Холодильные агенты.

Рабочим телом — «холодильным агентом» — современных холодильных установок являются, главным образом, пары жидкостей, кипящих при низ­ких температурах.

В настоящее время применяется около 30 холодильных аген­тов, наиболее распространенными из которых являются: аммиак, углекислый газ, сернистый ангидрид, фреоны и хладоны. Термодинамические характеристики наиболее часто используемых холодильных агентов приведены в табл. 7.1

Аммиак — бесцветный газ с удушливым запахом, при содержании в воздухе больше 0,03 % вреден, поэтому нельзя допускать его утечек. Смесь аммиака с воздухом при определенных концен­трациях может взрываться. Применяется аммиак для температур кипения не ниже -65 °С.

Сернистый ангидрид — бесцветный газ с тяжелым удушливым запахом, применяется в мелких автоматизированных установках закрытого типа.

Углекислый газ — бесцветный газ без запаха. Значительные кон­центрации его вызывают удушье.

Самый распространенный из фреонов — фреон-12 — тяжелый газ, не имеющий запаха, безвредный при отсутствии открытого пламени. Хладон 123 (СНСI2=CF2) – прозрачная легкокипящая жидкость с резким запахом. Хладон 124,124а (CHFCI – CF3, CHF2 – CF2CI) – газы без цвета и запаха с температурой кипения минус 10,8°С и минус 12°С с плотностью 1,4 г/см3. Фреоны и хладоны при соприкосновении с открытым пламенем или горячими поверхностями разлагаются на весьма вредные для организма человека фтористый и хлористый во­дород и другие высокотоксичные продукты. Фреоны применяются преимущественно в установках с низкими температурами испарения (от -70 до -90 °С).

В холодильных установках роль холодного источника выполняют воздух и содержимое холодильной камеры, в теплонасосных — речная вода, земля или атмосферный воздух.

Таблица 7.1

Горячим источником у первых служит окружающая среда (например, воздух комна­ты, где стоит холодильник), а у вторых — отапливаемое помеще­ние. За счет затраты энергии теплота отнимается у холодного ис­точника и передается горячему. В зависимости от потребности мож­но использовать или охлаждающий, или нагревающий эффекты. Установки, позволяющие переключением регулирующего органа переходить с режима охлаждения на режим нагрева (и наоборот) одного и того же помещения, называются кондиционерами воз­духа.

Разработаны различные типы холодильных и теплонасосных установок. В паровых и воздушных компрессорных установках за­трачивается механическая работа, в эжекционных и абсорбцион­ных — теплота, в электрических и магнитных — электричество. В качестве холодильных и теплонасосных установок могут исполь­зоваться некоторые топливные элементы — они работают за счет затраты химической энергии. В данном подразделе рассматривает­ся принцип работы, цикл и эффективность только паровой ком­прессорной установки.

Парокомпрессионные холодильные установки. Вследствие бли­зости цикла таких установок к циклу Карно они обладают самой высокой эффективностью, а потому и шире распространены.

Рабочим телом, которое в холодильниках называется холодильным агентом, или хладоносителем, а в теплонасосных — теплоносителем, служат вещества, имеющие низкую температуру кипения. Первая установка этого типа работала на парах эфира, позже стали применять сернистый ангидрид. В 30-х гг. XX в. были впервые использованы фреоны — углеводороды, в которых водород полностью или частично замещен галоидами, чаще фтором и хлором, например фреон-12 (СР2С12), фреон-22 (СНР2С1). До 20-х гг. применялись только поршневые компрессоры, затем в крупные установках их стали заменять винтовыми и лопаточными.

Работает установка так. Насыщенный пар хладоагента сжимается компрессором 3 (рис. 7.4, а) и подается в конденсатор 2 где, теряя теплоту, в окружающую среду, частично конденсируется. Эта парожидкостная смесь направляется в дроссельный вентиль 1, где ее давление и температура падают (роль вентиля в принципе может выполнить любая расширительная машина). После дросселя влажный пар небольшой сухости с низкой температурой поступает в испаритель 5, располагающийся в охлажденном помещении (шкафу) 4, за счет теплоты которого хладоагент испаряется.

Холодильный коэффициент вычисляется по формуле:

где l — работа, затрачиваемая на привод компрессора.

Рис.7.4. Парокомпрессиональная холодильная установка:

а -схема установки; 1- дроссельный вентиль; 2 - конденсатор; 3 - компрессор; 4 – охлажденное помещение (шкаф); 5 - испаритель; б –изменение коэффициента в зависимости от температур t1 и t2

Отсюда видно, что будет тем больше, чем выше температура холодильнике и чем ниже температура среды, охлаждающей хладоагент в конденсаторе (рис. 7.4, б). При равенстве этих тем­ператур=

Коэффициент использования теплоты или теплонасосный ко­эффициент определяется по формуле

Тепловые насосы. Тепловыми насосами называются установки, в которых за счет затраты работы производится отъем энергии от тел с более низкой температурой Т1 и передача ее другим телам с более высокой температурой Т2. Применение тепловых насосов дает возможность использования энергии тел, имеющих сравни­тельно низкую температуру, например, окружающего воздуха, хо­лодной воды и др.

Компрессорные тепловые насосы. На рис. 7.5 изображены прин­ципиальная схема и идеальный цикл компрессионных тепловых насосов. Рабочее тело (любое из употребляемых в холодильных установках) засасывается в компрессор 1, где сжимается за счет затраты энергии двигателем до состояния сухого насыщенного или перегретого пара. Этому процессу соответствует изоэнтропа /—2 идеального цикла. Сжатый пар нагнетается компрессором в кон­денсатор 2. Здесь при постоянных значениях давления и темпера­туры пар конденсируется, отдавая определенное количество теп­лоты охлаждающей среде — воде или воздуху. За счет этой тепло­ты охлаждающая среда подогревается до такой температуры, при которой она может быть использована для различных бытовых нужд, в частности для отопления. Наиболее эффективная темпе­ратура подогрева равна 60...70 °С. Процессу в конденсаторе соот­ветствует линия 2—3. После

Рис.7.5. Парокомпрессионный тепловой насос:

Принципиальная схема (а): 1 – компрессор; 2 – конденсатор; 3 – дроссельный клапан; 4 – испаритель;

Идеальный цикл теплового насоса (б): 1…4 – точки диаграммы.

конденсатора рабочее вещество в иде­альном цикле поступает в расширительный цилиндр, где пони­жаются его давление и температура — изоэнтропный процесс 3—4. Отсюда рабочее тело поступает в испаритель 4, в котором оно испаряется при неизменных значениях давления и темпе- ратуры, отнимая определенное количество теплоты от тел, имеющих низкий температурный уровень, например от окружающего воздуха, холодной воды и т. д. Из испарителя влажный пар засасывается в компрессор, и работа установки повторяется. Идеальный цикл, представляет собой обратный цикл Карно.

Эффективность тепловых насосов оценивается отопительным коэффициентом, или коэффициентом преобразования, под которым понимается отношение количества теплоты q1 отданного 1 кг рабочего вещества в конденсаторе, к теплоте q1 - q2, эквивалентной работе, затраченной на осуществление цикла:

Коэффициент преобразования у и холодильный коэффициент cвязаны простым соотношением:

.

Коэффициент преобразования и холодильный коэффициент связаны простым соотношением

.

В реальных установках теплового насоса =2..4.