книги из ГПНТБ / Шемаханов, М. М. Основы термодинамики и кондиционирования рудничной атмосферы учебник

как при ^>400° С при открытом пламени фреон-12 разлагается с образованием хлористого водорода, фтористого водорода и сле­ дов отравляющего газа фосгена. Фреон-12 в обезвоженном виде не действует на металлы, но растворяет ряд органических веществ. В качестве прокладок в установке с фреоном-12 необходимо при­ менять маслобензостойкую резину — севанит или паронит. Обла­ дает способностью проникать через малейшие неплотности.

Фреон-22 (дифтормонохлорметан CHF2C 1)— газ, более ядови­ тый, чем фреон-12, но не взрывоопасен, также нейтрален к ме­

В табл. 13 приведены физические параметры холодильных агентов.

Холодоносители

Холодоносители — жидкости, с помощью которых холод пере­ дается на расстояние. Обычно, когда холодильная установка об­ служивает ряд потребителей холода, применяют рассольное охлаждение, в котором незамерзающий рассол и служит промежу­ точным холодоносителем, отбирающим тепло от охлаждаемых тел. Рассол под действием насоса непрерывно циркулирует между ис­ парителем и объектом охлаждения.

Холодоносители должны иметь высокую теплоемкость, низкую температуру замерзания, хорошую теплопроводность, малую вяз­ кость и удельный вес. Кроме того, они должны быть достаточно химически неактивны и в незначительной степени корродировать металлы. Важными факторами, обусловливающими применение вещества как холодоносителя, являются также безвредность, безопасность и дешевизна.

Вода, вследствие высокой температуры замерзания, приме­ няется только в установках кондиционирования при температуре выше 0° С.

Наибольшее применение находят водные растворы хлористого натрия NaCl и хлористого кальция СаС12, иногда хлористого маг­ ния MgCl2. Такие рассолы следует применять при температуре выше температуры криогидратной точки для данного раствора, т. е. температуры, при которой раствор замерзает как однородная

стого магния —33,6°С при концентрации 20,6%. Так как концент­ рация может меняться, то обычно температуру замерзания рас­ твора принимают на 5—8° С ниже температуры кипения холодиль­ ного агента. Обычно NaCl применяют при температурах кипения холодильного агента не ниже — 16-=— 13° С, а СаС12 при более низких температурах.

172

Цикл паровой компрессионной холодильной установки

Компрессионные холодильные машины являются самыми рас­ пространенными. Обратный цикл Карно можно осуществить в па­ ровой компрессионной машине с расширительным цилиндром. Схема такой идеальной установки аналогична схеме воздушной холодильной машины (см. рис. 89) с той разницей, что вместо холодильника 2 устанавливают конденсатор, а вместо холодиль­ ной камеры — испаритель. Холодильный агент — легкокипягцая жидкость (при сравнительно низкой температуре). Пары холо­ дильного агента из испарителя поступают при давлении pi в ком­ прессор, где адиабатно сжимаются до давления р2, а затем в кон­ денсаторе обращаются в жидкость, кипящую при температуре насыщения iH2, которая соответствует давлению р%. В расширителе давление, вследствие адиабатного расширения, понижается до /ц, жидкость частично испаряется и температура рабочего тела пони­ жается до tn (температуры насыщения), соответствующей давле­ нию pi.

Для того чтобы этот цикл представлял собой цикл Карно, он должен быть проведен в области только влажного пара, где изо­ бары совпадают с изотермами. Для перегретого пара такой цикл не может быть осуществлен.

Рабочий процесс теоретического цикла паровой компрессионной машины отличается от цикла Карно следующим.

1. В схеме компрессионной машины вместо расширительного цилиндра предусматривается регулирующий дроссельный вентиль из соображений простоты его устройства, а также и из-за того, что в расширительный цилиндр поступает не пар, а жидкость, работа расширения при этом очень мала, а на механические по­ тери в цилиндре расходуется значительная часть работы.

При замене адиабатного расширения в цилиндре процессом дросселирования в регулирующем вентиле теряется работа расши­ рения и, как будет показано ниже, уменьшается холодопроизводительность.

2. Компрессор засасывает почти сухой пар холодильного агента (сухой ход компрессора), вследствие чего после адиабатного сжатия пар переходит в перегретое состояние. Сухой ход ком­ прессора позволяет увеличить холодопроизводительность уста­ новки и поэтому его поддерживают путем установки отделителя жидкости или терморегулирующего вентиля. При сухом ходе повы­ шается надежность работы компрессора, исключаются гидравли­ ческие удары, увеличивается объемный и внутренний к. п. д. ком­ прессора.

Схема цикла паровой компрессионной установки холодильной машины показана на рис. 92.

На рис. 93 рассматриваемый цикл показан в диаграмме Т—5 где:

1—2 — сжатие пара холодильного агента в компрессоре;

173

Pi в испарителе.

Удельная холодопроизводительность определяется как

<72 = 4 — 4 .

но так как

к = к + ХгГх и г4 = к + х4гь

соответствует площади 1—2—2'—3—5—1, так как

к = пл. 1' — 1 — 5 — 6 — 0 — Г и i2 = пл. Г — 2 —2'—3—6—0—V .

174

Для расчета цикла паровой компрессионной холодильной ма­

Как видно из диаграммы (см. рис. 93), при сжатии почти сухого пара в компрессоре холодопроизводительность несколько увели­ чивается, что характеризуется площадью 1'—1—7—Т по сравне­ нию с циклом Карно. Диаграммы Т —'S для аммиака и фреона-12 приведены в приложениях 1 и 2.

Охлаждение жидкости до температуры Т% ниже температуры кипения Тц, при давлении pz в конденсаторе (процесс переохлаж­ дения) позволяет увеличить холодопроизводительность (рис. 95}

на А<72.

В результате переохлаждения энтальпия холодильного агента, поступающего в испаритель, уменьшается, при этом снижается его степень сухости х, т. е. уменьшается бесполезное парообра­ зование при дросселировании без производства работы.

С увеличением qz возрастает холодильный коэффицент. Напри­

холодопроизводительности (% ): 2,15; 4,17; 4,35 и 23.

Значения холодильных коэффициентов для различных холо­ дильных агентов при 7Hl = — 15°С и ^Н2= + 3 0 оС приведены в табл. 14.

175

На рис. 96 показана схема действительной паровой односту-

.пенчатой компрессионной холодильной машины, а на рис. 97 —

-ее диаграмма Т—s с сухим ходом компрессора и политропным лроцессом сжатия в компрессоре. Одноступенчатые холодильные

376

го через установку за час; теоретический холодильный коэффициент е; теоре­ тическую мощность компрессора /V; степень сухости пара после регулирующего вентиля Xi.

По таблице имеем

г, = 78,15 ккал/кгс, /Г = 317,72 ккал/кгс,

тогда

Холодопроизводительность реальной холодильной машины за­ висит от режима работы, который обычно меняется с изменением температуры охлаждающей воды и температуры, поддерживаемой в охлаждаемом помещении. Чем выше температура охлаждающей воды и чем ниже температура охлаждения, тем меньше холодо­ производительность.

В каталогах и паспортах обычно приводится «стандартная» холодопроизводительность, развиваемая в условиях «стандарт­ ного» режима при температуре испарения /н, = — 15° С, темпера-

туре конденсации tUl = + 30° С, температуре переохлаждения

t u = +25° С.

При этом предполагается, что машина работает с перегревом

ствующая нормальному режиму холодопроизводительность назы­ вается нормальной.

Холодопроизводительность фреоновых холодильных машин часто выражают при температурах режима кондиционирования воздуха (*в, = 5 ° С, /вс= + 2 0 °С , *H,= +35°C , fn = 30°C).

Рабочей холодопроизводительностью называется та, которая может быть достигнута машиной при тех или иных температурных условиях, осуществляемых в действительности.

Абсорбционная холодильная машина

В абсорбционных холодильных машинах применяют растворы двух компонентов с различными температурами кипения при оди­ наковом давлении. Компонент с более низкой температурой ки­ пения является холодильным агентом, а другой, с более высокой температурой кипения — поглотителем (абсорбентом) холодильно­ го агента.

К таким растворам предъявляются следующие требования: большая разность температур кипения абсорбента и холодильного агента при одном и том же давлении, химическая стойкость при высоких и низких температурах, интенсивный теплообмен в аппа­ ратах, взрывобезопасность и невоспламеняемость, инертность к металлам, невысокая стоимость, жидкие абсорбенты должны с достаточной скоростью поглощать холодильный агент. Полностью всем этим требованиям не удовлетворяет ни один из растворов.

Наибольшее применение получили водоаммиачные абсорбцион­ ные холодильные машины, в которых аммиак является холодиль­ ным агентом, а вода — поглотителем, абсорбентом. Аммиак активно поглощается водой; при температуре 0°С в 1 объеме воды растворяется до 1148 объемов пара аммиака, при этом происходит значительное выделение тепла: при растворении жидкого аммиака ~ 190, а при растворении пара аммиака яьЗОО ккал/кгс.

На рис. 98 показана схема простейшей одноступенчатой аб­ сорбционной холодильной машины. В генераторе 1 в результате подогрева крепкого раствора аммиака теплоносителем (продукты сгорания, пар, электроэнергия) при давлении р2 происходит от­ гонка паров аммиака (с незначительной примесью воды). Пар аммиака проходит через конденсатор 2 и обращается в жидкое состояние с температурой кипения tHl. После прохождения холо­ дильным агентом регулирующего вентиля 3 его давление и тем­ пература понижаются соответственно до pi и tHj (как в компрес­ сионной холодильной машине). В испарителе 4 аммиак испаряется

178

и направляется в абсорбер 5, где поглощается слабым водоамми­ ачным раствором. Выделяющаяся при этом теплота отводится охлаждающей водой. Слабый водоаммиачный раствор подается в абсорбер из генератора через второй регулирующий вентиль 6, где его давление снижается с рг до pi. Благодаря растворению аммиака в абсорбере образуется крепкий водоаммиачный раствор, который насосом 7 перекачивается в генератор 1. Функцию ком­ прессора в этой схеме выполняют абсорбер и генератор.

Тепловой баланс установки

Абсорбционная установка, работающая по этойсхеме, имеет низкий тепловой коэффициент. Для повышения его и уменьшения расхода охлаждающей воды между генератором и абсорбером устанавливают теплообменник для обмена теплом между крепким и слабым растворами и для переохлаждения жидкого аммиака. В результате затрата тепла в генераторе уменьшается, а в абсор­ бере уменьшается количество отведенного тепла, т. е. снижается расход охлаждающей воды. В генераторе образуется не только пар аммиака, но и водяной пар, содержание которого в смеси, направ­ ляемой в конденсатор, по мере обеднения раствора и повышения

сорбента в растворе.

Например, при р2=Ю кгс/см2 и температуре ^=120°С концен­ трация паров аммиака £= 0,82, т. е. в смеси содержится 18% воды. Выделяющиеся в генераторе водяные пары в конденсаторе пре­ вращаются в воду и поэтому в испарителе холодильный агент испаряется при пониженном давлении. Образовавшаяся вода в конденсаторе и испарителе растворяет аммиак, уменьшая его ко­

7* 179

личество и, следовательно, холодопроизводительность. Для устра­ нения этого устанавливают ректификатор, в котором водоаммиач­ ный пар, выходящий из генератора, охлаждается крепким раство­

ратур охлаждения немного выше 0° (в установках кондициони­ рования и др.), так как вода замерзает при 0°.

Пароэжекторная холодильная установка

В пароэжекторной холодильной установке так же, как и в абсорбционной, происходит затрата не механической, а тепловой энергии. В качестве холодильного агента применяется вода, так как имеет высокую теплоту парообразования и безвредна для че­ ловеческого организма. Кроме того, вода — дешевый холодильный агент. Для получения низких температур необходимо создавать чрезвычайно низкие давления парообразования, при этом удель­ ные объемы пара имеют огромные значения. Например, при тем­ пературе кипения в холодильной машине t = — 10° С необходимо давление р = 0,00294 кгс/см2, а удельный объем и" = 451 м3/кгс; при t ——20° С давление р= 0,00131 кгс/см2 и ц//= 995 м3/кгс. Соз­ дать такие низкие давления поршневыми компрессорами обычных конструкций нельзя, так как при этом он должен иметь слишком большие размеры.

180

Применяя для этой же цели пароструйный эжектор, можно получить простую, надежную и безопасную холодильную установ­ ку, работающую на холодильном агенте — воде. При необходи­ мости получения температуры немного ниже 0°С используют водный раствор поваренной соли или хлористого кальция. Такие установки применяют для кондиционирования воздуха, т. е. когда не требуется очень низких температур.

Схема пароструйного эжектора установки показана на рис. 100. По соплу Лаваля 1 из котла подается рабочий пар давлением обычно 4—6 кгс/см2. Вследствие расширения пара и снижения его давления до pi потенциальная энергия пара преобразуется в кинетическую. В камере смешения 2 рабочий пар, вытекающий из сопла со значительной скоростью (до 1000 м/с), подсасывает из испарителя по трубе 3 пар с низкой температурой (холодный пар). Эта смесь с давлением р'2 поступает в диффузор 4, где в расширяющейся части, вследствие уменьшения скорости движения, давление повышается до р%, которое соответствует давлению в конденсаторе. Общая схема пароэжекторной холодильной уста­ новки показана на рис. 101.

Пар при давлении рг поступает в конденсатор. Одна часть конденсата возвращается в паровой котел, а другая проходит через регулирующий вентиль, где давление и температура рабо­

181