Чиллер (от англ. «сhill» — охлаждать) — устройство для охлаждения воды или незамерзающей жидкости (вода+добавка).
В современном мире применяется в системах кондиционирования (чиллер+ фанкойл),
а также широко в производстве для охлаждения термопласт автоматов, экструдеров и прочее.

3.3 КОМПРЕССОРЫ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН

3.3.1 Классификация компрессоров

Компрессор паровой холодильной машины является одним из четырех основных элементов и предназначен для поддерживания в испарителе низкого давления кипения, сжатия хладагента давления кипения до давления конденсации и последующего нагнетания хладагента в конденсатор. Расход хладагента через компрессор определяет холодопроизводительность холодильной машины.
В паровых холодильных машинах применяются компрессор отличающиеся принципом действия, холодопроизводительностью конструктивными признаками.
По принципу действиякомпрессоры разделяют на поршневые, ротационные, спиральные, винтовые, центробежные.
Компрессор, включенный в состав холодильной машины, обеспечивает ее холодопроизводительность.
Холодопроизводительность принято сравнивать при стандартных режимах работы. Компрессоры бывают малой холодопроизводительности, до 12 кВт; средней холодопроизводительности, от 12 до 90 кВт; большой холодопроизводительности, свыше 90 кВт.
Под конструктивными признакамиподразумевают количество ступеней сжатия и размещение электродвигателя привода.

• По количеству ступеней сжатия компрессоры подразделяют: одноступенчатые для одноступенчатых паровых машин;
• многоступенчатые (двух- и трехступенчатые) для многоступенчатых холодильных машин.

В зависимости от размещения электродвигателя привода по степени герметичности компрессоры делятся:

• на открытые или сальниковые (электродвигатель соединяется с валом компрессора муфтой или клиноременной передачей);
• бессальниковые (полугерметичные — электродвигатель встроен в герметичный корпус компрессора);
• герметичные (компрессор и электродвигатель размещаются в общем герметичном корпусе, который после сборки сваривается газовой или электросваркой и не подлежит разборке).

 

Компрессор

Один из главных элементов любой холодильной машины - это компрессор.
Компрессор всасывает пар хладагента, имеющий низкие температуру и давление, затем сжимает его, повышая температуру (до 70 - 90°С) и давление (до 15 - 25 атм.), а затем направляет парообразный хладагент к конденсатору.
Основные характеристики компрессора - степень компрессии (сжатия) и объем хладагента, который он может нагнетать. Степень сжатия - это отношение максимального выходного давления паров хладагента к максимальному входному.
В холодильных машинах используют компрессоры двух типов:
Поршневые - с возвратно-поступательным движением поршней в цилиндрах
Ротационные, винтовые и спиральные - с вращательным движением рабочих частей.

3.3.2 Поршневые компрессоры

Рис.2.11 Принцип работы поршневого компрессора
Поршневые компрессоры используются чаще всего. Принцип их работы показа на рис.2.11
При движении поршня (3) вверх по цилиндру компрессора (4) хладагент сжимается. Поршень перемещается электродвигателем через коленчатый вал (6) и шатун (5).
Под действием давления пара открываются и закрываются всасывающие и выпускные клапаны компрессора холодильной машины.
На рис.2.11а показана фаза всасывания хладагента в компрессор. Поршень начинает опускаться вниз от верхней точки, при этом в камере компрессора создается разрежение и открывается впускной клапан (12). Парообразный хладагент низкой температуры и низкого давления попадает в рабочее пространство компрессора.
На рис.2.11б показана фаза сжатия пара и его выхода из компрессора. Поршень поднимается вверх и сжимает пар. При этом открывается выпускной клапан компрессора (1) и пар под высоким давлением выходит из компрессора.
Основные модификации поршневых компрессоров (отличаются конструкцией, типом двигателя и назначением):

• Герметичные компрессоры
• Полугерметичные компрессоры
• Открытые компрессоры

Герметичные компрессоры
Используются в холодильных машинах небольшой мощности (1.5 - 35 кВт). Электродвигатель расположен внутри герметичного корпуса компрессора. Охлаждение электродвигателя производится самим всасываемым хладагентом.
Полугерметичные компрессоры
Используются в холодильных машинах средней мощности (30 - 300 кВт). В полугерметичных компрессорах электродвигатель и компрессор соединены напрямую и размещены в одном разборном контейнере. Преимущество этого типа компрессоров в том, что при повреждениях можно вынуть двигатель, чтобы ремонтировать клапаны, поршень и др. части компрессора. Охлаждение электродвигателя производится самим всасываемым хладагентом.
Открытые компрессоры
Имеют внешний электродвигатель, выведенный за пределы корпуса, и соединенный с компрессором напрямую или через трансмиссию.
Мощность многих холодильных установок может плавно регулироваться с помощью инверторов - специальных устройств, изменяющих скорость вращения компрессора. В полугерметичных компрессорах возможен и другой способ регулировки мощности - перепуском пара с выхода на вход либо закрытием части всасывающих клапанов.
Основные недостатки поршневых компрессоров:

• Пульсации давления паров хладагента на выходе, приводящие к высокому уровню шума.
• Большие нагрузки при пуске, требующие большого запаса мощности и приводящие к износу компрессора.

3.3.3 Ротационные компрессоры вращения

Принцип работы ротационных компрессоров вращения основан на всасывании и сжатии газа при вращении пластин.
Их преимущество перед поршневыми компрессорами состоит в низких пульсациях давления и уменьшении тока при запуске.
Существует две модификации ротационных компрессоров:

• Со стационарными пластинами
• С вращающимися пластинами

Компрессор со стационарными пластинами

В компрессоре со стационарными пластинами хладагент сжимается при помощи эксцентрика, установленного на ротор двигателя. При вращении ротора эксцентрик катится по внутренней поверхности цилиндра компрессора, и находящийся перед ним пар хладагента сжимается, а затем выталкивается через выпускной клапан компрессора. Пластины разделяют области высокого и низкого давления паров хладагента внутри цилиндра компрессора.
Пар заполняет имеющееся пространство
Начинается сжатие пара внутри компрессора и всасывание новой порции хладагента
Сжатие и всасывание продолжается
Сжатие завершено, пар окончательно заполнил пространство внутри цилиндра компрессора.
Компрессор с вращающимися пластинами

В компрессоре с вращающимися пластинами хладагент сжимается при помощи пластин, закрепленных на вращающемся роторе. Ось ротора смещена относительно оси цилиндра компрессора. Края пластин плотно прилегают к поверхности цилиндра, разделяя области высокого и низкого давления. На схеме показан цикл всасывания и сжатия пара.
Пар заполняет имеющееся пространство
Начинается сжатие пара внутри компрессора и всасывание новой порции хладагента
Сжатие и всасывание завершается.
Начинается новый цикл всасывания и сжатия.
  Спиральные компрессоры SCROLL

Спиральные компрессоры применяются в холодильных машинах малой и средней мощности.
Такой компрессор состоит из двух стальных спиралей. Они вставлены одна в другую и расширяются от центра к краю цилиндра компрессора. Внутренняя спираль неподвижно закреплена, а внешняя вращается вокруг нее.
Спирали имеют особый профиль (эвольвента), позволяющий перекатываться без проскальзывания. Подвижная спираль компрессора установлена на эксцентрике и перекатывается по внутренней поверхности другой спирали. При этом точка касания спиралей постепенно перемещается от края к центру. Пары хладагента, находящиеся перед линией касания, сжимаются, и выталкиваются в центральное отверстие в крышке компрессора. Точки касания расположены на каждом витке внутренней спирали, поэтому пары сжимаются более плавно, меньшими порциями, чем в других типах компрессоров. В результате нагрузка на электродвигатель компрессора снижается, особенно в момент пуска компрессора.
Пары хладагента поступают через входное отверстие в цилиндрической части корпуса, охлаждают двигатель, затем сжимаются между спиралей и выходят через выпускное отверстие в верхней части корпуса компрессора.
Недостатки спиральных компрессоров:

• Сложность изготовления.
• Необходимо очень точное прилегание спиралей и герметичность по их торцам

3.3.4 Винтовые компрессоры

Винтовые компрессоры применяются в холодильных машинах большой мощности (150 - 3500 кВт). Существуют две модификации этого типа:

• С одинарным винтом
• С двойным винтом

  Винтовой компрессор с одинарным винтом

Модели с одинарным винтом имеют одну или две шестерни-сателлита, подсоединенные к ротору с боков.
Сжатие паров хладагента происходит с помощью вращающихся в разные стороны роторов. Их вращение обеспечивает центральный ротор в виде винта.
Пары хладагента поступают через входное отверстие компрессора, охлаждают двигатель, затем попадают во внешний сектор вращающихся шестеренок роторов, сжимаются и выходят через скользящий клапан в выпускное отверстие.
Винты компрессора должны прилегать герметично, поэтому используется смазывающее масло. Впоследствии масло отделяется от хладагента в специальном сепараторе компрессора.
Винтовой компрессор с двойным винтом

Модели с двойным винтом отличаются использованием двух роторов - основного и приводного.
Винтовые компрессоры не имеют впускных и выпускных клапанов. Всасывание хладагента постоянно происходит с одной стороны компрессора, а его выпускание - с другой стороны. При таком способе сжатия паров уровень шума гораздо ниже, чем у поршневых компрессоров.
Винтовые компрессоры позволяют плавно регулировать мощность холодильной машины с помощью изменения частоты оборотов двигателя.
Достоинство винтовых компрессоров: Отсутствие впускных и выпускных клапанов, а также трения между элементами компрессора.
Недостаток: использование специального привода для обеспечения высокой частоты вращения винтов, сложная система смазки.

3.3.5 Центробежные компрессоры

Центробежные компрессоры используются в холодильных ма­шинах большой производительности, работающих на фреонах и аммиаке, преимущественно в системах кондиционирования воздуха.
Сжатие паров хладагента в центробежном компрессоре осно­вано на увеличении скорости хладагента в рабочем колесе и по­следующем преобразовании его кинетической энергии в потен­циальную. Принцип действия центробежного компрессора пока­зан на рис. 2.12.
 
Рис. 2.12. Устройство центробежного компрессора:
1—нагнетательный патрубок; 2—рабочее колесо с лопатками; 3—всасывающий патрубок; I—V—ступени компрессора; С,А,Е,Г,С — обратные направляющие аппараты.

Хладагент в парообразном состоянии поступает во всасываю­щий патрубок 3компрессора и затем в рабочее колесо 2. Рабочее колесо вращается в корпусе компрессора с большой скоростью. Центробежной силой парообразный агент лопатками отбрасывается к периферии (наружной части) рабочего колеса. После рабо­чего колеса 2хладагент подается в обратный направляющий ап­парат, в котором скорость движения хладагента значительно сни­жается, а давление его повышается.
Обычно давления, создаваемого одним рабочим колесом и од­ним обратным направляющим аппаратом с диффузором, бывает недостаточно. Поэтому хладагент сжимают последовательно в не­скольких рабочих колесах, получивших название «ступени сжатия компрессора» или просто — ступени компрессора.
Число ступеней сжатия центробежного компрессора определя­ется условиями работы холодильной машины и свойствами ис­пользуемого хладагента.

• Холодильная арматура и автоматика

 
3.4.1 Терморегулирующий вентиль  (ТРВ) регулирует подачу хладагента от конденсатора к испарителю так, чтобы при изменении условий работы давление испарения и перегрев в испарителе холодильной машине оставались постоянными.

Терморегулирующий вентиль регулирует поток жидкого хладагента в зависимости от процесса кипения в испарителе. Перегрев всасы­ваемого пара воздействует на терморегулирующий вентиль следу­ющим образом. Чувствительный элемент частично наполнен жид­ким хладагентом, таким же, как и в системе. Эта среда, содержа­щаяся в чувствительном патроне 3 (капсуле), называется «силовой средой». Капсула прикрепляется к трубопроводу на выходе из ис­парителя 2 таким образом, что капсула и содержащаяся в ней «си­ловая среда» принимают температуру всасываемых паров.
Давление Рб «силовой среды» давит на верхнюю сторону мембра­ны 4, а давление кипения Рк воздействует на нижнюю сторону мемб­раны. Небольшое усилие, создаваемое пружиной 5, надетой на шток клапана вентиля 6, удерживает его в закрытом положении до тех пор, пока давление на мембрану 4 сверху не преодолеет усилие пружины плюс давление кипения (Рб> Рп+Рк). Для того чтобы давление Рб на мембрану сверху превысило давление на мембрану снизу Рк, «сило­вая среда» должна иметь более высокую температуру, чем темпе­ратура в испарителе. Поэтому всасываемые пары должны быть перегреты, для того чтобы довести давление «силовой среды» до давления, способного произвести открытие вентиля. ТРВ являют­ся регуляторами, с помощью которых производится автоматичес­кая подача заданного количества хладагента в испаритель, т.е. ре­гулируется заполнение испарителя. При избытке или недостатке хладагента в испарителе нарушается нормальная работа холодиль­ной машины. Избыток жидкости вызывает влажный ход компрес­сора, так как часть жидкости попадает во всасывающую линию и компрессор, недостаток — приводит к неполному использованию поверхности испарителя и понижению температуры кипения хла­дагента.
Существует два типа терморегулирующих вентилей:

1. С внутренним уравниванием - для машин малой и средней мощности
2. С внешним уравниванием - для машин большой мощности

ТРВ с внутренним уравниванием

Рис. 2.13. Терморегулирующий вентиль с внутренним уравниванием:
1— винт настройки; 2— втулка-гайка; 3— пружина; 4— игла клапана; 5—иг­лодержатель; 6—седло клапана; 7—корпус; 8— фильтр; 9— входной штуцер; 10— мембрана; 11 —капиллярная трубка; 12—головка вентиля; 13 — толкатель; 14— выходной штуцер; 15 —термобаллон; 16—сальник винта настройки; 17— колпачок.

Скорость перетекания хладагента через терморегулирующий вентиль зависит от положения клапана. Это положение определяется соотношением сил, действующих на мембрану регулятора.

• На закрытие клапана направлены давление испарения и сила натяжения пружины.
• На открытие клапана направлено давление термобаллона, определяемое перегревом хладагента в испарителе.

Если температура внешнего воздуха (среды) понижается, то кипение хладагента ослабляется, перегрев уменьшается, и температура термобаллона снижается. При этом понижение давления в термобаллоне воздействует на мембрану регулятора, уменьшая подачу хладагента в испаритель. В результате равновесие восстанавливается.
Аналогично действие регулятора при увеличении температуры наружного воздуха (среды).
В зависимости от длины и жесткости пружины, закрывающей клапан терморегулирующего вентиля, давление испарения и перегрев можно установить на нужные значения
ТРВ с внешним уравниванием

Рис. 2.14. Терморегулирующий вентиль с внешним выравниванием:
1 — накидные гайки; 2— корпус; 3 — сопло; 4 — ходовая втулка; 5 — ходовой винт; 6 — колпачковая гайка; 7 — термобаллон; 8—сальник ходового винта; 9— гай­ка; 10— крышка мембраны; 11 — капиллярная трубка; 12— мембрана; 13 — саль­ник штока; 14— шток; 15—пружина; 16— клапан; 17— фильтр; 18— штуцер уравнительной линии.

Для больших холодильных машин используется более совершенная система регулировки - ТРВ с внешним регулированием. Она позволяет точно поддерживать давление испарения, если изменяется гидравлическое сопротивление испарителя.
Давление в такой системе измеряется не за клапаном регулятора, а уже на выходе из испарителя. Для этого в состав регулятора входит дополнительная трубка.
В результате такого подключения поддерживается постоянное давление испарения хладагента и перегрев, даже при изменении гидравлического сопротивления в испарителе.
3.4.2 Соленоидные вентили
 Соленоидный вентиль – предназначен для перекрытия жидкостной магистрали во время остановки компрессора, тем самым не допуская попадание жидкого хладагента из ресивера (конденсатора) через ТРВ и испаритель в неработающий компрессор, что в свою очередь обеспечивает его защиту от возможного гидроудара при пуске.

3.4.3 Регулятор давления и температуры

Реле давления предназначены для контроля и автоматической защиты компрессора в случаях, когда давление нагнетания выше допустимого предела, предусмотренного испытанием системы на плотность, или давление всасывания меньше расчетного. Кроме того, реле низкого давления могут быть использованы для под­держания заданной температуры в охлаждаемом объекте. Реле дав­ления могут быть электромеханическими и электронными с тензодатчиком (сапфировый) или пьезодатчиком.
Промышленностью выпускаются реле давления в одноблочном и двухблочном исполнении. Одноблочные реле давления по своей конструкции и принципу действия отличаются от маномет­рических реле температуры только отсутствием чувствительной термосистемы. Вместо нее контролируемое давление подается на сильфон через импульсную трубку. Двухблочное реле контролиру­ет два давления, действующие на один микропереключатель.
В зависимости от назначения различают реле низкого и высо­кого давления.
Прямое срабатывание реле низкого давления(размыкание кон­такта) происходит при понижении контролируемого давления до значения, установленного на шкале уставки. Обратное срабатыва­ние (замыкание контакта) происходит при повышении контро­лируемого давления на значение настройки дифференциала.
Прямое срабатывание реле высокого давления (размыкание кон­такта) происходит при увеличении контролируемого давления до величины, установленной на шкале уставки. Обратное срабатывание (замыкание контакта) бывает при понижении контролируе­мого давления на величину дифференциала.
Температура в охлаждаемом объекте должна поддерживаться на определенном уровне. Ее отклонение от заданного значения исправляется приборами автоматики — реле температуры. Они применяются также для защиты компрессора от превышения вер­хнего предела температуры нагнетания.
Различают манометрические, биметаллические и полупровод­никовые реле температуры.
Манометрические реле получили наибольшее распространение, однако в настоящее время их вытесняют реле с термисторами.
 Рис. 2.15. Принципиальная схема реле температуры: 1
1 — пружина дифференциала; 2—задатчик дифференциала; 3— шкала диффе­ренциала; 4— шкала уставки; 5—задатчик уставки; 6 —плечо основного рыча­га; 7— подвижный контакт; 8— неподвижный контакт; 9— ось основного рыча­га; 10— термобаллон; 11 —капиллярная трубка; 12—сильфон; 13 — корпус сильфона; 14— толкатель сильфона; 15—основной рычаг; 16 —основная пружина уставки; 17—упор вилки дифференциала; 18— вилка дифференциала.

Принцип действия приборов основан на изменении давления парожидкостной смеси хладона в термосистеме прибора (рис. 2.15) в зависимости от изменения температуры термобаллона (капсу­лы). При повышении температуры термобаллона давление хладо­на возрастает и, воздействуя через капиллярную трубку на сильфон, сжимает его. Толкатель сильфона действует на основной рычаг, стремясь повернуть его по часовой стрелке. Этому препятствует сжатая пру­жина уставки, которая воздействует на рычаг сверху. При поворо­те основного рычага по часовой стрелке его плечо действует на систему рычагов контактной группы и замыкает контакт для вклю­чения компрессора в работу. Усилие сжатия пружины уставки ре­гулируется винтом-задатчиком. Настройка прибора контролиру­ется по положению стрелки шкалы уставки. Чем сильнее сжата пружина уставки, тем большее давление требуется со стороны сильфона для поворота основного рычага по часовой стрелке. Сле­довательно, замыкание контактов прибора будет происходить при большей температуре контролируемого объекта. Узел дифферен­циала предназначен для установки винтом-задатчиком дифферен­циала определенной разности температур прямого срабатывания прибора (контакт при этом размыкается) и обратного срабатыва­ния (замыкание контактов).
В большинстве случаев применяется двухпозиционное регули­рование температуры, заключающееся в том, что компрессор пе­риодически включается и отключается. При повышении темпера- туры в объекте охлаждения компрессор включается, а при пони­жении температуры выключается.

3.4.4 Пресостаты и термостаты

Регуляторы (реле) давления  пред­назначены для защиты компрессоров, ра­ботающих в составе холодильных устано­вок и установок кондиционирования воз­духа, от чрезмерно низкого давления вса­сывания, а также повышенного давления нагнетания. Реле давления ис­пользуются также для пуска и останова холодильных компрессоров и вентилято­ров воздушных конденсаторов. Регуляторы давления имеют однопо­люсную двухпорционную (5РОТ) переклю­чающую контактную группу. Положение контактов зависит от установки и величи­ны контролируемого давления.

3.4.5 Электронный блок управления (Контроллер)

Обеспечивают автоматическую и безопасную работу силовой электрической цепи и цепи управления. Электронный блок также выводить информацию о режимах работы на панель управления. Температурный контроллер предназначен для использования при охлаждении или обогреве и устанавливает контрольную точку.