Для сдачи тестов, рубежного контроля, а также закрепления материала используйте браузеры MS Internet Explorer, Mozilla Firefox, Chromium
    Главная страница электронного учебника План урока
    Содержание дисциплины

    Проектирование поточных технологических линий кормоцеха
    ДополнительныЙ материал

    Учебная тема
    Физические процессы и технические средства получения искусственного холода на предприятиях АПК

    Физические процессы и технические средства получения искусственного холода на предприятияхАПК

    План

      1. Физические принципы получения искусственного холода.
      2. Термодинамические процессы холодильных установок.
      3. Классификация и принцип действия холодильных машин.
      4. Рабочие вещества холодильных машин, их основные свойства и область применения.
      5. Контрольные вопросы.
      6. Дополнительная литература.
    1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИСКУССТВЕННОГО ХОЛОДА

      Неотъемлемой частью технологических процессов скоропортящихся продуктов, их последующей сохранности, транспортировки и реализации является искусственный холод.

      Искусственное охлаждение – это отвод теплоты от тела, имеющего температуру более низкую, чем температура окружающей среды, в которой находится охлаждаемое тело.

      Использование искусственного холода для сохранения скоропортящихся продуктов нашло свое применение еще в XIX веке, в основном на рыбных промыслах. В основу получения искусственного холода были положены физические процессы, которые сопровождаются поглощением теплоты. Иногда для этих целей используют механическую работу или электричество.

      Существует ряд таких процессов, которые сопровождаются поглощением теплоты извне. К ним можно отнести фазовый переход вещества, а именно:

      - плавление;

      - испарение;

      - сублимация (сухая пререгонка, возгонка – или непосредственно переход вещества при нагревании из твердого в газообразное состояние, минуя стадию жидкости);

      - адиабатическое дросселирование (расширение газа, проходящего через суженное отверстие без совершения внешней работы и без теплообмена с окружающей средой – эффект Джоуля-Томсона);

      Этот эффект обусловлен затратой внутренней энергии на работу против сил молекулярного притяжения, что приводит к изменению температуры реального газа. Применяется в технике глубокого охлаждения. В холодильных машинах АПК этот способ применяется крайне редко.

      - адиабатическое расширение газа с совершением полезной внешней работы;

      - вихревой эффект (эффект Ранка), который заключается в том, что сжатый воздух, имеющий температуру окружающего воздуха, подается в трубу по тангенциальному вводу;

      - термоэлектрический эффект (эффект Пельтье) заключается в том, что при прохождении постоянного электротока через цепь, состоящую из двух разнородных металлов, один из них имеет более низкую температуру, второй более высокую. Холодный спай является источником низкой температуры. По такому принципу работают термоэлектрические охлаждающие устройства.

      Для сохранения скоропортящихся продуктов их необходимо охлаждать постоянно. Это возможно в том случае, если имеется большой запас хладагента, или при его конечном количестве восстанавливать его первоначальное состояние, т.е. хладагент должен совершать круговой процесс или цикл, претерпевая ряд изменений, но обязательно превращаться в первоначальное состояние. Для этой цели необходимо затрачивать внешнюю работу.

    2. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ЦИКЛЫХОЛОДИЛЬНЫХ УСТАНОВОК

    Идеальным циклом получения искусственного холода может быть холодильная установка, работающая в соответствии с обратным циклом Карно, сущность которого сводится к следующему. В отличие от прямого цикла, в котором производится работа при переходе теплоты от более нагретого тела к менее нагретому, в обратном цикле работа или теплота передается от менее нагретого тела к более нагретому. На диаграмме это явление (процесс) можно представить следующим образом.

    Как видно из диаграммы, в процессе 1 – 2 хладагент адиабатно сжимается от объема V1 до объема V2 с повышением температуры от Т2 до Т1. Далее в процессе 2 – 3 осуществляется сжатие хладагента при одновременном изотермическом отводе тепла Q1 при температуре Т1 в окружающую среду. В процессе 3 – 4 хладагент адиабатно расширяется от объема V3 до объема V4 с понижением температуры от Т1 до Т2. В процессе 4 – 1 хладагент продолжает увеличиваться в объеме (расширяться) при температуре Т2, изотермически получая теплоту Q2 от более холодного тела относительно внешней среды.

    Цикл идеальной холодильной машины

    S – энтропия, т.е. количество энергии, которое передается в виде тепла от одного тела к другому (Клаудисус, 1852 г.)

    Q – запас тепла

    Т – абсолютная температура

    Действительный цикл холодильной машины

    1-2 – адиабата (S = const) – сжатие сухих паров в камере. Процесс 2-2' – охлаждение хладона в конденсаторе (P= const), отводит ранее полученное тепло окружающей среде.

    2'-3 – сжатый хладон при Т= const и P=const конденсируется в конденсаторе.

    3-3' – переохлаждение в теплообменнике изобарно. P= const.

    3'-4 – расширение после ТРВ (изоэнтальпа, i= const.

    4 -1 – кипение в испарителе (T = const, P = const).

    1-2 – адиабатное сжатие в компрессоре до давления Р1.

    Полезным эффектом холодильного цикла является количество теплоты Q2 , которая отбирается хладагентом от охлаждаемого продукта, имеющего температуру Т2 < Т1. Это количество теплоты принято называть холодопроизводительностью цикла, которую можно определить по формуле:

    , Дж,

    где i1 – энтальпия сухого пара хладагента;

    i4 – энтальпия жидкого хладагента при температуре переохлаждения;

    Сср – средняя теплоемкость хладагента при Р = const.

    Для оценки работы холодильной машины, работающей по обратному циклу Карно, используют холодильный коэффициент, который определяется как отношение полезного количества теплоты, отнятой от холодильного источника ограниченных размеров, к затраченной работе на осуществление цикла, где Аобр – работа, затрачиваемая на осуществление обратного цикла.

    Для осуществления такого цикла в рабочую схему холодильной машины необходимо устанавливать дополнительно расширитель принудительного действия – дендратер. Это приводит к дополнительному расходу энергии.

    В действующих холодильных установках вместо расширительного цилиндра (расширителя) устанавливается дросселирующий вентиль, через который проходит хладагент с предварительным охлаждением. Это делается для того, чтобы увеличить количество кипящего хладагента в испарителе, что приведет к уменьшению цикла работы холодильной машины. Причем этот цикл сопровождается перегревом паров при сжатии.

    Рабочий процесс холодильной машины можно представить в виде следующей диаграммы. Жидкий хладон кипит в испарителе при Т = const и Р2 = const (процесс 4-1 – изобара, изотерма), получая тепло Q2 , которое отводит от охлаждаемого тела.

    Образовавшийся пар, пройдя теплообменник, поступает в компрессор, где адиабатно сжимается до давления Р1 (процесс 1-2) Сжатые и перегретые

    пары из компрессора поступают в конденсатор, в котором при постоянном давлении Р1 охлаждаются (процесс 2-2') при одновременном изобарическом отводе тепла Q1, полученного в предыдущих процессах в окружающей среде. Отдавая теплоту, хладагент поступает в теплообменник (переохладитель), где он дополнительно охлаждается до более низкой температуры парами хладагента, вышедшими из испарителя, или водой. При этом давление Р1 = const, а температура ниже, чем температура конденсации Т1 (процесс 2'-3 изобара). Из теплообменника хладагент подается в фильтр-осушитель, пройдя через который поступает в ТРВ. Дросселируясь, хладагент адиабатно расширяется до давления Р2 (процесс 3-4 изоэнтальпа i = const) с понижением температуры от Т1 до Т2. Далее процесс повторяется.

    Различают компрессионные холодильные машины, в которых происходит сжатие холодильного акта; теплоиспользующие холодильные машины, потребляющие тепловую энергию; термоэлектрические холодильные машины, основанные на использовании Пельтье явления.

    Компрессионные холодильные машины в свою очередь подразделяют на газовые, в которых газообразный холодильный агент не меняет агрегатного состояния, и на паровые, в которых холодильный агент изменяет агрегатное состояние (пар – жидкость). Последние получили наиболее широкое распространение.

    Теплоиспользующие холодильные машины подразделяют на абсорбционные, у которых в холодильном цикле участвуют два компонента - холодильный агент и поглотитель (абсорбент), и пароэжекторные, в которых сжатие пара осуществляется с помощью пароэжектора.

    Холодильный агéнт или хладагéнт – это рабочее вещество холодильной машины. В зависимости от типа холодильной машины применяются различные хладагенты. Так, в паровых компрессионных холодильных машинах в качестве хладагента применяют хладоны, аммиак, углеводороды (пропан, этан, этилен и др. вещества; в абсорбционных – водные растворы аммиака и бромистого лития; в пароэжекторных – водный пар.

    Рассмотрим схемы и принципы действия компрессионной паровой, теплоизолирующей абсорбционной и теплоиспользующей эжекторной холодильных машин.

    Рис1. Принцип работы компрессионной холодильной машины

     

    Схема компрессионной холодильной машины представлена на рис. 1. Она состоит из следующих основных элементов: испарителя 2, компрессора 3, конденсатора 6, теплообменника 9, фильтра-осушителя 11 и терморегулирующего вентиля ТРВ 10, соединенных между собой трубопроводами в замкнутую герметичную систему, заполненную холодильным агентом.

    Испаритель содержит промежуточный теплоноситель (воду), находящийся в аккумуляторе холода 1 в результате теплообмена с кипящим холодильным агентом. Кипение холодильного агента в испарителе происходит за счет дросселирования в ТРВ и поддерживаемого компрессором низкого давления. Температура кипения холодильного агента в испарителе обычно на 5-150 ниже температуры охлаждаемой среды. Через поверхность испарителя вода отдает свое тепло холодильному агенту, который при этом превращается в пар. Таким образом, в испарителе холодильный агент кипит при низкой температуре, отбирая тепло от охлаждаемой воды.

    Компрессор отсасывает пары холодильного агента из испарителя и поддерживает в нем низкое давление, обеспечивающее низкую температуру кипения. Кроме того, компрессор нагнетает пары в конденсатор и сжимает их до такого высокого давления, при котором они превращаются в жидкость при условии охлаждения их окружающей средой с температурой 20-300С.

    Конденсатор обеспечивает охлаждение сжатых паров холодильного агента окружающим воздухом с целью понижения температуры паров до температуры конденсации (состояния насыщения) и конденсации насыщенных паров в жидкое состояние.

     

    Рис. 1. Принципиальная схема холодильной установки

    1 – бак-аккумулятор; 2 – испаритель; 3 – компрессор; 4 – реле давления; 5 – вентили запорные; 6 - конденсатор; 7 – вентилятор; 8 – ресивер; 9 – теплообменник; 10 – вентиль терморегулирующий; 11 - фильтр-

    осушитель

    Ресивер создает запас жидкого холодильного агента, необходимый для обеспечения равномерного питания им испарительной системы. Кроме того, ресивер является дополнительной емкостью конденсатора, которая предотвращает переполнение последнего жидким холодильным агентом. Ресивер работающей холодильной машины должен быть заполнен жидким холодильным агентом на 50% своего объема.

    Теплообменник обеспечивает переохлаждение жидкого холодильного агента, поступающего к терморегулирующему вентилю, и перегрев парообразного холодильного агента, поступающего из испарителя в компрессор.

    Фильтр-осушитель улавливает различные механические загрязнения (опилки, ржавчину и т.п.) холодильного агента и поглощает влагу, находящуюся в системе.

    Терморегулирующий вентиль предназначен для дросселирования жидкого холодильного агента, поступающего в испаритель, и регулирования его расхода. Дросселирование сопровождается понижением давления холодильного агента от давления конденсации до давления кипения. Кроме того, терморегулирующий вентиль обеспечивает необходимое заполнение испарителя жидким холодильным агентом, подавая в единицу времени столько жидкости, сколько паров успевает за это время отсосать компрессор.

    Таким образом, холодильная машина работает по замкнутому циклу. Процесс дросселирования жидкого холодильного агента терморегулирующим вентилем (ТРВ) сопровождается изменением агрегатного состояния холодильного агента. Часть жидкости, прошедшей через ТРВ, превращается в насыщенный пар, охлаждая при этом остальную часть холодильного агента до температуры кипения. Поэтому из ТРВ выходит смесь жидкости и насыщенного пара (влажный пар). Относительное содержание пара в этой смеси 10-20% по массе или до 90-95% по объему. Влажный пар, поступающий в испаритель, разделяется на жидкую и газообразную фазы. Жидкость в испарителе кипит при давлении кипения, поглощая тепло от промежуточного теплоносителя (воды) через стенки испарителя. Пары, поступающие из ТРВ и образовавшиеся при кипении, отсасывает компрессор. Температура и давление кипения зависят от требуемой температуры охлаждения, величины теплопередающей поверхности испарителя и интенсивности теплообмена.

    Пары холодильного агента, отсасываемые компрессором, по мере продвижения по испарителю в результате теплообмена через стенки последнего дополнительно подогреваются. Поэтому их температура на выходе из испарителя обычно на 2-70С выше температуры кипения.

    Сжатие паров холодильного агента в компрессоре с давления кипения до давления конденсации сопровождается возрастанием их внутренней энергии, давления и температуры. Температура конца сжатия паров компрессоре зависит от разности давлений на входе и выходе из компрессора и достигает 60-800С.

    В конденсаторе последовательно происходит три процесса: охлаждение сжатых паров до состояния насыщения, их конденсация и переохлаждение жидкого холодильного агента. Давление и температура конденсации зависит от температуры охлаждающей среды, величины теплопередающей поверхности конденсатора и интенсивности теплопередачи. Как правило, температура конденсации на 5-200С превышает температуру охлаждающей среды.

    Жидкий холодильный агент из конденсатора через ресивер, теплообменник и фильтр-осушитель поступает в ТРВ и цикл повторяется. Таким образом, холодильный агент, совершая движение по замкнутому циклу, отнимает тепло от воды в аккумуляторе холода и отдает его воздуху, обдувающему конденсатор.

    Абсорбционная холодильная машина

    В теплоиспользующей абсорбционной холодильной машине (АХМ) для отвода пара из испарителя служит абсорбер – сосуд, заполненный водой. Пары аммиака (холодильный агент R717) из испарителя И попадают в абсорбер Аб . Вода, через которую пробулькивают пары аммиака, растворяет их (абсорбирует, т.е. впитывает). Некоторое снижение давления в абсорбере способствует поступлению новых паров из испарителя в абсорбер.

    При растворении аммиака в воде выделяется теплота, которая ухудшает дальнейшее растворение аммиака. Поэтому абсорбер необходимо охлаждать.

    Насыщенная аммиаком вода (крепкий раствор) подается в генератор Г. Здесь крепкий раствор нагревается проходящим по змеевику горячим паром (в домашних абсорбционных холодильниках крепкий раствор нагревается электроспиралью или с помощью газовой горелки). Пары аммиака, образующиеся при нагревании крепкого раствора, из генератора поступают в конденсатор Кд , где охлаждаются водой и конденсируются. Жидкий аммиак высокого давления дросселируется в регулирующем вентиле ТРВ и поступает в испаритель, где кипит при низком давлении, отбирая теплоту от охлаждающих сред.

    Оставшийся в генераторе, после выкипания аммиака, слабый водоаммиачный раствор возвращается в абсорбер и впитывает новые порции паров аммиака, поступающие из испарителя.

    Таким образом, в отличии от компрессионной машины в абсорбционной вместо компрессора используются два аппарата (абсорбер и генератор), а также насос для подачи жидкости, мощность которого примерно в 10 раз меньше, чем у компрессора.

    В домашних абсорбционных холодильниках насос и вентиль 2РВ вообще исключены из схемы. Это достигается добавлением в испаритель водорода. В результате давление в конденсаторе становится равным суммарному давлению аммиака и водорода в испарителе. При этом добавление водорода не влияет на температуру кипения аммиака в испарителе, так как она определяется только парциальным давлением паров аммиака.

    Холодильный коэффициент

    в абсорбционных машинах ε ≈ в три раза меньше, чем в компрессионных. Отсутствие компрессора, создающего при работе шуми выходящего из строя быстрее, чем теплообменные аппараты, обуславливает применение абсорбционных машин также и для домашних холодильников.

    Однако, по сравнению с компрессионными холодильные машины абсорбционные имеют ряд недостатков. Поскольку нагреватель постоянно или циклично включен в электросеть, эксплуатация абсорбционных холодильных машин обходится дороже компрессионных, включающихся в сеть периодически. Производительность абсорбционных холодильных машин значительно ниже компрессионных, процесс охлаждения и получения низкой (минусовой) температуры в абсорбционных холодильных машинах протекает значительно медленнее и достигаемая температура значительно выше, чем в компрессионных холодильных машинах.

    Широко распространены в быту холодильники абсорбционного типа (АТ). Свое название они получили от происходящих в них процессах абсорбции, т.е. поглощение жидким или твердым поглотителем паров хладагента, образующихся в испарителе. Хладагентом служит аммиак. Пары аммиака поглощаются водой с образованием при этом водоаммиачного раствора.

    Компонентами раствора для заполнения холодильного агрегата являются: хладагетн – аммиак, абсорбент – бидистиллят воды, ингибитор - хромат натрия Na2CrO4 , инертный газ – водород. Количество водоаммиачного раствора для заполнения холодильного агрегата составляет 350-750 см3, концентрация аммиака в водоаммиачном растворе 34-36% (по массе).

    Агрегат наполнен водоаммиачным раствором и водородом под давлением 1,47-1,96 МПа. Водород инертен и не вступает в химическую реакцию с аммиаком.

    Назначение водорода – создание противодавления аммиачному пару. Водород подается в конденсатор с меньшим давлением, чем давление аммиачного пара до его конденсации.

    Для предохранения внутренней поверхности труб холодильного агрегата от коррозии в раствор вводят хромат натрия (Na2CrO4) в количестве ≈ 2% массы заряда. Водоаммиачный раствор приготавливают, смешивая аммиак с дистиллированной водой двойной перегонки.

    Холодильный агрегат расположен на задней стенке холодильного шкафа, испаритель – внутри холодильной камеры.

    Холодопроизводительность агрегата абсорбционно-диффузионного типа 20-30 ккал/ч.

    Холодильный агрегат

    Рис. Холодильный агрегат абсорбционного типа

    1 - кипятильник; 2 – дефлегматор; 3 – конденсатор; 4 – испаритель; 5 – абсорбер; 6 – капиллярная трубка Ø 0,8 мм

    Холодильный агрегат абсорбционно-диффузионного действия изготовлен из бесшовных труб, соединенных газовой сваркой. Основные узлы агрегата:

    генератор – выработка аммиачного пара и подъем слабого раствора на высоту слива в абсорбер;

    конденсатор – конденсация паров аммиака;

    испаритель – испарение жидкого аммиака с образованием холода;

    абсорбер – поглощение пара аммиака водоаммиачным раствором (процесс абсорбции);

    электронагреватель – нагрев водоаммиачного раствора в генераторе.

    Принцип работы холодильного агрегата абсорбционного типа заключается в следующем. Концентрированный раствор постоянно нагревается в кипятильнике 1 до температуры кипения каким-либо источником тепла (электрическим, газовым и т.д.). Так как температура кипения хладагента значительно ниже температуры кипения растворителя (абсорбента), то в процессе выпаривания концентрированного раствора (приблизительно t = 165-1750С) из кипятильника выходят концентрированные пары хладагента с небольшим количеством растворителя. На пути движения к конденсатору концентрированные пары хладагента проходят специальный теплообменный аппарат (дефлегматор 2), в котором происходит частичная конденсация концентрированных паров. При этом образовавшийся конденсат стекает в слабый раствор, выходящий из кипятильника, а более концентрированные пары хладагента поступают в конденсатор 3. Высококонцентрированный жидкий хладагент по капиллярной трубке Ø 0,8 мм из конденсатора поступает в испаритель 4, где он закипает при отрицательной температуре, отбирая тепло из холодильной камеры. Слабый раствор из кипятильника поступает в абсорбер 5 и охлаждается окружающей средой до температуры начала абсорбции. Выходящие из испарителя пары хладагента также поступают в абсорбер навстречу движущемуся охлажденному слабому раствору. В абсорбере происходит процесс поглощения (абсорбции) паров хладагента слабым раствором. При этом выделяется некоторое количество теплоты абсорбции (смешения) в окружающую среду. Образовавшийся в абсорбере концентрированный раствор термонасосом подается в кипятильник.

    Циркуляция раствора и хладагента осуществляется непрерывно, пока работает кипятильник и термонасос, обогреваемые одним источником тепла. Таким образом, в абсорбционном холодильном агрегате непрерывного действия роль всасывающей части механического компрессора выполняется абсорбером, а нагнетательной – термонасосом.

    Российской промышленностью выпускаются абсорбционные холодильные агрегаты: Морозко 3м, 4м, 5м; Ладога 40м; Спутник АШ-60, Кристалл 4, 9,9 м, 12м; Иней, Россия. Стоимость таких агрегатов значительно дешевле, но нет в нашей республике гарантийного обслуживания и ремонта.

    В пароэжекторной холодильной машине рабочий пар из кипятильника (парогенератора) поступает в сопло эжектора, где расширяется и, выходя из сопла с большой скоростью, инжектирует (захватывает) холодный пар из испарителя. Общий поток поступает в конденсатор, где создается давление Рк.

    Схема пароэжекторной холодильной машины

    1 - кипятильник; 2 – эжектор; 3 – испаритель; 4 – охладительные объекты; 5, 7 – насосы; 6 – конденсатор.

    Из конденсатора основная часть жидкости насосом возвращается в кипятильник, а меньшая часть поступает через регулирующий вентиль РВ1 в испаритель. В нем за счет работы эжектора поддерживается низкое давление Р0, при котором часть воды испаряется, пары отсасываются эжектором, а основная масса охлаждается и насосом подается к охлаждаемым объектам. В испаритель вода возвращается через регулирующий вентиль РВ2.

    По энергетическим показателям пароэжекторные машины уступают компрессионным, но простота их конструкции и обслуживания, низкая начальная стоимость, высокая надежность и возможность использования теплоты низкого потенциала делают их применение в определенных условиях предпочтительным.

    Рабочие вещества холодильных машин, их основные свойства и область применения

    Рабочее вещество, с помощью которого в холодильной машине совершается обратный круговой цикл, называется хладагентом. Хладагенты используют в холодильных машинах, кондиционерах воздуха и теплонасосах. Наиболее распространенными теплоагентами являются вода, аммиак, хладоны и воздух.

    В зависимости от используемого хоадагента холодильные машины делят на две группы: паровые и газовые.

    Паровые машины бывают двух типов – компрессионные и абсорбционные. В машинах первого типа циркуляцию хладона осуществляет компрессор. Во втором типе – циркуляция обеспечивается за счет тепловой энергии теплонагревателя при нагреве им сжиженного газа.

    В газовых машинах в качестве хладагента используют воздух.

    В кондиционерах в качестве хладагента используют воду, т.к. температура теплоносителя всегда больше 00С (t > 00С).

    Воду используют в качестве хладагента и в установках абсорбционного и эжекторного типов.

    Аммиак применяют в специальных абсорбционных установках при температуре кипения tк > -700С. Основные преимущества его:

    - малый удельный объем при температурах испарения;

    - большая теплота парообразования;

    - незначительная растворимость в масле;

    - не оказывает координирующего действия на сталь.

    К недостаткам относятся его ядовитость, горючесть, а также взрывоопасность при концентрации в воздухе 16…26,8 %. В смеси с водой разъедает цинк, медь, бронзу и др. медные сплавы, за исключением фосфористой бронзы. Поэтому большее распространение получили в качестве хладагентов углеродные или углеводородные соединения, содержащие фтор, хлор и бром. Это позволило повысить надежность, энергетическую эффективность и безопасность холодильных машин. Первоначально такие галоидопроизводные предельных углеводородов называли фреонами из-за того, что торговая американская фирма “Дюпон” в 1928 г. Впервые синтезировала фреон-12. В настоящее время вместо термина “фреон” введен термин “хладон”. Обозначение хладонов согласно международного стандарта МС ИСО 817-74 строится по формуле RN (где R – символ, обозначающий холодильный агент; N – номер хладона или присвоенный номер для других хладагентов). Для хладонов номер расшифровывается в следующем порядке.

    Первая цифра в двухзначном номере или первые две или первые две цифры в трехзначном номере обозначают тот насыщенный углеводород CnH2n+2 , на базе которого получен хладон. Установлены следующие цифры: 1 - СН4 (метан); 11 - С2Н6 (этан); 21 – С3Н8 (пропан); 31 – С4Н10 (бутан) и т.д. Галоидные соединения насыщенных углеводородов CnH2n+2 , полученные путем замены атомов водорода атомами фтора, хлора, брома (CnHxFyClzBru), чрезвычайно многочисленны. Число молекул отдельных составляющих, входящих в эти химические соединения, связаны зависимостью x + y + z + u = 2n + 2.

    Справа пишут число атомов фтора в хладоне CF2Cl2R12, C3F4Cl4R214 и т.д. При наличии в хладоне атомов брома после основного номера пишут букву В, а за ней число атомов брома: CF2Br2R12B2 . Незамещенные атомы водорода – плюс столько единиц, сколько осталось незамещенных атомов к первой цифре (метан) или ко второй в остальных соединениях.

    К основным свойствам хладагентов относятся теплофизические, физико-химические и физиологические. К теплофизическим свойствам относятся вязкость μ , теплопроводность λ , плотность ρ , температура замерзания tкр и др. μ, λ, ρ – влияют на коэффициент теплопередачи при кипении и конденсации. Большим значением λ, ρ и малой вязкости μ соответствуют большие значения коэффициентов теплопередачи. Вязкость и плотность влияют на гидравлические сопротивления при циркуляции хладагента в системе. К физико-химическим свойствам относятся растворимость в смазочных маслах и воде, инертность к металлам, взрывоопасность и воспламеняемость. По физиологическим свойствам хладагенты не должны быть ядовитыми.

    По характеру взаимодействия с маслом все хладагенты разделяют на две группы. К первой относятся хладагенты с ограниченной растворимостью в масле (аммиак R717, углекислота R44, близко подходят хладоны R13, R14, R115); ко второй группе – с неограниченной растворимостью (R11, R12, R21, R22, R40). Это значит, что при ограниченной растворимости в жидкой фазе смеси наблюдаются два слоя, из которых в одном преобладает масло, в другом – хладагент. Во втором случае этого не наблюдается и, кроме того, если кипит не чистый хладагент, а смесь (R12 + масло), то для получения такой же температуры кипения, что и для чистого R12, необходимо поддерживать более низкое давление кипения и, следовательно, затрачивать излишнюю работу на сжатие пара.

    Кроме того, маслохладоновая смесь имеет большую вязкость. А это уменьшает коэффициент теплопередачи. Растворимость хладонов в воде также имеет важное значение для нормальной работы холодильной машины. Избыточное присутствие влаги приводит к “запайке” льдом дроссельного отверстия терморегулирующего вентиля.

    Взаимодействие хладонов с металлами зависит также от содержания в них влаги.

    Галогенизированные углеводороды дают с влагой галогенные кислоты, при которых возможны гидролиз хладона и коррозия металлов.

    Хладагент не должен быть взрывоопасным и ядовитым, а также не воспламеняться в смеси с воздухом. Однако аммиак вызывает раздражение глаз и верхних дыхательных путей. Допустимая концентрация его в воздухе > 0,02 г/м3.

    Хладоны с большим содержанием фтора или полностью фторированные (R13, R113) практически безвредны для человека. R12 только на открытом пламени разлагается на составные части. В продуктах его разложения содержится фосген. Недостаток фтора – озоновые дыры.

    В каких областях применяются различные хладагенты?

    Аммиак (R717), хладоны (R12, R22) используют в компрессионных холодильных машинах для получения температуры кипения до -30…-400С без вакуума в системе охлаждения. R12 применяют в одноступенчатых холодильных машинах с tконд = < + 750С и tкип = > -300С, в домашних холодильниках, кондиционерах, водоохлаждающих холодильных машинах. R22 применяют для машин с поршневыми и винтовыми компрессорами одно- и двухступенчатого сжатия, а также в бытовых холодильниках. Диапазон tкип = -10…1700С, tконд = < 500С.

    Для уменьшения растворимости и циркуляции масла вместо R22 используют смесь R22 и R12, а также азетропную смесь R502.

    R502 применяют в низкотемпературных одноступенчатых холодильных машинах при tконд = < 500С и tкип = > -450С и т.д.

    Для практического использования наиболее перспективными можно считать следующие хладагенты:

    для высокотемпературных холодильных машин

    Ркр0 R12/R114; R22/R114; R143/R142

    Р0 – давление расширения

    для среднетемпературных

    R22/R114; R143/R12; R13B1/R12; R12/R142; R22/R12/R142/CO2

    для низкотемпературных

    R13/R12; R13B1/R12; R13/R22/R12/азот.

    Примерные обозначения и основные термодинамические

    свойства наиболее распространенных хладонов

    Символическое обозначение

    Химическое название

    Термодинамические свойства

    Темпер. кипения,

    tн , 0С

    Темпер.

    замерзан.

    t3 , 0С

    Критич.

    темпер.

    tкр , 0С

    Критич.

    давление

    Ркр, МПа

    Уд.теплота парообраз.

    q уд,кДж/кг

    R717

    R744

     

    R11

     

    R12

     

    R22

    Аммиак

    Двуокись углерода

    Фтортрихлорметан

    Дифтордихлорметан

    Дифтор-

    -78,8

    -78,8

     

    -23,6

     

    -29,7

     

    -40,8

     

     

    -56,6

     

    -111,0

     

    -155,9

     

    -160,0

     

     

    31,2

     

    198,0

     

    112,0

     

    96,1

     

     

    7,38

     

    4,37

     

    4,11

     

    4,99

     

     

    573

     

    182

     

    166

     

    239

     

    хлорметан

    атмосферному = Р = атмосферному

     

    По давлению конденсации при температуре конденсации tк = 300С хладагенты делятся на три группы:

    1) хладагенты высокого давления (2 < Р30 < 7 МПа) или низкотемпературные (tн.к ниже -600С) – R744; R13; R14;

    2) хладагенты среднего давления (0,3 < Р30 < 2 МПа) или среднетемпературные (tн.к выше -600С и ниже -100С) – R717; R12; R22; R115; R143; R502;

    3) хладагенты низкого давления (Р30 < 0,3 МПа) или высокотемпературные (tн.к выше -100С).

    По виду использования хладагента холодильные машины подразделяются на аммиачные, хладоновые, пропановые, пароводяные, водоаммиачные и др. На практике применяется более двадцати хладагентов.

    Поскольку в сельском хозяйстве применяются в основном компрессионные холодильные установки, трущиеся части компрессора должны быть тщательно смазаны. Для смазки применяются специальные смазочные масла, которые длительное время сохраняют свои физико-химические свойства без старения с возможно низкой температурой застывания и высокой температурой вспышки. Для этой цели применяют специальные холодильные (рефрежираторные) масла высокого качества типа ХФ. При этом каждому виду хладона должен соответствовать его тип масла (R12 – ХФ 12-16; R22 –ХФ 22-24; R717 –ХА; ХА-23; ХА-30; ХА-34).

    Старение масла происходит под действием кислорода воздуха, в результате чего происходит коррозия металла и выделение смолистых веществ, которые приводят к закупорке небольших проходных отверстий в холодильной машине. Смазочные масла не должны содержать влаги. Поэтому выпускают их тщательно просушенными, а хранят в герметически закрытой таре. Перед заправкой холодильной машины масло обязательно дополнительно сушат.

    Смазочные масла должны иметь низкие температуры помутнения и застывания. Помутнение происзодит при понижении температуры вследствие выделения из масла кристаллов парафина. А это приводит к закупорке небольших проходных сечений в машине (капиллярных трубок) и нарушению нормальной работы холодильника.

    КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

    1. Какие Вы знаете физические принципы получения искусственного холода?

    2. Опишите идеальный цикл холодильной машины.

    3. Опишите действительный цикл холодильной машины.

    4. Опишите признаки, по которым классифицируются холодильные машины.

    5. Какие рабочие вещества используются в холодильных машинах?

    6. Опишите принцип работы компрессионной холодильной машины.

    7. Опишите принцип работы абсорбционной холодильной машины.

    8. Опишите принцип работы пароэжекторной холодильной машины.

    9. Опишите принцип работы термоэлектрического холодильника.

    Дополнительная литература

    Холодильная техника. Под ред. В.Ф. Лебедева. –М.: Агропромиздат, 1986.

    А.И.Побединский и др. Искусственный холод на предприятиях АПК. –Мн.: Ураджай, 1994

    Содержание дисциплины

    Проектирование поточных технологических линий кормоцеха

    Закрепление материала
    Тестирование материала