Лекция 2 Способы промышленного получения холода, их сравнительная характеристика, перспективы и область применения.

1. Способы промышленного получения холода и типы холодильных машин.

2. Основы теории паровой компрессионной холодильной машины. Принципиальная схема паровой компрессионной холодильной машины.

3. Холодильные агенты и холодоносители.

1 Вопрос

Получение холода, или охлаждение, может быть достигнуто при сохранении или изменении агрегатного состояния охладителя без затраты или с затратой энергии. Способы промышленного получения холода представлены в таблице.

Способы промышленного получения холода

Способ охлаждения	Вид затраченной энергии	Состояние и вид охладителя
Изменение агрегатного состояния охладителя
Испарительный	Без затрат энергии	Частичное испарение воды при теплообмене с наружным воздухом
Ледяной	#	Плавление водяного льда или замороженных водных растворов некоторых солей (эвтектические смеси)
Льдосоляной	#	Плавление льда и растворение соли
Сухоледный	#	Сублимация сухого льда
Жидкими газами	#	Кипение при нормальном давлении жидких газов без последующей конденсации паров
Машинный	#	Кипение хладагента с последующей конденсацией
Сохранение агрегатного состояния охладителя
Воздушный или водяной	Без затрат энергии	Повышение температуры окружающей среды (воздуха или воды) при теплообмене
Вихревой	Механическая	Понижение и повышение температуры сжатого воздуха при расширении и разделении его в ≪вихревой≫ трубе
Машинный (в воздушных холодильных камерах)	#	Понижение температуры сжатого воздуха при расширении
Термоэлектрический	Электрическая	Движение электронов в термоэлементах из полупроводников

Количество тепла, выраженное в джоулях или в других единицах энергии, которое может охладить, определяет его охлаждающий эффект, или холодопроизводительность.

В качестве охладителя используют лед, льдосоляные смеси, жидкости с низкими температурами кипения (хладагенты), наружный воздух и др.

Ледяное охлаждение очень простое, дешевое. Недостаток его определяется тем, что нельзя получить температуру ниже +3 °С. Оно основано на том, что при таянии льда теплота расходуется на преодоление сил, удерживающих молекулы между собой, т.е. на разрушение кристаллической решетки. Холодопроизводительность, получаемая при таянии, при температуре 0 °С равна 355 кДж/кг.

Льдосоляное охлаждение основано на таянии льда и растворении соли. При таянии льдосоляной смеси, также ослабляется молекулярное сцепление, и разрушаются кристаллические решетки. Для этого требуется теплота, которая отбирается от растворителя, т. е. воды, получаемой при таянии льда и растворении в ней соли. К теплоте, поглощаемой льдом, добавляется теплота, поглощаемая солью при ее растворении в воде, что понижает температуру смеси. Температура смеси зависит от количества соли в ней, но повышать концентрацию последней можно до известного предела, около 23 %. При увеличении содержания соли повышается температура смеси. Таяние льда при льдосоляном охлаждении ускоряется по сравнению с чисто ледяным благодаря увеличению разности температур плавления соляной смеси и охлаждаемого воздуха. Соль ослабляет силы, удерживающие молекулы льда. Следовательно, чем больше соли, тем меньше тепла расходуется на внутреннюю работу по преодолению сил, удерживающих молекулы льда

Низкие температуры можно получить при смешивании льда с разведенными кислотами. Например, смесь 66 %-ной серной кислоты и льда имеет температуру –37 °С. Эвтектические смеси состоят из водных растворов хлористого натрия(поваренной соли), хлористого кальция или других солей с концентрацией, соответствующей криогидратной точке. Эти смеси, находящиеся в металлических оболочках (зероторах), которые заполнены на 92–94 % объема и наглухо запаяны, замораживают. Затем зероторы располагают в охлаждаемых помещениях. После отдачи ≪холода≫ смесь нагревается, и зероторы снова размещают в морозильных камерах для аккумулирования ≪холода≫.

Сухоледное охлаждение основано на свойстве твердого углекислого газа (CO2) переходить в газообразное состояние, минуя жидкую фазу. Такой переход называют возгонкой (сублимацией). Особенность изменения агрегатного состояния углекислоты объясняется ее физическими свойствами и положением тройной точки, характеризующей термодинамическое равновесие трех фаз: твердой, жидкой и газообразной. Следовательно, при атмосферном давлении углекислота, не расплавляясь, испаряется (сублимируется), она может существовать в жидкой фазе только при достаточно высоком давлении. Сухой лед сублимируется при температуре –78,9 °С. Высокая стоимость сухого льда ограничивает его широкое применение. Зарубежом сухой лед используется для охлаждения вагонов в комбинации с водным льдом и без него.

Охлаждение жидкими газами (азотом, воздухом и др.) основано на их кипении при низкой температуре. Охлаждение жидким азотом перспективно для изотермических вагонов. За рубежом получила распространение жидкоазотная система охлаждения контейнеров. В нашей стране ведутся исследования по использованию этого способа для охлаждения изотермических вагонов. В этой системе от резервуара, установленного в машинном отделении, в грузовое помещение пропускается трубка с маленьким отверстием, через которое разбрызгивается жидкий азот. Капли азота мгновенно испаряются и охлаждают грузовое помещение. Поступление азота из резервуара в трубку регулируется термостатом.

При нормальном давлении температура кипения азота равна –195,8 °С, воздуха – от –190 до –195 °С, кислорода –182,8 °С.

Наиболее просты по устройству и, следовательно, наиболее доступны установки, работающие на готовых хладоносителях: водном или сухом льду, льдосоляных смесях, жидких газах и др. Основной недостаток их – полная зависимость от возможностей и условий получения хладоносителей, а также большой объем работ, связанных с зарядкой охлаждающей системы. Этого недостатка не имеет машинное охлаждение, потребляющее извне только энергию или воздух.

Холодильная машина осуществляет холодильный цикл, при котором переносит тепло от источника, температура которого ниже окружающей среды, к телу, имеющему температуру окружающей среды – воздуху или воде. Машина служит для охлаждения грузового помещения изотермического вагона, холодильной камеры и др. и поддержания температуры в них. Если машина переносит тепло телу, температура которого значительно выше, чем температура окружающей среды, и оно полезно используется, например, для отопления, то ее называют тепловым насосом. На некоторых предприятиях используют и холод, и тепло холодильных машин. Например, на молочном заводе молоко сначала охлаждают, а затем пастеризуют при температуре до +85 °С, для этого используется тепло отнимаемое от холодильного агента в конденсаторе.

По виду затрачиваемой энергии, холодильные машины подразделяются на компрессионные, теплоиспользующие и термоэлектрические.

Компрессионные машины используют механическую энергию, теплоиспользующие – тепловую от источников тепла, температура которых выше, чем температура окружающей среды, термоэлектрические – электроэнергию. В компрессионных и теплоиспользующих машинах тепло переносится в результате совершаемого рабочим телом (хладагентом) обратного кругового процесса (обратный цикл), в термоэлектрической машине – путем воздействия потока электронов на атомы.

В зависимости от свойств и агрегатного состояния хладагента холодильные машины бывают паровые и газовые (воздушные).

На железнодорожном транспорте распространены паровые компрессионные холодильные машины, в которых последовательно осуществляются механические расширения и сжатия хладагента. В процессе работы изменяется состояние хладагента (конденсация после сжатия и кипения после расширения).

Сорбционные машины относятся к теплоиспользующим. В них последовательно осуществляются термические реакции поглощения (сорбция) хладагента соответствующим сорбентом и выделения (десорбция) его из сорбента. Для охлаждения используют внешнюю тепловую энергию. Сорбционные машины делятся на абсорбционные и адсорбционные. У первых поглотитель (абсорбент) жидкий, у вторых твердый (силикагель) и др.

Струйные холодильные машины основаны на использовании кинетической энергии потока газа или пара. Они бывают эжекторные и вихревые.

Эжекторные машины (пароэжекторные) также относятся к теплоиспользующим, в них пар сжимается при помощи парового эжектора.