Способы получения холода и характеристика источников охлаждения. Холод из тепла "Ледяные дороги" и не только

Кондиционеры уже давно появились на рынке, а за последние 10 лет стали по-настоящему общедоступными. При этом далеко не все знают принцип их работы. Если мы не охлаждаем улицу, то зачем нужен блок снаружи? Сколько уличного воздуха приходит в комнату через соединительные трубопроводы? И т.д.

Предлагаю вашему вниманию общедоступный научно-популярный познавательный рассказ. А начнем мы с самого начала - с получения холода.

Как получить холод?

В научном мире эта тема называется «Физические основы получения холода». И перечисляется более десятка таковых основ. Но это сложно и скучно. Пойдем простым путём. Нам нужно получить холод в комнате. Как это сделать?

1. Создать холод (энергию холода) из некой другой энергии.
2. Принести холод из другой комнаты.

Вроде бы пока всё просто - у нас всегда и везде есть два варианта обзавестись чем-либо - сделать самому или стащить у кого-то.

Вот, например, все обогреватели-отопители, работающие от электричества, тепло создают сами. А если вентилятором нагнетать горячий летний воздух с улицы, то здесь мы тепло не создаем, а переносим (с улицы в комнату). Какова же эффективность обоих методов? В первом случае мы тратим электричества ровно столько, сколько и получаем тепла (ТЭН, потребляющий 1кВт, даёт ровно 1кВт тепла), т.е. КПД получается 100%. Во втором же случае с использованием вентилятора, потребляющего 1кВт с улицы можно нагнать и 5 и 10 и 20кВт тепла! Пожарче улица была бы! И что же? КПД будет 500, 1000 или 2000%? Совсем нет, но факт, что второй способ эффективнее, очевиден.

Кондиционеры - переносчики холода

Кондиционер работает именно по второму пути. Он холод не создает, а приносит с улицы. Как - увидим чуть ниже, а пока ещё одно сравнение из современной жизни.

Рассмотрим работу инженера и менеджера по продажам. Инженер занимается проектированием и зарабатывает тем, что разрабатывает и создает всевозможную технику. Он может и год и два потратить на разработки. Менеджер же эту технику переносит, точнее, перепродает, зарабатывая на наценке. И кто лучше живёт в нашей современности? :)

Так вот, вернемся к кондиционерам. Потому-то все они состоят из двух блоков, что именно!переносят! холод. Первый блок отправитель холода, второй получатель (или, с точки зрения тепла, наоборот: первый блок получатель тепла, а второй его отправитель). Адресант и адресат. Так называемые, наружный и внутренний блоки.

Как кондиционеры переносят холод?

Очень просто - для реализации процесса переноса нужно некое вещество-носитель. Зимой на улице холодно и носитель там охлаждается, а в комнате нагревается, при этом охлаждая воздух в комнате. Т.е. носитель перенес температуру с улицы в комнату.

Но откуда взять холод в летнюю жару? Ответ прост - из той же самой жары. Надо только подойти к вопросу немного иначе и переносить не температуру, а энергию. Если перенести энергию из комнаты на улицу, то в доме энергии останется меньше и станет холоднее, на улице же будет теплее.

Как вещество-энергоносец переносит энергию? Обратимся к свойствам веществ при разных давлениях. Например, к свойствам воздуха. Если взять некий объем воздуха при температуре 25°С и давлении 1атм. (точка 1, рис.1) и сжать его до 200атм (точка 2), то его температура увеличится до 53°С. Теперь охладим его уличным воздухом до 40°С (точка 3) и снова приведём к давлению 1атм (точка 4), при этом он охладится до 8°С - вот он и холод! Такой температурой можно и комнату охлаждать! Собственно, вот и всё - задача выполнена!

Проблема выбора теплоносителя

Рассмотренный выше способ получения холода с использованием воздуха находит своё применение в холодильной технике для получения температур около -100С, но абсолютно не годится для кондиционирования :

• Во-первых, как мы увидели, воздух в качестве теплоносителя неудобен, т.к. 200атм. - очень высокое давление, требующее высокой потребляемой мощности для его достижения.
• Во-вторых, и это можно показать, нам понадобится большой расход воздуха.
• Наконец, в третьих, у любого вещества есть замечательное свойство потреблять или отдавать энергию, не изменяя собственную температуру. Это происходит при изменении агрегатного состояния. Например, если на нагрев 1кг воды при атмосферном давлении с 5С до 15С потребуется 42кДж энергии, с 15С до 25С - столько же (зависимостью теплоёмкости от температуры можно пренебречь) и с 85С до 95С - всё те же 42кДж, то с 95С до 105С - совсем нет. Секрет в том, что при 100С вода начнет кипеть и сколько энергии не подводи, пока вся не выкипит, дальнейшего нагрева мы не увидим - все подведенные джоули уйдут на изменение её агрегатного состояния. А энергия, необходимая для выкипания 1кг воды потрясающе велика! Это целых 2500кДж! Итого, нагрев с 95С до 105С нам влетит в 2542кДж! Почувствовали разницу в 60 раз? А что это означает на практике? Это означает, что если необходимо перенести, к примеру, 25000кДж при разности температур 10С, то нам понадобится 600кг воды без изменения её агрегатного состояния или же всего 10кг с изменением. В 60 раз меньше! Но, заметите вы, температуры 95С и 105С можно использовать в отоплении, но никак не для получения холода. Действительно, так оно и есть. Но отмечу, что наш пример был приведен для атмосферного давления, а если теплоноситель-воду взять при более низком давлении, то температура кипения понизится. Но чтобы вода кипела при желаемых 10С необходимо абсолютное давление около 0.02ата - это почти вакуум - через чур сложнодостижимое условие.

Итоговый вывод прост - необходимо найти удобный теплоноситель - чтобы получение температур порядка 10С достигалось при "разумных" давлениях плюс, по возможности, использовался тепловой эффект при смене агрегатного состояния.

Появление фреонов

Вот так и были рождены хладоны, часто именуемые фреонами (на самом деле правильнее использовать термин "хладон", а фреон - это лишь запатентованный хладон фирмы E. I. du Pont de Nemours and Co. (США)). Проследуем без остановки пункты, проясняющие их состав, ассортимент, специфические свойства и др. Сразу озвучим тот факт, что с их помощью реализуется холодильный цикл, благодаря которому достигаются температуры в 5-15С, причем максимальное давление цикла не превышает 20атм (в более новых фреонах - 30атм) и вместе со всеми преимуществами используется теплота парообразования и конденсации.

Итак, современные кондиционеры работают на фреоне, сжатие которого осуществляется в компрессоре, охлаждение сжатого газа, а заодно и его перевод в жидкое состояние - в темплообменнике-конденсаторе, охлажденный сжатый фреон расширяется в дросселе (или терморегулирующем вентиле или в капилляре). В результате он охлаждается и поступает в теплообменник-испаритель, где, отдавая холод в комнату , нагревается, испаряется и снова нагревается, следуя в компрессор. Цикл замкнулся.

Холод получают путём отвода тепла от газообразного, жидкого или твёрдого тела. Например, охлаждают воз­дух камер с пищевыми продуктами, замораживают воду при производстве искусственного льда или рыбу на про­мыслах. Во всех этих случаях тепло отводится от охлаж­даемого тела к охладителю или, как его называют, р а - бочему телу. Это относится и к простейшим случаям. Например, тёплое молоко в бидонах охлаждают в баках с холодной колодезной водой. Рабочее тело - вода в баке - при этом повышает свою температуру.

Понижение температуры достигается также за счёт расширения сжатых газов. Конечно, газ не сжимается сам собой. Для этого должна быть приложена сила извне, т. е. совершена работа. Затраченная на сжатие газа работа перейдёт в тепло, газ нагреется. Частицы его ускорят своё движение. Толчки частиц о стенки сосуда станут более частыми и сильными, а это значит, что повысится давление газа. Теперь дадим сжатому газу возможность расши­риться. Расширяясь, газ совершит такую же работу, какая была затрачена на его сжатие. Работа эта может быть со­вершена только за счёт тепловой энергии самого газа. Если при этом газ заключён в оболочку, не проводящую тепла, так что притока тепла снаружи не будет, то темпе­ратура газа значительно понизится. Таким образом, рас­ширение газа приводит к его охлаждению.

Это явление используется в особых газовых холодиль­ных машинах, в которых рабочим телом служит воздух.

Однако способы получения холода без изменения агрегатного состояния рабочего тела недостаточно эко­номичны.

Лучшие результаты получаются, когда рабочее тело изменяет своё агрегатное состояние, т. е. переходит из твёрдого состояния в жидкое или из жидкого в парообраз­ное. Эти изменения охладителя должны происходить при низких температурах и сопровождаться поглощением от­носительно большого количества тепла из охлаждаемой среды.

Каждому агрегатному состоянию тела соответствуют определённые температура и давление. С изменением агре­гатного состояния меняется и взаимное расположение ча­стиц в теле. При этом изменяются многие физические свойства тела.

Изменение агрегатного состояния вещества сопровож­дается выделением или поглощением скрытой теплоты, ко­торая расходуется на перегруппировку частиц. Поэтому оно происходит при постоянной температуре, которая за­висит от физических свойств вещества и условий его пере­хода из одного состояния в другое.

Если к твёрдому телу непрерывно подводить тепло, то при определённой температуре оно начнёт переходить в жидкое состояние, т. е. плавиться. Примером плавления твёрдого тела, используемого для охлаждения, является таяние льда.

Что происходит с частицами льда при его таянии?

Лёд - твёрдое тело; его частицы образуют, как мы уже говорили, кристаллическую решётку. Между части­цами льда действуют большие силы притяжения, или сцепления. При таянии льда порядок в расположении

Частиц нарушается. Они срываются со своих мест и прихо­дят в беспорядочное движение - образуется жидкость. Для того чтобы преодолеть силы сцепления, т. е. разру­шить кристаллическую решётку, необходимо затратить энергию. На это и расходуется подводимое ко льду тепло.

Некоторые твёрдые тела при плавлении сразу перехо­дят в парообразное состояние. Такое изменение агрегат­ного состояния вещества называется возгонкой, или сублимацией. Для получения холода используется сублимация так называемого сухого льда, со свойствами которого мы познакомимся ниже.

Охлаждение, основанное на таянии льда из воды или сублимации сухого льда, называется ледяным.

В современной холодильной технике применяется глав­ным образом машинное охлаждение, а в некоторых случаях - ледяное и ледосоляное охлаждение, причём в основе всех этих способов получения холода ле­жит изменение агрегатного состояния вещества.

Что происходит в смеси льда с солью?

В ней одновременно протекают два процесса: таяние льда и растворение соли. При растворении соль переходит из твёрдого состояния в раствор. На этот переход затра­чивается тепло, которое идёт на преодоление сил взаимо­действия между частицами соли. Поэтому температура образующегося рассола получается ниже, чем темпера­туры льда и соли, взятых отдельно. Смесь, состоящая из четырёх весовых частей льда и пяти частей хлористого кальция, понижает температуру до - 40°С. Но чаще в про­мышленности применяется ледосоляное охлаждение, осно­ванное на использовании смеси дроблёного льда и обык­новенной поваренной соли. При этом температура смеси зависит от количества добавляемой ко льду соли. При добавлении ко льду 30 процентов соли (по весу) дости­гается наиболее низкая температура - 21,2° С.

Ледяное и ледосоляное охлаждения, основанные на из­менении агрегатного состояния рабочего тела, исполь­зуются в пищевой промышленности, в торговой сети и на железнодорожном транспорте при перевозке скоропортя­щихся грузов.

Огромное значение в холодильной технике имеет ма­шинный способ получения холода, основанный на явле­нии испарения некоторых жидкостей при низких темпера­турах. В том, что при испарении жидкости происходит охлаждение, легко убедиться. Смочите руку водой, а по­том, не вытирая, помахайте ею в воздухе. Вы сразу почув­ствуете, что рука стала холоднее. Быстро испаряясь, вода охлаждает кожу мокрой руки.

Испарение жидкости происходит по-разному. Если жид­кость превращается в пар только с поверхности, то это испарение. Если же парообразование происходит не только с поверхности жидкости, но и внутри её, то это кипение.

Проследим, как вода при её нагревании обращается в пар. При нормальном атмосферном давлении (760 мм ртутного столба) температура воды, постепенно повы­шаясь, доходит до + 100° С, а затем остаётся постоянной, сколько бы мы её ни нагревали. Вода при этом кипит.

Температура испарения и кипения жидкости зависит от давления образующихся над ней паров. Например, на очень высокой горе воздух более разрежен, чем у подно­жия, и, следовательно, давление его ниже нормального. Поэтому при нагревании вода здесь кипит при темпера­туре ниже+ 100° С. Наоборот, в паровом котле, где дав­ление в несколько раз превышает нормальное, вода кипит при температуре выше+ 100° С.

На испарение и кипение жидкости, как и на плавление твёрдого тела, необходимо затратить тепловую энергию.

Эта энергия идёт на преодоление сил сцепления между частицами жидкости при превращении её в пар. Количе­ство тепла, необходимое для превращения в пар одного килограмма жидкости, зависит от давления паров и

Определяется фИЗИЧеСКИМИ СВОЙСТВаМИ ЖИДКОСТИ. ЭТО КО"

Личество тепловой энергии составляет теплоту паро­образования данной жидкости.

Когда от паров отнимается тепло, они снова превра­щаются в жидкость, т. е. конденсируются.

Охлаждением путём испарения люди пользовались давно. В древнем Египте* например, так охлаждали воду.

Вода просачивалась через поры сосуда и быстро испаря­лась в наружном воздухе. Чтобы ускорить испарение, рабы приводили воздух в движение опахалами (рис. 2).

Каждый из вас может сделать простейшую холодиль­ную «машину», основанную на испарении жидкости. Обер­ните плотно мокрой тряпкой банку со сливочным маслом и поставьте её в тарелку с водой (рис. 3). По тряпке, края которой должны быть погружены в воду, вода подни­мается вверх, подобно тому, как по фитилю поднимается керосин к горелке лампы. Благодаря испарению воды с мокрой тряпки (если к тому же этот простой холодильник поместить на сквозняке) масло в банке затвердеет: испа­рение воды вызовет охлаждение масла.

Низкие температуры в промышленности получают при испарении некоторых так называемых летучих жидко­стей, имеющих низкие температуры кипения. Они служат рабочим телом в паровых холодильных машинах.

Первые попытки получения глубокого охлаждения были сделаны ещё в прошлом веке, когда учёные впервые попыта­лись превратить некоторые га­зы в жидкость. В настоящее время любой газ можно полу­чить в жидком виде. Например, воздух, которым мы дышим, превращается в жидкость, ко­торая имеет температуру около - 193° С.

Простейшая схема получе­ния жидкого воздуха приведена на рисунке 4.

Невольно возникает вопрос, какая же может быть полу­чена самая низкая температу­ра тела. Учёные установили, что такой предельной темпера­турой является температура -273,16° С. При этой темпера­туре должно полностью пре­кратиться тепловое движение частиц в теле. Поэтому темпе­ратура -273,16° С и принята за абсолютный нуль особой температурной шкалы Кельвина (со­кращённо К). Отсчёты температур по этой шкале могут быть только положительными.

Существует несколько способов получения искусственного холода. Самый простой из них – охлаждение при помощи льда или снега, таяние которых сопровождается поглощением довольно большого количества тепла – 80 ккал/кг (335 кgж/кг), при атмосферном давлении лед и снег тают при 0 о С. Практически в помещении, охлаждаемом льдом или снегом, из-за притока тепла извне температуру воздуха удается поддерживать лишь на уровне 5-8 о С.

Более низкие температуры можно получить, применяя для охлаждения смесь льда или снега с различными солями. В этом случае к скрытой теплоте, поглощаемой льдом или снегом, присоединяется скрытая теплота, поглощаемая солью при ее растворении в воде, образовавшейся в смеси; это ведет к понижению температуры смеси.

Искусственного охлаждения можно достигнуть также, если смешать лед или снег с разведенными кислотами. Например, смесь из 7 частей снега или льда и 4 частей разведенной азотной кислоты имеет температуру -35 о С.

Перечисленные выше способы получения искусственного холода имеют существенные недостатки: трудоемкость процессов заготовки льда или снега и соли, их доставки и перемешивания, трудность автоматического регулирования, ограниченные температурные возможности.

Охлаждать тела можно также сухим льдом (твердой углекислотой). Воспринимая тепло от охлаждаемого тела, сухой лед сублимирует, т.е. переходит в газообразное состояние, минуя жидкую фазу. Температура сублимации сухого льда при атмосферном давлении -78,9 о С; при этом каждый килограмм его поглощает из окружающей среды 137 ккал тепла.

Машинный способ получения искусственного холода имеет значительные преимущества: легкость автоматизации, значительное облегчение обслуживания холодильной установки, возможность получения более низких температур в охлаждаемых объектах.

Работа холодильной машины основана на различных принципах, самым распространенным из которых в настоящее время является кипение (испарение) жидких тел .

Температуры кипения и конденсации жидкости являются функцией давления; причем чем ниже давление, тем ниже температура кипения. В качестве хладоагентов часто используют вещества, которые при высоком давлении и при температуре окружающей среды могут быть превращены в жидкость. Испарение этой жидкости при низком давлении происходит при температуре ниже температуры окружающей среды.

К наиболее распространенным хладоагентам относятся аммиак, углекислота, сернистый ангидрид, пропан, фреоны.

Ниже указаны температуры кипения (испарения) при атмосферном давлении веществ, используемых в качестве хладагентов (К):

Аммиак. . . . . . . . . . . . . . . 239,9 Этилен. . . . . . . . . . . . 168,0

Углекислота. . . . . . . . . . . 194,7 Метан. . . . . . . . . . . . 111,7

Сернистый ангидрид. . . . 263,1 Кислород. . . . . . . . . 90,2

Хлористый метил. . . . . 249,5 Азот. . . . . . . . . . . . . . 77,4

Фреон-22 . . . . . . . . . . . . . 243,8

Пониженное давление, необходимое для создания низкой температуры кипения, поддерживают путем отсасывания образующихся паров компрессором. При кипении (испарении) все тела поглощают из окружающей среды значительное количество тепла, в результате чего температура в среде понижается. Изменение внутренней энергии вещества при испарении происходит в результате увеличения его объема и кинетической энергии молекул этого вещества при переходе из жидкого состояния в состояние пара.

В основу машинного способа охлаждения может быть положено также адиабатическое (без подвода и отвода тепла) расширение сжатого газа .При расширении сжатого газа температура его значительно понижается, так как внешняя работа в этом случае совершается за счет внутренней энергии газа. На этом принципе и основана работа воздушных холодильных машин, расширительных машин поршневого, турбинного или роторного типов.

Искусственное охлаждение можно получить, используя десорбцию газов из растворов или твердых тел . Многие газы хорошо растворяются в жидкостях, например аммиак в воде, углекислота в спирте. Растворимость газов в жидкостях возрастает с увеличением давления, пропорционально этому давлению.

Выделение газа из жидкости, как и испарение, сопровождается резким увеличением объема и отводом тепла растворения. Этот процесс используется в циклах вводно-аммиачных абсорбционных холодильных машин и в разомкнутых холодильных системах с использованием растворов углекислоты в этиловом спирте.

Пористые твердые тела с развитой поверхностью, называемые адсорбентами, поглощают газы. Адсорбция газов твердыми телами увеличивается с ростом давления. При снижении давления происходит десорбция газа, сопровождающаяся отводом тепла. В холодильной практике используют процесс поглощения аммиака хлористым кальцием и силикагелем.

Можно получить низкие температуры термоэлектрическим способом (эффект Пельтье) . Термоэлектрические явления обусловлены наличием связи между тепловыми и электрическими процессами. Если к термопаре (замкнутой цепи из двух разнородных проводников) подвести постоянный ток, то один из спаев будет нагреваться, другой охлаждаться. При перемене направления тока изменится и нагрев спаев – нагретый будет охлаждаться, а холодный нагреваться. Эффект Пельтье обусловлен особенностями прохождения потока электронов через поверхность спая разнородных металлов. Это явление было открыто еще в 1834 г., но практического значения долгое время не имело.

В настоящее время эффект Пельтье применяется в домашних электрохолодильниках и комнатных кондиционерах с термопарами из различных полупроводников.

Рис. 2-31. Полупроводниковый теплоэлемент:

а – схема; б – термоэлемент; в – зависимость охлаждающего эффекта DT max от температуры горячего спая; 1, 2 – полупроводники; 3 – медные пластины

Полупроводники (окислы металлов, сернистые соединения, химические соединения – германий, кремний, теллур, селен, а также их соединения) – это обширный класс веществ, занимающих по электропроводности промежуточное положение между проводниками и изоляторами.

Магнито-калорический эффект , основанный на размагничивании твердых тел (парамагнитных веществ), используют только при необходимости получения температур, близких к абсолютному нулю.

Вихревой способ (эффект Ранка) . На рисунке 2-32 приведена конструктивная схема вихревой трубы Ранка, которая состоит из корпуса 3 с соплом 4 и диафрагмой 5 , трубок холодного 6 и теплого 2 потоков и управляющего дросселя 1 .

Рис. 2-32. Трубка Ранка

Вихревая труба работает следующим образом. Если газ с температурой Т 1 и давлением Р 1 выпустить тангенциально в цилиндрическую трубку через сопло, в котором газ расширится до давления Р 2 и разгонится до скорости W, то в этой трубке, вращаясь, поток разделится на два потока с разными температурами Т х и Т г, причем Т х Т 1 Т г. Холодный поток с температурой Т х через диафрагму 5 уходит в трубку 6 , а теплый поток с температурой Т г отводится через трубку 2 и дроссель 1 .

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тема: «Физические процессы и технические средства получения искусственного холода на предприятиях АПК»

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИСКУССТВЕННОГО ХОЛОДА

Неотъемлемой частью технологических процессов скоропортящихся продуктов, их последующей сохранности, транспортировки и реализации является искусственный холод.

Искусственное охлаждение - это отвод теплоты от тела, имеющего температуру более низкую, чем температура окружающей среды, в которой находится охлаждаемое тело.

Использование искусственного холода для сохранения скоропортящихся продуктов нашло свое применение еще в XIX веке, в основном на рыбных промыслах. В основу получения искусственного холода были положены физические процессы, которые сопровождаются поглощением теплоты. Иногда для этих целей используют механическую работу или электричество.

Существует ряд таких процессов, которые сопровождаются поглощением теплоты извне. К ним можно отнести фазовый переход вещества, а именно:

Плавление;

Испарение;

Сублимация (сухая пререгонка, возгонка - или непосредственно переход вещества при нагревании из твердого в газообразное состояние, минуя стадию жидкости);

Адиабатическое дросселирование (расширение газа, проходящего через суженное отверстие без совершения внешней работы и без теплообмена с окружающей средой - эффект Джоуля-Томсона);

Этот эффект обусловлен затратой внутренней энергии на работу против сил молекулярного притяжения, что приводит к изменению температуры реального газа. Применяется в технике глубокого охлаждения. В холодильных машинах АПК этот способ применяется крайне редко.

Адиабатическое расширение газа с совершением полезной внешней работы;

Вихревой эффект (эффект Ранка), который заключается в том, что сжатый воздух, имеющий температуру окружающего воздуха, подается в трубу по тангенциальному вводу;

Термоэлектрический эффект (эффект Пельтье) заключается в том, что при прохождении постоянного электротока через цепь, состоящую из двух разнородных металлов, один из них имеет более низкую температуру, второй более высокую. Холодный спай является источником низкой температуры. По такому принципу работают термоэлектрические охлаждающие устройства.

Для сохранения скоропортящихся продуктов их необходимо охлаждать постоянно. Это возможно в том случае, если имеется большой запас хладагента, или при его конечном количестве восстанавливать его первоначальное состояние, т.е. хладагент должен совершать круговой процесс или цикл, претерпевая ряд изменений, но обязательно превращаться в первоначальное состояние. Для этой цели необходимо затрачивать внешнюю работу.

2. термодинамические процессы и циклы холодильных установок

Идеальным циклом получения искусственного холода может быть холодильная установка, работающая в соответствии с обратным циклом Карно, сущность которого сводится к следующему. В отличие от прямого цикла, в котором производится работа при переходе теплоты от более нагретого тела к менее нагретому, в обратном цикле работа или теплота передается от менее нагретого тела к более нагретому. На диаграмме это явление (процесс) можно представить следующим образом.

Как видно из диаграммы, в процессе 1 - 2 хладагент адиабатно сжимается от объема V1 до объема V2 с повышением температуры от Т2 до Т1. Далее в процессе 2 - 3 осуществляется сжатие хладагента при одновременном изотермическом отводе тепла Q1 при температуре Т1 в окружающую среду. В процессе 3 - 4 хладагент адиабатно расширяется от объема V3 до объема V4 с понижением температуры от Т1 до Т2. В процессе 4 - 1 хладагент продолжает увеличиваться в объеме (расширяться) при температуре Т2, изотермически получая теплоту Q2 от более холодного тела относительно внешней среды.

Цикл идеальной холодильной машины

S - энтропия, т.е. количество энергии, которое передается в виде тепла от одного тела к другому (Клаудисус, 1852 г.)

Q - запас тепла

Т - абсолютная температура

Действительный цикл холодильной машины

1-2 - адиабата (S = const) - сжатие сухих паров в камере. Процесс 2-2" - охлаждение хладона в конденсаторе (P= const), отводит ранее полученное тепло окружающей среде.

2"-3 - сжатый хладон при Т= const и P=const конденсируется в конденсаторе.

3-3" - переохлаждение в теплообменнике изобарно. P= const.

3"-4 - расширение после ТРВ (изоэнтальпа, i= const.

4 -1 - кипение в испарителе (T = const, P = const).

1-2 - адиабатное сжатие в компрессоре до давления Р1.

Полезным эффектом холодильного цикла является количество теплоты Q2 , которая отбирается хладагентом от охлаждаемого продукта, имеющего температуру Т2 < Т1. Это количество теплоты принято называть холодопроизводительностью цикла, которую можно определить по формуле:

где i1 - энтальпия сухого пара хладагента;

i4 - энтальпия жидкого хладагента при температуре переохлаждения;

Сср - средняя теплоемкость хладагента при Р = const.

Для оценки работы холодильной машины, работающей по обратному циклу Карно, используют холодильный коэффициент, который определяется как отношение полезного количества теплоты, отнятой от холодильного источника ограниченных размеров, к затраченной работе на осуществление цикла, где Аобр - работа, затрачиваемая на осуществление обратного цикла.

Для осуществления такого цикла в рабочую схему холодильной машины необходимо устанавливать дополнительно расширитель принудительного действия - дендратер. Это приводит к дополнительному расходу энергии.

В действующих холодильных установках вместо расширительного цилиндра (расширителя) устанавливается дросселирующий вентиль, через который проходит хладагент с предварительным охлаждением. Это делается для того, чтобы увеличить количество кипящего хладагента в испарителе, что приведет к уменьшению цикла работы холодильной машины. Причем этот цикл сопровождается перегревом паров при сжатии.

Рабочий процесс холодильной машины можно представить в виде следующей диаграммы. Жидкий хладон кипит в испарителе при Т = const и Р2 = const (процесс 4-1 - изобара, изотерма), получая тепло Q2 , которое отводит от охлаждаемого тела.

Образовавшийся пар, пройдя теплообменник, поступает в компрессор, где адиабатно сжимается до давления Р1 (процесс 1-2) Сжатые и перегретые

пары из компрессора поступают в конденсатор, в котором при постоянном давлении Р1 охлаждаются (процесс 2-2") при одновременном изобарическом отводе тепла Q1, полученного в предыдущих процессах в окружающей среде. Отдавая теплоту, хладагент поступает в теплообменник (переохладитель), где он дополнительно охлаждается до более низкой температуры парами хладагента, вышедшими из испарителя, или водой. При этом давление Р1 = const, а температура ниже, чем температура конденсации Т1 (процесс 2"-3 изобара). Из теплообменника хладагент подается в фильтр-осушитель, пройдя через который поступает в ТРВ. Дросселируясь, хладагент адиабатно расширяется до давления Р2 (процесс 3-4 изоэнтальпа i = const) с понижением температуры от Т1 до Т2. Далее процесс повторяется.

Различают компрессионные холодильные машины, в которых происходит сжатие холодильного акта; теплоиспользующие холодильные машины, потребляющие тепловую энергию; термоэлектрические холодильные машины, основанные на использовании Пельтье явления.

Компрессионные холодильные машины в свою очередь подразделяют на газовые, в которых газообразный холодильный агент не меняет агрегатного состояния, и на паровые, в которых холодильный агент изменяет агрегатное состояние (пар - жидкость). Последние получили наиболее широкое распространение.

Теплоиспользующие холодильные машины подразделяют на абсорбционные, у которых в холодильном цикле участвуют два компонента - холодильный агент и поглотитель (абсорбент), и пароэжекторные, в которых сжатие пара осуществляется с помощью пароэжектора.

Холодильный агйнт или хладагйнт - это рабочее вещество холодильной машины. В зависимости от типа холодильной машины применяются различные хладагенты. Так, в паровых компрессионных холодильных машинах в качестве хладагента применяют хладоны, аммиак, углеводороды (пропан, этан, этилен и др. вещества; в абсорбционных - водные растворы аммиака и бромистого лития; в пароэжекторных - водный пар.

Рассмотрим схемы и принципы действия компрессионной паровой, теплоизолирующей абсорбционной и теплоиспользующей эжекторной холодильных машин.

Рис1. Принцип работы компрессионной холодильной машины

Схема компрессионной холодильной машины представлена на рис. 1. Она состоит из следующих основных элементов: испарителя 2, компрессора 3, конденсатора 6, теплообменника 9, фильтра-осушителя 11 и терморегулирующего вентиля ТРВ 10, соединенных между собой трубопроводами в замкнутую герметичную систему, заполненную холодильным агентом.

Испаритель содержит промежуточный теплоноситель (воду), находящийся в аккумуляторе холода 1 в результате теплообмена с кипящим холодильным агентом. Кипение холодильного агента в испарителе происходит за счет дросселирования в ТРВ и поддерживаемого компрессором низкого давления. Температура кипения холодильного агента в испарителе обычно на 5-150 ниже температуры охлаждаемой среды. Через поверхность испарителя вода отдает свое тепло холодильному агенту, который при этом превращается в пар. Таким образом, в испарителе холодильный агент кипит при низкой температуре, отбирая тепло от охлаждаемой воды.

Компрессор отсасывает пары холодильного агента из испарителя и поддерживает в нем низкое давление, обеспечивающее низкую температуру кипения. Кроме того, компрессор нагнетает пары в конденсатор и сжимает их до такого высокого давления, при котором они превращаются в жидкость при условии охлаждения их окружающей средой с температурой 20-300С.

Конденсатор обеспечивает охлаждение сжатых паров холодильного агента окружающим воздухом с целью понижения температуры паров до температуры конденсации (состояния насыщения) и конденсации насыщенных паров в жидкое состояние.

Ресивер создает запас жидкого холодильного агента, необходимый для обеспечения равномерного питания им испарительной системы. Кроме того, ресивер является дополнительной емкостью конденсатора, которая предотвращает переполнение последнего жидким холодильным агентом. Ресивер работающей холодильной машины должен быть заполнен жидким холодильным агентом на 50% своего объема.

Теплообменник обеспечивает переохлаждение жидкого холодильного агента, поступающего к терморегулирующему вентилю, и перегрев парообразного холодильного агента, поступающего из испарителя в компрессор.

Фильтр-осушитель улавливает различные механические загрязнения (опилки, ржавчину и т.п.) холодильного агента и поглощает влагу, находящуюся в системе.

Терморегулирующий вентиль предназначен для дросселирования жидкого холодильного агента, поступающего в испаритель, и регулирования его расхода. Дросселирование сопровождается понижением давления холодильного агента от давления конденсации до давления кипения. Кроме того, терморегулирующий вентиль обеспечивает необходимое заполнение испарителя жидким холодильным агентом, подавая в единицу времени столько жидкости, сколько паров успевает за это время отсосать компрессор.

Таким образом, холодильная машина работает по замкнутому циклу. Процесс дросселирования жидкого холодильного агента терморегулирующим вентилем (ТРВ) сопровождается изменением агрегатного состояния холодильного агента. Часть жидкости, прошедшей через ТРВ, превращается в насыщенный пар, охлаждая при этом остальную часть холодильного агента до температуры кипения. Поэтому из ТРВ выходит смесь жидкости и насыщенного пара (влажный пар). Относительное содержание пара в этой смеси 10-20% по массе или до 90-95% по объему. Влажный пар, поступающий в испаритель, разделяется на жидкую и газообразную фазы. Жидкость в испарителе кипит при давлении кипения, поглощая тепло от промежуточного теплоносителя (воды) через стенки испарителя. Пары, поступающие из ТРВ и образовавшиеся при кипении, отсасывает компрессор. Температура и давление кипения зависят от требуемой температуры охлаждения, величины теплопередающей поверхности испарителя и интенсивности теплообмена.

Пары холодильного агента, отсасываемые компрессором, по мере продвижения по испарителю в результате теплообмена через стенки последнего дополнительно подогреваются. Поэтому их температура на выходе из испарителя обычно на 2-70С выше температуры кипения.

Сжатие паров холодильного агента в компрессоре с давления кипения до давления конденсации сопровождается возрастанием их внутренней энергии, давления и температуры. Температура конца сжатия паров компрессоре зависит от разности давлений на входе и выходе из компрессора и достигает 60-800С.

В конденсаторе последовательно происходит три процесса: охлаждение сжатых паров до состояния насыщения, их конденсация и переохлаждение жидкого холодильного агента. Давление и температура конденсации зависит от температуры охлаждающей среды, величины теплопередающей поверхности конденсатора и интенсивности теплопередачи. Как правило, температура конденсации на 5-200С превышает температуру охлаждающей среды.

Жидкий холодильный агент из конденсатора через ресивер, теплообменник и фильтр-осушитель поступает в ТРВ и цикл повторяется. Таким образом, холодильный агент, совершая движение по замкнутому циклу, отнимает тепло от воды в аккумуляторе холода и отдает его воздуху, обдувающему конденсатор.

Абсорбционная холодильная машина

В теплоиспользующей абсорбционной холодильной машине (АХМ) для отвода пара из испарителя служит абсорбер - сосуд, заполненный водой. Пары аммиака (холодильный агент R717) из испарителя И попадают в абсорбер Аб. Вода, через которую пробулькивают пары аммиака, растворяет их (абсорбирует, т.е. впитывает). Некоторое снижение давления в абсорбере способствует поступлению новых паров из испарителя в абсорбер.

При растворении аммиака в воде выделяется теплота, которая ухудшает дальнейшее растворение аммиака. Поэтому абсорбер необходимо охлаждать.

Насыщенная аммиаком вода (крепкий раствор) подается в генератор Г. Здесь крепкий раствор нагревается проходящим по змеевику горячим паром (в домашних абсорбционных холодильниках крепкий раствор нагревается электроспиралью или с помощью газовой горелки). Пары аммиака, образующиеся при нагревании крепкого раствора, из генератора поступают в конденсатор Кд, где охлаждаются водой и конденсируются. Жидкий аммиак высокого давления дросселируется в регулирующем вентиле ТРВ и поступает в испаритель, где кипит при низком давлении, отбирая теплоту от охлаждающих сред.

Оставшийся в генераторе, после выкипания аммиака, слабый водоаммиачный раствор возвращается в абсорбер и впитывает новые порции паров аммиака, поступающие из испарителя.

Таким образом, в отличии от компрессионной машины в абсорбционной вместо компрессора используются два аппарата (абсорбер и генератор), а также насос для подачи жидкости, мощность которого примерно в 10 раз меньше, чем у компрессора.

В домашних абсорбционных холодильниках насос и вентиль 2РВ вообще исключены из схемы. Это достигается добавлением в испаритель водорода. В результате давление в конденсаторе становится равным суммарному давлению аммиака и водорода в испарителе. При этом добавление водорода не влияет на температуру кипения аммиака в испарителе, так как она определяется только парциальным давлением паров аммиака.

Холодильный коэффициент

в абсорбционных машинах е? в три раза меньше, чем в компрессионных. Отсутствие компрессора, создающего при работе шуми выходящего из строя быстрее, чем теплообменные аппараты, обуславливает применение абсорбционных машин также и для домашних холодильников.

Однако, по сравнению с компрессионными холодильные машины абсорбционные имеют ряд недостатков. Поскольку нагреватель постоянно или циклично включен в электросеть, эксплуатация абсорбционных холодильных машин обходится дороже компрессионных, включающихся в сеть периодически. Производительность абсорбционных холодильных машин значительно ниже компрессионных, процесс охлаждения и получения низкой (минусовой) температуры в абсорбционных холодильных машинах протекает значительно медленнее и достигаемая температура значительно выше, чем в компрессионных холодильных машинах.

Широко распространены в быту холодильники абсорбционного типа (АТ). Свое название они получили от происходящих в них процессах абсорбции, т.е. поглощение жидким или твердым поглотителем паров хладагента, образующихся в испарителе. Хладагентом служит аммиак. Пары аммиака поглощаются водой с образованием при этом водоаммиачного раствора.

Компонентами раствора для заполнения холодильного агрегата являются: хладагетн - аммиак, абсорбент - бидистиллят воды, ингибитор - хромат натрия Na2CrO4 , инертный газ - водород. Количество водоаммиачного раствора для заполнения холодильного агрегата составляет 350-750 см3, концентрация аммиака в водоаммиачном растворе 34-36% (по массе).

Агрегат наполнен водоаммиачным раствором и водородом под давлением 1,47-1,96 МПа. Водород инертен и не вступает в химическую реакцию с аммиаком.

Назначение водорода - создание противодавления аммиачному пару. Водород подается в конденсатор с меньшим давлением, чем давление аммиачного пара до его конденсации.

Для предохранения внутренней поверхности труб холодильного агрегата от коррозии в раствор вводят хромат натрия (Na2CrO4) в количестве? 2% массы заряда. Водоаммиачный раствор приготавливают, смешивая аммиак с дистиллированной водой двойной перегонки.

Холодильный агрегат расположен на задней стенке холодильного шкафа, испаритель - внутри холодильной камеры.

Холодопроизводительность агрегата абсорбционно-диффузионного типа 20-30 ккал/ч.

Холодильный агрегат

Рис. Холодильный агрегат абсорбционного типа

1 - кипятильник; 2 - дефлегматор; 3 - конденсатор;

4 - испаритель; 5 - абсорбер; 6 - капиллярная трубка Ш 0,8 мм

Холодильный агрегат абсорбционно-диффузионного действия изготовлен из бесшовных труб, соединенных газовой сваркой. Основные узлы агрегата:

генератор - выработка аммиачного пара и подъем слабого раствора на высоту слива в абсорбер;

конденсатор - конденсация паров аммиака;

испаритель - испарение жидкого аммиака с образованием холода;

абсорбер - поглощение пара аммиака водоаммиачным раствором (процесс абсорбции);

электронагреватель - нагрев водоаммиачного раствора в генераторе.

Принцип работы холодильного агрегата абсорбционного типа заключается в следующем. Концентрированный раствор постоянно нагревается в кипятильнике 1 до температуры кипения каким-либо источником тепла (электрическим, газовым и т.д.). Так как температура кипения хладагента значительно ниже температуры кипения растворителя (абсорбента), то в процессе выпаривания концентрированного раствора (приблизительно t = 165-1750С) из кипятильника выходят концентрированные пары хладагента с небольшим количеством растворителя. На пути движения к конденсатору концентрированные пары хладагента проходят специальный теплообменный аппарат (дефлегматор 2), в котором происходит частичная конденсация концентрированных паров. При этом образовавшийся конденсат стекает в слабый раствор, выходящий из кипятильника, а более концентрированные пары хладагента поступают в конденсатор 3. Высококонцентрированный жидкий хладагент по капиллярной трубке Ш 0,8 мм из конденсатора поступает в испаритель 4, где он закипает при отрицательной температуре, отбирая тепло из холодильной камеры. Слабый раствор из кипятильника поступает в абсорбер 5 и охлаждается окружающей средой до температуры начала абсорбции. Выходящие из испарителя пары хладагента также поступают в абсорбер навстречу движущемуся охлажденному слабому раствору. В абсорбере происходит процесс поглощения (абсорбции) паров хладагента слабым раствором. При этом выделяется некоторое количество теплоты абсорбции (смешения) в окружающую среду. Образовавшийся в абсорбере концентрированный раствор термонасосом подается в кипятильник.

Циркуляция раствора и хладагента осуществляется непрерывно, пока работает кипятильник и термонасос, обогреваемые одним источником тепла. Таким образом, в абсорбционном холодильном агрегате непрерывного действия роль всасывающей части механического компрессора выполняется абсорбером, а нагнетательной - термонасосом.

Российской промышленностью выпускаются абсорбционные холодильные агрегаты: Морозко 3м, 4м, 5м; Ладога 40м; Спутник АШ-60, Кристалл 4, 9,9 м, 12м; Иней, Россия. Стоимость таких агрегатов значительно дешевле, но нет в нашей республике гарантийного обслуживания и ремонта.

В пароэжекторной холодильной машине рабочий пар из кипятильника (парогенератора) поступает в сопло эжектора, где расширяется и, выходя из сопла с большой скоростью, инжектирует (захватывает) холодный пар из испарителя. Общий поток поступает в конденсатор, где создается давление Рк.

Схема пароэжекторной холодильной машины

1 - кипятильник; 2 - эжектор; 3 - испаритель; 4 - охладительные объекты; 5, 7 - насосы;

6 - конденсатор.

Из конденсатора основная часть жидкости насосом возвращается в кипятильник, а меньшая часть поступает через регулирующий вентиль РВ1 в испаритель. В нем за счет работы эжектора поддерживается низкое давление Р0, при котором часть воды испаряется, пары отсасываются эжектором, а основная масса охлаждается и насосом подается к охлаждаемым объектам. В испаритель вода возвращается через регулирующий вентиль РВ2.

По энергетическим показателям пароэжекторные машины уступают компрессионным, но простота их конструкции и обслуживания, низкая начальная стоимость, высокая надежность и возможность использования теплоты низкого потенциала делают их применение в определенных условиях предпочтительным.

Рабочие вещества холодильных машин, их основные свойства и область применения

Рабочее вещество, с помощью которого в холодильной машине совершается обратный круговой цикл, называется хладагентом. Хладагенты используют в холодильных машинах, кондиционерах воздуха и теплонасосах. Наиболее распространенными теплоагентами являются вода, аммиак, хладоны и воздух.

В зависимости от используемого хоадагента холодильные машины делят на две группы: паровые и газовые.

Паровые машины бывают двух типов - компрессионные и абсорбционные. В машинах первого типа циркуляцию хладона осуществляет компрессор. Во втором типе - циркуляция обеспечивается за счет тепловой энергии теплонагревателя при нагреве им сжиженного газа.

В газовых машинах в качестве хладагента используют воздух.

В кондиционерах в качестве хладагента используют воду, т.к. температура теплоносителя всегда больше 00С (t > 00С).

Воду используют в качестве хладагента и в установках абсорбционного и эжекторного типов.

Аммиак применяют в специальных абсорбционных установках при температуре кипения tк > -700С. Основные преимущества его:

Малый удельный объем при температурах испарения;

Большая теплота парообразования;

Незначительная растворимость в масле;

Не оказывает координирующего действия на сталь.

К недостаткам относятся его ядовитость, горючесть, а также взрывоопасность при концентрации в воздухе 16…26,8 %. В смеси с водой разъедает цинк, медь, бронзу и др. медные сплавы, за исключением фосфористой бронзы. Поэтому большее распространение получили в качестве хладагентов углеродные или углеводородные соединения, содержащие фтор, хлор и бром. Это позволило повысить надежность, энергетическую эффективность и безопасность холодильных машин. Первоначально такие галоидопроизводные предельных углеводородов называли фреонами из-за того, что торговая американская фирма «Дюпон» в 1928 г. Впервые синтезировала фреон-12. В настоящее время вместо термина «фреон» введен термин «хладон». Обозначение хладонов согласно международного стандарта МС ИСО 817-74 строится по формуле R - N (где R - символ, обозначающий холодильный агент; N - номер хладона или присвоенный номер для других хладагентов). Для хладонов номер расшифровывается в следующем порядке.

Первая цифра в двухзначном номере или первые две или первые две цифры в трехзначном номере обозначают тот насыщенный углеводород CnH2n+2 , на базе которого получен хладон. Установлены следующие цифры: 1 - СН4 (метан); 11 - С2Н6 (этан); 21 - С3Н8 (пропан); 31 - С4Н10 (бутан) и т.д. Галоидные соединения насыщенных углеводородов CnH2n+2 , полученные путем замены атомов водорода атомами фтора, хлора, брома (CnHxFyClzBru), чрезвычайно многочисленны. Число молекул отдельных составляющих, входящих в эти химические соединения, связаны зависимостью x + y + z + u = 2n + 2.

Справа пишут число атомов фтора в хладоне CF2Cl2 - R12, C3F4Cl4 - R214 и т.д. При наличии в хладоне атомов брома после основного номера пишут букву В, а за ней число атомов брома: CF2Br2 - R12B2 . Незамещенные атомы водорода - плюс столько единиц, сколько осталось незамещенных атомов к первой цифре (метан) или ко второй в остальных соединениях.

К основным свойствам хладагентов относятся теплофизические, физико-химические и физиологические. К теплофизическим свойствам относятся вязкость м, теплопроводность л, плотность с, температура замерзания tкр и др. м, л, с - влияют на коэффициент теплопередачи при кипении и конденсации. Большим значением л, с и малой вязкости м соответствуют большие значения коэффициентов теплопередачи. Вязкость и плотность влияют на гидравлические сопротивления при циркуляции хладагента в системе. К физико-химическим свойствам относятся растворимость в смазочных маслах и воде, инертность к металлам, взрывоопасность и воспламеняемость. По физиологическим свойствам хладагенты не должны быть ядовитыми.

По характеру взаимодействия с маслом все хладагенты разделяют на две группы. К первой относятся хладагенты с ограниченной растворимостью в масле (аммиак R717, углекислота R44, близко подходят хладоны R13, R14, R115); ко второй группе - с неограниченной растворимостью (R11, R12, R21, R22, R40). Это значит, что при ограниченной растворимости в жидкой фазе смеси наблюдаются два слоя, из которых в одном преобладает масло, в другом - хладагент. Во втором случае этого не наблюдается и, кроме того, если кипит не чистый хладагент, а смесь (R12 + масло), то для получения такой же температуры кипения, что и для чистого R12, необходимо поддерживать более низкое давление кипения и, следовательно, затрачивать излишнюю работу на сжатие пара.

Кроме того, маслохладоновая смесь имеет большую вязкость. А это уменьшает коэффициент теплопередачи. Растворимость хладонов в воде также имеет важное значение для нормальной работы холодильной машины. Избыточное присутствие влаги приводит к «запайке» льдом дроссельного отверстия терморегулирующего вентиля.

Взаимодействие хладонов с металлами зависит также от содержания в них влаги.

Галогенизированные углеводороды дают с влагой галогенные кислоты, при которых возможны гидролиз хладона и коррозия металлов.

Хладагент не должен быть взрывоопасным и ядовитым, а также не воспламеняться в смеси с воздухом. Однако аммиак вызывает раздражение глаз и верхних дыхательных путей. Допустимая концентрация его в воздухе > 0,02 г/м3.

Хладоны с большим содержанием фтора или полностью фторированные (R13, R113) практически безвредны для человека. R12 только на открытом пламени разлагается на составные части. В продуктах его разложения содержится фосген. Недостаток фтора - озоновые дыры.

В каких областях применяются различные хладагенты?

Аммиак (R717), хладоны (R12, R22) используют в компрессионных холодильных машинах для получения температуры кипения до -30…-400С без вакуума в системе охлаждения. R12 применяют в одноступенчатых холодильных машинах с tконд = < + 750С и tкип = > -300С, в домашних холодильниках, кондиционерах, водоохлаждающих холодильных машинах. R22 применяют для машин с поршневыми и винтовыми компрессорами одно- и двухступенчатого сжатия, а также в бытовых холодильниках. Диапазон tкип = -10…1700С, tконд = < 500С.

Для уменьшения растворимости и циркуляции масла вместо R22 используют смесь R22 и R12, а также азетропную смесь R502.

R502 применяют в низкотемпературных одноступенчатых холодильных машинах при tконд = < 500С и tкип = > -450С и т.д.

Для практического использования наиболее перспективными можно считать следующие хладагенты:

для высокотемпературных холодильных машин

Ркр/Р0 R12/R114; R22/R114; R143/R142

Р0 - давление расширения

для среднетемпературных

R22/R114; R143/R12; R13B1/R12; R12/R142; R22/R12/R142/CO2

для низкотемпературных

R13/R12; R13B1/R12; R13/R22/R12/азот.

Примерные обозначения и основные термодинамические свойства наиболее распространенных хладонов

По давлению конденсации при температуре конденсации tк = 300С хладагенты делятся на три группы:

1) хладагенты высокого давления (2 < Р30 < 7 МПа) или низкотемпературные (tн.к ниже -600С) - R744; R13; R14;

2) хладагенты среднего давления (0,3 < Р30 < 2 МПа) или среднетемпературные (tн.к выше -600С и ниже -100С) - R717; R12; R22; R115; R143; R502;

3) хладагенты низкого давления (Р30 < 0,3 МПа) или высокотемпературные (tн.к выше -100С).

По виду использования хладагента холодильные машины подразделяются на аммиачные, хладоновые, пропановые, пароводяные, водоаммиачные и др. На практике применяется более двадцати хладагентов.

Поскольку в сельском хозяйстве применяются в основном компрессионные холодильные установки, трущиеся части компрессора должны быть тщательно смазаны. Для смазки применяются специальные смазочные масла, которые длительное время сохраняют свои физико-химические свойства без старения с возможно низкой температурой застывания и высокой температурой вспышки. Для этой цели применяют специальные холодильные (рефрежираторные) масла высокого качества типа ХФ. При этом каждому виду хладона должен соответствовать его тип масла (R12 - ХФ 12-16; R22 -ХФ 22-24; R717 -ХА; ХА-23; ХА-30; ХА-34).

Старение масла происходит под действием кислорода воздуха, в результате чего происходит коррозия металла и выделение смолистых веществ, которые приводят к закупорке небольших проходных отверстий в холодильной машине. Смазочные масла не должны содержать влаги. Поэтому выпускают их тщательно просушенными, а хранят в герметически закрытой таре. Перед заправкой холодильной машины масло обязательно дополнительно сушат.

Смазочные масла должны иметь низкие температуры помутнения и застывания. Помутнение происзодит при понижении температуры вследствие выделения из масла кристаллов парафина. А это приводит к закупорке небольших проходных сечений в машине (капиллярных трубок) и нарушению нормальной работы холодильника.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

Холодильная техника. Под ред. В.Ф. Лебедева. -М.: Агропромиздат, 2006.

А.И.Побединский и др. Искусственный холод на предприятиях АПК. -Мн.: Ураджай, 2004

Подобные документы

Физические основы получения искусственного холода. Холодильные агенты и промежуточные хладоносители, их свойства и требования, предъявляемые к ним. Типы холодильных машин и агрегатов, системы охлаждения, ремонт установок и задачи их эксплуатации.

контрольная работа , добавлен 29.03.2011


Использование холода в кондитерском производстве. Оптимальные параметры охлаждающих сред для производства конфет. Группировка потребителей холода по изотермам холода. Расчет термодинамических циклов холодильных машин. Схема системы хладоснабжения.

курсовая работа , добавлен 19.06.2011


Монтаж холодильных установок: оборудования со встроенными герметическими машинами, малых установок с вынесенными агрегатами, установок средней и большой производительности. Техника безопасной работы при обслуживании и эксплуатации холодильных установок.

курсовая работа , добавлен 05.11.2009


Системы охлаждения холодильных камер. Основные способы получения холода. Устройство и принцип действия компрессионной холодильной машины. Холодильные машины и агрегаты, применяемые в современной торговой деятельности. Их конструкция и основные виды.

курсовая работа , добавлен 17.04.2010


Область применения холодильных установок. Обслуживание оборудования, холодильно-компрессорных машин и установок в соответствии с техническими чертежами и документацией. Требования к индивидуальным особенностям специалиста и профессиональной подготовке.

презентация , добавлен 10.01.2012


Основные принципы агрегатирования парокомпрессорных холодильных машин. Состав компрессорно-конденсаторных и компрессорно-испарительных агрегатов. Конструктивные особенности воздушного конденсатора. Морозильные бонеты, их виды и область применения.

реферат , добавлен 11.09.2014


Характеристика основного назначения холодильной техники, которая позволяет сохранять свойства пищевых продуктов, а также получать пищевые продукты с новыми свойствами. Принцип действия компрессионных, абсорбционных и пароэжекторных холодильных машин.

реферат , добавлен 15.12.2010


История и современное состояние испарителей холодильных установок. Камерные приборы тихого охлаждения. Классификация и конструкции основных типов испарителей холодильных установок. Камерные приборы тихого охлаждения. Модернизация атмосферных испарителей.

курсовая работа , добавлен 12.10.2013


Роль холодильных технологий на рынке пищевых продуктов. Характеристика района строительства. Расчёт строительных площадей камер хранения и холодильника. Выбор строительно-изоляционных конструкций и расчет толщины теплоизоляции. Подбор оборудования.

курсовая работа , добавлен 29.06.2012


История создания и классификация абсорбционных холодильных машин; область применения и использования. Расчёт цикла, генератора, тракта подачи исходной смеси. Патентный обзор машины с мультиступенчатым эжектором и абсорбционно-диффузионного агрегата.

Способы получения холода

Физическая природа тепла и холода одинакова, разница состоит только в скорости движения молекул и атоме. В более нагретом теле скорость движения больше, чем менее нагретом. При подводе к телу тепла движение возрастает, при отнятии тепла уменьшается.

Тепловая энергия есть внутренняя энергия движения молекул и атомов.

Охлаждение тела - это отвод от него тепла, сопровождаемый понижением температуры. Самый простой способ охлаждения - теплообмен между охлаждаемым телом и окружающей средой - наружным воздухом, речной морской водой, почвой.

Но этим способом температуру охлаждаемого тела можно понизить только до температуры окружающей среды. Такое охлаждение называется естественным. Охлаждение тела ниже температуры окружающей среды называется искусственным. Для него используют главным образом скрытую теплоту, поглощаемую телами при изменении их агрегатного состояния.

Количество тепла или холода измеряется калориями или килограмм-калориями (килокалория). Калория - это количество тепла, необходимое для нагрева 1 г воды на 1 при нормальном атмосферном давлении, килокалория - для нагрева 1 кг воды на 1С при тех же условиях.

Существуют несколько способов получения искусственного холода.

1.О хлаждение при помощи льда или снега, таяние которых сопровождается поглощением довольно большого количества тепла. Простое, дешевое. Недостаток - нельзя получить температуру ниже +3 °С. Практически в помещении, охлаждаемом льдом или снегом, температуру воздуха удается поддерживать лишь на уровне 5-8°С. При ледяном охлаждении используют водный лед или твердую углекислоту (сухой лед).

При охлаждении водным льдом происходит изменение его агрегатного состояния - плавление (таяние). Холодопроизводительность, или охлаждающая способность чистого водного льда, называется удельной теплотой плавления. Она равна 335 кДж/кг. Теплоемкость льда равна 2,1 кДж/кг градус.

Водный лед в качестве охлаждающего средства применяется в специальных ледниках и на ледяных складах. Ледники бывают с нижней загрузкой льда (ледник-погреб) и с боковой - карманного типа.

2.Лъдосоляное охлаждение производится с применением дробленого водного льда и соли. Благодаря добавлению соли скорость таяния льда увеличивается, а температура таяния льда опускается ниже. Это объясняется тем, что добавление соли вызывает ослабление молекулярного сцепления и разрушение кристаллических решеток льда. Таяние льдосоляной смеси протекает с отбором теплоты от окружающей среды, в результате чего окружающий воздух охлаждается и температура его понижается. С повышением содержания соли в льдосоляной смеси температура плавления ее понижается. Раствор соли с самой низкой температурой таяния называется эвтектическим, а температура его таяния - криогидратной точкой. Криогидратная точка для льдосоляной смеси с поваренной солью -21,2°С, при концентрации соли в растворе 23,1% по отношению к общей массе смеси, что примерно равно 30 кг соли па 100 кг льда. При дальнейшей концентрации соли происходит не понижение температуры таяния льдосоляной смеси, а повышение температуры таяния (при 25%-ной концентрации соли в растворе к общей массе температура таяния повышается до -8 ° С).

При замораживании водного раствора поваренной соли в концентрации, соответствующей криогидратной точке, получается однородная смесь кристаллов льда и соли, которая называется эвтектическим твердым раствором.

Температура плавления эвтектического твердого раствора поваренной соли -21,2 ° С, а теплота плавления - 236 кДж/кг. Эвтектический раствор применяют для зероторного охлаждения. Для этого в зероты - наглухо запаяннные формы - заливают эвтектический раствор поваренной соли и замораживают их. Замороженные зероты используют для охлаждения прилавков, шкафов, охлаждаемых переносных сумок-холодильников и т. д.

3.Охлаждение сухим льдом основано на свойстве твердой углекислоты сублимировать, т. е. при поглощении тепла переходить из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое состояние. Физические свойства сухого льда: температура сублимации при атмосферном давлении - 78,9°С , теплота сублимации 574,6 кДж/кг. . Высокая стоимость сухого льда ограничивает его широкое применение.

Сухой лед обладает преимуществами по сравнению с водным:

1.можно получать более низкую температуру;

2.охлаждающее действие 1 кг сухого льда почти в 2 раза больше, чем 1 кг водного льда:

3.при охлаждении не возникает сырости, кроме того, при сублимации сухого льда образуется газообразная углекислота, которая является консервирующим средством, способствующим лучшему сохранению продуктов.

Сухой лед применяется для перевозки замороженных продуктов, охлаждения фасованного мороженого, замороженных фруктов и овощей.

Искусственного охлаждения можно достигнуть также, если смешать лед или снег с разведенными кислотами. Например, смесь из 7 частей снега или льда и 4 частей разведенной азотной кислоты имеет температуру -35°С. Низкую температуру можно получить и растворением солей в разведенных кислотах. Так, если 5 частей азотнокислого аммония и 6 частей сернокислого натрия растворить в 4 частях разведенной азотной кислоты, то смесь будет иметь температуру -40 ° С.

Получение искусственного холода с помощью снега или льда, а также с помощью охлаждающих смесей имеет существенные недостатки: трудоемкость процессов заготовки льда или снега, их доставки, трудность автоматического регулирования, ограниченные температурные возможности.

4. Охлаждение жидкими газами (азотом, воздухом и др.) основано на их кипении при низкой температуре. При нормальном давлении температура кипения азота равна –195,8 °С, воздуха – от –190 до –195 °С, кислорода –182,8 °С.

В связи с энергетическим кризисом, загрязнением окружающей среды все более актуальной становится проблема использования для холодильной обработки пищевых продуктов нетрадиционных экологически безопасных методов получения холода. Наиболее перспективным из них является криогенный метод на базе жидкого и газообразного азота с применением безмашинной проточной системы хладоснабжения, предусматривающей одноразовое использование криоагента.

Перспективность данного метода хладоснабжения возрастает в связи с открытием в России больших запасов (340 млрд. м 3 ) подземных высокоазотных газов. Себестоимость очищенного азота на порядок ниже, чем азота, полученного с помощью метода разделения воздуха.

Безмашинные проточные системы азотного охлаждения имеют значительные преимущества: очень надежны в эксплуатации и имеют высокую скорость замораживания, обеспечивающую практически полное сохранение качества и внешнего вида продукта, а также минимальные потери его массы за счет усушки.

Особо следует отметить экологическую чистоту таких систем (в атмосфере Земли содержится до 78% газообразного азота).

Наиболее просты по устройству и доступны установки, работающие на готовых хладоносителях: водном или сухом льду, льдосоляных смесях, жидких газах и др. Основной недостаток – полная зависимость от возможностей и условий получения хладоносителей, большой объем работ, связанных с зарядкой охлаждающей системы. Этого недостатка не имеет машинное охлаждение, потребляющее извне только энергию или воздух.

Наиболее распространенным и удобным в эксплуатационном отношении способом охлаждения является машинное охлаждение.

5.Машинное охлаждение - способ получения холода за счет изменения агрегатного состояния хладагента, кипения его при низких температурах с отводом от охлаждаемого тела или среды необходимой для этого теплоты парообразования

Охлаждение, как и нагрев, основано на теплообмене - это самопроизвольный переход тепла от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой. Для охлаждения используются процессы, протекающие с поглощением тепла из окружающей среды: таяние или растворение; кипение или испарение; сублимация и др.

Под низкими температурами понимают температуры ниже окружающей среды. В холодильном оборудовании предприятий торговли и общественного питания этот диапазон составляет от 0 до - 40°С.

Низкие температуры получают в результате физических процессов, которые сопровождаются поглощением тепла. К числу основных таких процессов относится:

1.Фазовый переход вещества - плавление, кипение (испарение), сублимация

Фазовый переход некоторых веществ при плавлении, кипении (испарении), сублимации происходит при низких температурах и с поглощением значительного количества тепла.

Рис.1 Схема фазовых переходов вещества

Плавление - переход твердого тела в жидкое состояние при определенной температуре. Теплота плавления - количество тепла, необходимое для превращения 1 кг твердого вещества при постоянной температуре в жидкое состояние.

Сублимация- переход тел из твердого состояния в парообразное, минуя жидкую фазу. Теплотой сублимации - количество тепла, необходимое для перехода 1 кг твердого вещества в пар при постоянных давлении и температуре. Твердая углекислота при атмосферном давлении переходит в газообразное состояние при -78°С.

Кипение - процесс превращения жидкости в пар. Образование пара происходит по всему объему жидкости. Температура жидкости, нагретой до точки кипения, остается постоянной при неизменном давлении пока вся не выкипит.

Испарение- процесс превращения жидкости, не достигшей точки кипения, в пар . Испарение происходит только с поверхности жидкости.

В холодильной технике под испарением подразумевают также и кипение.

Процесс, обратный кипению, - конденсация. Конденсация протекает при постоянной температуре и сопровождается выделением теплоты. Температура конденсации зависит от давления. Давление и температура всегда изменяются в одном направлении. Растет температура - увеличивается давление, и наоборот.

2.Адиабатическое расширение газа

П роцесс, происходящий без подвода и отвода тепла, называется адиабатическим. Адиабатное расширение – процесс резкого падения давления при прохождении рабочего вещества через специальное расширительное устройство. В холодильной технике в качестве расширительного устройства используется детандер .

3. Дросселирование газа и жидкостей

Процесс резкого падения давления (температуры) при прохождении рабочего вещества через местное сужение в канале .

сужение в канале

Рис. 2 Схема холодильной машины

4. Термоэлектрический эффект (эффект Пельтье)

Единичный элемент термоэлектрического модуля (ТЭМ) - термопара, состоящая из двух разнородных элементов с p- и n- типом проводимости. Элементы соединяются между собой при помощи коммутационной пластины из меди. В качестве материала элементов используются полупроводники на основе висмута, теллура, с примесями из сурьмы и селена.

ТЭМ - совокупность термопар, электрически соединенных последовательно. Термопары помещаются между двух плоских керамических пластин на основе оксида или нитрида алюминия. Количество термопар может изменяться в широких пределах - от единиц до тысяч пар, что позволяет создавать ТЭМ практически любой холодильной мощности - от десятых долей до сотен ватт.

При прохождении через ТЭМ постоянного электрического тока между его сторонами образуется перепад температур - одна сторона (холодная) охлаждается , а другая (горячая) нагревается . Если с горячей стороны ТЭМ обеспечить отвод тепла, то на холодной стороне можно получить температуру, которая будет на десятки градусов ниже температуры окружающей среды. Степень охлаждения будет пропорциональной величине тока. При смене полярности тока горячая и холодная стороны элемента Пельтье меняются местами.

Наибольшей термоэектрической эффективностью для изготовления ТЭМ материалов обладает теллурид висмута , в который добавляют специальные примеси, селен и сурьму.

Термоэлектрический холодильник бесшумен, но дорог: сумки-холодильники, небольшие автомобильные холодильники и кулеры питьевой воды.

Способы получения искусственного холода разнообразны.