Тема 2.4. Искусственное охлаждение 2ч.

Студент должен:

знать:

• назначение и основные виды холодильных установок;

• устройство холодильных установок и их основные параметры.

Сущность процесса охлаждения. Способы получения искусственного холода. Умеренное охлаждение. Хладоагенты и требования, предъявляемые к ним.

Компрессионные холодильные машины.

Адсорбционные холодильные установки.

Пароэжекторная холодильная установка.

Глубокое охлаждение.

Искусственное охлаждение

Осуществление различных процессов (кристаллизации, разделения газов, сублимации, абсорбции, хранения пищевых продуктов) требует проведения их при низких температурах. Однако для охлаждения сред до температур, ниже температур окружающей среды необходимо, в соответствии со вторым законом термодинамики, затратить определенную работу (энергию), которая реализуется в специальных холодильных установках.

Техника производства холода при этом зависит от требуемой температуры охлаждения. По этому признаку различают: умеренное охлаждение – до 150 К (около -100°С) и глубокое – ниже 50 К. Современная техника позволяет получать температуры, близкие к абсолютному нулю 0 К (-273 °С).

В холодильных установках перенос теплоты от среды с низкой температурой к среде с высокой температурой осуществляется с помощью промежуточной среды, называемой холодильным агентом, или хладагентом.

Снижение температуры хладагента при проведении процессов искусственного охлаждения может осуществляться:

• испарением низкокипящих жидкостей;

• расширением предварительно сжатых газов.

Первый способ может осуществляться посредством резкого расширения – пропускания через дросселирующее устройство, например диафрагму с отверстием, представляющего изоэнтальпийный процесс без совершения внешней работы. Второй способ заключается в расширении газа с совершением внешней работы 13 специальной машине-детандере*, процесс можно считать адиабатическим.

Хладагенты

При выборе хладагентов руководствуются следующими требованиями: они должны иметь высокую теплоту парообразования, т. е. поглощать при испарении большое количество теплоты; большую критическую температуру, обеспечивающую конденсацию паров хладагента естественными охлаждающими агентами (вода, воздух); небольшие удельные объемы паров; низкую температуру замерзания; безвредность для обслуживающего персонала; пожаробезопасность; коррозионную нейтральность; доступность и низкую стоимость. С целью снижения гидравлического сопротивления при течении хладагента в системе и уменьшения поверхности теплообмена желательно, чтобы его вязкость и плотность были небольшими, а коэффициенты теплоотдачи – высокими.

К наиболее часто применяемым в холодильных машинах относятся аммиак, диоксид серы, диоксид углерода, хладоны (насыщенные фторуглероды, содержащие хлор, реже – бром).

Однако все они не лишены определенных недостатков. Аммиак обладает необходимыми термодинамическими и гидродинамическими характеристиками, доступен, имеет низкую стоимость. В то же время он взрывопожароопасен и ядовит.

Хладоны отвечают практически всем перечисленным требованиям, однако имеют значительно меньшую (в 5...10 раз) теплоту парообразования, а соответственно, их холодопроизводительность значительно меньше.

Установки, применяемые для получения умеренного холода, называют холодильными машинами. В зависимости от принципа действия и вида затрачиваемой энергии различают:

• парокомпрессионные машины, в которых происходит циклическое испарение и конденсация хладагента после сжатия с помощью компрессора;

• газокомпрессионные машины, в которых происходит расширение предварительно сжатых в компрессоре газов, но отсутствует стадия их конденсации;

• абсорбционные холодильные машины, в которых используется способность веществ абсорбировать хладагент;

пароэжекторные холодильные машины, в которых сжатие хладагента производится с помощью парового эжектора, а конденсация – смешением с водой.

Парокомпрессионные холодильные машины

Компрессионные холодильные машины наиболее распространены и экономичны. В качестве хладагента в них используются аммиак (NH₃), диоксид серы (SО₂) или диоксид углерода (СО₂).

Наименьшие энергетические затраты на получение искусственного холода достигаются в идеальной компрессионной машине, работающей по обратному циклу Карно, представленному на диаграмме Т – S (рис. 8.1).

Принцип работы идеальной компрессионной машины (рис. 8.1, а) заключается в следующем. Пары хладагента 1 подаются в компрессор I, где подвергаются сжатию при постоянном значении

энтропии (адиабата 1 – 2) (рис. 8.1, б). В теплообменнике-конденсаторе II происходит конденсация паров 2 при постоянной температуре (изотерма 2 – 3). Далее жидкий хладагент 3 попадает в детандер III, в котором происходит его расширение (адиабата 3 – 4). Испарение хладагента 4 осуществляется в теплообменнике-испарителе IV при постоянной температуре (изотерма 4 – 1), после чего он возвращается в первоначальное состояние, с которого начиналось рассмотрение процесса.

Теплота, отводимая от среды при испарении 1 кг хладагента (удельная холодопроизводительность), графически может изображаться площадью а – 4 – 1 – b и равна q₀ = Т₀*ΔS. Соответственно, теплота, отводимая от 1 кг хладагента при конденсации, изображается площадью b – 2 – 3 – а и определяется как q = TкΔS.

Затраченная механическая работа (компрессор, детандер) составит

Холодильный коэффициент идеального цикла ε_ид равен отношению получаемой в нем удельной холодопроизводительности к совершенной механической работе

Н

а практике вместо детандера в компрессионных машинах используют дроссельное устройство (рис. 8.2), работающее в изоэнталъпийном режиме (дроссельный эффект Джоуля – Томпсона). Используемый эффект заключается в снижении температуры реального газа (пара) при дросселировании на величину ΔТ, пропорциональную перепаду давлений на входе и выходе из дроссельного устройства

Δр=р₁ - р₂.

Компрессионные холодильные машины могут работать в режиме «влажного» или «сухого» хода кома рессора.

кл с «влажным» ходом компрессора (рис. 8.3, а) наиболее близок к обратному циклу Карно и поэтому обладает наиболее высокой эффективностью. Отличие заключается в том, что процесс дросселирования осуществляется при постоянной энтальпии (изоэнтальпа 3 – 4). Линия 3' – 3 соответствует возможному переохлаждению среды в теплообменнике-конденсаторе.

Холодильный коэффициент в этом случае определяется отношением удельной хладопроизводительности в теплоо6менникеиспарителе (i₁ – i₄) к удельной производительности компрессора (i₂ – i₁)

Несмотря на энергетические преимущества, цикл с влажным ходом компрессора обладает рядом недостатков, таких как большие тепловые потери при контакте хладагента со стенками цилиндра компрессора и наличие гидравлических ударов, вызывающих повреждение внутренней поверхности цилиндра.

Поэтому в компрессионных холодильных установках чаще используют цикл с «сухим» ходом компрессора, при котором сжатию подвергается перегретый (сухой) пар.

Цикл включает следующие стадии (рис. 8.3, б): сжатие сухого пара в компрессоре по адиабате 1 – 2, охлаждение перегретого пара до насыщения по изобаре 2 – 2', конденсация по изотерме 2' – 3', переохлаждение по линии равновесия 3' – 3 (если в этом есть необходимость), дросселирование по изоэнтальпе 3 – 4 и испарение по изотерме 4 – 1.

145

Основными параметрами, характеризующими работу компрессионной установки в обоих циклах являются:

• удельная холодопроизводительность (Дж/кг)

• удельная объемная холодопроизводительность (Дж/м³)

где ρ – плотность пара хладагента, всасываемого компрессором, кг/м³;

• холодопроизводительность установки (Дж/с, Вт)

где G – расход хладагента, кг/с;

• теоретическая мощность компрессора (Дж/с, Вт)

• коэффициент полезного действия установки (%)

где N – действительная мощность компрессора, Вт;

• холодильный коэффициент (ε).

Абсорбционные холодильные установки

В абсорбционных холодильных установках (рис. 8.4) в отличие от компрессионных используется не механическая работа компрессора, а сорбционные свойства взаимодействующих сред, процесс отгонки хладагента из растворителя с последующим проведением обратного процесса улавливания парообразного хладагента охлажденным растворителем.

В установках такого типа наиболее часто применяют систему аммиак (хладагент) – вода (растворитель).

Принцип работы абсорбционной холодильной установки заключается в следующем. Водоаммиачный раствор, содержащий около 50% аммиака, поступает в кипятильник 1, работающий при повышенном давлении, чтобы пары аммиака могли конденсироваться в теплообменнике-конденсаторе 2 при нормальных условиях. Далее жидкий аммиак проходит через дроссель 3 и испаряется в теплообменнике-испарителе 4, отбирая теплоту от охлаждаемой среды. Затем пары аммиака направляются в абсорбер 5, где они поглощаются слабым водоаммиачным раствором, поступающим из кипятильника 1.

С целью интенсификации процесса абсорбции перед подачей в абсорбер водный раствор аммиака охлаждается в теплообменнике 7 и дросселирующем вентиле 6. Хладагентом в теплообменнике 7

является обогащенная и охлажденная водоаммиачная смесь из абсорбера 5, подаваемая насосом 8 в кипятильник 1, которая в свою очередь нагревается.

Таким образом, в абсорбционной холодильной установке искусственный холод получается в первую очередь за счет тепловой энергии, подаваемой в куб кипятильника 1.

Холодильный коэффициент в данном случае представляет собой

где Q₀ – холодопроизводительность установки; Q_{гр. п} – количество теплоты, переданное водоаммиачному раствору первичным (греющим) паром в кипятильнике.

Коэффициент полезного действия таких установок меньше, чем у компрессионных, и они более громоздки. В то же время, в них отсутствуют сложные механизмы, а в качестве источника энергии может использоваться дешевый утилизируемый пар любого сопутствующего производства.

Пароэжекторная холодильная установка

Пароэжекторные установки работают благодаря кинетической энергии расширяющегося потока газа или пара. Это позволяет использовать в них в качестве хладагента воду или захоложенные рассолы на ее основе.

Установка (рис. 8.5) работает следующим образом. Рабочий пар под давлением 0,3...0,6 МПа направляется в сопло эжектора 1, где, расширяясь, он создает разрежение, благодаря которому «холодный» пар из испарителя 5 также поступает в эжектор 1. Смесь рабочего пара и «холодных» паров сжимается в эжекторе 1 и конденсируется в конденсаторе 2. Основная часть конденсата отводится из установки насосом 3, а часть, регулируемая вентилем 4, возвращается в испаритель 5 для сохранения материального баланса.

Производство холода осуществляется в теплообменном аппарате 7, через который насосом 6 подается вода. Часть ее испаряется в результате разрежения, созданного эжектором 1 в испарителе 5, что и приводит к охлаждению в нем воды.

Холодильный коэффициент определяется по зависимости (8.2), где Q_{гр. п} – теплота, затраченная на получение рабочего пара.

Достоинством пароэжекторных машин является простота, взрывопожаробезопасность, экологичность, недостатком – трудность регулирования.

Глубокое охлаждение

Глубокое охлаждение применяют в промышленности для разделения однородных газовых смесей на компоненты: кислород, азот, водород и др. При этом температура ожижения таких газов ниже критической.

Понижение давления в системах охлаждения неэффективно и создает значительные технические сложности. Поэтому основным направлением создания глубокого охлаждения является использование каскадных установок, в которых происходит постепенное понижение температур до требуемых. При этом применяют два основных метода:

• дросселирование – понижение температуры газа без совершения внешней работы путем уменьшения давления (цикл Линде);

• расширение газов с совершением внешней работы в детандере (цикл Капицы).

Критерий выбора того или другого способа получения глубокого охлаждения сред определяется энергетическими показателями, которые можно осуществить, учитывая конкретные свойства сжижаемых газов.

Так, при расширении в области между сравнительно высокими давлениями эффективным является процесс дросселирования, а если перепад давлений велик или расширение начинается при сравнительно высоких температурах, предпочтительнее будет детандирование. Для повышения холодопроизводительности комбинируют методы расширения газа в детандере и его дросселирования.

Контрольные вопросы

1. Какие виды хладагентов используются при осуществлении процесса умеренного охлаждения?

2. Какие холодильные машины могут применяться для осуществления процессов умеренного охлаждения?

3. В чем заключаются циклы с «влажным» и «сухим» ходом компрессора в парокомпрессионных установках?

4. Какие основные параметры характеризуют работу парокомпрессионной установки?

5. Каковы принципы и особенности эксплуатации абсорбционных холодильных установок?