Принципы и процессы холодильного хранения в холодильных камерах

В данной статье с помощью диаграмм и анализа процессов объясняются принципы работы холодильных систем. Принципы работы холодильных установок подчеркиваются неоднократно, поскольку только понимание лежащей в их основе логики позволяет точно связать эксплуатационные проблемы с их причинами в реальных условиях, что дает возможность более тщательно анализировать неисправности и находить для них точные решения. В статье максимально простым языком объясняется изложенный процесс.

Будь то система хранения холода или кондиционер, ни то, ни другое на самом деле не «производит холод». Вместо этого, охлаждение по сути является передачей тепла. Оно достигается за счет непрерывного преобразования и циркуляции хладагента между жидким и газообразным состояниями, тем самым осуществляя теплообмен. Весь цикл состоит из четырех стадий: сжатия, конденсации, дросселирования и испарения, образуя непрерывный замкнутый контур. Во время циркуляции хладагент непрерывно поглощает и выделяет тепло, работая совместно с четырьмя основными компонентами и вспомогательными устройствами для передачи тепла.

Однако, в ходе этого процесса, когда хладагент находится в жидком состоянии? Когда он переходит в газообразное состояние? Когда он находится под высоким давлением, а когда под низким? Каковы принципы, лежащие в основе этих изменений?

Процесс сжатия

Компрессор сжимает низкотемпературный, низконапорный хладагент в высокотемпературный, высоконапорный пар.

Далее начнём с «сердца» холодильной системы — компрессора. Как следует из названия, основная функция компрессора — сжатие. Однако объектом сжатия всегда должен быть газ. Это связано с тем, что жидкости практически несжимаемы. Если в компрессор попадает жидкий хладагент, это может вызвать образование жидких пробок.

Представьте, что жидкость внутри компрессорной камеры с силой сжимается — она действует как молоток, ударяющий по внутренним компонентам. Если это состояние будет продолжаться, компрессор быстро выйдет из строя и получит необратимые повреждения. Поэтому перед компрессором обычно устанавливается газожидкостный сепаратор. Он действует как вратарь, отделяя весь не полностью испарившийся хладагент и позволяя поступать в компрессор только газу.

После попадания газа в компрессор его объем быстро уменьшается, в то время как давление и температура резко возрастают, в конечном итоге превращаясь в высокотемпературный газ высокого давления, который выходит из компрессора. Этот процесс обычно называют выходом.

Температура на выходе является критически важным параметром, поскольку она напрямую отражает рабочее состояние компрессора и исправность холодильной системы. Поэтому холодильные установки обычно оснащаются устройствами отображения температуры на выходе.

Одновременно с этим, манометр высокого давления напрямую подключен к нагнетательному трубопроводу для контроля значений давления в режиме реального времени. Сюда же подключена и сторона высокого давления регулятора высокого/низкого давления. Как только давление на выходе превысит безопасный диапазон, срабатывает система защиты от высокого давления, автоматически отключая компрессор для предотвращения повреждения оборудования.

Кроме того, когда высокотемпературный газ под высоким давлением выходит из компрессора, он также уносит часть компрессорного масла. В этом случае важную роль играет маслоотделитель. Он отделяет масло и возвращает его в компрессор, поддерживая смазку и обеспечивая нормальную работу.

Примерная схема компрессора

Процесс конденсации

Высокотемпературный пар проходит через конденсатор, отдает тепло наружу и конденсируется в жидкость под высоким давлением.

Конденсатор служит охлаждающей станцией для высокотемпературного газа. После сжатия компрессором высокотемпературный хладагент высокого давления поступает в конденсатор, где и происходит его следующая трансформация – из газа в жидкость.

Этот процесс аналогичен конденсации водяного пара в воду при охлаждении. Для быстрого охлаждения и сжижения хладагента конденсатор оснащен вентиляторами. Однако вентиляторы не работают непрерывно. Их работа точно контролируется в соответствии с давлением в системе.

Это происходит потому, что если вентиляторы запускаются слишком рано, хладагент может разжижиться до того, как выделится достаточное количество тепла, что снизит эффективность охлаждения. С другой стороны, если вентиляторы запускаются слишком поздно, давление в системе может стать чрезмерно высоким.

Таким образом, система использует контроллер, подключенный к напорному трубопроводу или приемнику жидкости, для определения давления и интеллектуального управления работой вентилятора конденсатора. После успешного завершения сжижения хладагента он поступает в приемник жидкости и ожидает следующего этапа своего пути.

После выхода из жидкостного ресивера хладагент сначала проходит через фильтр-осушитель, который выполняет функцию очистки, удаляя из хладагента примеси, влагу и кислые вещества.

Некоторые фильтры-осушители, содержащие активированный уголь, специально разработаны для поглощения парафина, поскольку холодильное масло может осаждать воск при температурах ниже -35°C. Системы охлаждения средней и высокой температуры, как правило, не требуют такого типа удаления воска.

После очистки хладагент поступает в смотровое окно.

Смотровое стекло является ключевым элементом для оценки состояния холодильной системы. Техники могут наблюдать за смотровым стеклом, чтобы определить сухость трубопровода, а также установить, достаточно ли заправки хладагентом или произошел ли попадание воздуха в систему, проверив наличие пузырьков внутри хладагента.

На этом этапе хладагент все еще находится в жидком состоянии под высоким давлением. Чтобы предотвратить дальнейший поток хладагента в испаритель после выключения, после смотрового стекла установлен электромагнитный клапан для точного регулирования потока.

Примерная схема конденсатора

Процесс регулирования дроссельной заслонки

Жидкость под высоким давлением проходит через расширительный клапан, мгновенно теряет давление и превращается в низкотемпературную, низкодавленную газожидкостную смесь.

После прохождения через электромагнитный клапан хладагент достигает расширительного клапана. Расширительный клапан выполняет функцию редуктора давления в холодильной системе. Когда жидкий хладагент под высоким давлением проходит через расширительный клапан, дроссельное отверстие быстро снижает давление, вызывая значительное падение как давления, так и температуры хладагента. В результате хладагент превращается в низкотемпературную, низкодавленную газожидкостную смесь.

Сам по себе процесс дросселирования не изменяет общее теплосодержание хладагента. Однако резкое падение давления снижает температуру и создает газожидкостную смесь, способную поглощать тепло изнутри холодильной камеры.

В то же время расширительный клапан может автоматически регулировать поток хладагента в зависимости от холодопроизводительности холодильной камеры, обеспечивая эффективность охлаждения и стабильность температуры.

Примерная схема расширительного клапана

Процесс испарения

Хладагент поступает в испаритель, поглощает тепло из холодильной камеры, снова испаряется, охлаждает воздух и возвращается в компрессор для завершения цикла.

Затем низкотемпературная газожидкостная смесь поступает в испаритель, который представляет собой воздухоохладитель, расположенный внутри холодильной камеры.

Испаритель — это компонент, который действительно создает эффект охлаждения. Здесь хладагент поглощает тепло изнутри холодильной камеры и постепенно переходит из жидкого состояния в газ с низкой температурой и низким давлением.

По мере отвода тепла от воздуха в камере хранения температура воздуха понижается, что позволяет достичь в холодильной камере необходимой низкой температуры.

Когда хладагент покидает испаритель, он полностью превращается в насыщенный газ и возвращается в компрессор для начала следующего цикла охлаждения.

Примерная схема испарителя