Энциклопедия Кольера - холодильная техника

Хладагенты. Хотя в конкретных холодильных устройствах могут использоваться самые разнообразные летучие жидкости, некоторые специфические требования сужают количество хладагентов до одной-двух жидкостей, пригодных для широкого практического использования. Эти жидкости должны быть неядовитыми, негорючими, не вступать в химическое взаимодействие со смазкой, иметь высокую теплоту испарения, подходящие критическую температуру и температурную зависимость давления насыщенных паров, малый удельный объем. Как правило, желательно использовать хладагенты, имеющие такую зависимость давления насыщенных паров от температуры, чтобы небольшое избыточное давление соответствовало области разрежения компрессора и не слишком высокое зоне сжатия. Небольшое избыточное давление в зоне разрежения позволяет избежать проблем, которые возникают, если давление разрежения ниже атмосферного, а умеренное давление в зоне сжатия позволяет облегчить конструкцию и снизить ее стоимость. Наиболее употребительными хладагентами являются воздух, вода, аммиак, углекислота, хлористый метил, сернистый ангидрид и различные фреоны. Воздух используется главным образом в системах охлаждения в авиации, тогда как аммиак находит наибольшее применение в крупных холодильных камерах. Углекислота в свое время широко применялась в установках на морских судах из-за своей нетоксичности и негорючести, однако вследствие очень высокого давления ее насыщенных паров при нормальных температурах (более 7 МПа) была практически вытеснена фреонами (хладонами). Хладагент, наиболее широко используемый в системах кондиционирования, фреон-22 (дифтормонохлорметан) нетоксичная, негорючая жидкость, обладающая подходящей температурной зависимостью давления насыщенных паров. Другие фреоны широко применялись в системах, работающих при низких температурах испарения или при очень малых перепадах давлений расширения и сжатия (центробежные компрессоры). В связи с неблагоприятным влиянием на стратосферный озон производство озоноактивных фреонов сокращается. Вода в качестве хладагента не обладает удовлетворительными температурными характеристиками по давлению, и ее использование поэтому ограничено специальными установками, например пароэжекторными холодильными машинами.

Холодильный цикл. Простой паровой цикл механической холодильной машины реализуется с помощью четырех элементов, образующих замкнутый холодильный контур, компрессора, конденсатора, дроссельного вентиля и испарителя или охладителя (рис. 1). Пар из испарителя поступает в компрессор и сжимается, вследствие чего его температура повышается. После выхода из компрессора пар, имеющий высокие температуру и давление, поступает в конденсатор, где охлаждается и конденсируется. В некоторых конденсаторах используется режим переохлаждения, т.е. дальнейшее охлаждение сконденсировавшейся жидкости ниже ее температуры кипения. Из конденсатора жидкость проходит через дроссельный вентиль. Поскольку температура кипения (насыщения) для данного давления оказывается ниже температуры жидкости, начинается ее интенсивное кипение; при этом часть жидкости испаряется, а температура оставшейся части опускается до равновесной температуры насыщения (тепло жидкости расходуется на ее превращение в пар). Процесс дросселирования иногда называют внутренним охлаждением или самоохлаждением, поскольку в этом процессе температура жидкого хладагента снижается до нужного уровня.

Рис. 1. СХЕМА ХОЛОДИЛЬНОГО ЦИКЛАТаким образом, из дроссельного вентиля выходят насыщенная жидкость и насыщенный пар. Насыщенный пар не может эффективно отводить тепло, поэтому он перепускается мимо испарителя и подается прямо на вход компрессора. Между дросселем и испарителем установлен сепаратор, в котором пар и жидкость разделяются.

Единицы измерения холода. Как пережиток старых времен до сих пор широко используется понятие "тонна холода". Одна тонна холода это количество энергии, которое необходимо отобрать, чтобы 1 т воды при температуре 0В° С превратить в лед при температуре 0В° С за 24 ч. Эта величина определяет минимальный эффект охлаждения, который реализуется при плавлении одной тонны льда в течение суток. Действительный холодильный эффект превышает этот минимум, так как коммерческий лед поставляется в переохлажденном состоянии при температуре около -12В° С, и, кроме того, образовавшаяся после его таяния вода нагревается до некоторой плюсовой температуры. Фактический охлаждающий эффект единицы массы льда, поставляемого при температуре ti и удаляемого в виде воды при температуре tw, равен (температура в В°С): 4,19 (tw + 80 1/2ti). В холодильных установках вместо коэффициента полезного действия, характеризующего эффективность тепловых машин, используется т.н. эксергетический холодильный коэффициент. Он представляет собой отношение полезного отведенного тепла к теплу, которое эквивалентно механической работе, необходимой для достижения этого охлаждения. При обычных рабочих условиях холодильный коэффициент изменяется в диапазоне от 3 до 8. Здесь необходимо отметить, что это, конечно, не означает, что система отдает больше энергии, чем получает (этот результат противоречил бы первому закону термодинамики). Это говорит только о том, что небольшое количество механической работы способно повысить энергетический потенциал, т.е. температурный уровень, значительно большего количества энергии.

Термоэлектрическое охлаждение. Термоэлектрический холодильник работает на основе эффекта Пельтье, который заключается в выделении или поглощении теплоты при прохождении электрического тока через спай термопары. На рис. 2 схематично показано поперечное сечение такого холодильника объемом 65 дм3, способного поддерживать температуру холодильной камеры на 10В° С ниже температуры окружающей среды. В верхней части расположены 72 термоэлемента, обеспечивающие охлаждение, которые потребляют большую часть из 135 Вт электроэнергии, необходимой для работы холодильника. В канале обдува воздухом расположены специальные ребра для лучшего сброса тепла, а в камере установлены пластины для увеличения поверхности теплообмена. Подобные холодильники на судах рассчитаны на хранение шести тонн замороженных или охлажденных продуктов. Промышленность выпускает и другие типы термохолодильников, в частности термостаты для лабораторных нужд.

См. также Термоэлектричество.

Рис. 2. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ХОЛОДИЛЬНИК (может быть сделан портативным). 1 охлаждающие ребра; 2 вентилятор; 3 жалюзи; 4 термоэлементы; 5 тепловая изоляция; 6 холодные пластины.Запасание холода. Для тех случаев, когда не требуется непрерывное охлаждение, широко распространенный метод снижения начальных и эксплуатационных затрат состоит в использовании компрессора меньших размеров, работающего в непрерывном режиме; при этом необходимо дополнительное оборудование для запасания холода, когда охлаждение не требуется. Для запасания холода используются различные методы. В некоторых случаях в то время, когда холод не нужен, охлаждают емкость водой или другими жидкостями, а затем используют ее для дополнительного охлаждения в те короткие периоды, когда необходимо охлаждение продукта. В других установках запасание холода производится путем намораживания льда вокруг змеевика испарителя и последующего использования скрытой теплоты плавления. Метод намораживания предпочтительнее, поскольку позволяет запасти холод в значительно меньшем объеме (теплота плавления льда в ХОЛОДИЛЬНАЯ ТЕХНИКА80 раз превышает удельную теплоемкость воды). Технически, однако, имеются некоторые проблемы, связанные с намораживанием, в частности больший объем льда и повышение термического сопротивления между испарителем и окружающей средой. Эти причины ограничивают применение данного метода теми установками, для которых существенно снижение начальных затрат.

Холодное хранение. Скорость порчи органических продуктов возрастает с ростом температуры, хотя и не в прямой пропорции. Таким образом, охлаждение, например, пищевых продуктов может замедлить их порчу и продлить срок годности. Крупные склады-холодильники используются как централизованные хранилища, в которых для различных продуктов могут поддерживаться требуемые условия хранения. Хотя не существует единого мнения относительно оптимальных температур хранения любых продуктов, для наиболее важных овощей, фруктов, мяса и непищевых продуктов, таких, как меха и ткани, накоплен большой опыт, который позволяет определять подходящие условия хранения. Наиболее распространенными холодильными установками для больших объемов являются: 1) установки, в которых змеевик испарителя расположен непосредственно в холодильной камере и обдувается потоком воздуха; 2) камеры, у которых в стенах или потолке расположены контуры циркуляции вторичного хладоносителя, а внутренняя циркуляция воздуха осуществляется за счет естественной конвекции.

Многоступенчатое сжатие. Один из методов повышения эффективности холодильных циклов заключается в применении многоступенчатого сжатия с частичным охлаждением сжатого пара между ступенями. При получении твердой углекислоты (сухого льда) обычно используются три ступени сжатия с промежуточным водяным охлаждением. С точки зрения термодинамики, смысл такой операции состоит в уменьшении работы цикла до значения, близкого к затратам при изотермическом сжатии, по сравнению с одноступенчатым, т.н. изэнтропическим. При использовании воды в контурах промежуточного охлаждения пар может быть охлажден до температуры, близкой к температуре охлаждающей воды. Более эффективным оказывается применение жидкого холодильного агента в качестве промежуточного хладоносителя между ступенями. В этом методе используется колонна жидкого хладагента при давлении пара, который должен быть охлажден. Пар входит в колонну снизу и поднимается через жидкость в виде пузырьков, при этом охлаждаясь до температуры насыщенной жидкости, которая частично испаряется. Пар от предыдущей ступени сжатия и пар, образовавшийся при испарении жидкости, поступают в следующую ступень сжатия. В идеальном случае необходимо бесконечное число ступеней сжатия и такое же число камер промежуточного охлаждения (барботерных колонн) с жидкостью для реализации процесса сжатия, соответствующего движению состояний хладагента вдоль линии насыщенного пара. Реальные системы редко содержат более трех ступеней и весьма далеки от такого процесса, но тем не менее использование камер, в которых пар пропускается сквозь жидкость, оказывается эффективным средством уменьшения полной работы сжатия. Очевидно, однако, что жидкий хладагент должен использоваться для охлаждения пара только после его предварительного охлаждения в промежуточном водяном контуре.

Многократное дросселирование. В системах с многоступенчатым сжатием имеется дополнительная возможность для повышения холодильного коэффициента за счет использования вместо одного дроссельного вентиля группы расположенных последовательно вентилей, каждый из которых обеспечивает понижение давления хладагента, соответствующее повышению давления соответствующей ступени сжатия. При выходе из каждого дроссельного вентиля смесь насыщенных жидкости и пара разделяется в сепараторе, и пар, который уже не нужен для дальнейшего охлаждения, возвращается непосредственно на вход той ступени сжатия, для которой давление разрежения равно давлению в данной сепарационной камере. Таким образом, пар, образующийся при вскипании жидкого хладагента вследствие понижения давления, поступает на сжатие при существенно более высоком давлении, чем давление в испарителе, и поэтому требует меньшей работы сжатия, чем если бы весь пар имел давление, равное наименьшему давлению разрежения. Многократное дросселирование редко используется в холодильных установках с одним уровнем охлаждения, однако в системах с несколькими уровнями, в которых необходимо использование двух или более испарителей, работающих при различных давлениях, экономия энергии за счет многократного дросселирования оправдывает их использование. Многократное расширение вряд ли оправдано в системах с нагрузкой менее 50 т из-за необходимости использования довольно сложной и дорогой системы управления.

Многократное сжатие. В не слишком больших холодильных установках несколько уровней охлаждения иногда обеспечивается одним компрессором, специально спроектированным для работы с паром от двух испарителей, работающих при различных давлениях. Пар от испарителя низкого давления поступает в цилиндр компрессора, как обычно, путем всасывания при движении поршня. Когда поршень доходит до положения мертвой точки и цилиндр полон пара низкого давления, всасывающий клапан низкого давления закрывается. После этого открывается второй всасывающий клапан, через который поступает пар от испарителя высокого давления. Этот пар смешивается с паром низкого давления, давление смеси поднимается до уровня, соответствующего испарителю высокого давления. После этого поршень перемещается в обратном направлении, сжимает смесь и выбрасывает ее в конденсатор. Серьезное ограничение такой системы состоит в том, что отношение нагрузок на испарители должно быть связано с отношением масс пара, поступающего в цилиндр; регулирование хода поршня позволяет в небольших пределах изменять отношение нагрузок, однако этого недостаточно для практических нужд в большинстве холодильных установок средней мощности.

Абсорбционные холодильные установки. Работа цикла, необходимая для механического сжатия газа, затрачивается не столько на повышение давления, сколько на уменьшение объема газа. Если вещество, давление которого нужно повысить, несжимаемо, то для изменения давления не нужно совершать работу. Например, изменить давление можно путем охлаждения. В абсорбционных системах сохраняются конденсатор, дроссельный вентиль и испаритель, как и в обычной компрессорной установке, однако вместо компрессора используются четыре других элемента: абсорбер, насос, парогенератор (кипятильник) и редукционный клапан. Пар из испарителя попадает в абсорбер. Там он соприкасается с абсорбирующей жидкостью, которая поглощает находящийся в паровой фазе хладагент; давление в абсорбере при этом понижается, что обеспечивает непрерывное поступление пара из испарителя. В процессе абсорбции происходит выделение тепла, следовательно, абсорбер должен охлаждаться, например, за счет циркуляции воды. Холодная смесь абсорбирующей жидкости и хладагента поступает в насос, в котором ее давление повышается. Поскольку повышение давления жидкости сопровождается лишь незначительным изменением ее объема, необходимая для этого работа мала. После выхода из насоса холодная жидкость высокого давления поступает в кипятильник, где к ней подводится тепло, и большая часть холодильного агента испаряется. Этот умеренно перегретый пар высокого давления проходит через конденсатор и совершает обычный холодильный цикл, а абсорбент охлаждается и возвращается в абсорбер (через редукционный клапан) для повторения цикла. Действительный абсорбционный цикл отличается от идеального тем, что часть абсорбента испаряется в кипятильнике и уносится вместе с парами хладагента. Если его не отделить от хладагента до входа в испаритель, то это приведет к повышению температуры в испарителе, или на практике давление в испарителе будет значительно меньше давления насыщения при той температуре, которая должна быть в испарителе. Отделение абсорбента от хладагента частично происходит в сепараторе, который расположен между конденсатором и кипятильником и служит для конденсации абсорбента и возврата его в кипятильник вместе с небольшим количеством сопутствующего хладагента. Механическая работа абсорбционных холодильных установок значительно меньше, чем компрессионных, однако общие затраты энергии значительно выше. Энергия, которая подводится к кипятильнику, много больше той, которая отводится от абсорбера охлаждающей водой. Там, где электроэнергия дорогая, а тепловая энергия и охлаждающая вода дешевы, абсорбционные установки более выгодны, чем компрессионные.

Пароэжекторная холодильная установка. Другой способ получения холода без совершения механической работы состоит в эжекции пара из испарителя. В такой установке хладагентом является вода, поэтому температура в холодильной камере не может быть ниже 0В° С. Пароэжекторные установки находят применение в промышленности, там, где имеются пар высокого и среднего давления и дешевая вода для охлаждения. Эти установки используются также на судах, поскольку небольшое число движущихся частей упрощает их обслуживание и ремонт.

См. также Бытовая Техника.

ЛИТЕРАТУРА

Бромлей М.Ф. Гидравлические машины и холодильные установки. М., 1971 Доссат Р. Основы холодильной техники. М., 1984 Промышленная теплоэнергетика и теплотехника. М., 1991