор. Кроме
обеспечения циркуляции, компрессор поддерживает в конденсаторе
(на линии нагнетания) высокое давление порядка 20...23 атм.
Начнем рассмотрение работы цикла с выхода испарителя (участок 1–1 на рис. 2.1). Здесь хладагент находится в парообразном состоянии с низким давлением и температурой.
Парообразный хладагент всасывается компрессором, который
повышает его давление до 15...25 атм и температуру до +70...90 °С
(участок 2–2).
Далее в конденсаторе горячий парообразный хладагент охлаждается и конденсируется, т.е. переходит в жидкую фазу. Конденсатор может быть либо с воздушным, либо с водяным охлаждением в
зависимости от типа холодильной системы.
На выходе из конденсатора (точка 3) 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. Переохлаждение в конденсаторах с воздушным охлаждением
обычно составляет примерно +4...7 °С.
При этом температура конденсации примерно на 10...20 °С
выше температуры атмосферного воздуха.
Затем хладагент в жидкой фазе при высокой температуре и
давлении поступает в регулятор потока, где давление смеси резко
уменьшается, часть жидкости при этом может испариться, переходя
в парообразную фазу. Таким образом, в испаритель попадает смесь
пара и жидкости (точка 4).
Жидкость кипит в испарителе, отбирая тепло от окружающего
воздуха, 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 испари-
122
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
теле. В этом случае даже самые маленькие капельки хладагента испаряются и в компрессор не попадает жидкость. Следует отметить,
что в случае попадания жидкого хладагента в компрессор, так называемого «гидравлического удара», возможны повреждения и поломки клапанов и других деталей компрессора.
Перегретый пар выходит из испарителя (точка 1), 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 из регулятора потока (из капиллярной трубки) 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 типов компрессионных
холодильных машин, принципиальная схема цикла в них практически одинакова.
2.2. ÇàÑõ äéçÑàñàéçÖêéÇ
Кондиционер воздуха, работающий на наружном воздухе,
называется прямоточным; на внутреннем воздухе – рециркуляционным; на смеси наружного и внутреннего воздуха – кондиционером с
рециркуляцией.
По использованию кондиционеры имеют следующие разновидности:
1. Мобильные – кондиционеры, не требующие монтажа; для
использования достаточно вывести гибкий шланг из помещения для
123
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
отвода теплого воздуха. Конденсат обычно скапливается в поддоне
в нижней части мобильного кондиционера.
2. Оконные – состоящие из одного блока; монтируются в окне,
стене и т.д. Недостатки – высокий уровень шума, уменьшение инсоляции помещения из-за сокращения площади оконного проема.
Преимущества – дешевизна, легкость монтажа и последующего обслуживания, отсутствие разъемных соединений во фреоновой магистрали и, как следствие, нет утечки фреона, максимально возможный КПД, длительный срок службы.
3. Сплит-системы (от англ. split – расщепление) – состоят из
двух блоков, внутреннего и наружного размещения, соединенных
между собой трассой фреонопровода (обычно используются медные
трубки). Наружный блок содержит (подобно холодильнику) компрессор, конденсатор, дроссель и вентилятор; внутренний блок –
испаритель и вентилятор. Различаются по типу исполненния внутреннего блока: настенный, канальный, кассетный, напольноподпотолочный (универсальный тип), колонный и др.
4. Мульти-сплит системы – состоят из наружного блока и нескольких, чаще двух, внутренних блоков, связанных между собой
трассой фреонопровода. Как и обычные мульти-системы, сплит различаются по типу исполнения внутренних блоков.
5. Системы с изменяемым расходом хладагента (VRF, VRV
и т.д.) – состоят из одного наружного блока (при необходимости
увеличения общей мощности могут использоваться комбинации
наружных блоков) и из некоторого количества внутренних блоков.
Особенность систем состоит в том, что наружный блок меняет свою
холодопроизводительность (мощность) в зависимости от потребностей внутренних блоков по данной мощности.
2.3. ìëíêéâëíÇé äéçÑàñàéçÖêÄ
Рассмотрим узлы любого местного автономного кондиционера
(как и любой холодильной машины).
Компрессор сжимает рабочую среду – хладагент (как правило,
фреон) и поддерживает его движение по холодильному контуру.
124
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Конденсатор – радиатор, расположенный во внешнем блоке.
Название отражает процесс, происходящий при работе кондиционера – переход фреона из газообразной фазы в жидкую (конденсация).
Для высокой эффективности и длительной эксплуатации преимущественно изготавливается из меди и алюминия.
Испаритель – радиатор, расположенный во внутреннем блоке.
В испарителе фреон переходит из жидкой фазы в газообразную (испарение). Также в основном изготавливается из меди и алюминия.
ТРВ (терморегулирующий вентиль) – трубопроводный
дроссель, который понижает давление фреона перед испарителем.
Вентиляторы создают поток воздуха, обдувающего испаритель и конденсатор. Используются для более интенсивного теплообмена с окружающим воздухом.
Общая схема работы кондиционера представлена на рис. 2.2.
2
1
3
4
Рис. 2.2. Схема работы кондиционера:
1 – конденсатор; 2 – терморегулирующий вентиль;
3 – испаритель; 4 – компрессор
2.4. çÖàëèêÄÇçéëíà
Одна из наиболее серьезных неисправностей связана с устройством кондиционера и возникает в том случае, если в испарителе
фреон не успевает полностью перейти в газообразное состояние.
В этом случае на вход компрессора попадает жидкость, которая, в
отличие от газа, несжимаема. В результате компрессор просто выходит из строя. Причин, по которым фреон не успевает испариться,
может быть несколько, но самые распространенные вызваны непра-
125
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
вильной эксплуатацией плохо спроектированного кондиционера.
Во-первых, причиной неисправности могут стать загрязненные
фильтры (при этом ухудшается обдув испарителя и теплообмен), вовторых – включение кондиционера при отрицательных температурах наружного воздуха. При отрицательных температурах (ниже
−10 °C) существует реальная угроза попадания жидкого фреона
в полость компрессора, что приводит к его поломке. В современных
кондиционерах устанавливают дополнительные датчики, емкости,
исключающие попадание жидкого фреона на вход компрессора. В
таких системах наиболее вероятной поломкой становится отказ одного из датчиков, что, впрочем, оставляет холодильную систему
жизнеспособной. В бытовых оконных кондиционерах БК-1500, БК2500 производства СССР (Бакинский завод) для устранения данного
явления применялся докипатель.
Утечка хладагента также может повлечь за собой неправильную/неэффективную работу кондиционера. В основном причиной
утечки является выполненный с нарушениями монтаж фреоновой
магистрали, например, некачественная развальцовка трубок. Со
временем наиболее заметным внешним проявлением утечки, кроме
снижения производительности, является обмерзание жидкостного
вентиля (сторона высокого давления) на внешнем блоке сплитсистемы, что обусловливается понижением давления хладагента, которое в норме для кондиционеров, работающих на хладагенте R22,
составляет 105 Па, вследствие чего жидкий хладагент начинает испаряться в самой трубке нагнетания, не доходя до испарителя (радиатор внутреннего блока). Однако обмерзание может наблюдаться
и по другим причинам.
Наличие воздуха и влаги в контуре со временем может привести к выходу из строя компрессора, закупориванию капилляра ледяными пробками. Причиной попадания воздуха в контур также является некачественный монтаж сплит-системы. При правильном
монтаже после сборки контура производится его вакуумирование в
течение определенного времени (зависит от объема контура и для
бытовых систем обычно составляет от 20 минут до 1 часа) специальным вакуумным насосом с целью удаления воздуха и испарения
влаги, присутствующей в контуре.
126
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ÉãÄÇÄ 3
èêàÅéêõ
ùãÖäíêéÇéÑéçÄÉêÖÇÄ
127
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3.1. äãÄëëàîàäÄñàü à èêàçñàèõ êÄÅéíõ
ùãÖäíêéÇéÑéçÄÉêÖÇÄíÖãÖâ
Потребность в получении небольших количеств (2…3 л) горячей воды преимущественно для приготовления пищи и напитков
удовлетворяется за счет применения разнообразных электроприборов: электрочайников, электрокофеварок, электросамоваров, погружных электрокипятильников и др.
Горячее водоснабжение крупных общественных зданий и многоквартирных домов осуществляется присоединением к теплоцентрали или котельным различных приборов водонагрева. Где это невыгодно (небольшие города, сельская местность и т.д.), потребность
в горячей воде может быть удовлетворена путем установки приборов децентрализованного нагрева, например газовых, дровяных колонок, а также приборов с электрическим нагревом. Преимуществами электроприборов являются возможность полной автоматизации управления приборами, в том числе получения воды заданной
температуры с помощью автоматических смесителей, простота и
безопасность обслуживания.
Приборы электроводонагрева подразделяют на три основные
группы:
1. Переносные приборы для нагрева и кипячения небольших
количеств воды (электрочайники, электросамовары, электрокофеварки, погружные кипятильники и др.). Емкость таких приборов
1…3 л, мощность 0,3...2 кВт.
2. Проточные электроводонагреватели – стационарные приборы для конвективного нагрева протекающей через них воды.
3. Емкостные электроводонагреватели – стационарные приборы для нагрева и разового использования или хранения горячей
воды. В зависимости от назначения прибора объем рабочего бака
колеблется в пределах от 5 до 300 л.
Все электроводонагреватели делятся:
1) по физическому принципу преобразования электрической
энергии в тепловую:
128
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
– ТЭНы;
– электродные;
– индукционные.
2) по степени автоматизации:
– полностью автоматизированные;
– частично автоматизированные.
Емкостные электроводонагреватели делятся на следующие
группы:
по эксплуатационным характеристикам:
– теплоаккумулирующие (имеют сосуд с усиленной теплоизоляцией, обеспечивающей долгое хранение нагретой воды);
– нетеплоаккумулирующие (отсутствует теплоизоляция или
применяется очень слабая теплоизоляция);
– электроводонагреватели с переменным количеством нагретой воды;
по способу нагрева:
– «чистые» электроводонагреватели (в которых используется
только электрический способ нагрева);
– комбинированного типа (в помощь или взамен электронагрева может использоваться избыточная теплота, получаемая от
местной системы отопления дома или от кухонных электроплит);
по способу установки:
– вертикальные;
– горизонтальные;
– настенные (обычно емкостью до 100 л);
– напольные (свыше 100 л);
по отношению к водораспределительной сети:
– закрытый водонагреватель;
– водонагреватель с подпиткой;
– водонагреватель со свободным сливом;
– открытый водонагреватель;
– водонагреватель с внутренней подпиткой;
проточные электроводонагреватели выпускают:
– без внутреннего давления (переливного типа);
– под давлением;
– с аккумуляцией (емкостные) теплоты;
– без аккумуляции теплоты;
129
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
по способу управления:
– термическое управление (с помощью терморегулятора);
– гидравлическое (при проточном режиме) управление (дифференциальным регулятором давления).
3.2. èêéíéóçõÖ ùãÖäíêéÇéÑéçÄÉêÖÇÄíÖãà
Проточные электроводонагреватели выпускают без внутреннего давления (переливного типа), под давлением, с аккумуляцией
(емкостные) или без аккумуляции теплоты. Электроводонагреватели под давлением могут иметь один-два нагревательных контура,
одну или несколько точек разбора горячей воды.
Мощность проточных электроводонагревателей зависит от их
назначения. Кухонные электроводонагреватели – приборы малой
мощности (2...6 кВт). Проточные электроводонагреватели для ванн и
душа имеют, как правило, большую мощность (12...33 кВт). Проточные электроводонагреватели без давления и аккумуляции теплоты
имеют запорный вентиль на линии подачи холодной воды, который
регулирует ее расход и температуру. Здесь принято гидравлическое
регулирование температуры воды, при котором последняя находится
в обратной зависимости от количества поступающей воды.
Проточные электроводонагреватели без давления, с аккумуляцией тепла отличаются от прибора, описанного выше, постоянным
запасом горячей воды во внутреннем баке с теплоизоляцией. Температура воды устанавливается терморегулятором. Для подмешивания холодной воды прибор комплектуется смесителем – ручным
или термостатическим.
Проточные электроводонагреватели с давлением, без аккумуляции тепла, с одним контуром имеют одну-две точки разбора теплой воды, на которых установлены запорные краны. Регулирование
температуры воды – гидравлическое. Приборы комплектуются, как
правило, термоограничителем, регулятором или ограничителем количества протекающей воды. При полностью открытых запорных
130
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
вентилях этот прибор стабильно поддерживает постоянное количество протекающей воды, несмотря на колебания давления. От «сухого хода» водонагреватель предохраняет термоограничитель. Мощность электроводонагревателей этого типа в пределах 12...24 кВт.
Проточные электроводонагреватели с давлением, с аккумуляцией тепла, с одним контуром имеют предохранительный клапан
терморегулятора, а также термоограничитель – на случай выхода из
строя терморегулятора и «сухого хода». Емкость теплообменника
(рабочего бака) от 2,5 до 10 л.
Проточные двухконтурные электроводонагреватели с давлением без аккумуляции тепла обычно предполагают совместную работу в одном корпусе двух последовательно соединенных теплообменников. Управление – гидравлическое. На случай недопустимого
повышения температуры в каждом из них установлен термоограничитель. Схема соединения нагревателей позволяет получать несколько ступеней мощности для приготовления разных количеств
горячей воды. Мощности контуров относятся как 1:2 или 2:3,
например 9:18 Вт или 8:12 кВт. Это вызвано тем, что для душа,
умывальника достаточна меньшая мощность первого контура, а для
ванн включается более мощный второй контур.
Проточные двухконтурные электроводонагреватели с давлением и аккумуляцией теплоты имеют также два нагревательных
контура, которые находятся в одной сравнительно большой емкости
5,8 или 15 л. Нагреватели первого контура имеют малую мощность
(до 5 кВт).
Нагреватели второго контура значительно более мощны –
15...21 кВт.
Регулирование температуры воды либо термическое (с помощью терморегулятора), либо (при проточном режиме) гидравлическое (с дифференциальным регулятором давлений). В целях исключения аварий прибор снабжен термоограничителем, а также предохранительным клапаном, а для емкостей больше 10 л – обратным
клапаном.
Рассмотрим более подробно особенности конструкций некоторых наиболее часто встречающихся проточных электроводонагревателей.
131
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Мощные проточные электроводонагреватели высокого давления (до 24 кВт) отличаются относительно низкой стоимостью и малыми габаритами. Объем теплообменника не превышает 1 л.
В дополнение к обычным гидравлическим управляющим приборам
устанавливается термоограничитель, который при перегреве текущей воды выключает всю или часть мощности.
Например, в конструкции на рис. 3.1 поток холодной воды
воздействует на мембранный дифференциальный регулятор давления и приводит в действие электрический выключатель. При протекании воды ток включается, при закрывании вентиля – прерывается.
Температура воды не должна превышать 95 °С, чтобы исключить парообразование при высоких мощностях и малых подачах текущей воды. Предусматривается ступенчатое регулирование мощности в зависимости от подачи воды. Например, при мощности
18 кВт приняты ступени 9 и 18 кВт, при незначительной подаче
(3...3,5 л/мин) включается часть мощности (9 кВт), а включение
полной мощности (18 кВт) наступает при подаче 5...5,5 л/мин.
Рис. 3.1. Проточный электроводонагреватель с гидравлическим управлением:
1 –корпус: 2 – задняя стенка; 3 – дифференциальный регулятор давлений;
4 – ввод холодной воды в теплообменник; 5 – патрубок; 6 – выводы; 7 – муфта
соединения с водопроводом; 8 – вентиль; 9 – сигнальная лампа; 10 – вывод
теплой воды потребителю; 11–термоограничитель; 12 – защитная труба датчика
термоограничителя; 13 – ТЭН; 14 – труба с теплой водой
132
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для проточных электроводонагревателей мощностью менее
12 кВт ступенчатое регулирование мощности нецелесообразно, так
как нет опасности перегрева.
Проточный электроводонагреватель с термическим управлением работает в синусоидальном режиме: при перегреве после выключения терморегулятором нагревателей температура воды понижается, и омываемый более холодной водой датчик терморегулятора опять включает нагреватель. Далее цикл повторяется. Благодаря
тому, что у прибора с термическим управлением в баке запасена горячая вода (2...5 л), он сразу же после открытия клапана подает горячую воду; прибору с гидравлическим управлением требуется для
этого больше времени, так как ток включается лишь при движении
воды. Преимущество этой группы электроводонагревателей заключается и в том, что их работа не зависит от температуры и давления
гидравлической сети. Из-за большой мощности приборов они комплектуются термоограничителем и предохранительным клапаном.
Конструктивное решение, при котором датчик термоограничителя
располагается наверху и обнажается при уменьшении притока воды,
ведет к быстрому выключению цепи управления.
На рис. 3.2 показан теплоаккумуляционный проточный электроводонагреватель высокого давлениях емкостью 15 л. Нагрев ведется тремя ТЭНами одинаковой мощности (соответственно 6 и 7
кВт), соединенными в два электрических контура. Первый (основной) контур (мощностью соответственно 3 и 3,5 кВт) получается
при последовательном соединении двух ТЭНов, а полная мощность
(второй контур) – при включении всех нагревателей. При разборе
запасенной в аккумуляторе горячей воды в объемах до 10 л догрев
поступившей в емкость холодной воды производится основной
мощностью. При разборе горячей воды в количестве более 10 л или
при работе водонагревателя в проточном режиме нагрев воды ведется уже всей мощностью (вторым контуром 18 или 21 кВт).
Включение всей мощности осуществляется автоматически с помощью
вмонтированного контактного регулятора: для всей мощности –
70 °С, а для основной – 85 °С. Таким образом, после окончания работы в режиме проточного водонагревателя объем аккумулированной воды имеет температуру 70 °С. Преимущество такой схемы заключается в том, что большая мощность включается на сравнительно ограниченное время (лишь для приема ванны или двух душей
133
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
один за другим). Запас горячей воды обеспечивает большинство хозяйственных операций и ускоряет наполнение ванны. На входе холодной воды установлены обратный и предохранительный клапаны.
Предохранительный термоограничитель срабатывает при превышении температуры воды более 95 °С, отключая все нагревательные
элементы.
Рис. 3.2. Проточный электроводонагреватель с термическим управлением:
1 – кожух; 2 – рабочий бак; 3 – сливная труба; 4 – защитная труба
терморегулятора; 5,6 – ТЭН; 7 – защитная труба термоограничителя;
8 – теплоизоляция; 9 – патрубок холодной воды; 10 – труба опорожнения бака;
11 – патрубок горячей воды; 12 – терморегулятор
3.3. èêàÅéêõ Ñãü çÄÉêÖÇÄ
åÄãéÉé äéãàóÖëíÇÄ ÇéÑõ
Погружные электрокипятильники – вспомогательные приборы для быстрого разогрева и кипячения в разнообразной посуде
относительно небольших количеств воды. Они легки и удобны, просты и дешевы, и поэтому область их применения очень широкая.
134
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Погружные электрокипятильники имеют трубчатые нагревательные элементы, как правило, спиральной формы.
В качестве материала оболочки нагревателя применяются
медь, латунь, сталь и алюминий. В целях защиты от коррозии ТЭН
хромируется или никелируется. Изготовление ТЭНа ведется по
обычной промышленной технологии с применением в качестве изоляционной массы периклаза.
ГОСТ предусматривает изготовление электрокипятильников
следующих типов: малого габарита (ЭПМ), основного габарита
(ЭПО), основного габарита с термовыключателем (ЭПОТ). Номинальное напряжение электрокипятильников 220 В. Параметры кипятильников приведены в табл. 3.1.
Таблица 3.1
Параметры погружных электрокипятильников
Тип
ЭПМ
ЭПО
ЭПОТ
Номинальная
мощность, Вт
0,3
0,5
0,7
1,0
1,2
1,6
2,0
Объем воды
в сосуде, л
0,25
0,5
1,5
3,0
4,0
5,0
7,0
Время нагрева воды от 20
до 95 °С, мин
6
10
20
20
20
25
30
Электрокувшины, электрочайники, электросамовары –
это дополнительные настольные переносные приборы для быстрого
приготовления небольших количеств горячей и кипяченой воды.
Благодаря относительно большой мощности и высокому КПД использование этих приборов значительно более экономично и удобно, чем приготовление горячей воды и напитков на электроплитах.
Основные узлы этих приборов следующие: корпус, в котором
находится нагреваемая вода или напиток, нагревательный элемент,
подставка, термоограничитель или терморегулятор, сигнальная
лампочка или свисток. Электрокувшины распространены преимущественно в Германии, Болгарии, электрочайники – в России, Англии, электросамовары – национальный русский прибор.
135
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Электрочайники. Внутренняя поверхность электрочайников
(рис. 3.3) выполняется из медных сплавов и покрывается оловом
марки не ниже 02 по ГОСТ 860−75 (толщина слоя олова не менее
6 мкм). Наружная поверхность электрочайников изготавливается из
алюминия и полируется.
Рис. 3.3. Электрочайник: 1 – ручка; 2 – электрический разъем; 3 – ножка;
4 – ТЭН; 5 – носик; 6 – корпус; 7 – крышка
Нагревательные элементы – преимущественно съемные ТЭНы –
находятся в рабочем объеме. В некоторых странах (Англия, Голландия и др.) применяют плоские нагреватели на ликатиновой или
слюдяной основе, которые прижимаются к плоскому днищу (как у
электрокувшинов). В этом случае нагреватель, терморегулятор, соединительные провода, штекер, а в некоторых конструкциях и сигнальная лампочка закрыты декоративным дном. В этих конструкциях применяется съемный соединительный шнур. Форма и конструкция электрочайников должны обеспечивать слив воды через носик;
при этом крышка не должна выпадать из горловины. Для сигнализации о времени закипания некоторые конструкции электрочайников снабжены съемным свистком или специальным устройством,
которое при «сухом ходе» «выстреливает» розетку съемного шнура
из штекера, отключая ток.
Электросамовары. Электросамовары имеют традиционную,
весьма сложную в изготовлении форму (рис. 3.4). Корпус выполняют из медных сплавов и покрывают оловом. Он закреплен на основании, внутри которого выполнен монтаж выводных концов ТЭНа и
контактных штырей для подсоединения розетки съемного соединительного шнура.
136
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.4. Электросамовар: 1 – корпус; 2 – ТЭН; 3 – краник;
4 – корпус выводов ТЭНа; 5 – электроразъем
Типы и основные параметры электрочайников и электросамоваров приведены в табл. 3.2.
Таблица 3.2
Типоразмеры нагревательных приборов
Обозначение
Наименование
ВЧ
Электрочайник
ВС
Электросамовар
Номинальная
емкость, л
1,0
1,6
2,0
2,5
2,0
2,5
3,0
4,0
Номинальная
мощность, кВт
0,63
0,8
1,0
1,25
0,8
1,0
1,25
1,6
Электрочайники и электросамовары должны удовлетворять
следующим техническим требованиям. Время закипания воды в
приборах емкостью 1 л составляет не более 10 мин, а при емкости
свыше 1 л – не более 17 мин, КПД – не менее 85 %. При мощности
1,25 кВт и более необходим термоограничитель, отключающий
прибор при выкипании воды. Конструкция термоограничителя допускает повторное включение электроприбора в сеть лишь при его
охлаждении и при наличии в нем воды. Конструкции электрочайников и электросамоваров должны обеспечивать выход пара, а места
соединения соединительного шнура должны быть защищены от попадания воды.
137
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3.4. ÖåäéëíçõÖ ùãÖäíêéÇéÑéçÄÉêÖÇÄíÖãà
Емкостные стационарные электроводонагреватели подразделяют на несколько групп и подгрупп в зависимости от выбора критерия классификации.
По эксплуатационным характеристикам можно выделить две
основные группы: теплоаккумулирующие и нетеплоаккумулирующие.
Теплоаккумулирующий водонагреватель имеет сосуд с
усиленной теплоизоляцией, обеспечивающей долгое хранение
нагретой воды, и устройство для регулирования или ограничения
температуры воды. Емкость его обычно зависит от дневной потребности в горячей воде с температурой около 85 °С (10...150 л).
Нетеплоаккумулирующий водонагреватель отличается от
теплоаккумулирующего отсутствием теплоизоляции сосуда или
применением очень слабой теплоизоляции. Емкость его определяется потребностью в горячей воде для однократного применения.
Емкостные электроводонагреватели различаются по следующим признакам:
1) по способу установки – вертикальные, горизонтальные,
настенные и напольные. Водонагреватели емкостью до 100 л –
настенные, свыше 100 л – напольные (могут быть встроены в мебель);
2) по отношению к водораспределительной сети:
 закрытый водонагреватель – функционирует под давлением
воды в водопроводе. Расход воды регулируется одним или несколькими вентилями в системе слива. Это позволяет обслуживать одним
прибором несколько точек разбора. Прибор присоединяется к водопроводной сети через специальную защитно-регулировочную арматуру (рис. 3.5,а);
 водонагреватель с подпиткой – это прибор, питаемый от резервуара, в котором уровень воды регулируется одним или несколькими вентилями в системе слива. Расход воды также регулируется
этими вентилями, что позволяет питать одну или несколько точек
разбора. Водонагреватель сообщается с атмосферой с помощью
вентиляционного отверстия, излишек воды возвращается снова в
питающий резервуар (рис. 3.5,б);
138
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
 водонагреватель со свободным сливом (рис. 3.5,в), в котором расход воды регулируется вентилем, находящимся в линии подачи воды из водопровода. В системе слива расход воды не регулируется, слив обеспечивается через трубу, на которой нет вентиля.
Водонагреватели со свободным сливом иногда называют водонагревателями переливного типа или низкого давления. Для этого
сливная труба своим верхним срезом доводится до верха бака, чем
обеспечивает непрерывный и беспрепятственный слив излишков
воды при ее нагреве и расширении. Водонагреватели этого типа могут обслуживать только одну точку разбора воды;
 водонагреватель открытый (рис. 3.5,г), у которого давление
над поверхностью воды при всех условиях эксплуатации равно атмосферному. При присоединении прибора к водопроводной сети
устанавливают специальный патрубок для сообщения с атмосферой;
 водонагреватель с внутренней подпиткой (рис. 3.5,д) – имеет внутри прибора специальный питающий бачок;
 электроводонагреватель с открытым сливом.
а)
б)
в)
г)
д)
Рис. 3.5. Схемы емкостных электроводонагревателей
Электроводонагреватель с открытым сливом является одной из
распространенных разновидностей класса емкостных водонагревателей. Нагрев воды производится нагревательными элементами, установленными обычно внизу рабочего бака, путем естественной конвекции. Для регулирования температуры применяют обычно терморегуляторы. Холодная вода поступает из водопроводной сети через патрубок ввода холодной воды, привариваемый заподлицо к внутренней
139
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
поверхности нижнего днища, что позволяет полностью опорожнить
бак при техосмотрах. Над патрубком крепится специальный дефлектор, препятствующий перемешиванию холодной воды с находящейся
в нем нагретой водой. Поступающая снизу в бак холодная вода выталкивает вверх горячую воду, которая отводится затем к смесителю.
Благодаря разнице в удельном весе холодной и горячей воды перемешивание на границе этих слоев наблюдается в незначительной мере,
поэтому можно практически полностью слить горячую воду.
На рис. 3.6 показан теплоаккумулирующий электроводонагреватель с открытым сливом вертикального исполнения. Цилиндрический бак выполнен из листовой красной меди толщиной 3 мм. Два
штампованных днища привариваются к обечайке бака. В нижнем
днище имеется отверстие, закрываемое фланцем, в котором закрепляются нагревательный элемент и терморегулятор. Съемный фланец
облегчает монтаж и демонтаж электроводонагревателя при сборке и
ремонте, а отверстие служит также для периодического удаления
накипи с внутренней поверхности стенок бака.
Рис. 3.6. Емкостный теплоаккумулирующий электроводонагреватель
емкостью 80 л: 1 – крышка; 2 – днище; 3 – кожух; 4 – рабочий бак; 5 – сливная
труба; 6 – теплоизоляция; 7 – терморегулятор; 8 – нагревательный элемент;
9 – ввод холодной воды; 10 – фланец; 11 – смеситель
Нагревательный элемент мощностью 1 кВт представляет собой открытую спираль из нихромовой проволоки, намотанную на
140
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
керамическое основание. Спираль закрыта латунной трубкой толщиной 2 мм. В такой же трубке меньшего диаметра, завальцованной
во фланец, размещен дилатометрический терморегулятор. Для
предотвращения включения электроводонагревателя без воды между оболочками нагревательного элемента и терморегулятора установлена теплопроводящая медная перемычка.
Конструкция обеспечивает сообщение бака с атмосферой через водосливную трубку и сливной патрубок. Таким образом, бак
электронагревателя защищен от избыточного давления, которое
может возникнуть при закипании воды в баке в случае аварийного
закипания контактов термоограничителя. Излишки воды при ее
нагреве стекают через сливной патрубок в ванну, раковину.
Вентиль-смеситель имеет две рукоятки: холодной и горячей
воды. При повороте вентиля горячей воды холодная вода из водопровода через смеситель и наливную трубу подается в бак, а вытесненная ею горячая вода – через водосливную трубу к потребителю.
Вентиль холодной воды открывается для подмешивания холодной
воды к горячей или когда нужна только холодная вода.
Наружный, несущий кожух водонагревателя выполнен из холоднокатаной листовой стали толщиной 1,2 мм и состоит из цилиндрического корпуса и двух штампованных крышек. Между стенками рабочего бака и кожуха проложена теплоизоляция (стекловолокно) толщиной до 60 мм.
На рис. 3.7 показан типичный график работы теплоаккумулирующего электроводонагревателя, включающий все его режимы:
разогрев, поддержание температуры воды на заданном уровне с помощью термоограничителя, остывание (при включенном нагревательном элементе). Как видно, разогрев воды осуществляется менее
чем за 7 ч при сравнительно небольшом расходе электроэнергии
(КПД разогрева равен 96,3 %). Режим поддержания температуры
воды на заданном уровне (80 °С) характеризуется большими интервалами между отключениями и включением термограничителя, составляющими около 7 ч; режим остывания – малыми теплопотерями
после отключения водонагревателя от электросети (скорость остывания vост = 0,75 °С/ч и время остывания в баке от 80 до 40 °С составляет 54,5 ч). Прибор имеет высокий КПД, равный 97,6 %, в режиме поддержания температуры на заданном уровне.
141
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Типовая схема присоединения электроводонагревателей с открытым сливом к водопроводу показана на рис. 3.8. Выход горячей
воды, включая слив ее избытка, получаемого при нагреве, осуществляется свободно. Подача холодной воды в бак, определяющая
расход горячей воды, наоборот, регулируется весьма тщательно и
многократно. На линии подачи холодной воды установлены запорный вентиль, обратный клапан и кран, регулирующий расход горячей воды, или вентиль-смеситель. Обратный клапан необходим для
предупреждения аварии, возможной при падении давления в водопроводе. Конструкция вентиля-смесителя обеспечивает постоянное,
не зависимое от положения вентилей холодной и горячей воды соединение сливной трубы со сливом смесителя, тем самым создаются
условия для свободного слива избыточной горячей воды и предотвращения повышения давления в рабочем баке.
Рис. 3.7. График режима работы теплоаккумулирующего
электроводонагревателя
Холодная вода
Рис. 3.8. Типовая схема присоединения к водопроводу электроводонагревателей
с открытым сливом: 1 – кран подвода холодной воды; 2 – обратный клапан;
3 – запорный вентиль; 4 – свободный слив излишков горячей воды
(через смеситель)
142
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Конструкции закрытых электроводонагревателей (рис. 3.9)
аналогичны конструкциям водонагревателей со свободным сливом.
Однако прочность рабочего бака должна быть повышенной из-за
постоянного давления водопроводной сети, которое может достигнуть 6...8 · 105 Па, а при нагреве к этому давлению добавляется давление от расширения воды. В отличие от водонагревателя со свободным сливом в закрытых водонагревателях подача холодной воды в рабочий бак из водопроводной сети идет напрямую, а регулирование расхода горячей воды находится на линии слива, на ней
устанавливается вентиль горячей воды. При сливе горячей воды в
бак из водопровода поступает такое же количество холодной воды,
давление в баке ограничивается редукционным клапаном, компенсирующим «скачки» давления в водопроводной сети. Закрытые водонагреватели снабжаются термоограничителем, установка которого значительно выше, чем у терморегулятора (на 100...105 °С). Термоограничителъ срабатывает только при аварии терморегулятора
(залипании контактов и др.), отключая нагревательные элементы.
В канализацию
Рис. 3.9. Типовая схема присоединения закрытого электроводонагревателя:
1 – корпус; 2 – патрубок холодной воды; 3 – предохранительный клапан;
4 – испытательный штуцер; 5 – обратный клапан; 6 – редукционный клапан;
7 – запорный вентиль; 8 – вливная труба; 9 – смеситель
Основное преимущество закрытого электроводонагревателя
состоит в возможности питания горячей водой нескольких точек
разбора, причем все краны в точках разбора могут действовать
независимо друг от друга. Емкость бака (как и в любом другом емкостном приборе) лимитирует расход горячей воды.
143
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для закрытых электроводонагревателей рекомендуется обязательная установка следующих предохранительных устройств: запорного вентиля, закрывающего доступ воды в прибор, редукционного клапана (при давлении в сети больше 5 · 105 Па), обратного
клапана у приборов объемом свыше 10 л, добавочного запорного
вентиля для приборов с объемом свыше 120 л, манометра у мембранного предохранительного клапана, который в случае недопустимого избыточного давления в рабочем баке уменьшает избыточное давление, спуская излишек воды (до 4 % ее объема при каждом
нагреве) через специальную воронку в канализацию.
3.5. éèàëÄçàÖ çÖäéíéêõï åéÑÖãÖâ
ùãÖäíêéÇéÑéçÄÉêÖÇÄíÖãÖâ
à àï ìëíÄçéÇäÄ
Установка водонагревателей на месте эксплуатации и подвод
питания должны выполняться специализированной организацией
или специалистом, имеющим разрешение на проведение работ по
монтажу электрического оборудования с соблюдением требований
безопасности. При нарушении инструкции по установке и эксплуатации водонагревателя прибор гарантийному обслуживанию не подлежит, а фирма-производитель никакой ответственности не несет.
Внимание! Не допускается эксплуатация водонагревателя при
температуре в доме ниже 0 °С.
Водонагреватель проточного типа «Polaris Gamma-5»
(220 В ... 5 кВт) предназначен для быстрого нагрева холодной воды в
жилых и бытовых помещениях при наличии холодного водоснабжения.
Технические характеристики водонагревателя «Polaris
Gamma-5»:
Напряжение питающей сети, В ... 220.
Величина потребляемого тока, А ... 25.
Род тока – переменный.
144
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Мощность потребляемая, кВт, не более ... 5.
Расход электроэнергии, кВт/ч ... 5.
Класс защиты ... 1-й.
Минимальное допустимое давление холодной воды
на входе, атм ... 0,2.
Расчетная производительность при температуре воды на входе
20 °С и на выходе 40 °С (t = 20 °C), л/мин ... 4,0.
Габаритные размеры, см:
высота ... 16;
ширина ... 29;
глубина ... 10.
Порядок работы. Проточный водонагреватель (рис. 3.10) работает автоматически. Для работы устройства требуются давление не менее
0,20 атм и расход воды не менее 1,5 л/мин. Водонагреватель автоматически включается в момент открывания вентиля входной магистрали и
включения переключателей (рис. 3.11) и, наоборот, выключается в момент закрытия этого вентиля и выключения переключателей. Перед
началом работы необходимо вставить вилку в розетку, открыть вентильной головкой подачу воды, включить переключатели (на кнопках
переключателя появится световой сигнал), а затем установить необходимую температуру воды на выходе изменением положения вентильной головки. Для отключения водонагревателя выключить переключатели (световой сигнал погаснет), перекрыть подачу воды вентильной
головкой и вытащить штепсельную вилку из электрической розетки.
Рис. 3.10. Схема установки водонагревателя
145
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Температуру воды на выходе можно регулировать также с помощью двухпозиционных переключателей:
а) два переключателя на блоке в положении «выкл.» − нет
нагрева;
б) первый переключатель 1 в положении «вкл.», второй 2 −
в положении «выкл.» − минимальный нагрев;
в) первый переключатель 1 в положении «выкл.», второй 2 −
в положении «вкл.» − средний нагрев;
г) оба переключателя в положении «вкл.» − максимальный
нагрев.
Рис. 3.11. Схема электрического подсоединения: 1 – двухполюсный
переключатель; 2 – электрические разъемы; 3 – термостат с отключением
при 57 °С; 4 – микропереключатели; 5 – световой индикатор переключателя;
6 – реле давления; 7 – переключатель: положение 1 – минимальный
нагрев (2 кВт), положение 2 – средний нагрев (3 кВт), положение 3 –
максимальный нагрев (5 кВт); 8 – нагревательный элемент 1 – минимальный
нагрев (2 кВт); 9 – нагревательный элемент 2 – средний нагрев (3 кВт)
Водонагреватель проточного типа «Polaris Gamma-3,5»
(220 В ... 3,5 кВт) предназначен для быстрого нагрева холодной воды в жилых и бытовых помещениях при наличии холодного водоснабжения (рис. 3.12).
146
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.12. Схема электрического подсоединения: F – двухполюсный
переключатель ON/OFF; Н – нагревательный элемент – 3,5 кВт;
Т – термостат с отключением при 57 °С; Р – реле давления
Технические характеристики водонагревателя «Polaris
Gamma-3,5»:
Напряжение питающей сети, В – 220.
Величина потребляемого тока, А – 16.
Род тока – переменный.
Мощность потребляемая, кВт, не более – 3,5.
Расход электроэнергии, кВт/ч – 3,5.
Класс защиты – 1-й.
Степень защиты от влаги – брызгозащищенное.
Минимальное допустимое давление холодной воды на входе,
атм – 0,2.
Расчетная производительность при температуре воды
на входе 20 °С и на выходе 40 °С ( t = 20 °C), л/мин – 2,4.
Габаритные размеры, см
высота – 16;
ширина – 29;
глубина – 10.
Водонагреватель проточного типа «Polaris Omega-7, душ»
(220 В ... 7 кВт) предназначен для быстрого нагрева холодной воды
в жилых и бытовых помещениях при наличии холодного водоснабжения.
Технические характеристики «Polaris Omega-7, душ»:
Напряжение питающей сети, В – 220.
147
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Величина потребляемого тока, А – 32.
Род тока – переменный.
Мощность потребляемая, кВт, не более – 7.
Расход электроэнергии, кВт/ч – 7.
Класс защиты – 1.
Степень защиты от влаги – брызгозащищенное.
Минимальное допустимое давление холодной воды на входе,
атм – 0,25.
Расчетная производительность, при температуре воды
на входе 20 °С и на выходе 40 °С (t = 20 °C), л/мин – 1,5.
Габаритные размеры, см:
высота – 1,6;.
ширина – 29;
глубина – 10.
Определение основных параметров
проточного электроводонагревателя
Для ориентировочного расчета мощности проточного электроводонагревателя для нагрева 1 л воды в 1 мин до температуры 45 °С
можно принять мощность, равную 2 кВт. При выборе мощности
проточного электроводонагревателя учитывают также энергоемкость отдельных операций.
Время нагрева воды определяют по формуле

cmt
,
P
где τ – время нагрева воды, ч.; с – теплоемкость воды, Вт ч/(кг· °С);
m – масса воды, кг; Δt – разность температур горячей и холодной
воды, °С; η – КПД электроводонагревателя, η = 0,96...0,98.
Расчет трубчатых нагревательных элементов
В качестве электрического сопротивления ТЭНов наилучшим
материалом является нихром. Он допускает высокие температуры
нагрева (до 1150 °С) и имеет большое удельное электрическое сопротивление (1,15 Ом мм2/м).
148
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Удельная мощность, Вт/см2, поверхности трубки электронагревателя характеризуется потребляемой электрической мощностью на
единицу активной поверхности ТЭНа и определяется из выражения
Т 
Р
P
,

ST DLa
где Р – электрическая мощность; D – наружный диаметр трубки
электронагревателя после опрессовки, см; La – длина активной части
трубки электронагревателя после опрессовки, см.
Отсюда определяем La, см:
La 
P
.
DT
Длина активной части трубки нагревателя до опрессовки, см:
Lao 
La
,

где  – коэффициент удлинения трубки электронагревателя при
опрессовке (для нихрома  = 1,15).
Полная длина трубчатого нагревателя
L  La  2 Lп ,
где Lп – длина пассивного конца трубки нагревателя, см.
Ток, потребляемый спиралью трубчатого элемента:
I
P
.
U
Электрическое сопротивление ТЭНа, т.е. запрессованной проволоки внутри трубки, Ом:
R
U
.
I
До опрессовки проволоки в ТЭНе ее сопротивление было, Ом:
R0  R   r ,
где  r – коэффициент изменения электрического сопротивления
проволоки в результате опрессовки (  r = 1,3).
149
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Зная R0, можно вычислить диаметр и длину проволоки, исходя
из следующей формулы:
l 4l
l
R0    2 
,
0,785d 2
s d
где l – длина проволоки сопротивления (активная), м; d – диаметр
проволоки, мм; s – сечение проволоки, мм2.
Определяем общую длину проволочной спирали:
0,785R0 d 2
l
.

Навивку проволочной спирали предусмотрим на стержень
диаметром 4 мм. На основании практических данных установлено,
что при навивке на стержень средний диаметр витка увеличивается
на 7 % ввиду пружинности проволоки. Тогда длина одного витка
спирали в среднем будет
lв  d в  1,07 ,
где d в – средний диаметр витка.
Число витков определяем из выражения
n
l
1000 .
lв
Расстояние между витками, мм:
a
La  10  nd
.
n
Коэффициент шага спирали
k
h a  d La  10


,
d
d
nd
где h – шаг витка спирали, мм.
Далее определяем, какой температуры достигнет спираль, запрессованная в трубке нагревателя, в рабочем состоянии. Здесь следует воспользоваться номограммой для определения перепада температур между спиралью и трубкой электронагревателя.
150
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3.6. éëçéÇõ êÄëóÖíÄ Öåäéëíçõï
íÖèãéÄääìåìãüñàéççõï
ùãÖäíêéÇéÑéçÄÉêÖÇÄíÖãÖâ
Исходя из заданной емкости и времени нагрева воды до необходимой температуры рассчитывают номинальную мощность, а
также КПД прибора. При выборе типа и емкости прибора следует
руководствоваться примерной потребностью теплой воды для выполнения операций в домашнем хозяйстве. Объем горячей воды вычисляют по формуле
V2 
tсмVсм  V1t1
,
t2
где t1 – температура воды в водопроводе, °С (обычно 10...15 °С);
t2 – температура горячей воды в электроводонагревателе, °С;
V1 – объем холодной воды, необходимый для того, чтобы получить
требуемую температуру смеси, дм3; V2 – объем горячей воды, дм3;
tсм и Vсм – соответственно температура, °С, и объем смеси, дм3.
Объем рабочего бака выбирают с некоторым запасом исходя
из наиболее теплоемкой операции, на которую должен быть рассчитан проектируемый прибор:
Vрб 
V2
,

Для ориентировочных расчетов КПД водонагревателя принимают равным η = 0,87.
Мощность нагревателя подсчитывается по формуле
P
c  t2  t1  m
,
Н 
где m – масса нагреваемой воды, кг; с – теплоемкость воды, Вт·ч/(кг· °С);
t – время нагрева, ч.
151
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для ориентировочных расчетов можно считать, что на нагрев
10 дм3 воды от 10 до 85 °С нужно затратить 1 кВт·ч.
Коэффициент полезного действия водонагревателя в установившемся режиме
н 
mct
,
P2
где Δt – разность температур в моменты размыкания и замыкания
контактов терморегулятора (дифференциал прибора); τ2 – время, потребное для нагрева воды на разность температур Δt.
152
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
áÄäãûóÖçàÖ
Развитие технического прогресса, новых технологий оказывает влияние на разработку новых современных бытовых машин и
приборов. Все больше и больше внедряются компьютерные технологии, передовые методы средств телекоммуникации, такие как Интернет и мобильная связь. В недалеком будущем с помощью развивающейся телекоммуникации, возможно, будет управление современными бытовыми приборами из любого пространства. Современные бытовые приборы должны стать действительно надежными помощниками человека в быту.
153
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ëèàëéä ãàíÖêÄíìêõ
1. Бондарь, Е. С. Современные бытовые электроприборы и
машины / Е. С. Бондарь. – М. : Машиностроение, 1987.
2. Привалов С. Ф. Электробытовые устройства и приборы /
С. Ф. Привалов. – СПб. : Лениздат, 1994.
3. Гусев, В. М. Теплоснабжение и вентиляция / В. М. Гусев. –
Л. : Стройиздат, 1975. – 232 с.
4. Дроздов, В. Ф. Теплоснабжение и вентиляция / В. Ф. Дроздов. – М. : Высш. шк., 1968. – 352 с.
5. Тихомиров, К. В. Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция / К. В. Тихомиров. – М. : Стройиздат, 1974. – 288 с.
6. Воронин, Г. И. Конструирование машин и агрегатов систем
кондиционирования / Г. И. Воронин. – М. : Машиностроение,
1978. – 544 с.
7. Мааке, В. Учебник по холодильной технике / В. Мааке,
Г.-Ю. Эккерт, Ж.-Л. Кошпен. – М., 1998. – 1150 с.
8. Поршневые компрессоры / Б. С. Фотин, И. Б. Пирумов,
И. К. Прилуцкий, П. И. Пластинин ; под общ. ред. Б. С. Фотина. –
Л. : Машиностроение, 1987. – 372 с.
9. Пигарев, В. Е. Холодильные машины и установки кондиционирования воздуха : учеб. для техникумов и колледжей
ж.-д. трансп. / В. Е. Пигарев, П. Е. Архипов ; под ред. В. Е. Пигарева. – М. : Маршрут, 2003. – 424 с.
10. Кржимовский, В. Е. Рефрижераторные секции отечественной постройки / В. Е. Кржимовский, В. В. Скрипкин, Г. И. Филюнин. – М. : Транспорт, 1983. – 184 с.
11. Курылев, Е. С. Холодильные установки / Е. С. Курылев,
Н. А. Герасимов. – Изд. 2-е, доп. – Л. : Машиностроение, 1970. – 672 с.
12. Лэнгли, Б. К. Холодильная техника и кондиционирование
воздуха / Б. К. Лэнгли. – М. : Легкая и пищевая промышленность,
1981. – 480 с.
13. Отчет ВНИИВ по теме 85.90.1.001/4. Исследования по созданию макетных экспериментальных изотермических вагонов с
154
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
жидкостно-азотным охлаждением грузов : Г.Р. № 01860021971. –
М., 1978.
14. Отчет ВНИИВ по теме 88.80.180 (гос. рег.
№ 01880041758). Исследования по созданию образцов изотермических вагонов (АЖВ) с жидкостной системой охлаждения грузов. –
М., 1980.
15. Постарнак, С. Ф. Холодильные машины и установки :
учеб. для техникумов ж.-д. трансп. / С. Ф. Постарнак, Ю. Ф. Зуев. –
М. : Транспорт, 1982. – 335 с.
16. Руководство по монтажу и эксплуатации: Установка кондиционирования воздуха пассажирских вагонов УКВ-31. – М. :
Транспорт, 2000.
17. Руководство по эксплуатации: Вагон пассажирский купейный СВ. Модель 61-4174. – М., 2000.
18. Руководство по эксплуатации: Вагон пассажирский
купейный с установкой кондиционирования воздуха. Модель
61-4179. – М., 1999.
19. Соколов, М. М. Диагностирование вагонов / М. М. Соколов. – М. : Транспорт, 1990. – 197 с.
20. Теплообменные аппараты теплообменных установок /
Г. Н. Данилова, С. Н. Богданов, О. П. Иванов [и др.] ; под. ред.
Г. Н. Даниловой. – Л. : Машиностроение, 1986. – 303 с.
21. Технические условия: Вагон изотермический автономный
с жидкоазотным охлаждением (АЖВ). Модель 16-3008. – М., 1988.
22. Фаерштейн, Ю. О. Кондиционирование воздуха в пассажирских вагонах : учеб. для техникумов / Ю. О. Фаерштейн,
Б. Н. Китаев. – М. : Транспорт, 1984. – 272 с.
23. Энергетика и технология хладотранспорта : учеб. пособие
для вузов ж.-д. трансп. / под ред. Л. Я. Левенталя. – М. : Транспорт,
1993. – 288 с.
24. Эксплуатационная документация на холодильный агрегат
ФАЛ 256/7 315.004/38 ТУ. – Шкодиц, 1990.
25. Юрьев, Ю. М. Изотермические вагоны постройки ГДР /
Ю. М. Юрьев, Л. Б. Лаврик-Кармазин. – М. : Транспорт, 1989. – 180 с.
155
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Учебное издание
ëÖêÉÖÖÇÄ àççÄ ÄãÖäëÄçÑêéÇçÄ
íÖéêÖíàóÖëäàÖ èêéñÖëëõ
ÅõíéÇõï åÄòàç à èêàÅéêéÇ
Редактор Т. В. Веденеева
Компьютерная верстка Ф. Д. Фафурина
Подписано в печать 12.11.2012. Формат 60×841/16.
Усл. печ. л. 9,07.
Заказ № 875. Тираж 50.
Издательство ПГУ
Пенза, Красная, 40, т.: 56-47-33
156
Документ
Категория
Другое
Просмотров
308
Размер файла
2 588 Кб
Теги
теоретические, бытовые, процесс, 2529, приборов, машина
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа