книги из ГПНТБ / Покровский Н.К. Холодильные установки пособие для машинистов, обслуживающих аммиачные машины и аппараты

Он значительно облегчает обслуживание холодильной уста­ новки, дает возможность получить более низкие температуры, обеспечивает автоматизацию производственных процессов.

Работа холодильных машин основана на различных принци­

пах. В настоящее время самый распространенный из них —

принцип кипения жидких тел. Температура кипения жидкости зависит от давления. Поддерживая давление на определенном уровне, можно обеспечить надлежащую температуру кипения рабочего тела. При кипении рабочее тело отнимает от окружаю­ щей среды значительное количество тепла, в результате чего

температура ее понижается.

В основу работы холодильной машины может быть положен также принцип расширения сжатого воздуха. Если сжатый воз­ дух с температурой окружающей среды подвергнуть расшире­ нию, то температура его понизится и он станет источником ох­ лаждения. На этом и основана работа воздушных холодильных машин. Данный способ отличается от всех других тем, что воз­

дух в процессе расширения не меняет своего агрегатного состоя­

ния — он только нагревается, воспринимая тепло от окружаю­ щей среды.

Искусственное охлаждение можно получить также с по­ мощью сухого льда (твердой углекислоты). Сухой лед, воспри­

нимая тепло от охлаждаемого помещения, сублимирует, т. е. пе­

реходит из твердого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу. Каждый килограмм сухого льда, сублимируя при атмо­ сферном давлении, поглощает 137 ккал тепла из окружающей среды.

Искусственное охлаждение возможно осуществить и термо­ электрическим способом (эффект Пельтье). Если к замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных проводов, подвести посто­ янный ток, то один из спаев будет нагреваться, другой охлаж­ даться. При перемене направления электрического тока нагре­ тый спай будет охлаждаться, а холодный нагреваться. До при­ менения полупроводников1 указанное явление практического значения не имело. В цепи же из полупроводников эффект Пель­ тье проявляется настолько эффективно, что стало возможным применить его для практических целей. В настоящее время соз­ даны опытные образцы построенных на этом принципе комнат­ ных электрохолодильников.

Тепловые явления, связанные с преобразованием тепла в ме­ ханическую энергию или работу, изучаются термодинамикой.

лур и т. п.).

9

1 ккал тепла в работу, то получим 427 кгм работы, т. е. 1 ккал равнозначна (эквивалентна) 427 кгм работы. Число 427 назы­

вают механическим эквивалентом тепла. Если 1 кгм работы пре­ вратить в тепло, то получим 1/427 ккал. Число 1/427 ккал!кгм,

обозначаемое обычно буквой А, называют тепловым (термиче­

ПРИНЦИП РАБОТЫ ХОЛОДИЛЬНОЙ МАШИНЫ

Холодильная машина состоит из аппаратов и устройств, пред­ назначенных для отвода тепла от охлаждаемого тела и передачи его охлаждающей среде, имеющей более высокую температуру,

3 до точки 2 происходит адиабатическое

сжатие рабочего тела за счет внешней работы, при этом темпе­

ратура тела повышается от То до 7\. В изотермическом процессе

2—1 происходит отдача рабочим телом источнику высокой тем­ пературы (воде или воздуху) тепла Qi, а в адиабатическом про­ цессе расширения 1—4, совершаемого за счет внутренней энер­ гии тела, температура его снижается с 7\ до То.

Эффективность холодильного цикла определяется отноше­

нием тепла Qo, отнятого от охлаждаемого тела, к затраченной работе AL. Поэтому стремятся к наибольшему отношению этих

величин: чем меньше затрачивается работы, тем совершеннее цикл. Отношение Qo : AL = е, характеризующее совершенство цикла, называется холодильным коэффициентом.

Переходим к рассмотрению работы действительной холодиль­

ной машины.

Холодильная машина состоит из испарителя, компрессора, конденсатора и регулирующего вентиля (рис. 4). Принцип ее работы заключается в следующем, В испаритель / поступает

10

В рассматриваемой схеме жидкий аммиак отнимает тепло от

рассола, протекающего по трубам испарителя. Охлажденный

рассол подается насосом в батареи камеры. Чтобы довести рас­ сол до требуемой температуры, аммиак должен кипеть при бо­ лее низкой температуре.

Для осуществления непрерывного процесса кипения аммиака необходимо, чтобы он передавал отнятое у рассола тепло ка­ кому-либо другому телу, переходя таким образом снова в жид­

кое состояние. Обычно для этого применяют воду. Для перехода тепла от холодных паров аммиака, образовавшихся в испари­

теле, к воде, имеющей значительно более высокую температуру, необходима затрата энергии для их нагрева. Нагрев паров ам­ миака осуществляет компрессор путем сжатия их.

Компрессор имеет всасывающие клапаны а и б и нагнета­

тельные виг. При работе компрессора поршень его никогда не доходит вплотную до крышек цилиндра. Между передней и задней крышками и крайним положением поршня имеется мерт­ вое пространство, в котором всегда остается некоторый объем

паров холодильного агента.

Допустим, что поршень д движется от задней крышки ж к пе­ редней з. Вслед за поршнем начнут двигаться пары аммиака,

оставшиеся в мертвом пространстве, и занимать свободный объем в цилиндре по эту сторону поршня. Давление паров при этом будет уменьшаться, т. е. будет уменьшаться давление в этой части цилиндра все более и более по мере движения

поршня.

Когда давление на всасывающей стороне (со стороны испа­ рителя) сделается несколько большим, чем в рассматриваемой части цилиндра, всасывающий клапан а откроется и начнется

всасывание холодных паров аммиака из испарителя в цилиндр

компрессора. По другую сторону поршня в это время будет про­ исходить сжатие находящихся здесь паров: давление их начнет повышаться, так как всасывающий клапан б будет закрыт под давлением паров аммиака в цилиндре; будет закрыт и нагне­ тательный клапан г, находящийся под давлением конденсации. Когда давление в этой части цилиндра станет большим, чем дав­ ление в конденсаторе, нагнетательный клапан г откроется, и сжатые горячие пары аммиака по нагнетательному трубопро­ воду поступят в конденсатор.

При движении поршня в обратном направлении (от перед­ ней крышки к задней) всасывание в цилиндр компрессора хо­

лодных паров аммиака из испарителя будет происходить через всасывающий клапан б, а нагнетание в конденсатор сжатых горячих паров —через клапан в. Чередование всасывания, сжа­ тия и нагнетания паров аммиака происходит в течение всего периода работы компрессора.

В конденсаторе охлаждающая вода вначале отнимает теп­ лоту перегрева горячих паров аммиака. Когда температура их

12

снизится до температуры насыщения, при соответствующем дав­ лении конденсации произойдет их сжижение. Температура и дав­ ление конденсации зависят от температуры и количества охлаж­ дающей воды: чем больше воды проходит через конденсатор и

чем она холоднее, тем ниже температура и давление конденсации

и наоборот. Из конденсатора жидкий аммиак при давлении кон­ денсации направляется в испаритель через регулирующий вен­

тиль для повторного кипения.

Одним из основных показателей совершенства холодильного цикла является расход электроэнергии на получение единицы

холода: чем меньше требуется киловатт-часов электроэнергии на выработку килокалорий холода, тем совершеннее термодинами­

Количество выработанных машиной килокалорий холода,

приходящихся на 1 квт-ч затраченной электроэнергии, называют удельной холодопроизводительностью компрессора, а количе­ ство холода, приходящегося на 1 ж3 холодильного агента,—

объемной холодопроизводительностью (последняя величина от­ носится к состоянию пара у входа в компрессор).

Совокупность холодильной машины, вспомогательного обо­ рудования и устройств, предназначенных для поддержания в ох­ лаждаемых помещениях, телах или веществах низкой темпера­ туры, называется холодильной установкой.

В данной книге рассмотрены средние и крупные аммиачные холодильные установки.

ХОЛОДИЛЬНЫЕ АГЕНТЫ

Для получения искусственного холода машинным способом

применяют холодильные агенты, или рабочие вещества (рабочие тела). Они предназначены для отнятия тепла от охлаждаемого тела, имеющего относительно низкую температуру, и передачи этого тепла телу с более высокой температурой.

При выборе холодильных агентов предъявляют требования в отношении термодинамических, физико-химических и физиоло­

гических свойств, а также учитываются экономические пока­ затели.

Объемная холодопроизводительность (холодопроизводитель­

ность 1 ж3 паров) должна быть наибольшей. Это свойство рабо­ чего тела дает возможность значительно уменьшить размеры и вес компрессора.

Удельный объем холодильного агента, т. е. объем 1 кг его

(ж3/кг) при рабочих температурах и давлениях, должен быть возможно меньшим, а теплота парообразования — возможно большей во избежание значительных размеров компрессора.

Рабочие тела должны кипеть при температурах около нуля или ниже, чтобы произвести соответствующее холодильное действие. Необходимо, чтобы кипение холодильного агента в ра­

13

бочих условиях протекало при давлении выше атмосферного во избежание засасывания в систему воздуха, способствующего понижению холодопроизводительности установки и вызываю­ щего излишний расход энергии.

Давление в конденсаторе во избежание повышенного расхода электроэнергии не должно быть высоким. Например, на аммиач­ ных холодильных установках северной и средней климатической полосы давление конденсации в летний период года поддержи­ вается в пределах 9—12 ата, а на холодильниках юга—12—

15 ата. И только на холодильниках жаркой полосы и при недо­

статке охлаждающей воды давление конденсации составляет

16—17 ата.

Холодильные агенты должны иметь низкую температуру за­ твердевания, а также высокие коэффициенты теплопроводно­ сти и теплоотдачи, так как от этого зависит интенсивная работа

теплообменных аппаратов и приборов охлаждения — испари­ телей, конденсаторов, охлаждающих батарей, переохладите-

лей и др.

Холодильные агенты должны обладать небольшой вязкостью,

чтобы не создавать больших сопротивлений при движении в тру­ бопроводах и большой депрессии (падение давления) в прохо­ дах через запорную арматуру.

Взаимодействие со смазочными маслами и водой относится к важным физико-химическим свойствам холодильных агентов.

Большая растворимость в смазочных маслах повышает тем­

пературу кипения рабочего вещества и способствует значитель­ ному уносу масел из компрессора в систему. Унос масел в си­ стему зависит также от конструкции компрессоров, их размеров,

износа цилиндров, скорости пара и т. д.

Температура кипения таких агентов непостоянна — она зави­ сит от концентрации масла в системе. Растворимость рабочего тела в масле в то же время имеет и положительное значение —

отпадает необходимость в устройстве специальных маслоотде­ лителей.

Холодильные агенты, не растворимые в масле, обладают сле­ дующими достоинствами: температура кипения их постоянна, не

наблюдается вспенивания, как при работе с растворимыми холо­ дильными агентами; смазочное масло легко отделяется от рабо­

чего вещества, поэтому его легко удалить из аппаратов через

маслоспускные устройства.

Недостатком, этих агентов является замасливание поверхно­ сти аппаратов, что ухудшает коэффициент теплоотдачи.

Растворимость рабочих тел в воде, попавшей тем или иным способом в машину, имеет очень важное значение для нормаль­ ной и непрерывной ее работы. При слабой растворимости вода может замерзнуть и образовать ледяные пробки (главным обра­

зом в регулирующем вентиле).

14

Холодильные агенты должны быть нейтральны к металлам, т. е. не вызывать коррозии и окисления металла деталей ма­

шины даже при наличии влаги.

Они не должны быть взрывоопасными и воспламеняющимися в смеси с воздухом.

Холодильные агенты не должны быть ядовиты, вызывать удушья и раздражать слизистые оболочки глаз, носа и дыха­

тельных путей.

При выборе холодильного агента необходимо учитывать его стоимость — рабочее вещество должно иметь невысокую стои­ мость.

Ни один из известных до сих пор холодильных агентов не

удовлетворяет всем указанным выше требованиям. При вы­ боре рабочего вещества исходят из условий работы, назначе­ ния холодильной установки и конструктивных особенностей

машины.

В настоящее время в холодильной технике широко исполь­ зуют аммиак и фреоны; значительно меньше — углекислоту;

хлорметил и сернистый ангидрид почти не применяют.

Аммиак (NH3)—бесцветный газ с удушливым сильным характерным запахом; его получают в основном путем соедине­

ния водорода с азотом. Известны три способа получения: при высоких давлениях от 500 до 1000 атм, при средних — от 250 до

300 и при низких — от 100 до 150 атм.

Аммиак обладает большой холодопроизводительностью. При

атмосферном давлении он кипит при температуре — 33, 35°. Дав­ ление в конденсаторе даже при высокой температуре охлаждаю­ щей воды (около 35°) достигает 8—11 ати (предельно 16— 17 ати), а в испарительной системе в условиях работы на холо­ дильниках давление обычно несколько выше атмосферного; этим предотвращается засасывание в систему воздуха. С примене­

нием современных более герметичных агрегатов аммиачные ус­ тановки могут с успехом работать при температурах кипения

—40-н 50°, т. е. при давлениях ниже атмосферного. Темпера­ тура затвердевания аммиака — 77,8°.

Коэффициенты теплоотдачи со стороны аммиака в аппаратах высокие, что обеспечивает интенсивную работу теплообменных аппаратов. Это положительное свойство аммиака обусловлено относительно большими величинами теплоты парообразования и коэффициента теплопроводности по сравнению, например, с фреонами и меньшей величиной вязкости.

Аммиак растворяется в минеральном масле и жадно погло­ щается водой, образуя щелочь (нашатырный спирт). На цинк,

медь, бронзу и другие сплавы меди (за исключением фосфори­

стой бронзы) аммиак оказывает разрушающее действие. Смесь аммиака с воздухом трудно воспламенима и почти не взрыво­ опасна. На организм человека аммиак оказывает вредное дей­ ствие при содержании в воздухе уже около 0,03%. Поэтому

15

необходимо следить, чтобы аммиак .не проникал наружу через сальники, фланцы и другие соединения. В воздухе аммиак горит плохо (желтое пламя), а в кислороде — хорошо (зеленоватое

пламя). Стоимость аммиака по сравнению с другими агентами невысокая. Аммиак имеет широкое распространение.

Углекислота (СО2) —бесцветный газ, без запаха. Полу­ чают ее преимущественно путем сжигания специальных марок

антрацита.

Кипение и конденсация углекислоты происходят при высоких давлениях, что является существенным недостатком углекислот­ ных установок. Так, давление в конденсаторе при обычной тем­ пературе охлаждающей воды составляет 50—70 ати; -давление в испарителе при температуре кипения — 25° около 17 ати. Вследствие высокого давления в конденсаторе и испарителе ци­ линдры углекислотных машин изготовляют из стали.

Температура затвердевания углекислоты —56,6°. На металлы она не действует и невзрывоопасна.

Углекислотные компрессоры в свое время применяли глав­ ным образом на судах, а в настоящее время их используют в ос­

новном на заводах сухого льда.

В небольших количествах углекислота не оказывает вредного действия на организм человека, но при концентрации в воздухе,

начиная с 4—5%, вызывает головные боли, раздражение слизи­ стых оболочек дыхательных путей и глаз, кашель, а при значи­

тельных концентрациях — удушье.

Сернистый ангидрид (SO2)—бесцветный газ с тяже­ лым удушливым запахом; он является наиболее вредным для человеческого организма холодильным агентом: при содержании

в воздухе около 0,01% он уже сильно раздражает слизистую оболочку дыхательных путей. Пары его, соединяясь с водяными парами, содержащимися в воздухе, образуют сернистую кислоту, которая разрушающе действует на детали машин из черного ме­ талла (железа и стали).

Хлористый метил (СН3С1) по рабочим давлениям в ис­ парителе и конденсаторе занимает промежуточное положение

между аммиаком и сернистым ангидридом. При атмосферном

давлении он кипит при температуре —23,7°. Температура затвер­ девания хлорметила —97,6°. Он интенсивно растворяется в сма­

зочном масле. Другим недостатком хлорметила является взры­ воопасность. Взрыв возможен при содержании СН3С1 в воздухе от 8,1 до 17,2%. Хлорметил оказывает вредное действие на ор^ ганизм обслуживающего персонала. По вредности он занимает третье место после сернистого ангидрида и аммиака.

При концентрации в воздухе до 2—2,5% хлорметил вызывает

тяжелое поражение организма человека или даже смерть. В на­ стоящее время этот агент иногда применяется только в малых автоматизированных холодильных установках.

16

iiiiix же концентрациях в воздухе (около 30% по объему) он вы­

зывает удушье. Поэтому в подвальных помещениях и других местах, где может скопиться фреон, перед посещением предва­ рительно включают вентилятор для проветривания. При откры­ том пламени фреон-12 разлагается на составные части. В про­ дуктах его разложения, кроме фтористого и хлористого водо­ рода, являющихся очень вредными для организма, образуется еще ядовитый газ — фосген. Согласно требованиям охраны тру­ да в помещениях с фреоновыми холодильными установками не­ допустимаработа с открытым пламенем; запрещено также и курение, так как при взаимодействии с горящим табаком обра­ зуется фосген. Фреон разлагается также в присутствии воды, причем продукты распада, активно действуя на металлы, вызы­ вают коррозию.

Плотность паров фреона при атмосферном давлении в 4,4 ра­ за выше плотности сухого воздуха. Вследствие большого удель­ ного веса его, вызывающего повышенные гидравлические сопро­ тивления в трубопроводах, во фреоновых холодильных машинах применяют несколько меньшие скорости. Поэтому трубопро­ воды для фреона по диаметру должны быть больше, чем для

аммиака.

Область применения фреона-12 разнообразна. Его исполь­ зуют в холодильных установках, применяющихся не только в промышленности, но и в торговой сети. Торговые холодильные установки, прилавки, а также домашние электрохолодильники в основном работают на фреоне-12. Широко применяется фре­ он-12 и в установках кондиционирования воздуха.

Стоимость фреона-12 во много раз выше стоимости аммиака. Фреон-22 также находит большое применение в холодильных установках. При атмосферном давлении фреон-22 кипит при тем­

пературе —40,8°; температура затвердевания —160°.

Физические свойства (теплопроводность и теплоемкость),

влияющие на теплопередачу, выше, чем у фреона-12.

Холодильные агенты вырабатывают химические заводы. Их разливают в стальные баллоны, которые после испытания ги­

дравлическим давлением окрашивают масляными или эмале­ выми красками в соответствующие цвета: аммиачные — в жел­

тый цвет, фреоновые — в алюминиевый, углекислотные — в чер­

холодильных агентов имеет углекислота. Для отнятия от окру­ жающей среды одного и того же количества тепла углекислоты потребуется в несколько раз меньше, чем других холодильных

18