книги из ГПНТБ / Серебряный, И. М. Пособие для машинистов холодильных установок

Некоторые вещества переходят из твердого состояния в пар, минуя жидкое, например, сухой лед (твердая угле­ кислота). Этот процесс называется сублимацией.

Пар, находящийся над жидкостью, из которой он полу­ чается, называется насыщенным. Насыщенный пар, со­ держащий в себе мелкие частицы влаги, называют влаж­ ным. Для отделения этих частиц от пара в холодильной установке применяют специальные аппараты — отдели­ тели жидкости.

Пар, отделившийся от жидкости, называется сухим на­ сыщенным. Состояние влажного пара определяется его давлением или температурой и степенью сухости пара в смеси. Если сухой насыщенный пар подвергнуть нагре­ ванию выше температуры кипения, то получим перегре­ тый пар того же давления. Такой пар может иметь разные температуры в зависимости от степени его перегрева.

ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

Тепловая энергия передается от тела с более высокой температурой к телу с низкой температурой. Тепло может распространяться посредством теплопроводности, конвек­ ции и лучеиспускания.

Теплопроводностью называется способность тел прово­ дить или передавать теплоту. Теплопроводность различ­ ных веществ характеризуется коэффициентом теплопровод­ ности, т. е. количеством тепла, проходящего через 1 м2 стенки в час, при толщине ее в 1 м и при разности темпера­ тур обеих поверхностей стенок 1°С. Ее размерность

ккал/м • ч ■град.

Конвекцией называется передача тепла посредством перемещения нагретых частиц вещества в объеме. Это про­ исходит потому, что холодный газ или жидкость тяжелее теплого. Нагретые слои всегда выталкиваются вверх, а их место занимают холодные. Передача тепла в жидкостях и газах путем естественного перемещения холодных слоев вниз, а теплых — вверх называется естественной конвек­ цией. При естественной конвекции перемещение газов происходит с небольшой скоростью, поэтому нагрев (охлаж­ дение) помещения (холодильника) происходит медленно

инаблюдается значительный перепад по высоте.

Вхолодильной технике часто применяется принудитель­ ная конвекция, т. е, вынужденное движение газа или

ю

ВЛАЖНОСТЬ ВОЗДУХА И ЕЕ ИЗМЕРЕНИЕ

Окружающий нас воздух состоит из смеси газов. Содер­ жание их по объему приблизительно соответствует 79% азота и 21% кислорода. В составе воздуха также находится некоторое количество инертных газов (аргон, неон, гелий), углекислота, а также какое-то количество влаги — паров воды. В холодильной технике эта влага имеет существенное значение, так как количество ее в воздухе зависит от его температуры: чем выше температура воздуха, тем больше паров он может в себя впитать и, наоборот, при охлажде­ нии их выделить.

Для каждой температуры воздуха имеется определенное количество паров воды, которое насыщает этот воздух. При данной температуре этот воздух больше не может при­ нять в себя паров воды. Такой воздух называют насыщен­ ным, а весовое количество в граммах паров воды, находя­ щееся в 1 м3 воздуха,— абсолютной влажностью воздуха при данной температуре. Обычно воздух не полностью на­ сыщен влагой. Для измерения этого количества влаги, находящейся в воздухе, служит его относительная влаж­ ность, которая соответствует отношению абсолютной влаж­ ности к тому количеству пара, которое необходимо для насыщения 1 м3 воздуха при данной температуре. Относи­ тельная влажность выражается в процентах от абсолютной, если последнюю принять за 100%.

Температура, при которой находящиеся в воздухе водяные пары полностью его насыщают, называется точ­ кой росы. При понижении температуры ниже точки росы находящаяся в воздухе влага выделяется в виде тумана, который при оседании на холодные поверхности превра­ щается в жидкость. В холодильных камерах он оседает на трубах охлаждающих приборов в виде инея или снега, которую называют снеговой шубой. Образование большого слоя снеговой .шубы на трубах охлаждающих приборов уменьшает их коэффициент теплопередачи.

ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ ТЕПЛОТЫ И МЕХАНИЧЕСКОЙ РАБОТЫ

12

ность теплоты и работы очевидна. Согласно этой теории теплота материального тела представляет собой механи­ ческую энергию движущихся молекул. Эквивалентность тепловой и механической энергии является частным слу­ чаем общего закона сохранения энергии, по которому энер­ гия не может быть ни создана, ни уничтожена, а только преобразована из одного вида в другой.

Работа L, как и теплота Q, измеряется в джоулях (Дж) и килоджоулях (кДж).

Мощностью называется работа в единицу времени. За единицу мощности принят ватт (вт) или единица, в 1000 раз большая — киловатт (кет).

ПОЛУЧЕНИЕ ИСКУССТВЕННОГО ХОЛОДА ПРИ ПОМОЩИ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН

Назначением холодильной машины является пониже­ ние температуры охлаждаемого объекта ниже температуры окружающей среды и поддержание этой температуры в те­ чение необходимого срока.

Наибольшее применение получили компрессорные па­ ровые холодильные машины, работа которых основана на испарении, сжатии и после­ дующей конденсации рабоче­ го вещества, именуемого хлад­ агентом.

Согласно второму закону термодинамики отводимое при охлаждении тел тепло не мо­ жет само переходить от тела с более низкой температурой к телу с более высокой тем­

пературой, поэтому производство холода с помощью холо­ дильных машин должно сопровождаться затратой для этих целей механической, электрической или тепловой энергии.

Принципиальная схема одноступенчатой компрессор­ ной холодильной машины показана на рис. 1. Основными элементами машины являются: испаритель 4, компрессор 1, конденсатор 2 и регулирующий вентиль 3. Все четыре элемента связаны трубопроводами и образуют замк­

13

нутую систему. В каждом из них происходят следующие процессы.

В испарителе рабочее вещество машины — хладагент — испаряется или кипит при малом давлении и низкой темпе­ ратуре, отнимая при этом необходимую для своего испа­ рения теплоту от окружающей среды, за счет чего эта среда охлаждается.

Компрессор непрерывно отсасывает пар из испарите­ ля, поддерживая в нем необходимое давление. Потом сжи­ мает его (с затратой энергии) до давления конденсации и нагнетает в конденсатор, повышая при этом его темпе­ ратуру.

Вконденсаторе нагретый и сжатый компрессором пар высокого давления переходит в жидкое состояние — кон­ денсируется, отдавая при этом теплоту конденсации охлаждающей воде или воздуху и сохраняя свое повышен­ ное давление.

Врегулирующем вентиле, установленном между конден­ сатором и испарителем, жидкий хладагент проходит через узкое проходное отверстие, при этом происходит мятие, или дросселирование, жидкости, в результате чего давле­ ние падает (от давления конденсации до давления испа­ рения) и соответственно понижается температура.

Таким образом, компрессорная холодильная машина представляет собой замкнутую систему, в которой непре­ рывно происходит круговой процесс переноса тепла хлада­ гентом из испарителя в конденсатор. В конденсаторе кроме теплоты конденсации отводится тепло, сообщенное пару при сжатии (тепловой эквивалент работы сжатия), и по­ этому тепловая нагрузка конденсатора всегда больше на­ грузки испарителя на эту величину.

Объединение указанных выше основных четырех эле­ ментов холодильной машины с другим оборудованием носит название холодильной установки.

ХОЛОДОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ МАШИН

Под холодопроизводительностью машины понимают ко­ личество тепла, отнимаемое холодильной машиной от окру­ жающей среды в течение часа. Холодопроизводительность измеряется в ктл/ч и обозначается буквой Q.

Холодопроизводительность 1 м3 паров хладагента, вса­ сываемого компрессором, называется удельной объемной

14

холодопроизводительностыо; единица измерения ее 1 ккал/м3. Обозначается эта единица qv. Величина qv зависит от ре­ жима работы, т. е. от температуры испарения (кипения) и температуры конденсации. Объемная холодопроизводительиость насыщенных паров приведена в табл. 2.

Поршень компрессора при своем движении засасывает и выталкивает определенное количество паров хладагента; при этом он мог бы описать объем, соответствующий его геометрическим размерам. Этот объем называется теорети­ ческим и обозначается буквой VT, но в процессе работы

и удлинение его металлических частей, поэтому поршень при работе компрессора может дойти до крышки цилиндра.

Во избежание этого между крышкой цилиндра и край­ ним положением поршня всегда оставляют некоторое про­ странство, называемое «вредным», в котором остается не­ который объем невытолкнутых паров хладагента. Этот объем является вредным потому, что при обратном ходе поршня сначала начинает расширяться оставшийся в этом объеме сжатый ранее до состояния нагнетания пар и лишь после расширения его и достижения в цилиндре давления ниже давления всасывания открывается всасывающий кла­ пан и начинается всасывание пара из испарительной си­ стемы. Следовательно, наличие вредного пространства с остатком в нем некоторого количества хладагента умень­ шает количество засасываемого компрессором пара из ис­ парителя, что приводит к уменьшению использования все­ го геометрического объема цилиндра и уменьшению холодопроизводительности компрессора.

Естественно, что действительный объем, засасываемый поршнем, будет меньше теоретического и действительная холодопроизводительность будет также меньше теорети­ ческой.

Кроме потерь холодопроизводительности из-за наличия вредного пространства, пар хладагента при своем прохож­ дении встречает сопротивление во всасывающих и нагнета­ тельных клапанах, где происходит частичное дросселиро­ вание пара, что также задерживает полный вход пара и удаление его из цилиндра компрессора. При работе компрес­ сора на уменьшение количества засасываемого из испари­ тельной системы пара хладагента оказывает влияние тепло­ обмен между горячими стенками цилиндра и оставшимся

15

Таблица 2

Объемная холодопроизводительность насыщенных паров основных хладагентов, ккал/м3

П р и м е ч а н и е . При пользовании таблицей для определения параметров па­

ра следует к давлению по манометру (ати) -добавлять 1 атм, чтобы получить абсо­ лютное давление.

16

по следующей формуле:

Qn= VTqv% ккал/ч.

Следует иметь в виду, что применение в холодильных установках одноступенчатых аммиачных компрессоров допустимо лишь при отношении Рк : Р0 < 9. Если этот коэффициент больше 9, использование одноступенчатых компрессоров вследствие малого значения коэффициента подачи становится невыгодным, в этих случаях перехо­ дят к применению компрессоров двуступенчатого сжатия.

В практике эксплуатации нужно стремиться к мак­ симальному увеличению коэффициента подачи компрес­ сора и, поскольку он уменьшается от повышенного дав­ ления конденсации и пониженного давления испарения, следует следить, чтобы вода на конденсатор подавалась как можно обильней и максимально холодной, а также не держать излишне низкой температуру испарения.

Таким образом, чем выше температура испарения и ниже температура конденсации, а следовательно, и тем­ пература перед регулирующим вентилем, тем холодопроизводительность компрессора больше, и наоборот, чем ниже температура испарения и выше температура перед регулирующим вентилем, холодопроизводительность од­ ного и того же компрессора будет меньше. На практике для сравнения холодильных машин необходимо их холо­ допроизводительность определять при одинаковых ре­ жимах работы, при этом в качестве сравнительных усло­ вий следует принимать так называемые стандартные условия: температура испарения — 15° С, температура конденсации + 30° G и температура перед регулирующим вентилем + 25° С.

СУХОЙ И ВЛАЖНЫЙ ХОД КОМПРЕССОРА

Влажный ход компрессора характеризуется тем, что компрессор из испарительной системы засасывает пар, содержащий в себе взвешенные частицы жидкого хла­ дагента.

Во время сухого хода компрессор засасывает из испа­ рителя только сухой пар, т. е. не содержащий в себе частиц жидкости. Работа компрессора сухим ходом обыч­ но сопровождается некоторым перегревом пара. Выгод­ нее работать при сухом ходе с перегревом, так как при

18

влажном ходе вредное пространство больше влияет на уменьшение объема засасываемого компрессором пара. Влажный пар способствует дополнительному парообразо­ ванию жидких частиц.

Дополнительное парообразование -происходит в ци­ линдре потому, что при работе компрессора меняется температура стенок цилиндра и паров холодильного агента: то сильнее нагреты пары холодильного агента, то стенки цилиндра. В середине и в конце сжатия хлад­ агент нагрет сильнее стенок цилиндра, при этом про­ исходит отдача тепла хладагентом стенкам; при обратном движении поршня через некоторое время температура стенок становится выше температуры хладагента и стенки отдают ему тепло. Это происходит на протяжении всего процесса всасывания и в начале сжатия. При передаче тепла хладагенту от горячих стенок происходит кипение частиц жидкости, содержащихся во влажном паре, что снижает холодопроизводительность компрессора. При засасывании сухого пара дополнительного парообразо­ вания не происходит, потому что он не содержит частиц жидкости. Отдача тепла от стенок вызывает только пере­ грев сухого пара. Поэтому практически более выгодно работать сухим ходом компрессора, так как при этом холодопроизводительность будет на 10— 15% выше. Для обеспечения сухого хода компрессора в схему холодиль­ ной машины включают дополнительный аппарат, назы­ ваемый отделителем жидкости. Влажный пар, идущий из испарительной системы, сначала проходит отделитель жидкости, где вследствие изменения направления его движения и уменьшения скорости частицы жидкости сседают и возвращаются обратно в испаритель, а сухой пар из верхней части отделителя отсасывается компрес­ сором.

ДВУХСТУПЕНЧАТЫЕ ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ

При степени сжатия, равной или больше 9, Коэффи­ циент подачи становится очень малым и холодопроизво­ дительность компрессора резко падает. Однако для обес­ печения низких температур в камерах (порядка —30° С и ниже) необходимо создавать и низкую температуру испа­ рения, разница между которыми при непосредственном

19