Режим псевдоожижения

Р – давление

ОА – процесс фильтрования

F- площадь поверхности фазового контакта

коэффициент массоотдачи

Системы обеспечения искусственным холодом.

Холодильные машины и установки предназначены для искусственного снижения и поддержания пониженной температуры ниже температуры окружающей среды от 10 °С и до −150 °С в заданном охлаждаемом объекте. Машины и установки для создания более низких температур называются криогенными. Отвод и перенос тепла осуществляется за счет потребляемой при этом энергии. Холодильная установка выполняется по проекту в зависимости от проектного задания, определяющего охлаждаемый объект, потребный интервал температур охлаждения, источники энергии и виды охлаждающей среды (вода или воздух).

Холодильная установка может состоять из одной или нескольких холодильных машин, укомплектованных вспомогательным оборудованием: системой энерго- и водоснабжения, контрольно-измерительными приборами, приборами регулирования и управления, а также системой теплообмена с охлаждаемым объектом. Холодильная установка может быть установлена в помещении, на открытом воздухе, на транспорте и в различных устройствах, в которых необходимо поддерживать заданную пониженную температуру и удалять излишнюю влажность воздуха.

Холодильные системы обеспечивают работоспособность технологических аппаратов и холодильников.

Холодильник – предприятие или его часть, предназначенное для охлаждения , замораживания и хранения скоропортящейся продукции.

Холодильники бывают:

- базисные

- распределительные

- заготовительные

- торговых баз

- домашние

Для сохранности продуктов организуется от моментов заготовки до момента потребления.

Холодильные установки

Различают:

- компрессорные

- теплоиспользывающие

- парокомпрессионные

- газокомпрессорные

Теплоиспользывающие бывают абсорбционного типа и пароэжекторного.

Термодинамическая схема

Условие: температура тела В выше температуры тела А.

Задача:

забрать у тела А тепло q и отдать его телу В.

С – промежуточное тело

Тепловой баланс холодильной машины:

Холодильный коэффициент:

,

   В холодильной машине за счет совершения внешними телами работы   над рабочим телом происходит отвод теплоты   от охлаждаемого тела и передача теплоты   тепловому резервуару, в качестве которого обычно выступает окружающая среда.

 Коэффициент полезного действия или холодильный коэффициент холодильной машины можно определить как отношение отнятой от охлаждаемого тела теплоты   к затраченной для этого механической работе  :

.

Так как в зависимости от конкретной конструкции холодильной машины количество отводимой от охлаждаемого тела теплоты   может как превышать затраченную работу  , так и быть меньше ее, то к.п.д. холодильной машины, в отличие от к.п.д. тепловой машины, может быть как больше, так и меньше единицы.

     Холодильная машина может быть использована не только для охлаждения различных тел, но и для отопления помещения. Действительно, даже обычный бытовой холодильник, охлаждая помещенные в нем продукты, одновременно нагревает воздух в комнате.

Схема простейшей парокомпрессионной установки

Теоретической основой, на которой построен принцип работы холодильников, является второе начало термодинамики. Охлаждающий газ в холодильниках совершает так называемый обратный цикл Карно. При этом основная передача тепла основана не на цикле Карно, а на фазовых переходах — испарении и конденсации. В принципе возможно создание холодильника, использующего только цикл Карно, но при этом для достижения высокой производительности потребуется или компрессор, создающий очень высокое давление, или очень большая площадь охлаждающего и нагревающего теплообменника.

Основными составляющими частями холодильника являются:

• компрессор, создающий необходимую разность давлений;

• испаритель, забирающий тепло из внутреннего объёма холодильника;

• конденсатор, отдающий тепло в окружающую среду;

• терморегулирующий вентиль, поддерживающий разность давлений за счёт дросселирования хладагента;

• хладагент — вещество, переносящее тепло от испарителя к конденсатору.

Компрессор засасывает из испарителя хладагент в виде пара, сжимает его (при этом температура хладагента повышается) и выталкивает в конденсатор. В бытовых холодильниках используются герметичные поршневые мотор-компрессоры. В таких компрессорах электродвигатель располагается внутри корпуса компрессора, что позволяет предотвратить утечки хладагента через уплотнение вала. Для поглощения вибраций применяется подвеска компрессора. Подвеска компрессора может быть наружной, когда на пружине подвешивается корпус компрессора, или внутренней, когда подвешен двигатель компрессора внутри корпуса. В современных бытовых холодильниках наружная подвеска не применяется, так как она хуже поглощает вибрации компрессора, который к тому же производит больше шума. Для смазки компрессора применяют специальные рефрижераторные масла. Стоит отметить, что масло и хладагент хорошо растворяются друг в друге.

В конденсаторе, нагретый в результате сжатия, хладагент остывает, отдавая тепло во внешнюю среду, и при этом конденсируется, то есть превращается в жидкость, поступающую в капилляр. В бытовых холодильниках чаще всего применяются ребристо-трубные конденсаторы, в качестве оребрения применяется стальная проволока или стальной лист с прорезями. Отвод тепла от конденсаторов обычно естественный (конвекцией и радиацией), за исключением холодильников больших объёмов.

Жидкий хладагент под давлением через дросселирующее отверстие (капилляр или терморегулируемый расширительный вентиль) поступает в испаритель, где за счёт резкого уменьшения давления происходит испарение жидкости. При этом хладагент отнимает тепло у внутренних стенок испарителя, за счёт чего происходит охлаждение внутреннего пространства холодильника. Испарители бытовых холодильников чаще всего листотрубные, сваренные из пары алюминиевых листов. Испаритель морозильной камеры часто совмещён с её корпусом, в то время как испаритель холодильной камеры (в холодильниках с двумя испарителями) располагают на задней стенке камеры.

Таким образом, в конденсаторе хладагент под воздействием высокого давления конденсируется и переходит в жидкое состояние, выделяя тепло, а в испарителе под воздействием низкого давления вскипает и переходит в газообразное, поглощая тепло.

Терморегулируемый расширительный вентиль необходим для создания необходимой разности давлений между конденсатором и испарителем, при которой происходит цикл теплопередачи. Он позволяет правильно (наиболее полно) заполнять внутренний объём испарителя вскипевшим хладагентом. Пропускное сечение ТРВ изменяется по мере снижения тепловой нагрузки на испаритель, при понижении температуры в камере количество циркулирующего хладагента уменьшается.

и- испаритель, в котором кипит холодильный агент, поглощается тепло q

К - компрессор, который решает 3 задачи:

1. стабилизирует низкое давление в испарителе путем отвода образовавшихся паров

2. сжимание паров до давления конденсации

3. направить их в конденсат

Д – детандер

работа детандера

Т еоретически в схеме можно реализовать обратный цикл Карно.

4 – 1 – процесс кипения в испарителе

2 – 3 – процесс конденсации

1 – 2 – адиабатное сжатие в компрессоре

3 – 4 – адиабатное расширение

Схема и цикл установки с дросселированием в области влажного пара.

Схема и рабочий цикл простейшей одноступенчатой парокомпрессионной холодильной машины: I – компрессор; II – конденсатор; III – дроссель (регулирующий вентиль); IV – испаритель.  Под действием теплоты теплоотдатчика (ХН) q₀ в испарителе (как правило в межтрубном пространстве) кипит хладагент при температуре T₀ давлении P₀. На выходе из испарителя (в т. 1) – сухой насыщенный пар с теми же параметрами. Этот пар поступает в компрессор, где сжимается до давления Р_к – процесс 1-2. Перегретый пар с параметрами т.2 нагнетается в конденсатор, где он охлаждается и конденсируется, процесс 2-3. Конденсат рабочего тела дросселируется от давления Р_к до давления Р₀, процесс 3-4, который протекает при i=const. В результате дросселирования часть жидкости вскипает. Это так называемые потери дросселирования.  Так как в цикле циркулирует всегда 1 кг рабочего вещества, то количество пара в т.4 может быть определено из соотношения (правило рычага):  , где G_п + G_ж=1. (4.1) Оставшийся жидкий ХА поступает в испаритель, где он кипит под воздействием теплоты теплоотдатчика (ХН) q₀. Удельное количество теплоты, подведенной в испарителе к рабочему агенту (холодопроизводительность цикла) определяется разностью q₀=i₁ –i₄. Необходимо понимать, что холодопризводительность цикла из-за потерь дросселирования, всегда меньше удельной массовой холодопроизводительности ХА (при отсутствии питающего отделителя жидкости у испарителя). На T, s–диаграмме холодопроизводительность цикла эквивалентна площади прямоугольника a41ba. Внутренняя удельная работа сжатия в неохлаждаемом компрессоре l_i=i₂-i₁, или определяется площадью 23'351bd2. Теплота отведенная в конденсаторе равна сумме подведенной энергии к циклу: q_к=q₀+l_i,– это так называемое уравнение энергетического баланса цикла. НаT, s–диаграмме q_к отображается площадью 2354ad2. Но так как i₃=i₄, то легко доказать, что площади 3f53 и acf4 равны, следовательно q_к эквивалентна площади 23cd2. Холодильные машины такой схемы широко используются в народном хозяйстве. Это, как правило, крупные аммиачные агрегаты с винтовыми и поршневыми компрессорами траулеров, искусственных катков, крупных продуктохранилищ и др.

Р В – регулирующий вентиль в котором происходит процесс дросселирования

3 – 5 – i=const

В результате удельная хладопроизводительность уменьшается на q

Преимущества:

- установка стала на 1/3 дешевле

- установка дает возможность простого регулирования холодильной мощности

Схема и цикл при сжатии сухого пара

Для обеспечения безопасной эксплуатации компрессора т.1 переносится в область сухого пара (х=1)

2 – 2’- снятие перегрева

Схема и цикл одноступенчатой аммиачной машины

РИС. 2. Принципиальная схема (а) и цикл на І, fgp-диатрамме (б) и s, Г-дмаграмме (*) одноступенчатой аммиачной холодильной машины:

КМ — компрессор; КД — конденсатор; И — испаритель; РВ — регулирующий вентиль

Цифрами I, 2, 3 и т. д. на принципиальной схеме и диаграм­мах обозначают так называемые характерные точки, соответствую­щие состоянию хладагента в начале или конце процесса, происходящего в холодильной машине или каком-либо ее элементе.

На рис. 2 точка / соответствует состоянию перегретого пара, всасы­ваемого компрессором. В целях предотвращения «влажного хода» (попадания в цилиндр компрессора частиц жидкости) пар в этой точке должен быть перегрет, т. е. иметь температуру на 5…10 °С выше тем­пературы насыщенного пара в точ­ке /".

Процесс перегрева пара 1"— 1 может происходить внутри испа­рителя, частично во всасывающем трубопроводе и во всасывающей полости самого компрессора. 

На рис. 2 показано, что точка /" находится «внутри» испарителя.

Процесс сжатия пара 1—2 осу­ществляется в компрессоре — Пар сжимается от давления кипения р0 до давления конденсации рк. Этот процесс считают изоэнтропным (s — const), протекающим без тре­ния между молекулами и без тепло­обмена с окружающей средой,— особый случай адиабатного процес­са.

В точке 2 хладагент находится в состоянии сильно перегретого пара при давлении рк. Для того — чтобы осуществить процесс конденсации, необходимо сначала понизить температуру пе­регретого пара до температуры насыщенного пара при данном давлении рк. Процесс охлаждения пара 2—2" может происходить в конденсаторе и ча­стично в нагнетательном трубопро­воде. Точка 2" показана на рис. 2, а «внутри» конденсатора. Процесс конденсации 2"—3′. После завершения процесса кон­денсации при наличии соответству­ющих условий (необходимое тепло — обменной поверхности) жидкий хладагент может быть здесь же, в конденсаторе, переохлажден (процесс 3′—3) от температуры насыщенной жидкости до более низкой температуры при том же давлении рк.

В процессе дросселирования по­лезная работа не совершается, а энергия в виде теплоту переда­ется хладагенту и расходуется на частичное испарение жидкости. По­этому при неизменной энтальпии возрастает его энтропия.

Процесс кипения 4—/" хлад­агента происходит в испарителе при постоянных давлении р0 и темпера­туре и, так же как и процесс конденсации, является одновремен­но изобарическим и изотермиче­ским. В процессах кипения 4—/" и перегрева 1"—/ энтальпия хлад­агента возрастает.

МО – маслоотделитель

Аммиак масло не растворяет. МО предохраняет замасливание конденсата.

1’ – 1 – процесс перегрева пара до компрессора

Рассмотрим развитие схемы:

П – переохладитель жидкости

3 – 3’- процесс охлаждения жидкого холодильного агента в переохладителе

Т.е.

В результате охлаждения удельная холодопроизводительность выросла на .

При этом работа сжатия не изменилась.

ОЖ – отделитель жидкости; обеспечивает сухой ход компрессора, защищает от гидравлического удара.