2. Холодильні агенти та основні властивості

Фізичне тіло, за допомогою якого здійснюється холодильний цикл, називається робочим тілом або холодильним агентом. До холодильних агентів ставлять ряд вимог. При атмосферному тиску вони повинні мати низьку температуру кипіння. Холодильний агент повинен бути нешкідливим для здоров'я людини, невибз'хонебезпечним, мати хімічну інертність до металу і мастильних матеріалів. Важливий його показник - питома холодильна потужність.

У холодильних машинах холодильний агент застосовують аміак і хладони - галогенопохідні насичених вуглеводнів (C_n, Н_х. F_ys. CL_Z, Вr_л). Скорочене позначення холодильного агента будується за формою RN, де R ~ символ, що позначає холодильний агент, N - номер хладона.

Аміак NH₃ (міжнародний індекс R-717) при тиску ОД МПа кипить при температурі - 33,35°С. Питома теплота його пароутворення при t = -15°С - 1310 кДж/кг. Аміак можна використовувати для охолодження до температури -70°С. Недоліки аміаку - отруйність (задушливий запах) і горючість.

Хладон-12 (CF₂C1₂,індекс R-12) - один з найбільш поширених холодильних агентів. Температура його кипіння при тиску 0,1 МПа - 29,8°С. Питома теплота пароутворення при температурі t = -15°С - 159,3 кДж/кг.

Хладон-22 (CHF₂C1 індекс R-22) при тиску 0,1 МПа кипить при температурі -40,8°С. Питома теплота паротворення при t = -15°С - 215,8 кДж/кг.

Хладони R-12 і R-22 не мають запаху, не впливають на продукти. Вони мають високу текучість і тому треба приділяти особливу увагу герметичності з'єднань трубопроводів.

У холодильній техніці охолодження продукції здійснюється в холодильній камері безпосередньо холодильним агентом. Якщо це технічно реалізувати важко, охолодження об'єкта здійснюють за допомогою холодоносія. Для цього використовують розчини солей NaCl, СаС1₂, MgCl₂.

У сільському господарстві знайшли застосування паро- компресійні та абсорбційні холодильні машини. Хладонові, фреонові, аміачні холодильні машини, призначені для охолодження молока на фермах, м'яса на птахофабриках, фруктів і овочів у сховищах як з безпосереднім, так і з розсольним охолодженням. Холодильні установки, які використовуються на молочних фермах, обладнані акумулятором, так званим танком, призначеним для акумулювання холоду в проміжках між доїннями. Ці установки працюють в автоматичному режимі.

3. Термодинамічні основи роботи холодильних установок

Термодинамічний принцип машинного охолодження полягає в тому, що завдяки затраті зовнішньої механічної енергії (у повітряно-холодильних і парових компресорних установках) або завдяки затратам зовнішньої теплової енергії (в аб­сорбційних і пароежекторних установках) холодильний агент (безпо­середньо або через проміжний агент-розсіл) безперервно відводить тепло з холодильної камери і цим підтримує в ній температуру, нижчу за температуру навколишнього середовища.

Ідеальний цикл холодильних машин. Розглянемо ідеальний цикл парової компресорної установки як найбільш поширеної холодильної машини неглибокого холоду. На pV- і Ts-діаграми де 5 1 — адіабатний стиск пари холодильного агента в компресорі; 12 3— ізо­бара (р =const) конденсації пари холодильного агента в конденса­торі, ділянка якої 23 є одночасно й ізотермою з температурою наси­чення Т_к; 34 дроселювання (мяття) сконденсованої пари холодиль­ного агента в дросельному (редукційному) вентилі. Як відомо, процес дроселювання відбувається при незмінній ентальпії (ізоентальпійний), Тобто і₄ = і₃= const; 4 5 — ізобара (р₂ = cоnst) нагрівання холо­дильного агента, завдяки кипінню якого знижується температура у випарнику або в холодильній камері (при роботі відповідно без проміжного ообочого тіла — розсолу, або з розсолом).

Холодопродуктивність і холодильний коефіцієнт. На стиск у кон­денсаторі кожного кілограма пари холодильного агента затрачається робота, що дорівнює різниці ентальпій пари на виході з компресора і на вході в нього: lк = i₁ — i₅ [кДж/кг]. Ця робота на Ts-діаграмі зображується площею 12 3651.

На виході з випарника чи холодильної камери кожний кілограм пари холодильного агента виносить з собою тепло q₂ = i₅—i₄ [кДж/кг], що на Ts-діаграмі зображується площею 4 5 87 4.

96

Величину q₂ (тепло, винесене 1 кг холодильного агента за один цикл) називають холодильним ефектом агента. З холодильним ефектом тісно пов'язане поняття холодопродуктивності, під яким розуміють кількість тепла, що його відбирає установка за годину. Як видно, холодопродуктивність Q дорівнює добутку тепла q₂ (від­няте тепло) на масу т_вип (кг) холодильного агента, що міститься у випарнику, і на число циклів К за годину.

(23.3)

Внаслідок здійснення зворотного циклу холодильної установки кожний кілограм холодильного агенту виносить з випарника або холодильної камери тепло q₂, але для цього доводиться затрачати зовнішню роботу l_к для приведення в дію компресора. Щоб досягти більшої ефективності циклу, треба забезпечити найбільше відведення тепла q₂ при мінімальній затраті зовнішньої роботи l_к.

Термодинамічна досконалість циклу холодильної установки оці­нюється холодильним коефіцієнтом ε_x, який є відношенням кількості віднятого тепла q₂ до затраченої в циклі роботи l_к.

Величина холодильного коефіцієнта залежить від граничних температур циклу і властивостей холодильного агента.

Холодильний коефіцієнт збільшується з підвищенням необхідної температури в холодильній камері і при зменшенні температури охолодного середовища в конденсаторі.

Цикл парової компресійної холодильної установки

Принципова схема установки зображена на рисунку. На цьому ж рисунку зображений її цикл у Ts-координатах Установка працює в такий спосіб. З випаровувача Р волога насичена пара зі ступенем сухості x₁ при тиску p₁ і температурі T_Н1 усмоктується компресором KM і стискується адіабатно (процес 1-2) до тиску р₂ і температури Т₂. З компресора гаряча пара холодоагенту подається в конденсатор К, де, охолоджуючись водою або навколишнім повітрям, при постійному тиску р₂ перетворюється спочатку в суху насичену пару (процес 2-3), а потім конденсується і цілком переходить у рідину (процес 3-4). Теплота q₁, віддана робочим тілом у конденсаторі,дорівнює з урахуванням масштабу діаграми площі 2—3—4—5—5—1 '-2. На виході з конденсатора рідке робоче тіло, проходячи через дросель Д, дроселюється (на діаграмі цей процес умовно зображений лінією (4-5). При дроселюванні h₄=h₅ тиск падає від р₂ до p₁. Оскільки в даному випадку ко­ефіцієнт адіабатного дроселювання α>0, то температура робочого тіла падає до Т_н1. У точці 5 пара волога насичена (ступінь сухості х₅). Після дросельного клапана пара надходить у випаровувач. У результаті підведення теплоти q₂ (еквівалентної площі 5-1-1'-5'-5) пара переходить до стану, зображуваного точкою 1 (процес 5-1).

97

Холо­дильний коефіцієнт цієї установки:

(23.4)

Враховуючи те, що h₅=h₄, одержимо:

де (h₂-h₁) – робота, витрачена в компресорі.

В абсорбційній холодильній установці замість стиску холодоагенга в компресорі відбувається процес десорбції, тобто виділення з розчину при пос­тійному надлишковому тиску холодоагепта (аміаку) за рахунок підведеної теплоти q

Відношення теплоти q₂ відведеної від охолоджуваної речовини у випарнику, до витраченої теплоти q₁ називається коефіцієнтом тепловикористання, або тепловим коефіцієнтом абсорбційної холодильної установки.

Абсорбційні холодильні установки мають порівняно низьку термодинамічну ефективність, але внаслідок простоти будови (відсутність компресора) і надійності в експлуатації знайшли широке застосування. Особливо перспективні в сільському господарстві геліоабсорбційні холодильні машини, що працюють за рахунок сонячної енергії.

4. Схема роботи холодильної установки

Коли холодильним агентом є аміак, віднімання тепла здійснюється через проміжне тіло — розсіл (розчин кухонної солі, що не замерзає при низьких температурах). Це робиться для того,

98

щоб запобігти псуванню охолоджуваних продуктів аміаком у випадку, якщо він витікатиме навіть у щонайменшій кількості через нещіль­ності з'єднань.

Нижче наводяться схеми холодильних установок різних типів і короткий опис робочого процесу кожної з них.

Повітряна компресорна холодильна установка (рис. 98,а) складається з холодильної камери 1, компресора 2, охолодника (рефрижератора) З і детандера (розширювальної машини) 4.

Від змійовика холодильної камери 1 повітря надходить у компресор 2, де стискується, потрапляє в охолодник 3, охолоджується в ньому, а потім розширюється в детандері 4 і охолоджене надходить по змійовику до холодильної камери, де, нагріваючись, відбирає тепло від камери 1.

До складу парової компресорної установки (рис.98, б) з проміжним тілом (розсолом) входять: випарник 1, компресор 2, конденсатор 3, дросельний (редукційний) вентиль 4, камера охолодження 5 і циркуляційний насос (розсолу) 6.

Холодильний агент — легкокипляча рідина під невисоким тиском у вигляді майже сухої пари.з випарника 1 надходить у компресор 2, стискується і значно підвищує свою температуру (перегрівається). Після цього потрапляє у конденсатор 3, конденсується і у вигляді рідини надходить до вентиля 4, дроселюється і знову потрапляє у випарник 1, де випаровується і охолоджує розсіл. Після цього цикл повторюється. Охолоджений у змійовику випарника розсіл циркуляційним насосом 6 подається до холодильної камери 5, де відбирає тепло від продукту, що в ній зберігається, і; нагрівшись, знову потрапляє до випарника 1

Абсорбційна холодильна установка (рис.98,в) з проміжним тілом (розсолом) складається з конденсатора 7, редукційного вентиля 2, випарника 3, абсорбера 4, водоаміачного насоса 5, кип'ятильника (генератора) 6, циркуляційного насоса 7 і холодильної камери 8: Працює установка так. З конденсатора І холодильний агент (рідкий аміак NH₃) надходить до вентиля 2, де дроселюється, а холодна пара аміаку при низьких ступенях сухюсті (х = 0,22) надходить до випарника 3, де охолоджує розсіл і виходить з випарника у вигляді насиченої пари (х — 1). Ця пара (NH₃) з випарника 3 потрапляє в абсорбер 4, де її поглинає водоаміачний розчин. При цьому виділяється тепло розчину, яке відводиться охолодною водою. З абсорбера концентрований розчин NH₃ насосом 5 подається в кип'ятильник (генератор) 6, де за рахунок підведення зовнішнього тепла з розчину виділяється пара аміаку, надходить у конденсатор 1, охолоджується і перетворюється в рідину. Після цього цикл повторюється.

Охолоджений розсіл з випарника 3 насосом 7 подається в холодильну камеру 8, де охолоджує тіла (продукти), що там містяться, а сам, нагрівшись, надходить у випарник 3, де охолоджується при випаровуванні рідкого аміаку.

ГІароежекторна холодильна установка (рис.98,г) складається з сопла 7, розміщеного в змішувальній камері 2, дифузора 4, конден­сатора 5, насоса 6, редукційного вентиля 7 і холодильної камери 3.

Працює установка так. Пара холодоагента (аміаку NH₃) надходить з парогенератора (на схемі не показаний) до сопла 7, де тиск його знижується за рахунок збільшення швидкості витікання. Цим у зкішувальній камері 2 створюється вакуум, завдяки чому через трубопровід, сполучений з холодильною камерою, підсмоктується пара аміаку, що разом з потоком пари із сопла проходить через дифузор 4, де знижує свою швидкість; при цьому на виході з дифузора тиск пари аміаку збільшується,тобто пара стискується.

Відсмоктування пари аміаку з холодильної камери супроводжуе_: ться інтенсивним випаровуванням аміаку у змійовику і зниженням температури в камері.

Стиснена пара аміаку з ежектора 4 надходить до конденсатора 5, де конденсується, віддаючи тепло охолодній воді. Рідкий аміак, який виходить з конденсатора 5, насосом 6 частково подається в генератор пари, а частково спрямовується в редукційний вентиль 7, а потім у вигляді пари — у випарник, тобто в змійовик охолоджувальної камери, де повністю випаровується і охолоджує тіла, що є в камері.

Слід зазначити, що повітряні конденсаційні установки найбільш поширені в галузях глибокого холоду, де доводиться розділяти на компоненти різні газові суміші. Парові компресорні установки використовують у галузях помірного холоду, а абсорбційні — в умовах відсутності механічної енергії і наявності скидного тепла, що не вико­ристовується (наприклад, гаряча вода, відпрацьована пара тощо).

Холодильні машини працюють при температурі кипіння хладона від -45°С до +5°С і температурі охолоджувальної води від 1 до 30°С.

У сільському господарстві знайшли застосування парокомпресійні та абсорбційні холодильні машини. Хладонові, фреонові, аміачні холодильні машини, призначені для охолодження молока на фермах, м'яса на птахофабриках, фруктів і овочів у сховищах як з безпосереднім, так і з розсольним охолодженням. Холодильні установки, які використовуються на молочних фермах, обладнані акумулятором, так званим танком, призначеним для акумулювання холоду в проміжках між доїннями. Ці установки працюють в автоматичному режимі.

Для охолодження молока на фермах застосовують холодильні установки МХУ-8с, ТОМ-2А, КСА-500, СМ-1200, УВ-10, АВ-30 та ін. На великих фермах використовують холодильні установки АВ-22, АУ-45 з розсольним охолодженням.

Холодильна маншна забезпечує охоло­дження молока за 2 год з урахуванням акумуляції холоду (наморажування льоду на пластинах випарника). Тривалість акумуляції холоду - 5 год. У такий спосіб тривалість всього циклу охолодження - 7 год. Кількість намороженого льоду на панелях випарника - 450±50 кг. Холодильна потужність установки - 9,3 кВт. Холодильний агент, що циркулює у випарнику 13, відбирає теплоту від води в баці 2. Пара, що утворилася при кипінні хладона, проходить через теплообмінник 10, де вона додатково нагрівається рідким хладоном, що надходить з ресивера 8 і має вищі тиск і температуру, ніж пара хладона після випарника 13. Пари хладона відсмоктуються поршневим двоциліндровим компресором. Стиснуті в компресорі пари хладоагента (при цьому їхня температура підвищується до 70-80°С) нагнітаються в конденсатор 7, зовнішня поверхня якого обдувається навколишнім повітрям за допомогою вентилятора. Рідкий хладон надходить у ресивер 8, а потім у фільтр- осушувач 9, де він, проходячи через силікагель і фільтр, звільняється від вологи і забруднень. У теплообміннику 10 холодильний агент, віддаючи теплоту парам хладона, додатково охолоджується. Протікаючи через терморегулюючий вентиль 12, хладон дроселюється. При цьому знижується як тиск, так і температура холодильного агента (дросель-ефект має позитивне значення). Тим самим хладон набуває здатність кипіти при низьких температурах. З терморегулюючого вентиля 12 він надходить у випарник 13 і цикл повторюється. Холодна вода з бака-акумулятора 2 насосом 14 подається в охолоджувач молока 1. Ступінь охолодження (величину зниження температури хладона в процесі дроселювання) установлюють терморегулюю'шм вентилем 12. Для регулювання товщини льоду на ішастинах випарника в установці передбачено реле температури 4. Реле тиску 5 служить для захисту від надмірного підвищення тиску в конденсаторі.

99

Танк-охолоджувач молока ТОМ-2А холодильною потужністю 13,9 кВт призначений для охолодження і зберігання молока на фермах з поголів'ям 200, 400 і 600 тварин. Танк-охолоджувач молока СМ-1200 конструктивно мало відрізняється від охолоджувача молока ТОМ-2А. Для охолодження молока використовують установку КСА-500 (входить у комплект доїльної установки "Імпульс"), МК-2000Л-2А (на 2000 л молока). Середня холодильна потужність установки КСА-500 - 8,8-9,0 кВт, МК-2000 - 13,4 кВт на 1000 л молока.

Установки УВ-10 (холодильна потужність 11,65 кВт) і АВ-30 (холодильна потужність 35 кВт) служать для одержання холодної води, призначеної для охолодження молока під час його первинної обробки на фермах.

На фермах використовують також охолоджувально-пастериза- ційні установки ОПФ-1 і ОПУ-ЗМ продуктивністю відповідно 1000 і 3000 л/год. У цих установках здійснюється очищення, тонкошарова пастеризація і охолодження молока при повній автоматизації процесу.

Для охолодження холодильних камер і зберігання продуктів, у тому числі в їдальнях і буфетах, використовують хладонові автоматичні холодильні машини типу ФАК: ФАК-0,7; ФАК-1.1Е, ФАК-1.5М і ФАК-0.7АВ холодильною потужністю 0,814-1,745 кВт. Вони працюють з різними за розмірами випарними батареями в діапазоні температур від -30°С до +5°С при температурі навколишнього повітря до +40°С. Агрегат ФАК-0,7АВ відрізняється тим, що його конденсатор охолоджується водою.