В истории развития холодильной техники аммиак (NH₃, обозначение R717) занимает незаменимое место. В 1876 году немецкий инженер Карл фон Линде построил первый аммиачный компрессор, открыв новую эру искусственного холода. На протяжении почти 150 лет аммиачные холодильные системы благодаря своим превосходным термодинамическим характеристикам и экологическим свойствам продолжают играть ключевую роль в промышленном холоде, холодильной обработке пищевых продуктов, нефтехимии, фармацевтическом производстве и других областях.
Четыре основных компонента аммиачного холодильного цикла
Парокомпрессионный холодильный цикл на аммиаке состоит из четырёх основных термодинамических процессов, каждому из которых соответствует ключевой аппарат:
Испаритель:
Жидкий аммиак низкого давления и низкой температуры в испарителе поглощает теплоту от охлаждаемой среды, претерпевает фазовый переход и испаряется, превращаясь в перегретый аммиачный пар низкого давления и низкой температуры, обеспечивая тем самым холодильный эффект. Этот процесс подчиняется механизму теплообмена при кипении; температура испарения определяется рабочим давлением системы.
Компрессор:
Аммиачный пар низкого давления и низкой температуры из испарителя поступает в компрессор. После механического сжатия давление и температура значительно повышаются, и пар становится перегретым аммиачным паром высокого давления и высокой температуры. Процесс сжатия может быть приближённо принят изоэнтропическим; его энергопотребление составляет подавляющую часть общего энергопотребления системы.
Конденсатор:
Перегретый аммиачный пар высокого давления и высокой температуры проходит через конденсатор и обменивается теплотой с охлаждающей водой или воздухом. После отвода явной и скрытой теплоты он конденсируется в жидкий аммиак высокого давления и температуры окружающей среды. Температура конденсации определяется температурой охлаждающей среды и условиями теплообмена.
Дроссельное устройство (расширительный клапан):
При прохождении жидкого аммиака высокого давления и температуры окружающей среды через дроссельный элемент происходит адиабатическое мгновенное вскипание: давление резко падает, а температура одновременно снижается; образуется влажный пар низкого давления и низкой температуры, который поступает в испаритель и начинает новый цикл.
Перечисленные четыре процесса последовательно связаны и образуют полный парокомпрессионный холодильный цикл.
Основная функция компрессора
Компрессор является источником мощности холодильного цикла и часто называется «сердцем» системы. Его основная функция проявляется в двух аспектах. Во-первых, он повышает давление аммиачного пара низкого давления, образующегося в испарителе, до уровня, достаточного для его конденсации охлаждающей средой при температуре окружающей среды. Без сжатия температура конденсации аммиачного пара была бы ниже температуры окружающей среды, и процесс отвода теплоты при конденсации не мог бы происходить самопроизвольно. Во-вторых, непрерывная работа компрессора поддерживает перепад давления между сторонами высокого и низкого давления системы, заставляя аммиачный рабочий агент непрерывно циркулировать по трубопроводам и обеспечивая непрерывное производство холода. С точки зрения преобразования энергии компрессор преобразует подводимую электрическую энергию в механическую, а затем в энергию давления и тепловую энергию аммиачного пара, в конечном счёте реализуя холодильный эффект посредством теплообмена.
Состав реальной холодильной системы
В реальной инженерной практике аммиачные холодильные системы значительно сложнее базового цикла. Помимо четырёх основных аппаратов, необходимо предусматривать вспомогательное оборудование: маслоотделитель (для отделения смазочного масла, уносимого нагнетаемым паром компрессора), аммиачный ресивер (для хранения сконденсированного жидкого аммиака и регулирования подачи жидкости), отделитель жидкости аммиака (для предотвращения попадания жидкости из испарителя в компрессор), а также промежуточный охладитель (для межступенчатого охлаждения в двухступенчатых системах сжатия).
На примере двухступенчатой системы сжатия типовой процесс выглядит следующим образом: аммиачный пар низкого давления сжимается компрессором низкого давления и нагнетается в маслоотделитель; затем он поступает в промежуточный охладитель, где охлаждается, после чего направляется в компрессор высокого давления для дальнейшего сжатия. Нагнетаемый пар высокого давления конденсируется в конденсаторе в жидкий аммиак и хранится в аммиачном ресивере; после дросселирования и снижения давления он подаётся в испаритель для производства холода. Рациональная комплектация различных вспомогательных устройств эффективно повышает экономичность, надёжность эксплуатации и безопасность работы системы.
Принцип работы аммиачного компрессора основан на классической термодинамике. Кажущийся простым четырёхступенчатый цикл в действительности содержит точный термодинамический расчёт и инженерные решения. Именно непрерывная работа компрессора позволяет аммиаку — природному хладагенту — проявлять выдающуюся холодильную эффективность в современной промышленности.
