Аммиачные холодильные машины

Назначение, устройство и место расположения вспомогательного оборудования в таких холодильных машинах рассмотрим на примере холодильной установки на две температуры кипения, представленной на рис. 3.15. В схему включены одноступенчатый и два двухступенчатых компрессора, имеющие общую нагнетательную линию.

Маслоотделитель II устанавливают на нагнетательном трубопроводе перед конденсатором III для отделения масла, увлекаемого парами холодильного агента из компрессора, чтобы не допустить попадания его в больших количествах в теплообменные аппараты (конденсатор и испаритель).

Из компрессора масло уносится в виде мелких капель, либо в парообразном состоянии, так как при температурах 80...150 °С оно частично испаряется (3...30 %). В самых простых маслоотделителях отделение масла происходит под действием резкого изменения направления движения и разности между плотностями масла и пара.

Для изменения направления движения пара в аппарате устанавливают перегородку (рис. 6.1 а) или определенным образом располагают патрубки. В этом случае маслоотделители улавливают только 40...60 % масла, унесенного из компрессора, так как пары масла и его очень мелкие капли такие аппараты не улавливают.

В циклонный маслоотделитель (рис. 6.1 б) пар поступает по патрубку 1 и попадает на направляющие лопатки 4, где приобретает вращательное движение. Под действием центробежной силы капли масла отбрасываются на корпус и образуют медленно стекающую вниз пленку. При выходе со спирали пар резко изменяет направление и по патрубку 2 уходит из маслоотделителя. Перегородка 5 защищает отделившееся масло от струи пара.

Для более тщательного отделения масла в маслоотделителях применяют также водяное охлаждение (рис. 6.1 в) или промывку выходящего из компрессора пара в жидком аммиаке (рис. 6.1 г). При этом парообразное масло конденсируется и вязкость его увеличивается, в результате чего образуются более крупные капли масла, которые легко отделяются от пара холодильного агента.

Рис. 6.1 Маслоотделители: а – с перегородкой; б – циклонный; в – с водяным охлаждением; г – с промывкой паров в жидком аммиаке; 1 – патрубок для входа пара; 2 – патрубок для выхода пара в конденсатор; 3 – перегородка; 4 – направляющие лопатки; 5 – перегородка, защищающая от струи пара; 6 – насадка; 7 – водяной змеевик; 8 – уровнедержатель; 9 – переливная труба; 10 – ресивер; 11 – конденсатор

В маслоотделителе с водяным охлаждением (рис. 6.1 в) охлаждающая вода циркулирует по змеевику 7. Пар холодильного агента с маслом подается через патрубок 1 и многократно изменяет направление движения вследствие соответствующего расположения патрубков и насадки 6 из отбойных колец (или металлической стружки). Пар выходит через патрубок 2. Масло выпускают через поплавковый перепускной клапан в картер компрессора.

В маслоотделителе с промывкой паров в жидком аммиаке (рис. 6.1 г) пар вместе с маслом поступает из компрессора через патрубок 1, опущенный под уровень жидкого аммиака. Жидкость в маслоотделитель подводят от конденсатора (или ресивера). При выходе из патрубка 1 пар барботирует через слой жидкости и охлаждается, что обусловливает лучшее отделение масла. Поднимаясь по аппарату, пар проходит отбойные тарелки с отверстиями, которые тоже способствуют задержанию масла, и выходит через патрубок 2 в конденсатор 11. Плотность масла больше, чем жидкого аммиака, поэтому оно скапливается в нижней части аппарата, под жидким аммиаком и периодически выпускается из маслоотделителя.

В циклонных маслоотделителях и маслоотделителях с водяным охлаждением или с промывкой пара в жидком аммиаке отделяется 95...97 % масла, унесенного парами из компрессора.

Маслоотделители подбирают по диаметру корпуса или нагнетательного штуцера d компрессора, который определяют из уравнения неразрывности или сплошности потока:

, (6.1)

где М – массовый расход пара, кг/с;

n₂ – удельный объем нагнетаемого компрессором пара, м³/кг;

w – скорость движения пара в корпусе (в штуцерах), м/с.

Скорость движения пара в корпусе маслоотделителя должна поддерживаться 0,7...1 м/с, а в нагнетательных штуцерах – для аммиака 20...25 м/с (для хладонов 15...20 м/с).

Выпуск масла из маслоотделителя аммиачной холодильной установки опасен (маслоотделитель находится под давлением 0,8...1,8 МПа) и приводит к потере холодильного агента.

Градирня IV является важнейшим элементом оборотной системы водоснабжения конденсатора (трубопроводы этой системы обозначают на схеме цифрой 1). Она устанавливается на открытом воздухе, вблизи компрессорного цеха, и представляет собой обычное душирующее устройство больших размеров. Предназначена для охлаждения проточной воды в системе конденсатора III. Для интенсификации теплоотдачи от оборотной воды к окружающему воздуху градирни часто снабжают вентиляторами. Такие градирни называют вентиляторными.

Отметим также, что на крупных холодильных установках, а также в системах оборотного водоснабжения других предприятий (например, тепловых электростанций), часто вместо градирен используют брызгательные бассейны, декоративные фонтаны и т.п., выполняющие по сути ту же функцию охлаждения оборотной воды.

Водяной насос V устанавливают рядом с градирней для организации движения оборотной воды через конденсатор. Как правило, в таких системах используются герметичные центробежные насосы.

Линейный ресивер VI устанавливается на стороне высокого давления за конденсатором и связан с ним жидкостной и паровой уравнительными линиями. Он предназначен для сбора конденсата аммиака и создания его запаса, что необходимо для бесперебойной работы холодильной установки. Кроме того, линейный ресивер предназначен для освобождения конденсатора от излишка жидкого аммиака.

При эксплуатации ресивер по соображениям безопасности заполняют жидкостью только на 50 % объема. Вместимость линейного ресивера рассчитывают по общему объёму испарительной системы.

Отечественной промышленностью выпускаются линейные ресиверы двух типов: горизонтальные РД и вертикальные РДВ (рис. 6.2). Ресиверы РД могут быть использованы в качестве циркуляционных, защитных или дренажных ресиверов.

Рис. 6.2. Ресиверы: а – линейный аммиачный горизонтальный; б – вертикальный циркуляционный (дренажный и защитный) аммиачный; в – линейный вертикальный

Циркуляционный ресивер XVI необходим в крупных аммиачных холодильных установках с принудительной циркуляцией аммиака в приборах охлаждения. Циркуляционный ресивер устанавливают на стороне низкого давления и используют как резервуар, из которого аммиачный насос XVII забирает жидкость и под давлением направляет в охлаждающие батареи. Циркуляционные ресиверы бывают горизонтальные и вертикальные.

Горизонтальный циркуляционный ресивер устроен так же, как и линейный.

В вертикальный циркуляционный ресивер (рис. 6.2 б) аммиак поступает от регулирующего вентиля по патрубку 1, затем жидкость забирается аммиачным насосом через патрубок 9 и направляется в батареи камер. Из батарей пар по патрубку 3 возвращается в ресивер, где жидкость отделяется от пара и сухой пар отводится к компрессору по патрубку 5. Вертикальный ресивер снабжен также патрубками 7 и 8 (уравнительных линий) для подключения регулятора и сигнализатора уровня, патрубком 2 для слива жидкости с батарей (перед оттаиванием снеговой шубы с их поверхности), патрубком 4 для подачи пара со стороны нагнетания (для продувки аппарата), а также предохранительным клапаном 6, мановакуумметром, указателем уровня 10 и патрубком для выпуска масла.

Циркуляционный ресивер должен вмещать всю жидкость из батарей и воздухоохладителей данной температуры кипения при условии, что батареи заполняют жидкостью на 25-30 % в системах с верхней подачей агента и на 60 % – в системах с нижней подачей агента, а воздухоохладители – на 50 % своей вместимости.

Вместимость циркуляционных ресиверов при верхней подаче жидкого аммиака в приборы охлаждения можно рассчитывать по формулам:

для горизонтальных ресиверов V^в_ц.г ³ 2,25 (0,25 V_б + 0,5 V_в) + V_вс.тр × 0,25,

для вертикальных ресиверов V^в_ц.в ³ 3,25 (0,25 V_б + 0,5 V_в) + V_вс.тр × 0,25,

где V_б, V_в – геометрическая вместимость труб батарей и воздухоохладителей, м³; V_встр – вместимость трубопроводов для всасывания пара и слива жидкого аммиака.

Дренажный ресивер является резервуаром для спуска жидкого холодильного агента из приборов охлаждения при оттаивании снеговой шубы горячими парами. В качестве дренажных ресиверов используют те же аппараты, что и для циркуляционных ресиверов, т.е. они могут быть горизонтальные (рис. 6.2 а), но без воздухоохладителя, либо вертикальные (рис. 6.2 б). Дренажный ресивер должен вмещать жидкость из батарей и воздухоохладителей самой большой камеры на холодильнике при условии его заполнения на 80 %.

.

Защитный ресиверприменяют в безнасосных схемах и устанавливают под отделителями жидкости (горизонтальный ресивер) для приема жидкости в случае выброса ее из батарей при повышенных тепловых нагрузках. При использовании вертикальных ресиверов отделение жидкости происходит в верхней зоне аппарата.

Вместимость защитных ресиверов можно рассчитать по формулам:

а) для горизонтального V_з.г ³ 0,35 (V_б + V_в);

б) для вертикального V_з.в ³ 0,45 (V_б + V_в).

Как правило, ресиверы дренажные и защитные при нормальной работе жидкостью не заполнены. Все ресиверы снабжены предохранительными клапанами, манометрами или мановакуумметрами, указателями уровня и запорными вентилями.

Переохладитель жидкости VII применяют для охлаждения аммиака перед регулирующим вентилем ниже температуры конденсации.

Рис. 6.3. Аппараты для переохлаждения жидкости: а – переохладитель; б – регенеративный теплообменник (РТО).

Он представляет собой противоточный аппарат (рис. 6.3 а) из двойных труб: наружных диаметром 57´3 мм и внутренних диаметром 38´2,5 мм. Концы наружных труб подогнуты и приварены к внутренним. Жидкий аммиак поступает в аппарат сверху и проходит по кольцевому межтрубному пространству. Переход из межтрубного кольцевого пространства одной трубы в другую осуществляется по соединительным патрубкам. Охлаждающая вода поступает противотоком (снизу) по внутренним трубам, соединенным между собой чугунными калачами на резиновых прокладках. Переохладитель может иметь одну или несколько секций, соединенных параллельно аммиачными и водяными коллекторами.

Тепловой поток в переохладителе определяют по формуле

Q_n = M_x.a (i_3' – i₃),

где M_x.a – масса циркулирующего холодильного агента, кг/с;

i_3' и i₃ — удельные энтальпии жидкого холодильного агента на входе в переохладитель и выходе из него, Дж/кг.

Переохладители подбирают по площади теплопередающей поверхности F_n, которую определяют по формуле

,

где q_п – средний температурный напор между холодильным агентом и водой;

k_n – коэффициент теплопередачи переохладителя, численные значения которого лежат в диапазоне 600¸700 Вт/(м²×К).

Рис. 6.4. Отделитель жидкости

Отделитель жидкости IX предназначен для защиты компрессора от попадания в него жидкого холодильного агента и, следовательно, для обеспечения сухого хода компрессора. Его применяют в аммиачных установках при непосредственном охлаждении камер, а также на выходе из рассольных испарителей.

Отделитель жидкости представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат (рис. 6.4), в котором в результате резкого изменения направления потока и уменьшения скорости движения (до 0,5 м/с) жидкость опускается в нижнюю часть аппарата, а сухой пар из верхней части отбирается компрессором. Через патрубок 7 холодильный агент поступает от регулирующего вентиля для отделения пара, полученного при дросселировании. Через патрубок 5 жидкость сливается в камерные приборы охлаждения, а через патрубок 2 возвращается влажный пар из приборов охлаждения. Влажный пар осушается вследствие выпадения капелек жидкости. В аппарате предусмотрен также патрубок 3 для манометра, патрубок 5 для подсоединения уравнительной паровой линии, патрубки 1 и 4 для подключения регуляторов и сигнализаторов уровня жидкости в аппарате. При опасном повышении уровня жидкости автоматический прибор выключает компрессор и предотвращает возможность гидравлического удара.

Отделители жидкости подбирают по диаметру всасывающего штуцера компрессора. Скорость движения пара в штуцере принимают 18...20 м/с для аммиака, 10...15 м/с для фреонов.

Рис. 6.5. Промежуточный сосуд

Промежуточные сосуды XIX применяют в многоступенчатых холодильных машинах для полного промежуточного охлаждения пара холодильного агента после низкой ступени сжатия, а также для переохлаждения жидкости перед дросселированием за счет кипения в сосуде жидкого холодильного агента при промежуточном давлении. Кроме того, эти аппараты играют роль отделителя жидкости.

В настоящее время в аммиачных двухступенчатых холодильных машинах широко применяют промежуточный сосуд со змеевиком (рис. 6.5). В змеевик по патрубку 10 входит основной поток жидкого аммиака из конденсатора или противоточного водяного переохладителя. В змеевике жидкость переохлаждается до температуры на 3...4 °С выше температуры жидкого аммиака, кипящего в межзмеевиковом пространстве при промежуточном давлении. Переохлажденная жидкость выходит через патрубок 11 к регулирующему вентилю.

В межзмеевиковое пространство под уровень жидкости подается часть жидкого аммиака из конденсатора (после дросселирования до промежуточного давления) по патрубку 4. По трубе 3 также поступает под уровень жидкости перегретый пар после сжатия в цилиндре низкой ступени. Здесь пар барботирует через слой кипящего жидкого аммиака и охлаждается до температуры насыщения. Охлажденный пар проходит конусные отбойники 7, которые задерживают капли жидкости, образовавшиеся при барботаже, и отсасывается цилиндром высокой ступени через патрубок 1.

В сосуде уровень жидкого аммиака поддерживается поплавковым регулятором и контролируется дистанционным указателем уровня, а также по обмерзанию трубки 13 (указатель уровня). Для подключения автоматического регулятора и сигнализатора предусмотрены патрубки 6 и 8 (уравнительные паровая и жидкостная линии).

Промежуточные сосуды подбирают по диаметру всасывающего штуцера ступени высокого давления.

В системе холодильной машины вместе с холодильным агентом могут находиться воздух и другие газы (продукты частичного разложения смазочного масла и рабочего тела), которые не конденсируются при температурах и давлениях, создаваемых в холодильной установке. Основной частью неконденсирующихся газов является воздух.

В систему воздух проникает при вскрытии отдельных элементов установки во время ремонта, пуске компрессора и работе на низкие температуры кипения, требующие вакуума. Некоторое количество воздуха остается в системе и перед первоначальным заполнением холодильным агентом.

Воздух скапливается в конденсаторе и линейном ресивере, где жидкий холодильный агент создает гидравлический затвор, препятствующий проникновению в испарительную систему не только пара высокого давления, но и воздуха.

Накапливаясь в конденсаторе, воздух образует газовую пленку у поверхности теплообмена, которая создает дополнительное термическое сопротивление. При этом ухудшается теплоотдача при конденсации, повышается давление в конденсаторе, увеличивается расход электроэнергии и снижается холодопроизводительность машины.

В аммиачных установках средней холодопроизводительности иногда воздух удаляют через воздухоспускной кран в сосуд с водой.

Применение специальных аппаратов – воздухоотделителей позволяет выпускать воздух непрерывно, без остановки машины, при незначительных потерях аммиака. Находят применение двухтрубный воздухоотделитель и автоматический АВ-4.

На рис. 6.6 показан двухтрубный воздухоотделитель, который монтируют над линейным аммиачным ресивером (см. рис. 6.2 а). Из ресивера паровоздушная смесь поступает по соединительному патрубку в межтрубное кольцевое пространство толщиной 5-6 мм. Смесь охлаждается жидким аммиаком, который поступает также из ресивера, и дросселируется в регулирующем вентиле, установленном перед воздухоотделителем. При охлаждении аммиак конденсируется и сливается непосредственно в ресивер по трубе, опущенной под уровень жидкости. Отделенный воздух выпускается в стеклянный сосуд с водой, что позволяет наблюдать за движением пузырьков воздуха через воду, либо по специальному трубопроводу выводится выше крыши здания холодильника.

Рис. 6.6. Воздухоотделитель двухтрубный