 |
Принцип работы холодильных машин
|
|
|
|
Для осуществления процесса непрерывного искусственного охлаждения в настоящее время применяют различные типы холодильных машин. Процессы, происходящие в холодильных машинах, связаны с последовательным изменением параметров состояния рабочего вещества: температуры, давления, объема и внутренней энергии. В зависимости от принципа действия они делятся на абсорбционные, эжекторные и компрессионные
В абсорбционных холодильных машинах в качестве рабочего тела используют водоаммиачный раствор. Принцип работы такой машины основан на цикличном выделении с помощью газового абсорбера аммиака из водоаммиачного раствора. Пары аммиака интенсивно кипят в испарителе при низком давлении с поглощением тепла. Такие машины применяются для охлаждения до -600 С.
Наиболее простыми и дешевыми холодильными машинами являются пароводяные эжекторные холодильные машины, в которых в качестве рабочего тела используется рассол, представляющий собой смесь воды и водяных паров. При отсасывании паров воды из испарителя давление в нем уменьшается, что приводит к
охлаждению рассола или воды. С помощью пароводяных эжекторных машин можно добиться охлаждения до – 150 С.
На предприятиях торговли и общественного питания чаще всего используют холодильное оборудование, оснащенное компрессионными холодильными машинами. Это наиболее универсальный вид холодильных машин, которые позволяют создать температуру ниже -1000 С. Схема компрессионной холодильной машины представлена на рис. 3.2.
Холодильная машина представляет собой замкнутую систему, по которой перемещается хладагент. Механическую работу по перемещению хладагента совершает компрессор 1. За один рабочий цикл хладагент дважды совершает фазовые превращения. Сначала горячий газообразный хладагент, нагретый вследствие сжатия в рабочей камере компрессора при ходе поршня вверх, нагнетается в конденсатор 2. Конденсатор выполнен в виде трубчатого охлаждаемого водой или воздухом теплообменника. Соприкасаясь с холодными стенками труб конденсатора, пары хладагента конденсируют и превращаются в воду. Под действием давления в трубопроводе машины жидкий хладагент из конденсатора поступает в регулирующий вентиль 3, состоящий из камеры высокого и низкого давления, соединенных между собой отверстием малого диаметра. Попадая в зону низкого давления, хладагент дросселирует, т.е. совершает фазовые превращения по переходу из жидкости в пар. Такое состояние хладагента называется кипящим. Этот процесс сопровождается резким понижением температуры хладагента. Пары холодного хладагента поступают в испаритель 4 и поглощают тепло из окружающей среды. При ходе поршня вниз пары хладагента всасываются в рабочую камеру компрессора, после чего рабочий цикл повторяется вновь.
|
|
|
Рис. 3.2. Схема компрессионной холодильной машины
¾ паровой трубопровод
¾ жидкостный трубопровод
3.3. Термодинамические процессы, протекающие при работе
компрессионной холодильной машины
Рабочие циклы в термодинамических системах делят на прямые и обратные. При прямом цикле происходит передача тепла от более нагретого тела к менее нагретому. При обратном ¾ от менее нагретого к более нагретому. Если при совершении цикла в термодинамической системе не происходит изменение внутренней энергии, то такой цикл называется обратимым.
Обратимый цикл является образцовым, т.к. на его осуществление требуется минимум работы (теплоты). В термодинамике известно несколько образцовых циклов: Карно, Лоренца, Стирленга и др. Выбор того или иного зависит от условий теплообмена. В основе принципа действия холодильных машин лежит обратный цикл Карно.
|
|
|
Для удобства изучения обратный цикл Карно представляют графически в виде циклограммы энтропия s абсолютная температура Т (рис. 3.3).
Энтропия является расчетным параметром вещества и представляет собой функцию состояния термодинамической системы, которая характеризует направление протекания процесса теплообмена между системой и внешней средой:
,
где Q ¾ теплота рабочего тела, кДж;
Т ¾ средняя абсолютная температура, 0К.
Т 3 2
Т0 4 1
Холодопроизвод.
Q
s2 s1 S
Рис. 3.3. Обратный цикл Карно
Обратный цикл Карно состоит из 4 основных этапов
1) на первом этапе газообразное рабочее тело адиабатически сжимается, в результате чего его внутренняя энергия повышается, что сопровождается увеличением температуры c Т0 до Т (1 ¾ 2). Этот этап протекает в рабочей камере компрессора при ходе поршня вверх;
2) после сжатия газ, соприкасаясь с холодными стенками, конденсатора изотермически конденсируется при температуре Т, отдавая теплоту в окружающую среду (2¾3);
3) образовавшаяся жидкость адиабатически расширяется, что приводит к уменьшению ее энергии и снижению температуры до Т0 (3 ¾ 4);
4) за счет понижения давления в камере низкого давления регулирующего вентиля и в испарителе при ходе поршня компрессора вверх жидкость изотермически испаряется, что сопровождается совершением полезной работы, связанной с поглощением теплоты из окружающей среды (4 ¾ 1).
Согласно второму закону термодинамики полезная работа, совершаемая рабочим телом
L = Q - Q0,
где L ¾ полезная работа, совершаемая рабочим телом;
Q ¾ теплота, отдаваемая рабочим телом в окружающую среду;
Q0 ¾ теплота, поглощаемая рабочим телом из окружающей среды и называемая холодопроизводительностью холодильной машины.
Теплоту Q и Q0 можно выразить через энтропию:
Q = T(s1 - s2); Q0 = T0(s1 -s2).
Тогда
L = (T - T0)(s1 - s2).
Эффективность холодильного цикла оценивается холодильным эффектом:
e = Q0 /L = Q0 /(Q - Q0) = T /(T - T0).
В реальных условиях полной обратимости цикла добиться невозможно по целому ряду причин:
|
|
|
¾ необходимость затрат дополнительной энергии на преодоление сил трения при сжатии и расширении хладагента;
¾ разница работ, затраченных на сжатие и расширение хладагента;
¾ неполное парообразование и т.д.
Эффективность реального цикла оценивается по коэффициенту обратимости:
h к = e к /e.
Свойства хладагентов
Хладагент должен обладать определенными физическими, химическими и термодинамическими свойствами для эффективной и безопасной работы холодильной машины.
С точки зрения безопасности хладагент должен быть:
¾ химически инертным,
¾ невоспламеняющимся,
¾ взрывобезопасным,
¾ нетоксичным.
Кроме того, он не должен отрицательно воздействовать на смазочные и другие материалы, используемые в конструкции машины.
Эффективность хладагента повышается с увеличением значения его скрытой теплоты и уменьшением удельного объема пара, что приводит к снижению энергетических затрат и повышению производительности компрессора и холодильной машины в целом. Этому же способствует низкая удельная теплоемкость жидкого хладагента и высокая удельная теплоемкость пара.
Вещества, используемые в холодильной технике в качестве хладагентов, обозначаются буквой R от слова refrigerant, означающее хладагент. В наибольшей степени перечисленным требованиям для работы компрессионных холодильных машин отвечают аммиак и группа хладагентов, называемых хладонами.
Аммиак (NH3) R717 является самым простым и дешевым хладагентом. Он обладает следующими основными преимуществами:
¾ наибольшей удельной холопроизводительностью из всех хладагентов;
¾ малым удельным весом;
¾ большой теплотой парообразования;
¾ практически не растворяется в масле и не ухудшает его свойства;
¾ не взаимодействуют со сталью.
Недостатками аммиака являются:
¾ ядовитость и токсичность;
¾ взрывоопасность и горючесть при концентрации в воздухе свыше 16 %;
¾ в присутствии воды разъедает медные сплавы и другие материалы.
Исходя из перечисленных достоинств и недостатков, аммиак находит широкое применение в промышленных холодильных установках. Однако для бытовых, торговых и технологических холодильных машин используют хладоны, обладающие значительно большей безопасностью.
|
|
|
Хладонами называют галогеносодержащие углеводороды, в которых атомы водорода полностью или частично замещены атомами галогенов, чаще всего фтором или хлором. В холодильных машинах для предприятий торговли и общественного питания наибольшее распространение получили хладоны этановой и метановой групп.
Хладоны метановой группы маркируются двухзначным номером. Если атомы водорода полностью замещены, то первая цифра - 1.Если водород замещен не полностью, то первая цифра определяется как 1+ п, где п ¾ количество незаме-
щенных атомов водорода. Вторая цифра указывает количество атомов фтора. Наибольшее распространение среди хладонов этой группы получили R12 (CF2Cl2) и R 22 (CHF2Cl). Они имеют низкую температуру кипения (соответственно -29,8 и -40,80 С при нормальном атмосферном давлении), абсолютно взрывобезопасны и нетоксичны. Их хорошая растворимость в масле не ухудшает работу холодильных машин, а наоборот способствует растворимости масляных пленок на стенках труб испарителя и конденсатора, что улучшает теплообмен и повышает производительность и КПД. Однако исследования последних лет позволили установить, что эти хладагенты относятся к азоноразрушающим веществам. Поэтому в настоящее время их интенсивно заменяют на более безопасные в этом плане хладагенты этановой группы.
Хладагенты этановой группы номеруются трехзначным числом. Две первые 11 означают полное замещение атомов водорода. Последняя цифра указывает количество атомов фтора. В настоящее время из хладагентов этой группы используют R113 (C2F3Cl3) и R114 (C2F4Cl4). Несмотря на относительно высокие температуры кипения при нормальном давлении (соответственно 47,5 и 3,60 С) их успешно используют для работы средних и низкотемпературных холодильных машин. Этого добиваются за счет создания низкого давления при изотермическом расширении хладона в испарителе.
В качестве хладагентов также используют так называемые азеотропные смеси хладагентов этановой и метановой групп, которые не меняют своего состава при кипении и конденсации. К ним относятся такие, как R500, R502, R507, R508 и др.
Исследования, проведенные во второй половине 20 века, позволили установить, что многие хлоросодержащие хладагенты, достигая стратосферы, под действием ультрафиолетовых лучей выделяют хлор, который интенсивно реагирует с озоном и разрушает озоновый слой земли. Эта способность хладагентов получила название озоноразрушающего потенциала ОРП, а сами такие хладагенты называют CFC- хладагентами (озоноразрушающими). В связи с этим в 1989 г. вступил в силу Монреальский протокол, по которому с 1996 г запрещен выпуск хладагентов R12, R113, R114 и др. Хладагенты R21, R22 и R142б были отнесены к группе полуразрушающих и их применение должны быть полностью запрещено к 2020 году. Озонобезопасными признаны HFC -хладагенты, к которым относятся такие, как R125, R134а, R 507, R508А, и некоторые др.
|
|
|
|
|
|
