Холодильник – это просто…
Предлагаю здесь понятным многим языком объяснить принципы и режимы работы холодильного оборудования.
В качестве жертвы предлагаю использовать бытовой холодильник (есть у всех, можно потрогать и совместить теорию и практику).
Лично для меня восприятие информации стало проще, когда я понял две вещи:
1.понятие «холод» не существует. Все что выше абсолютного нуля (примерно -273°С) – тепло;
2.холодильник не производит холод, он переносит тепло от менее нагретого тела (объем холодильника) более нагретому (окружающей среде), затрачивая при этом энергию.
Как в любой научной статье начнем с терминов. Буду писать не по алфавиту.
Компрессор – в случае бытового холодильника – герметичный поршневой. Правильнее назвать мотор-компрессор, т.к. в одном корпусе собран и компрессор и электродвигатель, приводящий его в действие. Назначение компрессора – создавать избыточное давление в конденсаторе (черной решетке или пластине на задней стенке холодильника, иногда под боковыми стенками корпуса), зачем -далее будет понятно.
Фреон – рабочее вещество холодильного контура, непрерывно циркулирует в нем, осуществляя перенос тепла. Чтобы понять, как это происходит, обратимся к самому известному фреону-воде (R718). Многим известен факт, что[hide] для стерилизации применяется автоклав. В нем достигаются высокие температуры кипения воды за счет повышенного давления. С другой стороны высоко в горах из-за пониженного давления вода кипит при более низких температурах. Грубо говоря, давление над поверхностью воды определяет сколько энергии надо сообщить молекуле воды (до какой температуры надо ее нагреть) чтобы она преодолела давление над поверхностью и улетела. Температуры кипения и замерзания воды не совсем подходят для наших целей. Поэтому были найдены и разработаны другие вещества и смеси, которые и получили общее названия фреон.
Испаритель в самом простом случае представляет собой алюминиевую пластину с каналами, по которым циркулирует фреон. Служит для отбора тепла от охлаждаемой среды. Чтобы отобрать тепло фреон кипит (как чайник с водой). Чтобы кипение фреона происходило при более низких температурах, происходит понижение давления с помощью компрессора. Компрессор откачивает испаритель.
Конденсатор служит для отвода тепла от фреона в окружающую среду. Чтобы тепло отводилось, температура конденсатора должна быть выше температуры окружающей среды. Для повышения температуры фреона увеличивают его давление опять же с помощью компрессора. Компрессор нагнетает фреон в конденсатор.
Фильтр-осушитель состоит из фильтра грубой очистки-сетки грубого плетения, цеолита или селикагеля для поглощения влаги и фильтра тонкой очистки-сетки тонкого плетения. Как следует из названия, служит для очистки и осушения системы. Даже если из системы удалена влага с помощью вакуумирования, в процессе работы влага выделяется из лака, которым покрыты обмотки электродвигателя, вот ее и улавливает фильтр-осушитель.
Дроссель (сопротивление) – самая важная часть холодильного оборудования. Располагается между конденсатором и испарителем. В бытовых холодильниках представляет длинную тонкую трубку (капилляр) на выходе из фильтра-осушителя и входящую в испаритель. Он создает сопротивление движению фреона и позволяет компрессору одновременно повысить давление фреона в конденсаторе и понизить давление фреона в испарителе.
Теперь, когда мы определились с элементами холодильного контура, рассмотрим, как работает холодильник в общем случае:
Компрессор всасывает газообразный фреон из испарителя и нагнетает его в конденсатор. При этом от сжатия фреон нагревается. В конденсаторе происходит три процесса:
- охлаждение перегретого фреона до температуры конденсации;
- конденсация фреона;
- переохлаждение жидкого фреона.
На практике это можно изучить на домашнем холодильнике – если провести ладонью по решетке конденсатора – идет плавное снижение температуры от компрессора к фильтру-осушителю.
Далее жидкий фреон через капилляр поступает в испаритель. За счет пониженного давления в испарителе фреон вскипает, отнимая тепло от охлаждаемого объема. Здесь можно выделить две зоны:
- зона кипения жидкого фреона;
- зона перегрева паров фреона.
Далее цикл повторяется.
Рассмотрим процессы в испарителе. Примем испаритель в виде линейной трубки длинной, например 2м. Учтем, что производительность капиллярной трубки (капилляра) ПОСТОЯННАЯ ВЕЛИЧИНА (то есть через нее проходит постоянное количество фреона в единицу времени). В нормальных режимах работы холодильника происходит следующее:
При запуске холодильника, температура внутри него высокая(например 25°С) в испаритель поступает порция фреона. Из-за высокой температуры фреон сразу вскипает на первых сантиметрах трубки. При этом он забирает тепло из объема, т.е. температура в объеме снижается, например на 1°С. Следующая порция фреона, поступившая в испаритель, из-за меньшей температуры в объеме, выкипает на большем расстоянии от входа в испаритель, забирая еще тепло и понижая температуру в объеме. Таким образом с течением времени из-за снижения температуры в объеме (нагрузки на испаритель) выкипание фреона происходит все ближе к концу трубки испарителя, далее парЫ фреона перегреваются и поступают в компрессор, охлаждая его.
Схематично это выглядит так
Таким образом, на старте работы холодильника мы имеем плохое охлаждение компрессора за счет сильного перегрева паров фреона (фреон выкипает на первых сантиметрах испарителя, затем парЫ перегреваются). При достижении рабочих температур холодильника происходит стабилизация режимов работы холодильника.
Любое увеличение нагрузки на испаритель (обдув испарителя, увеличение рабочего объема, помещение в холодильник горячих предметов) приводит к более раннему выкипанию фреона и увеличению зоны перегрева паров фреона, как следствие – перегреву компрессора.
Преимущества холодильных систем на капиллярной трубке:
1) главное преимущество-дешевизна. Такая система не требует многих элементов, применяемых в промышленных холодильниках;
2) постоянная холодопроизводительность системы упрощает подбор конденсатора и испарителя;
3) не позволяет компрессору выйти за пределы применения без дополнительных элементов (например, регуляторов давления всасывания)
Однако существует и ряд недостатков таких систем:
1) довольно низкая скорость охлаждения рабочего объема
2) перегрев компрессора при старте системы и увеличении нагрузки на испаритель
3) точный расчет и подбор капиллярной трубки и количества фреона в такой системе.
4) защита компрессора осуществляется только по потребляемому току.
На малых холодильных мощностях альтернативы капиллярным системам нет. Особенно при серийном производстве. Также из-за высокой конкуренции на рынке практически все торговое холодильное оборудование работает на капиллярках.
Кстати, для нужд домашнего пивоварения гораздо эффективнее использовать не бытовые холодильники, а оборудование холодильных витрин -там и испарители не так обмерзают, и они мощнее. Расчетный режим их работы более подходит, под температуры, применяемые в пивоварении. С увеличением холодопроизводительности растет и стоимость оборудования. И если в случае бытового холодильника стоимость защиты компрессора по высокому и низкому давлению может превысить стоимость самого компрессора, то здесь уже наоборот. Холодильные машины больших мощностей рассчитываются индивидуально под каждый конкретный случай, рассчитывать и подбирать капилляр под каждый – нецелесообразно и хлопотно. Исключение составляют кондиционеры, но они выпускаются массово, так что все сказанное для бытовых холодильников можно отнести и к ним, разве что иногда в кондиционеры добавляются защиты по давлению и температуре нагнетания.
Теперь, когда мы разобрались, как работает холодильник, переходим к основам расчета и подбора холодильного оборудования.
Рассмотрим задачу охлаждения ферментера с бродящим суслом. Для решения этой задачи можно применить два способа:
Способ 1 – ферментер оснащен рубашкой охлаждения по которой циркулирует жидкий хладоноситель (вода или гликоль), холодильная система охлаждает хладоноситель. Вместо рубашки охлаждения может быть использована трубка, закрепленная на ферментере, при условии хорошего контакта между трубкой и стенкой ферментера. Иначе мы получим слишком сложное охлаждение по способу 2. Также ферментер следует утеплить, чтобы снизить нагрузку на систему охлаждения.
Способ 2 – ферментер помещен в некий хорошо теплоизолированный объем, холодильная система охлаждает внутренний объем, сусло охлаждается за счет разницы температур с воздухом.
Нужно понимать, что поддержание температуры воздуха или гликоля не является конечной задачей работы холодильной системы. На самом деле задача состоит в поддержании постоянной температуры бродящего сусла. Для этого нам понадобится знать, сколько тепла выделяют дрожжи во время брожения. На просторах интернета была найдена интересная статья, ссылку на которую привожу здесь.
https://www.google.com/url?sa=….jnDUmOt
Теперь мы точно знаем, сколько тепла нам надо отнять у сусла и отдать окружающей среде.
Гликолевое охлаждение ферментера.
Итак, мы знаем теплоприток от бродящего сусла. Теперь нам необходимо определить температуру гликоля. Чем больше объем ферментера, тем ниже должна быть температура гликоля. Это связано с отношением площади поверхности ферментера к его объему.
Количество тепла, передаваемого через стенку ферментера определяется по формуле:
Q=k*F*(t1-t2),
где Q – количество тепла;
k – коэффициент теплопроводности (учитывает толщину и материал стенки ферментера, наличие и характеристики теплоизоляции и еще много чего);
F – площадь поверхности ферментера;
t1, t2 – температуры снаружи и внутри ферментера.
Простой анализ формулы показывает нам, что необходимо увеличивать площадь поверхности ферментера или разницу температур внутри и снаружи него, чтобы увеличить количество отдаваемого тепла.
От температуры гликоля будут зависеть основные параметры холодильной установки. Допустим, чтобы поддерживать температуру в ферментере объемом 50л +2°С.
Учитывая высокие коэффициенты теплоотдачи от жидкости к стенке ферментера, а также достаточно высокую теплоемкость гликоля, для осуществления теплообмена разница температур между гликолем и ферментером может составлять примерно 5-7°С. Следовательно, нам нужен гликоль с температурой -5°С. Отсюда мы получаем ВАЖНОЕ ЗНАЧЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ КИПЕНИЯ ФРЕОНА. Для охлаждения жидкостей фреон должен кипеть с температурой где-то на 5-7°С ниже, чем требуемая температура жидкости. При температуре гликоля в нашем случае -5°С температура кипения фреона составит -10…-12°С.
Вторая важная характеристика, необходимая для расчета – ТЕМПЕРАТУРА КОНДЕНСАЦИИ ФРЕОНА. Если мы сбрасываем тепло в окружающую среду (на улицу) температура конденсации принимается на 10-12°С выше температуры окружающей среды. Если максимальная температура на улице составляет +32°С, температура конденсации составляет 42-45°С (всегда в расчетах для своего региона принимаю +45град).
Таким образом, мы готовы к выбору компрессора. Нам нужен компрессор, который при температуре кипения -10…-12°С и температуре конденсации +45°С обладает необходимой холодопроизводительностью. Это паспортные значения и они есть к каждому компрессору. Для выбора потребуется также определить фреон, на котором будет работать холодильная установка. У каждого фреона есть жесткая зависимость температур кипения и конденсации от давления. Фреон лучше выбирать такой, чтобы давление, соответствующее температуре кипения было как можно выше, при этом растет холодопроизводительность компрессора (почему – сложные объяснения про энтропию, энтальпию, объемную производительность). При выборе фреона следует также обращать внимание на давление, соответствующее температуре конденсации, оно не должно превышать верхний предел применения компрессоров (25-28 атм).
Когда мы подобрали компрессор и рассчитали параметры работы холодильной системы, переходим дальше.
При охлаждении жидкостей 1 м.кв. поверхности гладкой медной трубы способен отобрать примерно 3кВт тепла. Зная нашу требуемую производительность, рассчитываем площадь поверхности теплообмена и по геометрическим формулам приводим ее к длине трубки желаемого диаметра.
Для расчета капиллярной трубки существует ряд программ подбора. Они дают достаточно точную длину и сечение капилляра.
Конденсатор подбирается как сумма нашей требуемой производительности и потребляемой мощности компрессора плюс процентов 15-25 запаса. Это связано с тем, что для перемещения тепла от гликоля на улицу компрессором затрачивается энергия. Ее также нужно сбросить в окружающую среду (есть такая задачка: если в комнате оставить холодильник с открытой дверью, в комнате станет холоднее или теплее?). Запас необходим, так как со временем на конденсаторе образуются загрязнения, а также с течением времени его производительность падает (это скорее верно для медных конденсаторов с алюминиевыми ребрами – там ухудшается контакт между трубками и ребрами).
Воздушное охлаждение ферментера.
В случае охлаждения ферментера воздухом, в силу худшей теплоотдачи от воздуха к стенке ферментера и более низкой теплоемкости воздуха разница между температурами воздуха и ферментера должна составлять уже 10-12°С. Следовательно, температура в охлаждаемом объеме должна составлять уже -8….-10°С. Для охлаждения воздуха фреон должен кипеть с температурой также на 10-12°С ниже, чем требуемая температура.. При требуемой температуре воздуха в нашем случае -10°С, температура кипения фреона составит -20…-22°С.
При охлаждении воздуха 1 м.кв. поверхности способен отобрать примерно 0,4кВт тепла.
Все остальные параметры и методика подбора элементов холодильной системы сходны с описанными выше.
В случае охлаждения воздуха необходимо наряду с теплопритоком от ферментера, необходимо учитывать и теплоприток через стенки охлаждаемого объема.
Собственно вот мы и рассчитали холодильную систему и подобрали ее компоненты. Собираем все в кучу, не забываем поставить фильтр-осушитель. Вакуумируем и переходим к самому интересному – заправке хладагентом. Самая правильная методика при точном подборе элементов – быстро заправить фреон в конденсатор сколько влезет. Таким образом, если забьется или замерзнет капилляр, весь фреон соберется в конденсаторе и не нанесет вреда компрессору. Если фреона будет чуть больше, чем объем конденсатора – может произойти гидроудар, тогда минимум потеря нагнетающего клапана, максимум- обрыв шатуна поршня компрессора. В случае маленького компрессора – замена, большого – ремонт
В нашем случае следует добиваться такого режима работы холодильной .системы, когда необходимая температура уже достигнута:
- компрессор приятно теплый на ощупь, не холодный, не покрыт росой или инеем;
- конденсатор имеет плавное снижение температуры от компрессора к фильтру осушителю (недопустимо, когда пол конденсатора ощутимо горячая, а вторая половина комнатной температуры);
- в момент пуска допускается обмерзание всасывающей трубки секунд на 10-15. Выглядит так: компрессор запускается, издает интересные звуки (иногда бульканье), затем трубка обмерзает и через время ее “отпускает”;
- во время работы компрессор не потребляет ток выше паспортного.
Повторю, все сказанное выше верно для случая, когда установка уже вышла на режим. В момент первого запуска все может быть не так.
Если компрессор есть в наличии расчет идет от него – определяем холодопроизводительность компрессора при заданных нами условиях из таблиц производителя, осуществляем подбор остальных компонентов исходя из нее и в случае, когда производительность компрессора ниже расчетной, получаем то что получаем – долгую или непрерывную работу компрессора, недобор температуры и т.д. Но при этом это будет правильная холодильная система, работающая в заданном режиме.
[/hide]
Обсудим?
Автор публикации
Другие записи этого автора:
Оборотное водоснабжение пивоварни ...
