Книга Вальт ЖД Хладотранспорт

но на таянии льда и растворении соли. При таянии льдосоляной смеси также ослабляется молекулярное сцепление и разрушаются кристаллические решётки. Для этого требуется теплота, которая отбирается от растворителя, то есть воды, получаемой при таянии льда и растворении в ней соли. К теплоте, поглощаемой льдом, добавляется теплота, поглощаемая солью при её растворении в воде, что понижает температуру смеси. Температура смеси определяется ориентировочно по формуле:

tсм = −0.73П ,

где П – содержание соли в % от веса льда.

Температура смеси зависит от количества соли в ней, но повышать концентрацию последней можно до известного предела, предопределяемого криогидратной точкой, около 23 % (см. рис. 2.1). При увеличении содержания соли повышается температура смеси. Таяние льда при льдосоляном охлаждении ускоряется, по сравнению с чистым льдом, 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.

Приближённо холодопроизводительность смеси определяется по формуле:

qo =335 −3П , кДж/кг.

Низкие температуры можно получить при смешивании льда с разведёнными кислотами. Например, смесь 66% серной кислоты и льда имеет

52

температуру –370С. 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% объёма 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 (см. рис. 2.2) основано на свойстве твердого углекислого газа (CO2) переходить в газообразное состояние, минуя жидкую фазу. Такой переход называют возгонкой (сублимацией). Особенность изменения агрегатного состояния углекислоты основана 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 -78,90С. Высокая стоимость и недостаточность сухого льда ограничивают его широкое применение. За рубежом 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

53

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 –

195,80С, воздуха - от –190 до –1950С, кислорода - –182,80С.

Наиболее просты по устройству и, следовательно, наиболее доступны установки, работающие на готовых хладоносителях: водном или сухом льде, льдосолянных 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.

54

ных машин. Например, на молочном заводе, молоко сначала охлаждают, а затем пастеризуют при температуре до +850С. Для этого используется тепло, отнимаемое от холодильного агента в конденсаторе.

По виду затрачиваемой энергии холодильные машины подразделя-

ются 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). В газовых машинах состояние хладагента не изменяется.

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.

56

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. Эффект РанкаХильша создается при помощи так называемой вихревой трубы без совершения внешней полезной работы. Принципиальные схемы перечисленных выше холодильных машин представлены на рис. 2.3 – 2.6 и 2.33, кроме паровой компрессионной. Последние широко используются на железнодорожном транспорте и они подробно изложены ниже.

2.2. Основы теории паровой компрессионной холодильной машины

Чтобы охладить тело, надо его энергию передать другому телу. Но в этом случае температура охлаждаемого тела сразу же понизится, в сравнении с тем телом, которому пытается передать энергию. Согласно первому закону термодинамики, энергия может изменить форму, но уничтожить ее нельзя. Но в процессе охлаждения превратить отнимаемое тепло в другую форму энергии невозможно. Следовательно, передать энергию в результате прямого контакта от холодного тела более теплому невозможно. Возникает необходимость использовать какое-то третье тело (хладагент), которое воспринимало бы тепло от охлаждаемого тела, при этом температура хладагента должна быть ниже охлаждаемого тела. Эту энергию хладагент должен передать нагреваемому телу (как правило, окружающей среде) и при этом хладагент должен быть более теплым, чем окружающая среда. Естественно, что для перевода хладагента с низкого энергетического уровня (в момент контакта с охлаждаемым телом) на вы-

57

сокий энергетический уровень (в момент контакта с окружающей средой) необходимо затратить работу l (энергию). В этом и заключается принцип действия холодильной машины, показанный на рис. 2.7.

Совокупность процессов, которые при этом осуществляет хладагент (отбор тепла, нагрев, отдача тепла, охлаждение), называется холодильным циклом. Всякая холодильная машина является тепловым насосом, так как служит для «перекачивания» тепла с низкого температурного потенциала на более высокий. В отличие от других насосов, она отдает тепла qk больше, чем получает, так как работа l, затраченная на ее действие, превращается в тепло, которое отводится при высокой температуре вместе с теплом qo, взятымот охлаждаемой среды:

qк =l + q0 .

Холодильный коэффициент:

ε = ql0 .

Это отношение должно быть больше единицы. Теория холодильных машин рассматривает условия, при которых коэффициент может иметь наибольшее значение, что свидетельствует об экономичности их работы.

Цикл паровой компрессионной холодильной машины изображают обычно на диаграммах T-S или P-i (рис. 2.8), которые представляют совокупность кривых, выражающих термодинамические процессы, что позволяет находить значения параметров в любой точке рассматриваемого хо-

58

лодильного процесса. На диаграмме T-S по оси абсцисс откладывают энтропию S, а по оси ординат – абсолютную температуру T; на диаграмме P-i по оси абсцисс – теплосодержание (энтальпию), а по оси ординат – давление P или для более компактного изображения lgP. На диаграммах наносят линии постоянных паросодержаний X, а также линии, изображающие термодинамические процессы: изотермы, изобары, адиабаты, изоэнтальпии и изохоры.

59