4 курс / Uchebnoe_pos_Kholod_2016

Задача 6. Определить расход холода на охлаждение 17 т винограда, упакованного в деревянные ящики лотки, начальная температура 23ºС, конечная -2ºС.

Задача 7. Определить расход холода на охлаждение и замораживание 12 т говядины, начальная температура 23ºС, конечная температура -10ºС. Доля воды в продукте

0,76, а доля вымороженной воды 0,84.

Решение. По формуле (1.11) и таблице (1.11)

Qз = 12000[2,51(23 – (- 1,2)) + 0,76*0,84*335 + 1,76((-1,2) – (-10))] = 3481128 кДж

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИСКУССТВЕННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ. ПОНЯТИЯ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

2.1 Единицы физических величин

Температура воздуха – важнейший параметр, которого зависит успешное осуществление перевозок скоропортящихся грузов. Из четырех температурных шкал: Цельсия (С), Кельвина (К), Фаренгейта (F), Реомюра (R) на железнодорожном хладотранспорте пользуются тремя первыми. Отечественные приборы холодильных и энергетических установок позволяют измерять температуру только в градусах Цельсия. Температурные шкалы приборов автоматике импортного рефрижераторного подвижного состава имеют шкалы Цельсия (С) и Фаренгейта (F). Шкала Кельвина (К) широко используется в теоретических исследованиях.

Для определения температуры на железнодорожном хладотранспорте пользуются различные типы термометров. В последнее время широкое распространение получили способы дистанционного контроля температуры с использованием уравновешенных и неуравновешенных электронных мостов с возможностью самозаписи. В качестве датчиков таких мостов наиболее часто используют проводниковые или полупроводниковые датчики сопротивления: платиновые обладающие сопротивлением 46±0,05 Ом при 0°C (из проволоки диаметром 0,07 мм для измерения температуры от -200 до +500°C) и медные, имеющие сопротивление 53±0,10 Ом при 0°C (из проволоки диаметром 0,1 мм для измерения температуры от -50 до +150°C).

Влажность воздуха влияет на состояние перевозимого в вагоне груза: низкая влажность может привести к его усушке или вызвать изменение поверхностного слоя, высокая влажность – к порче груза.

Массу водяного пара, находящегося в 1м3 воздуха, называют абсолютной влажно-

стью.

Отношение конкретной абсолютной влажности к максимально допустимой при данной температуре называют относительной влажностью и выражается в процентах. При охлаждении воздуха его относительная влажность будут увеличиваться.

Температура, при которой начинается выпадение влаги, называется точкой росы. Для определения относительной влажности воздуха в пределах 10-100% наиболее

часто используют психрометры Августа или Ассмана по которым устанавливают показания «сухого» (tсх) и «влажного» (tвл) термометров, а затем по таблицам 2.1 и 2.2 определяют относительную влажность.

Количество теплоты – это мера изменения внутренней энергии тел при их взаимодействии или при совершении над ними работы. За единицу энергии (теплоты, работы) в Международной системе единиц СИ принят 1 джоуль (Дж), внесистемной единицей является калория (кал).

Количество теплоты в 1 Дж вызывает такое же изменение внутренней энергии тела, как и совершение над ним механической работы в 1 Н·м, если она целиком идет на изменение его внутренней энергии. Эквивалентность тепловой и механической энергии следует из закона сохранения энергии.

Мощностью N называется величина равная отношению работа А ко времени τ, в течении которого она совершается: N=A/τ. Мощность выражается в ваттах (Вт): 1 Вт=1 Дж·с-1. Внесистемной единицей является лошадиная сила (л.с.).

23

Различают понятия нормального атмосферного давления (760 мм рт.ст., или 1 ат, или 1,013·105 Па), парциального давления, вакуума.

Абсолютным называют давление, отсчитываемое от абсолютного нуля давления, т.е. от космического вакуума. Избыточным называют давление, измеренное относительно атмосферного в данной точке и превышающее его: рабс=рат+ризб.

Соотношения между единицами давления показаны в таблице 2.5.

Таблица 2.5 – Соотношения между единицами давления.

Вопросы для самопроверки:

1.Принцип работы приборов для измерения температуры?

2. Что такое, измерить температуру дистанционно?

3 Относительная влажность. Определение?

4.Приборы для измерения влажности?

2.2.Способы промышленного получения холода и типы холодильных машин

Охлаждение – это отвод тепла от тела. Этот процесс иногда достигается при непо-

средственном контакте охлаждаемого тела с более холодным телом (окружающей средой). Такой процесс называется естественным охлаждением. Часто естественное охлаждение производить невозможно, так как окружающая среда имеет температуру выше или равную температуре охлаждаемого тела. В этом случае используют так называемое искусственное охлаждение [1, 3, 5, 14].

Получение холода или охлаждение может быть достигнуто при сохранении или изменении агрегатного состояния охладителя, без затраты или с затратой энергии. В качестве охладителя на транспорте используют лед, льдосоляные смеси, жидкости с низкими температурами кипения (холодильные агенты), наружный холодный воздух и др.

Водный лед (аккумулятор холода) в зависимости от способов получения бывает естественный и искусственный. Физические свойства его при температуре 0°С и атмосферном давлении следующие: температура плавления 0°С, теплота плавления 333,2–335кДж/кг, теплоемкость (в среднем) 2,09 кДж/кг·град, вес массива льда 900–917 кг/м3, дробленого льда

500–625 кг/м3.

Ледяное охлаждение весьма простое, но получаемые при нем температуры для целого ряда продуктов высоки (выше +3° С). Оно основано на том, что при таянии льда теплота расходуется на внутреннюю работу по преодолению сил, удерживающих молекулы льда, т.е. на разрушение его кристаллической решетки.

Льдосоляное охлаждение основано на таянии льда и растворении соли. При таянии льдосоляной смеси также происходит ослабление молекулярного сцепления и разрушение кристаллических решеток. Для этого требуется теплота, которая отбирается от растворителя, т. е. воды, полученной при таянии льда и растворении в ней соли. К скрытой теплоте, поглощаемой льдом, присоединяется теплота, поглощаемая солью при ее растворении в воде, что ведет к понижению температуры смеси, которую можно определить по формуле:

где: П – содержание соли в процентах к весу льда.

Температура таяния льдосоляной смеси зависит от количества соли в смеси, но повышать концентрацию соли можно только до известного предела, предопределяемого крио-

25

гидратной точкой. Для смеси поваренной соли со льдом или снегом криогидратная точка характеризуется содержанием соли к весу льда или снега около 29%. При увеличении содержания соли свыше 29% повышается температура таяния смеси. Таяние льда при льдосоляном охлаждении ускоряется по сравнению с чистым льдом за счет увеличения разности температур плавления смеси и охлаждаемого воздуха помещения. С понижением температуры смеси уменьшается ее холодопроизводительность, так как соль ослабляет силы, удерживающие молекулы льда. Приближенно весовую холодопроизводительность 1 кг смеси q0 и плотность смеси льда и соли ρ определяют по формулам:

Холодопроизводительность смеси можно также определить по таблице. 2.6.

Таблица 2.6 – Холодопроизводительность льдосоляной смеси

Низкие температуры можно получить при смешении льда с разведенными кислотами. Например, смесь из равных количеств 66%-ной серной кислоты и снега или измельченного льда имеет температуру -37°С.

Эвтектическая смесь состоит из водных растворов хлористого натрия (поваренной соли), хлористого кальция или других солей с концентрацией, соответствующей криогидратной точке. Эту смесь замораживают в металлических оболочках-зероторах, которые заполнены на 92–94% их объема и наглухо запаяны. Температура затвердевания раствора зависит от содержания соли в воде. Коэффициент теплоотдачи зероторов составляет 9,28–11,6 вт/м2·град. Складыва зероторы разными гранями, можно регулировать величину поверхности теплоотдачи.

Сухоледное охлаждение основано на переходе твердой углекислоты в газообразное состояние, минуя жидкую фазу. Такой переход с обходом жидкой ступени обозначают термином возгонка (сублимация), а необходимая для этого температура называется температурой возгонки (сублимации). Эта особенность изменения агрегатного состояния углекислоты обусловлена ее физическими свойствами. При атмосферном давлении температура и теплота сублимации 1 кг сухого льда равны соответственно -78,9°С и 575 кДж/кг, а с учетом нагревания полученных холодных паров до 0°С повышается до 636 кДж/кг. Благодаря большой плотности сухого льда (1,56 кг/л) его объемная холодопроизводительность в 3 –8 раз выше, чем водного льда с солью. Если растворять сухой лед в эфире, то можно получить температуру -100°С, а при обдувании сильной струей воздуха и ниже -100°С. Высокая стоимость сухого льда ограничивает его широкое применение на железнодорожном транспорте.

Охлаждение сжиженными газами (азотом, кислородом и воздухом) основано на их кипении при низкой температуре. Охлаждение сжиженным азотом перспективно для изотермических вагонов и контейнеров. В условиях нормального давления температура и скрытая теплота кипения сжиженных газов составляют:

Холодопроизводительность сжиженных газов с учетом нагревания их холодных паров до 0°С будет больше на величину q=сΔt, где с – теплоемкость холодного пара; Δt – величина показывающая насколько нагревается газ, °С. В этом случае удельная холодопроизводительность сжиженного газа:

26

где r – скрытая теплота газообразования, кДж/кг.

Расход сжиженного газа в кг/ч определяется по формуле:

где Q0 – тепловая нагрузка на жидкогазовую установку, кДж/кг; β – коэффициент, учитывающий потери жидкого газа.

Наиболее простыми по устройству и, следовательно, наиболее доступными являются установки, работающие на готовых хладоносителях: водном или сухом льде, льдосоляных смесях, жидких газах и др. Основным недостатком этих холодильных установок является их полная зависимость от возможностей и условий получения хладоносителей, а также большой объем грузовых работ, связанных с зарядкой охлаждаемых объектов. Эти недостатки не имеет машинное охлаждение, потребляющее извне только энергию или сжатый воздух.

Машинное охлаждение осуществляют специальными холодильными машинами. При этом способе охлаждения энергию охлаждаемого тела воспринимает третье тело (холодильный агент) и передает эту энергию в последующем окружающей среде. На железнодорожном транспорте основное применение получили паровые компрессионные холодильные машины, которые работают за счет затраты механической энергии.

2.3. Термодинамические основы работы холодильных машин

Первый закон термодинамики устанавливает эквивалентность тепла и работы, т. е. что энергия может изменяться по форме, но ее нельзя уничтожить. В процессе охлаждения превратить отнимаемое тепло в другую форму энергии невозможно. Следовательно, возникает необходимость, используя холодильный агент, воспринять тепло qо от охлаждаемого тела, температура которого Т0, и передать его какому-либо другому телу, например воде или воздуху, имеющим более высокую температуру Т, затрачивая работу l. В этом и заключается принцип работы холодильной машины.

В соответствии со вторым законом термодинамики передача тепла от тел, менее нагретых, к более нагретым невозможна без внешнего воздействия. Такая передача осуществляется холодильными машинами, которые требуют обязательной затраты механической работы или тепла, т.е. энергии. Эта энергия необходима для повышения температуры холодильного агента до температуры более высокой, чем у среды, которой он должен отдать тепло. Совокупность процессов, которые при этом осуществляет холодильный агент, называется холодильным циклом.

2.4. Одноступенчатая паровая компрессионная холодильная машина

Принципиальная схема холодильной машины приведена на рисунке 2.1.

Компрессор

ТРВ

Qи

Испаритель

Рисунок 2.1 – Принципиальная схема одноступенчатой холодильной машины

Цикл изменения теплодинамического состояния холодильного агента при работе холодильной машины определяется поступлением из испарителя в компрессор сухого насыщенного пара с параметрами tо, Ро. В компрессоре пар сжимается. В малом объеме камеры

27

-изобара (2-а) – охлаждение пара в конденсаторе.

-изобара и изотерма (а-3) –

- изобара и изотерма (4-1) – кипение хладагента в испарителе при температуре tо и давлении Ро.

Действительный цикл отличается от теоретического за счет перегрева паров при сжатии, переохлаждения при охлаждении и трения в трубопроводе.

- изобара (3-3!) – переохлаждение хладагента в конденсаторе (переохлаждение). Всасывание из испарителя перегретого пара с температурой tвс адиабатитесчкое

сжатие в компрессоре на диаграмме показано линией 1-2!. В этом случае сухой ход компрессора сопровождается большим перегревом пара при сжатии (точка 2!, температура перегрева сжатых паров tп).

Эффективность холодильного цикла оценивается холодильным коэффициентом ε, равным отношению удельной массовой холодопроизводительности q0 к затраченной в цикле удельной работе компрессора lк: ε= q0/ lк.

28

Холодильный коэффициент характеризует теоретическую экономичность холодильной машины, показывая, какое количество энергии может быть отведено от охлаждаемых продуктов при затрате единицы работы, или холодопроизводительность машины на единицу затраченной мощности. Для заданных значений температуры t0 и tк максимально возможное значение этого коэффициента можно вычислить по формуле:

где Т0, Тк – абсолютные температуры кипения и конденсации, К.

Идеальным циклом холодильных машин, т.е. циклом, имеющим максимально возможный холодильный коэффициент εmax при любых заданных значениях температур кипения Т0 и конденсации Тк, считается обратный цикл Карно (обратный круговой процесс). Этот цикл состоит из двух адиабатических и двух изотермических процессов. В одном из изотермических процессов рабочее тело (хладагент) воспринимает теплоту от охлаждаемой среды, в другом – отдает его в окружающую (более теплую) среду. В одном из адиабатических процессов рабочее тело (хладагент) подвергается сжатию, вследствие чего его температура повышается от Т0 до Тк, в другом – расширяется с понижением температуры от Тк до Т0.

Холодильный коэффициент обратного цикла Карно определяется крайними температурами Тк и Т0 этого цикла и увеличивается при повышении Т0 и понижении Тк. Числовые значения холодильного коэффициента обратного цикла Карно приведены в таблице 2.7.

Таблица 2.7 – Значения холодильного коэффициента обратного цикла Карно

На основании построенной диаграммы (см. рис. 2.2) производится расчет параметров холодильной машины, представленный в таблице 2.8. Энтальпия в точке определяется по энтальпийной диаграмме, построенной в осях P-i.

Таблица 2.8 – Расчет параметров холодильной машины

По результатам расчетов и по справочным данным подбирается потребный компрес-

сор.

2.5 Поршневые компрессоры

Поршневые компрессоры относятся к разряду компрессоров объемного действия, в которых процесс сжатия и перемещения паров хладагента (газа) происходит в замкнутом пространстве за счет изменения их объема. В поршневых компрессорах таким пространством является объем цилиндра, а органом, воздействующим на пары хладагента с целью их сжатия и перемещения – поршень.

виду кинематической схемы, расположения цилиндров и многим другим признакам. Их подразделяют по сжимаемым в них хладагентам на аммиачные, фреоновые (хладоновые) и универсальные; по величине холодопроизводительности – на мелкие (до 14 кВт), средние (14…105 кВт), крупные (свыше 105 кВт); по числу степеней сжатия – на одно- и многоступенчатые (число степеней обычно не превышает семи); по числу цилиндров – на одно-, двух-

имногоступенчатые (до 16 цилиндров); по числу рядов, в которых располагаются цилиндры,

– на одно-, двух- и многорядные; в зависимости от кинематической схемы и расположения цилиндров в плоскости – на горизонтальные, вертикальные, угловые, V-, W-, VV-образные, крестообразные, звездообразные; по направлению движения хладагента – прямоточные, в которых он проходит по цилиндру только в одном направлении, и непрямоточные (хладагент меняет направления движения, следуя за поршнем); по числу рабочихсторон поршня – на одинарного действия, в которых сжатие пара осуществляется одной стороной поршня (простого действия), и двойного действия, в которых пар сжимается обоими сторонами поршня; по типу кривошипно-шатунного механизма – на крейцкопфные (двойного действия) с ползуном и бескрейцкопфные (простого действия); по конструкционному выполнению цилиндров

икартера – на разъемные (блок цилиндров и картер выполнены отдельно) и блок-картерные (блок цилиндров и картер выполнены в виде одного изделия); по конструкции уплотнения картера – на сальниковые, бессальниковые, герметичные и др.; по типу привода – с электродвигателем, двигателем внутреннего сгорания.

30

Вобозначении марок компрессоров входят буквы, обозначающие хладагент, на котором работает компрессор, число цилиндров и их расположение, конструкции для уплотнения картера, число степеней сжатия, температурный режим работу.

Хладагент в марке обозначается начальной буквой: аммиак – А, фреон (хладон) – Ф. Расположение и число цилиндров показывают буквами: В – вертикальный, У – образный, УУ

–веерообразный, БС – бессальниковый, Г герметичный, О – оппозитный. Цифры после букв обозначают холодопроизводительность в кВт. Если отсутствуют буквы Г и БС это значит ,что компрессор – открытый сальниковый. Двухступенчатый компрессор обозначают буквой Д (если буква отсутствует – одноступенчатый).

Внастоящее время наиболее распространенными являются аммиачные и фреоновые (хладоновые), одноступенчатые и двухступенчатые, бескрейцкопфные, сальниковые и бессальниковые поршневые компрессоры простого действия, вертикальные и У – образные, прямоточные и непрямоточные. Технические характеристики основных марок отечественных холодильниковых компрессоров приведены в таблице 2.9.

Таблица 2.9 – Технические характеристики основных марок поршневых компрессоров