Книга Вальт ЖД Хладотранспорт

61

Обе диаграммы имеют пограничные кривые: левая характеризуется состоянием насыщенной жидкости (паросодержание Х = 0), а правая состоянием сухого насыщенного пара (Х = 1). Между пограничными кривыми расположена область влажного пара – 2. Левая кривая отделяет область переохлаждённой жидкости – 1, а правая - область перегретого пара

– 3.

Под энтропией S понимают отношение ничтожно малого тепла q, сообщенного телу (или отнятого от него) в процессе изменения его со-

стояния, к приращенной температуре t:

S = qt .

Для каждого вещества это отношение является постоянной величиной, поэтому ее приняли в качестве критерия оценки теплового состояния вещества. Энтропия в тепловых явлениях играет такую же роль, как заряд в электрических процессах. Значение ее можно рассматривать как термический заряд, в этом состоит физический смысл.

Теоретический процесс паровой холодильной машины, имитирующий обратный цикл Карно, приведен на рис. 2.9 в координатах T-S. Он протекает в области влажного пара между пограничными кривыми, так как только в этой области изобары совпадают с изотермами. Тепловой цикл состоит из двух изотерм 4-1 и 2-3 и двух адиабат 1-2 и 3-4. Тепло, подведённое к холодильному агенту от охлаждаемой среды Т0, выражается площадью и для цикла Карно составляет:

62

испарителя, соединительных трубопроводов, охлаждаемого помещения (морозильной камеры), в которой находится охлаждаемый продукт.

Роль компрессора сводится к тому, чтоб откачать пары холодильного агента из испарителя, сжать их и произвести их нагнетание в конденсатор. Таким образом, он обеспечивает циркуляцию хладагента по всей системе и, что наиболее важно, производит нагрев его до температуры гораздо более высокой, чем у окружающей среды. Нагрев производится в результате сжатия, когда частицы пара входят в непосредственное взаимодействие друг с другом, вследствие чего увеличивается скорость их движения. Известно, что температура тела характеризуется скоростью движения внутренних частиц.

В конденсатор пары холодильного агента поступают под высоким давлением с высокой температурой. В результате этого создаются благоприятные условия для отдачи энергии холодильным агентом в окружающую среду. Отдав энергию, холодильный агент охлаждается и конденсируется, то есть превращается в жидкость.

Сконденсированный холодильный агент при температуре несколько выше окружающей среды направляется к регулирующему вентилю, в котором он через малое отверстие проходит в большой объём. В результате этого частицы холодильного агента распыляются, перестают воздействовать друг на друга, сокращается скорость их движения. Таким образом, обеспечивается резкое снижение температуры до параметров ниже температуры охлаждаемого тела. Достигнуто условие отбора энергии у охлаждаемого тела.

При этой низкой температуре жидкость поступает в испаритель. В испарителе происходит отбор тепла от охлаждаемого тела. Этой энергии достаточно, чтобы холодильный агент нагрелся и кипел с переходом в

64

пар. Пары холодильного агента отсасываются компрессором и процесс повторяется.

Таким образом, обеспечивается процесс передачи тепла от охлаждаемого тела в окружающую среду. При этом важно, чтобы охлаждаемое тело (продукт питания) не имел контакта с посторонними источниками тепла. Эту функцию выполняет теплоизолирующий контур (морозильная камера). Если испаритель разместить в окружающей среде (например, в море), а конденсатор в изолированном помещении, то вместо холодильной машины получается тепловая машина. Такие машины используют для обогрева жилых помещений.

Вышеуказанные четыре элемента холодильной машины (испаритель, компрессор, конденсатор, регулирующий вентиль) являются обязательными. При отсутствии любого из них машина не обеспечивает своих функций. Для улучшения работы машины дополнительно устанавливают другие элементы. Так, иногда включают переохладитель, в котором температура холодильного агента после конденсатора дополнительно снижается и становится на 2-30С выше температуры окружающей среды. Для осушения паров, засасываемых компрессором, а также отделения пара от жидкости после прохождения регулирующего вентиля и испарителя служит отделитель жидкости. Большой перегрев холодильного агента обычно получают в теплообменнике за счет переохлаждения жидкости перед регулирующим вентилем. Установка теплообменника определяется тем, что пар, поступающий в компрессор, должен быть сухим, чтобы предупредить попадание жидкости в цилиндр и предотвратить гидравлический удар.

65

Холодильной установкой называется объединение холодильной машины с другими элементами (маслоотделителем, ресивером, рассольными батареями, насосом и др.), для распределения и потребления искусственного холода.

2.4. Холодильные агенты и холодоносители

Хладагенты должны удовлетворять следующим требованиям. Они должны иметь хорошие термодинамические свойства (низкую температуру кипения при атмосферном давлении, умеренное давление в конденсаторе во избежание утяжеления холодильной машины и увеличения расхода энергии на сжатие пара в компрессоре, высокую объемную холодопроизводительность для уменьшения размеров поршневых компрессорных холодильных машин, высокое значение коэффициентов теплоотдачи для уменьшения поверхности, а следовательно, размеров и массы испарителя и конденсатора), обладать малыми вязкостью и плотностью для снижения сопротивления движению и уменьшения потерь давления в системе, низкой температурой замерзания, хорошо растворяться в воде, быть химически инертными к конструкционным материалам, негорючими и невзрывоопасными, неядовитыми, дешевыми, недефицитными.

Известно более 300 хладагентов, но ни один из них не отвечает в полной мере сразу всем перечисленным требованиям, поэтому выбор хладагента в каждом конкретном случае зависит от назначения и конструктивных особенностей машины, от условий ее работы и обслуживания. Наиболее распространенными хладагентами являются: аммиак, хладон12, фреон-22. Основные их свойства приведены в таблице 2.2.

67

Аммиак (NH3) - по термодинамическим качествам один из лучших холодильных агентов, при атмосферном давлении кипит при температуре –33,40С, замерзает при –77,10С, плохо растворяется в масле и хорошо в воде (до 1000 объемов в одном объеме воды), дешевый и доступный хладагент, не действует на черные металлы и алюминий, но в присутствии влаги разрушает цинк, медь и ее сплавы, за исключением фосфористой бронзы. Утечки аммиака через неплотности легко обнаруживаются по резкому запаху. Основной недостаток аммиака - его токсичность. Предельно допустимая концентрация аммиака в воздухе 20 мг/м3. При содержании его в воздухе свыше 1% возможно отравление, а при концентрации 16÷29% по объёму возможен взрыв при соприкосновении с открытым огнём. Из-за токсичности и взрывоопасности аммиак применяют только в средних и крупных стационарных холодильных установках, а также в 23- и 21-вагонных рефрижераторных поездах и в 12вагонных секциях. Он полностью вытеснен хладоном-12 из области машин малой

68

производительности и постепенно вытесняется фреонами и из области установок средней и крупной производительности.

Фреоны представляют собой хлорфторзамещённые углеводороды. Исходными углеводородами для получения основных фреонов служат метан (CH4) и этан (C2H6). Свойства фреонов зависят от соотношения в них атомов фтора, хлора и водорода. В нашей стране фреоны обозначают буквой Ф с индексом, за исключением фреона-12 (Ф12), который начиная с 1973 года называется хладоном-12.

Система нумерации фреонов следующая: первая цифра справа равна числу атомов фтора в молекуле; вторая – на единицу больше числа атомов водорода; третья – на единицу меньше числа атомов углерода (если она нуль, то опускается).

Хладон-12 (CF2Cl2) - негорючий, невзрывоопасный, бесцветный газ со слабым сладковатым запахом, ощутимым лишь при концентрации его в воздухе более 20%. Он безвреден и лишь при содержании его в воздухе более 30% по объёму возможно удушье из-за недостатка кислорода. Температура кипения его при атмосферном давлении равна –29,80С, замерзания –1550С. Хладон-12 при отсутствии влаги нейтрален ко всем металлам, но растворяет обыкновенную резину, поэтому в хладоновых установках применяют специальные её сорта. Давление конденсации хладона12 при одинаковых температурах меньше, чем аммиака. Он хорошо растворяется в масле.

По многим термодинамическим свойствам хладон-12 уступает аммиаку: объёмная холодопроизводительность его меньше в 1,6 раза, а коэффициент теплоотдачи значительно ниже, поэтому размеры хладоновых установок больше, чем аммиачных. Плотность его паров в 5-6 раз больше,

69

поэтому для уменьшения потерь давления при циркуляции увеличивают диаметр трубопроводов и проходные сечения клапанов компрессоров. Растворимость воды в нём ничтожна (всего 0,003% по массе при температуре –200С) и для исключения возможности образования ледяных пробок в регулирующих вентилях в схему установки включают фильтрыосушители. Хладон-12 обладает высокой текучестью и проницаемостью даже через поры обыкновенного чугуна, что предъявляет повышенные требования к уплотнениям и металлам в хладоновых установках. При температуре свыше 4000С он разлагается с выделением отравляющего вещества фосгена. Стоимость хладона выше, чем аммиака. Обладая многими положительными качествами (безвредностью, безопасностью, низким давлением конденсации, сравнительно малым расходом энергии на единицу вырабатываемого холода и лёгкостью автоматизации), хладон-12 широко применяется в установках малой и средней производительности. На транспорте он используется в холодильных машинах 5-ти вагонной секции и АРВ, рефрижераторных контейнерах, пассажирских вагонах с кондиционированием воздуха.

Фреон-22 (CHF2Cl) по термодинамическим свойствам (рабочее давление, объёмная холодопроизводительность) близок к аммиаку, а по физиологическим - к хладону-12. Температура кипения его при атмосферном давлении равна –40,80С, замерзания - –1600С. Слабо, но в 8 раз больше, чем хладон -12, растворяет воду. Фреон-22 негорюч, невзрывоопасен, текуч, нейтрален, но дороже и более ядовит, чем хладон-12. Используется в установках кондиционирования воздуха, низкотемпературных машинах. Применение его на РПС сдерживается из-за высоких давлений конденсации при высоких температурах наружного воздуха.

70