Калнинь Игорь Мартынович Курс лекций по теоретическим основам холодильной техники

Лекция 1

ТНТ для снабжения продовольствием

Непрерывная холодильная цепь (НХЦ) обеспечивает сокращение потерь и сохранение качества продуктов при:

• сборе (производстве)

• обработке

• транспортировке

• хранении и реализации.

ТНТ в промышленности

• Холодоснабжение технологий в химической, нефтехимической, газовой, металлургической промышленности.

• Производство криопродуктов O₂, N₂, He, Ar, Kr.

ТНТ искусственного климата

• системы комфортного и технологического кондиционирования воздуха (СКВ)

• автономные СКВ – квартиры, коттеджи

• централизованные СКВ – общественные и производственные здания

• транспортные СКВ – автомобили, железнодорожные составы, самолеты, суда, бронетанковая техника.

ТНТ в энергетике

• тепловые насосы

• установки сжижения природного газа и водорода

• системы охлаждения сверхпроводящих материалов в электротехнике

• криосистемы сверхпроводимости магнитов термоядерных установок

ТНТ в криомедицине и криобиологии

• криоинструменты

• низкотемпературные установки для консервации крови

• криобанки

• криогрануляторы

ТНТ для очистки и утилизации выбросов

• очистка газовых потоков

• улавливание

• извлечение ценных компонентов из дымовых газовых и промышленных выхлопов

• очистка сточных вод

• утилизация

ТНТ в ракетно-космическом комплексе

• термостатирование элементов ракетного комплекса

• производство сжиженного кислорода и водорода

• заправка ракет

Теоретические основы холодильной техники (ТОХТ)

Разделы

1. Общие сведения

2. Физические основы ТНТ (физические процессы получения низких температур)

3. Термодинамические основы холодильных машин (методы анализа эффективности процессов и циклов)

4. Рабочие вещества холодильных машин

5. Циклы и схемы паровых холодильных машин

6. Циклы и схемы газовых холодильных машин.

I Общие сведения

Низкие температуры – это температуры ниже температуры окружающей среды.

Окружающая среда – атмосферный воздух, водоемы, грунт.

Температуру приставляют к шкале градусов Цельсия (^oС) и шкале Кельвина (К)

Температура абсолютного нуля по шкале Цельсия – это (-273,16 ^oС)

Вся шкала Кельвина базируется на отдельных реперных точках: 273К – это температура тройной точки воды; 373К – это температура кипения воды; от 0 до 273 – тоже имеет реперные точки, которые характеризуются фазовыми превращениями различных веществ.

По этим реперным точкам градуируются приборы, измеряющие температуру.

ТНТ условно делится на:

• криогенная техника (глубокий холод)

• холодильная техника (умеренный холод)

Условной границей между ними принята температура 120К.

Основная задача глубокого холода – это сжижение газов; разделение сжиженных газов, с получением криопродуктов (кислород, азот и т.д.); технологии использования криопродуктов.

Воздух состоит из:

Азот	N2	78,0%
Кислород	O2	20,95%
Инертные газы		0,94%
Диоксид углерода	CO2	0,03%

Нормальная температура кипения – это температура кипения при атмосферном давлении.

газ	нормальная температура кипения
	К	0С
O2	90,36	-182,8
N2	77,36	-195,8
воздух	81,16	-192,0
H2	20,46	-252,7
He	4,26	-268,9

Практическое применение криопродуктов, получаемых в результате разделения воздуха:

• Кислород-O₂. Используется при сварке металлов, для продувки доменных и мартыновских (металлургия) печей. В химии, для получения синтетического бензина. В ракетно-космическом комплексе, в качестве окислителя в ракетных двигателях. В медицине для дыхания (в основном).

• Азот-N₂. Энергоноситель (холодильный агент для замораживания и хранения продуктов и биологических материалов). В машиностроении, в качестве нейтральной среды при сварке. В химии, как сырье для производства минеральных удобрений на основе аммиака. В медицине, для охлаждения криоинструментов.

• Водород- H₂. Его получение из воды или из углеводородов (метан-CH₄) – это не криогенный процесс. Используется сжиженный водород в качестве экологически чистого моторного топлива. С его применением производится также тяжелая вода, применяющаяся в атомной технологии.

Важной отраслью в криогенике является также фракционирование природного газа.

Природный газ представляет собой смесь:

Метан CH4	ts= -161 oC	95%
Этан C2H6	ts= -98 oC	5%
Пропан C3H8	ts= -42 oC
Бутан C4H10	ts=-12 oC

При разделении газа отделяют тяжелые фракции, начиная от пропана и выше, которые могут конденсироваться при атмосферном давлении.

Легкие фракции используются в химической промышленности, а также сжигаются. Основной способ получения криогенных температур, в том числе для разделения газовых смесей – это расширение предварительно сжатого до необходимого уровня давления газа в дросселях или расширительных машинах (детандеры).

Воздухо- и газоразделительные установки – это сложные системы, включающие компрессоры, детандеры, и регенеративные теплообменники.

Производственное криооборудование в единичном малосерийном производстве.

Основной способ получения температур умеренного холода.

Система осуществляющий замкнутый термодинамический цикл, называется холодильная машина.

Холодильная машина (ХМ) – это машина, предназначенная для переноса теплоты от среды с низкой температурой, с целью ее охлаждения, к среде с более высокой температурой за счет подвода энергии от внешнего источника.

Термодинамический цикл ХМ состоит из следующих последовательных процессов:

1. Испарение (кипение) или нагрев холодильного агента при низкой температуре и низком давлении.

2. Повышение давления (сжатие) парообразного или газообразного холодильного агента.

3. Конденсация или охлаждение холодильного агента при более высокой температуре и более высоком давлении.

4. Понижение давления (расширение) холодильного агента.

Это определение для холодильной системы любого типа.

По области применения ХМ принято делить на:

• промышленные

• торговые

• бытовые

В торговое оборудование включаются: холодильный транспорт и автономные кондиционеры.

Холодопроизводительность ХМ

Обозначается Q₀, и измеряется в кВт – по существу холодильная мощность.

Промышленные ХМ выпускаются с холодопроизводительностью

Q₀=100…15000 кВт

Торговые ХМ

Q₀=1,0…500 кВт

Бытовой холод

Q₀=0,1…5,0 кВт

Количественный выпуск характеризуется тем, что малые ХМ выпускаются миллионами штук в год (бытовые ХМ в мире выпуск 90 000 000 штук/год). Крупные машины от 1000 кВт и выше выпускаются в количестве нескольких сотен.

Примерная потребность в России, различные холодопроизводительности и назначения.

Q0, кВт	шт/год	Основная область применения
0,1	4∙106	Б ытовой холод
1,0	4∙105	Торговый холод
10,0	4∙104
100,0	4∙103
1000,0	4∙102	Промышленный холод
10000,0	40