9. Холодильні установки

9.1. Аналіз холодильних циклів. Загальна характеристика холодильних установок. Холодоагенти

Охолодження робочих тіл до температур нижчих від температури навколишнього середовища здійснюється за допомогою холодильних установок, які працюють по оберненому оборотному циклу Карно, оскільки обернений цикл Карно, як вже було відмічено раніше, теоретично є найвигіднішим циклом холодильних машина.

Обернений – такий цикл, в якому робота стиснення переважає роботу розширення і теплота передається від холодного джерела теплоти (ХДТ) до гарячого джерела теплоти (ГДТ) за рахунок підведеної до робочого тіла зовнішньої роботи. Але із-за конструктивної недосконалості та великих втрат енергії на тертя оборотний цикл Карно не можна на практиці реалізувати. Він є еталоном, з яким порівнюють ефективність дійсних холодильних машин.

Холодильні машини, які призначені для підвищення температурного рівня теплоти навколишнього середовища, називаються трансформаторами теплоти або тепловими насосами.

В залежності від температури, яка повинна бути досягнута при охолодженні робочих тіл, розрізняють холодильні установки помірного холоду, які охоплюють область температур до ( –70 ^оC), та холодильні установки глибокого холоду (температурні межі – від ( -70 ^оС) до ( -200 ^оС) і нижче). Останні переважно використовують для скраплення газів. В свою чергу отримання температур нижчих від ( –100 ^оC) умовно класифікують:

а) техніка глибокого холоду - ( до -218 ^оС);

б) кріогенна техніка - від ( –233 ^оС) до ( –272,7 ^оС) або від 40 К до 0,3 К;

в) техніка ультранизьких температур - до 0,00002 К.

Речовина, за допомогою якої реалізується цикл холодильних машин, тобто та речовина, яка забирає теплоту від ХДТ і віддає його ГДТ називається робочим тілом або холодоагентом. За характером холодоагентів холодильні установки поділяють на повітряні та парові. В останніх як холодоагенти використовують пару різних низькокиплячих рідин (аміак, фреони, двоокис сірки, двоокис вуглецю та ін.).

Отже, в холодильних машинах та теплових насосах здійснюється перехід теплоти від менш нагрітого тіла (від ХДТ) до більш нагрітого тіла (до ГДТ) що, згідно із ІІ-им законом термодинаміки, можливо тільки внаслідок якогось компенсуючого процесу. Таким процесом є перетворення роботи в теплоту.

Холодильні машини, в яких енергія для одержання холоду затрачається у вигляді механічної роботи (на привід компресора) називаються компресійними, а машини, в яких енергія затрачається у вигляді теплоти на термохімічну компресію називаються абсорбційними.

Промислове отримання холоду вперше було здійснено за допомогою компресійної повітряної машини. Дані машини зараз використовуються досить рідко через їх низьку ефективність та високу металоємкість.

Вимоги до холодоагентів:

1) тиск насиченої пари холодоагенту повинен бути невисоким, щоб його можна було сконденсувати охолоджуючою водою в конденсаторі, але дещо вищим від атмосферного, щоб не було підсмоктування повітря в трубопровід, яким воно транспортується, так як повітря містить воду, яка при низьких температурах замерзає і перешкоджає нормальній роботі компресора;

2) велика теплота пароутворення холодоагента, тобто, при одній і тій же витраті холодоагенту вона визначає холодопродуктивність холодильної машини;

3) вибухо- та пожежобезпечні;

4) нетоксичні;

5) дешеві та доступні.

Найпоширеніші холодоагенти:

аміак – t_кип.= -33,5 ^оС – характеризується досить високою холодопродуктивністю та відносно високим тиском в циклі, але в зв’язку з токсичністю його замінили фреонами;

фреон– 12 (CCl₂F₂) – за термодинамічними властивостями він близький до аміаку, хоча теплота пароутворення нижча, що при однаковій холодопродуктивності вимагає більшої витрати холодоагенту.