Хладотранспорт Учебное пособие

2. Теоретические основы искусственного охлаждения...

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, подведенное к холодильному агенту от охлаждаемой среды Т0, выражается площадью и для цикла Карно составляет

q0 = T0(Sa – Sb).

Работа, затрачиваемая на перевод холодильного агента с низкого энергетического уровня на высокий (на сжатие), в этом случае составит:

l = (Tк – T0)(Sa – Sb).

Холодильный коэффициент:

Последнее уравнение показывает, что холодильный коэффициент не зависит от свойств холодильного агента, а определяется только температурами окружающей среды T0 и тела, которое воспринимает тепло Tк . Чем выше температура охлаждаемой среды, тем больше холодильный коэффициент. Следовательно, для достижения высокого значения холодильного коэффициента следует работать при высокой температуре T0 и низкой Tк.

2.3. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ПАРОВОЙ КОМПРЕССИОННОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ МАШИНЫ

Паровая компрессионная холодильная машина – основной генератор искусственного холода – применяется в стационарных и транспортных холодильных установках (рефрижераторных вагонах, судах,

43

ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЙ ХЛАДОТРАНСПОРТ

автомобилях, на льдозаводах и др.). Она состоит (рис. 2.10) из компрессора, конденсатора, регулирующего вентиля и испарителя, соединительных трубопроводов, охлаждаемого помещения (морозильной камеры), в которой находится охлаждаемый продукт.

Рис. 2.10. Принципиальная схема паровой компрессионной холодильной машины

Роль компрессора сводится к тому, чтобы 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 особенно 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, т. е. 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 объем. В результате этого частицы холодильного агента распыляются, перестают воздействовать друг на друга, сокращается скорость их движения.

44

2. Теоретические основы искусственного охлаждения...

Таким образом, обеспечивается резкое снижение температуры до параметров ниже температуры охлаждаемого тела. Достигнуто условие отбора энергии у охлаждаемого тела.

При низкой температуре жидкость поступает в испаритель, где происходит отбор тепла от охлаждаемого тела. Этой энергии достаточно, чтобы холодильный агент нагрелся и кипел с переходом в 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 2–3 °С 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.

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

45

ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЙ ХЛАДОТРАНСПОРТ

2.4. ХОЛОДИЛЬНЫЕ АГЕНТЫ И ХОЛОДОНОСИТЕЛИ

Хладагенты должны удовлетворять определенным требованиям: 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, хладон-12, фреон-22. Основные их свойства приведены в табл. 2.2.

Аммиак (NH3) по термодинамическим качествам – один из лучших холодильных агентов. При атмосферном давлении кипит при температуре –33,4 °С, замерзает при –77,1 °С, 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,

46

2. Теоретические основы искусственного охлаждения...

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 объему возможен взрыв при соприкосновении с открытым огнем. Из-за токсичности

ивзрывоопасности аммиак применяют только в средних и крупных стационарных холодильных установках, а также в 23- и 21-вагонных рефрижераторных поездах и в 12-вагонных секциях. Он полностью вытеснен хладоном-12 из области машин малой производительности

ипостепенно вытесняется фреонами и из области установок средней

икрупной производительности.

Фреоны представляют собой хлорфторзамещенные 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 объему возможно удушье из-за недостатка кислорода. Температура кипения его при атмосферном давлении равна –29,8 °С, замерзания –155 °С. Хладон-12 при отсутствии влаги нейтрален ко всем металлам, но растворяет обыкновенную резину, поэтому в хладоновых установках применяют специальные ее сорта. Давление конденсации хладона-12 при одинаковых температурах меньше, чем аммиака. Он хорошо растворяется в масле.

По многим термодинамическим свойствам хладон-12 уступает аммиаку: объемная 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, поэтому для уменьшения потерь давления при циркуляции увеличивают диаметр трубопроводов и проходные сечения

47

ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЙ ХЛАДОТРАНСПОРТ

клапанов компрессоров. Растворимость воды в нем ничтожна (всего 0,003% по массе при температуре –20 °С), и для исключения возможности образования ледяных пробок в регулирующих вентилях в схему установки включают фильтры-осушители. 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 400 °С 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 легкостью автоматизации), хладон-12 широко применяется в установках малой и средней производительности. На транспорте он используется в холодильных машинах 5-ва- гонной секции и АРВ, рефрижераторных контейнерах, пассажирских вагонах с кондиционированием воздуха.

Фреон-22 (CHF2Cl) по термодинамическим свойствам (рабочее давление, объемная холодопроизводительность) близок к аммиаку, а по физиологическим – к хладону-12. Температура кипения его при атмосферном давлении равна –40,8 °С, замерзания –160 °С. 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.

Из других фреонов в стационарных холодильных установках наибольшее распространение получили Ф11, Ф13, Ф142, а также смеси фреонов для низкотемпературных холодильных машин.

В последнее время сложилось мнение, что фреоны оказывают отрицательное воздействие на состояние окружающей среды, в частности, видится их причастность в образовании «озоновых дыр» в атмосфере нашей планеты. Поэтому сегодня ведутся поиски других хладагентов.

Хранят и транспортируют холодильные агенты в основном в стальных герметических закрывающихся баллонах емкостью от 5 до 100 кг, снабженных вентилями и предохранительными колпаками. Баллоны подвергаются пробному гидравлическому давлению. Например, для аммиака – 60 ат, для углекислоты – 190 ат, хладона-12 – 12 ат, при

48

2. Теоретические основы искусственного охлаждения...

давлении внутри баллона с хладоном – 6 ат. Продолжительность испытаний 5–7 мин. Кроме самого баллона, испытанию подвергаются вентиль и сальник. На баллонах ставится клеймо, содержащее порядковый номер, массу тары в килограммах, год изготовления, рабочее давление в атмосферах, а также химическую формулу хладагента. Баллоны для аммиака окрашивают в желтый цвет с черной надписью «аммиак», углекислотные баллоны – в черный цвет с белой надписью «углекислота», фреоновые в серебристый цвет с черной надписью «хладон-12», «фреон-22».

Баллоны с холодильными агентами хранятся в помещениях, изолированных от охлаждаемых камер, жилых помещений, желательно

вподземных подвалах. Наличие баллонов с хладагентами не должно превышать трехмесячную потребность. Перевозят баллоны с холодильными агентами по железной дороге как в неупакованном, так и в упакованном виде. Перевозка аммиака в жидком виде разрешена лишь в специализированных аммиачных цистернах.

Холодоносителями (или теплоносителями) называют вещества, предназначенные для отвода тепла от охлаждаемого объекта и передачи его хладагенту в испарителе холодильной машины. Они должны обладать низкой температурой замерзания, высокой теплоемкостью, малой вязкостью, а также быть безвредными и нейтральными к конструкционным материалам. К холодоносителям относят водные растворы солей (рассолы), воду, этиленгликоль. Применение холодоносителей рекомендуется при значительном удалении холодильных установок от места потребления холода, чтобы избавиться от перерасхода хладагента, а следовательно, и от утечки и падения давления

всистемах, а также в случаях, когда желательно, чтобы в охлаждаемых помещениях не было труб и батарей, заполненных токсичным и взрывоопасным холодильным агентом.

Рассольная система охлаждения на транспорте применяется в 23- и в 21-вагонных рефрижераторных поездах и 12-вагонных секциях. Водный раствор хлористого кальция охлаждается в испарителях холодильных машин, находящихся в вагоне – машинном отделении, и подается насосами по магистральным рассолопроводам и межвагонным соединениям в рассольные батареи грузовых вагонов для охлаждения воздуха и груза. Основной недостаток такой системы – интенсивная коррозия труб и повышенный расход энергии. Для увеличения срока службы труб к рассолу добавляют ингибиторы, ослабляющие разъедающее действие рассола на металл.

49

ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЙ ХЛАДОТРАНСПОРТ

Более экономична и долговечна непосредственная система охлаждения, когда испаритель (воздухоохладитель) находится непосредственно в грузовом помещении вагона или камеры. Такая система применяется в 5-вагонных секциях и АРВ.

2.5. РАСЧЕТ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО РАБОЧЕГО ЦИКЛА ХОЛОДИЛЬНОЙ МАШИНЫ

Теоретический цикл одноступенчатой паровой машины в координатах T–S и P–i (рис. 2.11) характеризуется:

–всасыванием из испарителя в компрессор сухого насыщенного пара (его параметры определяются точкой 1);

–адиабатическим сжатием в компрессоре (процесс 1–2, параметры холодильного агента, нагнетаемого в конденсатор, характеризуются точкой 2);

–охлаждением (2–а – изобара с конденсацией пара в конденсаторе, а–3 – изобара и изотерма на выходе из конденсатора, параметры хладагента соответствуют точке 3 при температуре Тк и давлении Рк);

–дросселированием его в регулирующем вентиле (3–4 – изоэнтальпия, параметры на выходе из регулирующего вентиля соответствуют точке 4);

–кипением в испарителе (4–1 – изобара и изотерма при температуре Т0 и давлении Р0).

Рис. 2.11. Циклы паровой компрессионной холодильной машины

50