Калнинь Игорь Мартынович Курс лекций по теоретическим основам холодильной техники

Лекция 1

ТНТ для снабжения продовольствием

Непрерывная холодильная цепь (НХЦ) обеспечивает сокращение потерь и сохранение качества продуктов при:

• сборе (производстве)

• обработке

• транспортировке

• хранении и реализации.

ТНТ в промышленности

• Холодоснабжение технологий в химической, нефтехимической, газовой, металлургической промышленности.

• Производство криопродуктов O₂, N₂, He, Ar, Kr.

ТНТ искусственного климата

• системы комфортного и технологического кондиционирования воздуха (СКВ)

• атомные СКВ – квартиры, коттеджи

• централизованные СКВ – общественные и производственные здания

• транспортные СКВ – автомобили, железнодорожные составы, самолеты, суда.

ТНТ в энергетике

• тепловые насосы

• установки сжижения

• системы охлаждения сверхпроводящих материалов

• криосистемы

ТНТ в криомедицине и криобиологии

• криоинструменты

• низкотемпературные установки для консервации крови

• криобанки

• криогрануляторы

ТНТ для очистки и утилизации выбросов

• очистка газовых потоков

• очистка воздуха

• улавливание

• извлечение

• очистка сточных вод

• утилизация

ТНТ в ракетно-космическом комплексе

• термоматирование элементов ракетного комплекса

• производство сжиженного кислорода и водорода

• заправка ракет

Теоретические основы холодильной техники (ТОХТ)

Разделы

1. Общие сведения

2. Физические основы ТНТ (физические процессы получения низких температур)

3. Термодинамические основы холодильных машин (методы анализа эффективности процессов и циклов)

4. Рабочие вещества холодильных машин

5. Циклы и схемы паровых холодильных машин

6. Циклы и схемы газовых холодильных машин.

I Общие сведения

Низкие температуры – это температуры ниже температуры окружающей среды.

Окружающая среда – атмосферный воздух, водоемы, грунт.

Температуру приставляют к шкале градусов Цельсия (^oС) и шкале Кельвина (К)

Температура абсолютного нуля по шкале Цельсия – это (-273,16 ^oС)

Вся шкала Кельвина базируется на отдельных реперных точках: 273К – это температура тройной точки воды; 373К – это температура кипения воды; от 0 до 273 – тоже имеет реперные точки, которые характеризуются фазовыми превращениями различных веществ.

По этим реперным точкам градуируются приборы, измеряющие температуру.

ТНТ условно делится на:

• криогенная техника (глубокий холод)

• холодильная техника (умеренный холод)

Условной границей между ними принята температура 120К.

Основная задача глубокого холода – это сжижение газов; разделение сжиженных газов, с получением криопродуктов (кислород, азот и т.д.); технологии использования криопродуктов.

Воздух состоит из:

Азот	N2	78,0%
Кислород	O2	20,95%
Инертные газы		0,94%
Диоксид углерода	CO2	0,03%

Нормальная температура кипения – это температура кипения при атмосферном давлении.

газ	нормальная температура кипения
	К	0С
O2	90,36	-182,8
N2	77,36	-195,8
воздух	81,16	-192,0
H2	20,46	-252,7
He	4,26	-268,9

Практическое применение криопродуктов, получаемых в результате разделения воздуха:

• Кислород-O₂. Используется при сварке металлов, для продувки доменных и мартыновских (металлургия) печей. В химии, для получения синтетического бензина. В ракетно-космическом комплексе, в качестве окислителя в ракетных двигателях. В медицине для дыхания (в основном).

• Азот-N₂. Энергоноситель (холодильный агент для замораживания и хранения продуктов и биологических материалов). В машиностроении, в качестве нейтральной среды при сварке. В химии, как сырье для производства минеральных удобрений на основе аммиака. В медицине, для охлаждения криоинструментов.

• Водород- H₂. Его получение из воды или из углеводородов (метан-CH₄) – это некриогенный процесс. Используется сжиженный водород в качестве экологически чистого моторного топлива. С его применением производится также тяжелая вода, применяющаяся в атомной технологии.

Важной отраслью в криогенике является также фракционирование природного газа.

Природный газ представляет собой смесь:

Метан CH4,	ts=-161 oC
Этан C2H6	ts=-9 oC
Пропан C3H8	ts=-42 oC
Бутан C4H10	ts=-12 oC

При разделении газа отделяют тяжелые фракции, начиная от пропана и выше, которые могут конденсироваться при атмосферном давлении.

Легкие фракции используются в химической промышленности, а также сжигаются. Основной способ получения криогенных температур, в том числе для разделения газовых смесей – это расширение предварительно сжатого до необходимого уровня давления газа в дросселях или расширительных машинах (детандеры).

Воздухо- и газоразделительные установки – это сложные системы, включающие компрессоры, детандеры, и регенеративные теплообменники.

Производственное криооборудование в единичном малосерийном производстве.

Основной способ получения температур умеренного холода.

Система осуществляющий замкнутый термодинамический цикл, называется холодильная машина.

Холодильная машина (ХМ) – это машина, предназначенная для переноса теплоты от среды с низкой температурой, с целью ее охлаждения, к среде с более высокой температурой за счет подвода энергии от внешнего источника.

Термодинамический цикл ХМ состоит из следующих последовательных процессов:

1. Испарение (кипение) или нагрев холодильного агента при низкой температуре и низком давлении.

2. Повышение давления (сжатие) парообразного или газообразного холодильного агента.

3. Конденсация или охлаждение холодильного агента при более высокой температуре, тем более высоком давлении.

4. Понижение давления (расширение) холодильного агента.

Это определение для холодильного агента любого типа.

По области применения ХМ принято делить на:

• промышленные

• торговые

• бытовые

В торговое оборудование включаются: холодильный транспорт и автономные кондиционеры.

Холодопроизводительность ХМ

Обозначается Q₀, и измеряется в кВт.

Промышленные ХМ выпускаются с холодопроизводительностью

Q₀=100…15000 кВт

Торговые ХМ

Q₀=1,0…500 кВт

Бытовой холод

Q₀=0,1…5,0 кВт

Количественный выпуск характеризуется тем, что малые ХМ выпускаются миллионами штук в год (бытовые ХМ в мире выпуск 90 000 000 штук/год). Крупные машины от 1000 кВт и выше выпускаются в количестве нескольких сотен.

Примерная потребность в России, различные холодопроизводительности и назначения.

Q0, кВт	шт/год	Основная область применения
0,1	4∙106	Бытовой холод
1,0	4∙105	Торговый холод
10,0	4∙104
100,0	4∙103
1000,0	4∙102	Промышленный холод
10000,0	40