Холодильные компрессорные машины

Холодильные машины используют теплоту испарения легкокипящих жидкостей, т. е. имеющих низкую температуру кипения при атмосферном давлении. Эти вещества называют холодильными агентами.

Холодильные агенты должны удовлетворять следующим требованиям:

давление их в конденсаторе не должно быть высоким, а в испарителе - ниже атмосферного;

должны иметь низкую температуру замерзания, что обеспечивает отрицательную температуру в испарителе;

должны иметь хорошую теплопроводность, плохую растворимость в смазочном масле и низкую вязкость, а также быть нейтральными к металлам;

не должны быть горючими и взрывоопасными.

Удовлетворение этих требований снижает энергоемкость, металлоемкость и размеры холодильной машины, повышает ее надежность и способствует получению низких температур охлаждаемой продукции. Наиболее распространенными холодильными агентами являются аммиак NH, (условное обозначение в хладотехнике R717) и озонобезопасные фреоны R14, R23, R32, R41, R116, R125, R215, R134a, R143a, R152a, R218, R318.

Аммиак - это сильный яд, который поражает органы дыхания и зрения, сердечную мышцу, слизистые оболочки. Жидкий аммиак вызывает ожоги кожи. Отравление аммиаком активизирует туберкулез, может вызвать паралич и глухоту. Предельно допустимая концентрация аммиака в воздухе рабочей зоны 20 мг/м³. При концентрации аммиака более 1500 мг/м³ наступает смерть человека. Аммиак пожаро- и взрывоопасен. При объемной концентрации в воздухе свыше 11 % возможно загорание, а при 15 ... 28%- взрыв аммиачно-воздушной смеси.

Фреоны представляют собой хлорфторзамещенные углеводороды. Для получения фреонов исходными углеводородами служат метан СН4, и этан С2Н6.

Фреоны отличаются исключительной химическои стойкостью (инертностью), в особенности при отсутствии влаги. Они стойки к окислителям и нетоксичны. Предельно допустимая их концентрация в воздухе рабочей зоны от 3000 мг/м³ и выше. По взрывопожаробезопасности помещения с фреоновыми установками относят к невзрывоопасным, по пожароопасности - к категории Д. Однако хлорсодержащие фреоны при высокой температуре способны разлагаться, образуя высокотоксичный ядовитый газ фосген (СОСI2).

В отечественных холодильных установках в основном применяют фреоновый хладагент R134a (CH₂FCF₃) (тетрафторэтан), обладающий высокими термодинамическими свойствами.

Аммиак и фреоны имеют большую скрытую теплоту испарения, следовательно, обладают большой холодопроизводительностью.

Современные холодильные машины подразделяют на компрессорные и абсорбционные. Наибольшее распространение получили компрессорные холодильные машины.

На рис. показаны конструктивная схема и диаграмма принципа действия компрессорной холодильной машины.

Рис. Схема компрессорной холодильной установки: 1 - компрессор; 2 - конденсатор; 3 - регулирующий вентиль; 4- испаритель; 5 - переохладитель

Диаграмма, представленная на рис. показывает теоретический цикл паровой холодильной машины.

Охлаждение камер в холодильных установках осуществляется тремя способами:

непосредственно холодильным агентом;

предварительно охлажденным рассолом;

охлажденным воздухом.

На рис. приведены схемы всех трех способов охлаждения камер.

Рис. Системы охлаждения камер: а - непосредственное охлаждение; 1 - компрессор; 2 - конденсатор; 3 - регулирующий вентиль; 4 - испаритель; б - рассольное охлаждение; 1 - компрессор; 2 - конденсатор; 3 - регулирующий вентиль; 4 - испаритель; 5 - насос; 6 - рассольная батарея; 7- расширительный бачок; в— воздушное охлаждение

Достоинство охлаждения камер непосредственно холодильным агентом (рис., а) заключается в малом расходе электроэнергии при высоком значении холодильного коэффициента Е и небольшой площади для монтажа холодильного аппарата. Недостатком способа охлаждения является возможная порча продуктов в случае утечки холодильного агента.

Рассольное охлаждение (рис., б) включает в себя системы циркуляции холодильного агента и рассола.

Система циркуляции холодильного агента включает в себя компрессор, конденсатор, систему трубопроводов с регулирующим вентилем и испаритель. Вся эта система оборудования требует специального машинного помещения.

В систему циркуляции рассола входят: установленные в камере рассольные батареи, осуществляющие теплообмен рассола и воздуха; испаритель, обеспечивающий охлаждение рассола до требуемой температуры; насос и резервуар с рассолом.

В качестве охлаждающего рассола используют солевой раствор. Температура рассола в испарителе должна быть на 5 ... 6°С выше температуры кипящего холодильного агента; температура воздуха в камере - на 8 ... 10°С выше температуры рассола.

Достоинствами рассольного охлаждения являются способность аккумулировать холод при небольшом количестве холодильного агента и относительная безопасность эксплуатации системы.

К недостаткам рассольной системы охлаждения относят:

 громоздкость холодильной установки;

при одинаковом температурном режиме холодильной камеры испаритель по сравнению с системой непосредственного охлаждения работает при более низких температурах;

повышенный расход электроэнергии на обеспечение работы рассольного насоса.

Воздушное охлаждение осуществляют поступлением в камеру воздуха, охлажденного, подобно рассолу, в теплообменнике - воздухоохладителе.

Система воздушного охлаждения может быть бесканальная, одноканальная и двухканальная.

Бесканальная система включает в себя: воздухоохладитель, в кожухе которого предусмотрены окна; вентилятор, на нагнетательном патрубке которого установлены сопла.

Воздухоохладитель монтируют в охлаждаемой камере. Воздух из камеры поступает через окна в воздухоохладитель, охлаждается в нем, далее нагнетается вентилятором через сопла опять в камеру.

Одноканальная система отличается от бесканальной тем, что вместо нагнетательного патрубка с соплами предусмотрен нагнетательный канал с воздухораспределительными окнами, через которые охлажденный воздух поступает в камеру. Нагнетательный канал устанавливают под потолком. Всасывание воздуха из камеры осуществляют через окна воздухоохладителя.

Двухканальная система состоит из нагнетательного и всасывающего каналов с распределительными и приемными окнами. Расстояние между каналами в зависимости от площади камеры 5 ... 11м. Нагнетательный канал, как правило, располагают вдоль наружных стен, а всасывающий - вдоль внутренних.

На рис. в показана схема двухканальной системы. Воздух из камеры забирается через окна всасывающего канала и подается вентилятором в воздухоохладитель. Охлажденный воздух через окна нагнетательного канала возвращается в камеру.

Основными достоинствами воздушного охлаждения являются равномерное распределение холода по всему объему камеры и быстрая термообработка продуктов.

Недостатками этой системы охлаждения являются дополнительное потребление электроэнергии на привод вентилятора и повышенная усушка продуктов.

Все оборудование холодильно-компрессорной установки работает в согласованном режиме.

Холодопроизводительность установки зависит от количества холодильного агента, проходящего через испаритель в единицу времени, физических свойств холодильного агента и производительности компрессора.

В табл. представлены данные потребления холода для обработки 1 т продукта.

Таблица

Вид продукта	Температура, °С			Потребление холода, кВт
	начальная	конечная	хранения
		Замораживание продукта
Мясо (туши)	+35	-18	-	10
Мясо (раздельное)	+35	-18	-	38
Птица	+20	-18	-	28
Рыба	+ 15	-25	-	35
Овощи, фрукты	+25	-18	-	23
		Хранение продукта
Мясо, птица, рыба	-	-	-18	0,12 ... 0,2
Овощи, фрукты	-	-	0 ... -5	0,16 ... 0,2

На рис. приведена конструктивная схема компрессорно-конденсаторного агрегата холодильной машины МХВ5-1-2 с воздушным конденсатором.

Рис. Компрессорно-конденсаторный агрегат холодильной машины МХВ5-1-2: 1 - компрессор; 2 - конденсатор, 3- вентилятор; 4 - ресивер; 5 - отделитель жидкости; б, 7- датчики давления. Температура воздуха на входе в конденсатор 20 °С.

Машина предназначена для создания и поддержания температур от +5 до -12°С в стационарных и сборных камерах на предприятиях общественного питания и торговли.

Объем охлаждаемых камер при температуре-12 °С составляет до 30 м³, а при температуре +5°С - до 70 м³. Компрессор поршневой, фреоновый, герметичный. Потребляемая мощность 3,3 кВт. Холодопроизводительность в номинальном режиме 5,4 кВт; температура кипения хладона -15°С.

На рис. показана зависимость холодопроизводительности и потребляемой мощности от температуры кипения хладагента и температуры в камере.

Рис. Зависимость холодопроизводительности и потребляемой мощности МХВ5-1-2 от температуры кипения хладагента и температуры в камере

С понижением температуры кипения хладагента и температуры в камере уменьшается потребляемая мощность и холодопроизводительность машины при температуре окружающего воздуха +20 °С.

Широкое применение в общественном питании имеют герметичные фреоновые холодильные установки, которые относятся к агрегатам непосредственного и воздушного охлаждения. На рис. приведены герметичный фреоновый агрегат и схема холодильной машины.

Рис. Герметичный фреоновый агрегат типа ВС: а - агрегат; 1 - компрессор; 2 - плита; 3 - ресивер; 4 - фильтр-осушитель; 5 - конденсатор; б - диффузор; 7 - вентилятор; 8 - двухзапорный вентиль; б - схема холодильной машины; 1 - компрессор; 2 - конденсатор; 3 - фильтр-осушитель; 4 - ресивер; 5 - терморегулирующий вентиль; 6 - испаритель

Агрегат представляет собой объединение всех или некоторых частей холодильной машины в единый узел.

Агрегат состоит из герметичного компрессора, конденсатора с диффузором, ресивера с двухходовым запорным жидкостным вентилем, фильтра-осушителя, расположенного в диффузоре вентилятора для обдувания конденсатора. Все элементы агрегата смонтированы на единой плите. Агрегат комплектуют электрощитом с пусковой и защитной аппаратурой.

Принцип работы герметического агрегата заключается в следующем:

в испарителе жидкий холодильный агент кипит и отбирает тепло от охлаждаемого продукта;

образовавшиеся пары холодильного агента поступают в кожух компрессора, охлаждают электродвигатель, засасываются и сжимаются компрессором; затем нагнетаются в конденсатор и в нем конденсируются;

из конденсатора жидкий холодильный агент через фильтр-осушитель сливается в ресивер;

из ресивера хладагент через терморегулирующий вентиль снова поступает в испаритель, и цикл повторяется.

На базе холодильно-компрессорных машин создают современные сборные холодильные камеры, холодильные шкафы, охлаждающие витрины, прилавки, прилавки-витрины.

В зависимости от температуры охлаждаемого продукта это оборудование делится на среднетемпературное ( +2 ... -5°С) и низкотемпературные (t = -18°С). Высокотемпературные камеры имеют обозначение КХС, а низкотемпературные - КХН. Сборные холодильные камеры изготовляют и на плюсовую температуру от 0 до +2 °С. Они предназначаются для хранения охлажденных и замороженных продуктов.

На рис. приведена конструктивная схема сборной холодильной камеры КХС-6.

Рис. Сборная холодильная камера КХС-6: 1 - крюки; 2 - охлаждающая батарея; 3 - поддон; 4 - полки; 5 - сосуд; 6- решетка; 7 - теплоизоляция

 Камеру собирают из отдельных металлических щитов. Герметизацию стыков обеспечивают профильной резиной. В качестве теплоизоляционного материала используют пенополистирол, толщина слоя которого должна обеспечивать коэффициент теплопередачи 0,70 Вт/(м^:- К) для камер типа КХС и 0,52 Вт/(м²- К) -для КХН. Внутри камеры под потолком расположена охлаждающая батарея, собранная из труб с пластинчатым оребрением. Внутри камеры предусмотрены полки для продуктов и крюки для подвески крупных кусков мяса. Под батареей находится поддон, а на решетке пола - сосуд для сбора конденсата.

Камеры устанавливают в подсобных помещениях, сборка и монтажные работы занимают три-четыре рабочих дня, в то время как строительство и оборудование стационарных камер могут потребовать около двух месяцев.

На рис. приведен разрез холодильной камеры шкафного типа КТХ. В камере осуществляется принудительная циркуляция воздуха, направление движения которого показано на рисунке стрелками.

Рис. Камера шкафная КТХ: 1 - машинное отделение; 2 - электронагреватель; 3 - дверь со смотровым окном; 4 - экспериментальные вводы; 5 - осветительный прибор; б - воздухоохладитель; 7 - электродвигатель вентилятора; 8 - крыльчатка вентилятора

На рис. представлена конструктивная схема интенсивной камеры сундучного типа КсТХ.

Рис. 3.11. Интенсивная холодильная камера сундучного типа КсТХ: 1 - машинное отделение; 2 - щит приборов; 3 - ввод вала вентилятора; 4 - ввод хладоно-вых трубопроводов; 5 - крыльчатка вентилятора; 6 - воздухоохладитель; 7 - дверь (крышка) камеры; 8 - электронагреватель; 9 - испаритель

В данной конструкции змеевик испарителя припаян к поверхности металлического внутреннего корпуса холодильной камеры и последовательно соединен со змеевиком воздухоохладителя. Электронагреватель размещен под неохлаждаемым полом холодильной камеры.

Отечественная промышленность выпускает холодильные камеры КТХБ, в которых создаются не только низкие температуры, но и низкое давление воздуха для имитации условий высоких слоев атмосферы. В табл. приведена шкала давления международной стандартной атмосферы на различной высоте от уровня моря.

Таблица

Высота от уровня моря, км	0	10	20	40	80
Давление, Па	1,013 •105	0,266  •105	0,53  •104	0,31  •103	1,2 • 10 -2

В камерах КТХБ можно поддерживать давление от атмосферного до 133 Па, которое имитирует давление на высоте около 45 км при температуре до-100°С.

Конструкция ограждений камер холода и давления должна быть рассчитана на противодействие внешнему давлению. В связи с этим стенки термобарокамер выполняют из листовой стали толщиной 8 ... 12 мм. Для уменьшения толщины и массы ограждений термобарокамеры чаще всего делают цилиндрической формы со сферическими днищами. Камера имеет герметичную дверь, уплотняемую по периметру резиной. В двери предусмотрено окно с многорядным остеклением; одно из стекол является силовым и рассчитывается на разность давлений снаружи и внутри камеры. Теплоизоляция камер может располагаться внутри или снаружи по отношению к вакуумированному объему. В первом случае теплоизоляционный материал хорошо защищен от увлажнения, так как стальная силовая обечайка оказывается надежным пароизоляционным слоем с теплой стороны ограждения.

Охлаждающими приборами являются воздухоохладитель и последовательно с ним соединенная змеевиковая батарея испарителя. При значительном понижении давления в камере ухудшается теплообмен конвекцией, поэтому термобарокамеру укомплектовывают вентилятором с двухскоростным двигателем. При давлении около 2,5 кПа количество воздуха в камере настолько уменьшается, что теплопередача осуществляется только путем лучеиспускания. Роль радиационного экрана играют стенки камеры, охлаждаемые трубами испарителя. Создание необходимого разрежения и давления в рабочем объеме камеры холода осуществляют вакуум-насосами.

На предприятиях общественного питания и в торговле для кратковременного хранения замороженных пищевых продуктов хорошо зарекомендовали себя отечественные низкотемпературные холодильные камеры типа: КХН1-40С; КХН2-8,0; КХН2-3; КХК2-4,5; КХ2-6СМ; КХН2-12; КХН1-18; КХН-90. Работа этих агрегатов основана на одном и том же принципе. Отличие их заключается в дизайне, габаритных размерах, температурном режиме и внутреннем объеме рабочей камеры. В маркировке цифра после дефиса указывает объем камеры в м³.

Достоинствами указанных типов холодильных камер являются:

 автоматическое оттаивание снеговой «шубы» с поверхности испарителя, а также автоматическое выпаривание воды, образующейся при таянии «шубы»;

быстродействующие эксцентриковые замки для соединения панелей;

заливочная изоляция из пенополиуретана; надежная пускозащитная аппаратура.

Охлаждение и замораживание пищевых продуктов (сырья, полуфабрикатов, готовых изделий) можно осуществлять в холодильных камерах туннельного типа. Туннельный скороморозильный аппарат непрерывного действия предназначен для замораживания плодов и овощей в коробках. В холодильной камере воздух охлаждается при помощи холодильных батарей, расположенных вдоль стен, в которых циркулирует хладагент. Быстрое замораживание достигается воздействием охлажденного до -30°С воздуха, движущегося вдоль продукта с большой скоростью.

Туннельный морозильный аппарат имеет корпус, покрытый теплоизоляцией толщиной 400 мм. В корпусе установлены охлаждающие батареи непосредственного испарения. Над батареями расположен транспортер с лентой из проволочной сетки. Транспортер приводится в движение от электродвигателя через червячный редуктор и вариатор скорости, при помощи которого можно устанавливать продолжительность замораживания. Загрузка и выгрузка коробок осуществляются через специальные отверстия. Циркуляцию воздуха обеспечивают шесть вентиляторов.

Стационарные холодильные камеры размещают в подвале или на первом этаже здания в виде единого блока с выходом в общий закрытый коридор или тамбур, что снижает теплоприток в камеры.

Для использования средств малой механизации для загрузки и выгрузки холодильных камер необходимо предусмотреть ширину коридора не менее 2 м. Машинное отделение располагают вблизи камер.

Вместимость продуктов (т) в 1 м³ объема холодильной камеры приведена ниже:

Мясо................................................................................................0,25

Яйца.................................................................................................0,30

Птица, рыба....................................................................................0,35

Овощи, фрукты...............................................................................0,35

Колбаса...........................................................................................0,40

Сыр..................................................................................................0,50

Консервы.........................................................................................0,60

Масло..............................................................................................0,70

При реализации замороженных и предварительно охлажденных пищевых продуктов на предприятиях общественного питания широко применяют холодильные шкафы отечественного производства современного дизайна.

К этому виду холодильного оборудования относят шкафы холодильные комбинированные ШХК-400 и ШХК-800, конструкция которых включает низкотемпературные отделения для длительного хранения замороженных пищевых продуктов и среднетемпературные отделения для кратковременного хранения кулинарной продукции и напитков.

Демонстрацию и кратковременное хранение реализуемой пищевой продукции осуществляют в шкафах холодильных среднетемпературных ШХ-0,40МС; ШХ-0,80МС и ШХ-1,12СЕ. Они имеют стеклянные двери и естественную циркуляцию воздуха.

Для реализации кулинарной продукции наряду с холодильными шкафами используют различные холодильные витрины и прилавки. Для быстрого обслуживания посетителей по типу «шведский стол» и кратковременного хранения предварительно охлажденных скоропортящихся пищевых продуктов предназначены высокотемпературные и среднетемпературные витрины типа «Таир», ВХС и ПВХС различной маркировки.

Витрина «Таир-1307» снабжена электронным устройством для контроля рабочих параметров. Имеет современный дизайн, работает бесшумно.

В среднетемпературной витрине «Таир-150М2» предусмотрена полка для установки весов и упаковки товара. Эта конструкция витрины разработана специально для небольших торговых помещений.

В барах, ресторанах, кафе устанавливают холодильную витрину «Таир-Фуршет» для кратковременного хранения закусок и охлаждения вин.

Максимальная загрузка бутылками с напитками емкостью 0,7 л составляет 40 шт. Температура во внутреннем объеме в высокотемпературных режимах охлаждения напитков равна 4 ... 12°С, а в среднетемпературном режиме хранения продуктов равна 0 ... 8°С.

На рис. показана конструктивная схема пристенной среднетемпературной витрины типа ВХС.

Рис. Витрина холодильная среднетемпературная ВХС: 1 - вентилятор; 2 - испарительные батареи; 3 - отверстия канала; 4 - воздухораспределительный канал; 5 - осветительные лампы; 6 -распределительные решетки

Витрины данного типа имеют большой внутренний объем (0,8 ... 1,25 м³) и малое удельное потребление электроэнергии.

Витрина снабжена однослойной воздушной завесой. Воздух вентилятором прогоняется через испарительные батареи и поступает в воздухораспределительный канал. В витрине часть воздуха, выходя через отверстия канала, омывает продукты, находящиеся на полках и в нижней ее зоне.

Значительная часть воздуха выходит из распределительных решеток и создает воздушную завесу. Этот воздух, имея промежуточную температуру, защищает холодный воздух от теплопритоков на всем пути в каналах и завесе. Оборудование имеет осветительные лампы в витрине. Для контроля температуры установлен манометрический термометр.