Раздел I холодильные машины

Глава 1. Принципы искусственного охлаждения

Всякое нагретое тело можно охладить естественным путем до температуры окружающей его среды: наружного воздуха, речной и морской воды, почвы. Достичь температуру охлаждаемого тела ниже температуры окружающей среды можно только искусственным путем. Различают область умеренного охлаждения, в которой получают температуры до —120° С, и область глубокого охлаждения, когда температура достигает ниже—120° С. Пределом искусственного охлаждения является абсолютный нуль (—273,2°С).

ПОЛУЧЕНИЕ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР И СПОСОБЫ ОХЛАЖДЕНИЯ

Охладить тело, т. е. отнять от него тепло, может только другое тело, температура которого ниже температуры охлаждаемого. Количество теплоты, которое отнимает охлаждающее тело от охлаждаемого тела или среды, характеризует его холодильный эффект, называемый холодопроизводительностью.

Охлаждаемой средой может быть воздух камеры, в которой хранят скоропортящиеся продукты, вода при получении искусственного льда, земляной грунт при проходке шахт и др.

В качестве охлаждающих используют тела, с помощью которых совершаются физические процессы, протекающие при низких температурах со значительным поглощением теплоты, в частности процессы изменения агрегатного состояния тела. Для достижения низких температур применяют также процессы расширения с совершением внешней полезной работы, процесс

Охлаждение при использовании процессов изменения агрегатного состояния тел

Изменение агрегатного состояния тела протекает без изменения его температуры, так как поглощаемая (выделяемая) телом теплота расходуется на преодоление (увеличение) сил сцепления между молекулами. Для охлождения используют процессы изменения агрегатного состояния тел, протекающие с поглощением теплоты:

плавление — переход твердых тел в жидкое состояние;

сублимация — переход твердых тел непосредственно в парообразное состояние;

кипение — переход жидких тел в парообразное состояние.

Тела с возможно низкими температурами плавления, сублимации, кипения и с большой теплотой плавления, сублимации и кипения используют в холодильной технике в качестве охлаждающих.

Наиболее доступным охлаждающим телом является водный лед, температура плавления которого 0°С. Холодопроизводительность 1 кг льда соответствует теплоте плавления r=335 кДж/кг. Более низкую температуру плавления имеет эвтектический лед, представляющий собой замороженный раствор воды с солью, а также смеси раздробленного льда или снега с солью. Снижение температуры плавления этих тел ниже 0° С объясняется тем, что в них, кроме плавления, протекает еще процесс растворения соли в воде, сопровождаемый понижением температуры плавления смеси. Наряду с этим уменьшается и теплота плавления, т. е. холодопроизводительность льдосоляной смеси, так как часть холода расходуется на охлаждение самой смеси.

Температура и теплота плавления смеси зависят от вида соли и содержания ее в смеси. Наибольшее применение, находят следующие смеси: хлористый натрий со льдом (температура плавления до —21,2° С) и хлористый кальций со льдом (температура плавления до -55° С).

Телом, имеющим низкую температуру и большую теплоту сублимации, является твердая углекислота (двуокись углерода СО₂), которую называют сухим льдом. При атмосферных условиях этот лед переходит из твердого состояния непосредственно в газообразное (минуя жидкую фазу) при температуре —78,9° С. При этом 1 кг сухого льда поглощает около 575 кДж теплоты.

Лед и льдосоляные смеси, размещенные в заданной среде, охлаждают ее, поглощая теплоту при плавлении или сублимации.

В отдельных случаях для искусственного охлаждения применяют жидкости, имеющие очень низкую температуру кипения. К ним относят жидкий воздух (температура кипения —192° С), жидкий кислород (—183° С) и жидкий азот (—196°С).

Способы охлаждения, основанные на использовании процессов изменения агрегатного состояния (плавление льда, кипение жидкого азота, сублимация твердой углекислоты), имеют ряд недостатков. В частности, охлаждающие тела, воспринимая теплоту от охлаждаемой среды и изменяя свое агрегатное состояние, теряют охлаждающую способность. Поэтому непрерывное охлаждение возможно только при бесконечно большом запасе охлаждающего тела. Так, для непрерывного охлаждения камеры хранения продуктов можно применить лед, но по мере таяния его необходимо заменять на новый.

Однако непрерывное охлаждение можно обеспечить и при использовании одного и того же количества охлаждающего вещества, если после получения холодильного эффекта его вернуть в первоначальное состояние. Это осуществляется с помощью холодильных машин. Для поддержания постоянной низкой температуры рабочего тела в машине чаще всего используют принцип кипения жидких тел. Учитывая, что температура кипения жидкости зависит от давления, можно достигнуть необходимой температуры кипения, поддерживая в закрытом аппарате определенное давление, которое соответствует физическим свойствам кипящей жидкости. При снижении давления температура кипения понижается. Например, вода при атмосферном давлении кипит при 100° С. Если воду поместить в закрытый сосуд и понизить давление до 0,0009 МПа≈0,009 кгс/см², то вода закипит при 5° С. Аммиак (R717) при давлении 0,1 МПа=1,0197 кгс/см² кипит при —33,6° С, при понижении давления до 0,05 МПа=0,5098 кгс/см² температуpa кипения понизится до —46,5° С.

Если закрытый аппарат с насыщенной жидкостью поместить в охлаждаемую среду, температура которой несколько выше температуры кипения жидкости при давлении, созданном в аппарате, то жидкость закипит, а теплота, необходимая для парообразования, будет отниматься от охлаждаемой среды. Для поддержания постоянного давления в аппарате и постоянной низкой температуры кипения жидкости образующиеся пары следует непрерывно отводить.

Охлаждение путем расширения с совершением внешней полезной работы

При расширении сжатого газа (воздуха) и совершении им внешней работы за счет внутренней энергии температура газа понижается. Такое расширение сжатого газа осуществляется в поршневых расширителях или турборасширителях (детандерах). Внешнюю работу, получаемую при перемещении поршня или рабочего колеса детандера, можно использовать.

Наибольшего понижения температуры охлаждения воздуха можно достигнуть при адиабатическом расширении, которое протекает без теплообмена с окружающей средой при постоянной энтропии. В этом процессе работа расширения совершается только за счет внутренней энергии воздуха. Если воздух, сжатый до 9 МПа при температуре окружающей среды, адиабатически расширить до 0,1 МПа, то температура его понизится до —190° С.

Охлаждение за счет дросселирования

Дросселированием называют снижение давления жидкости или газа без изменения энтальпии. Практически оно осуществляется при проходе жидкости или газа через суженное сечение (вентиль, кран, диафрагма и т.п.) из полости высокого в полость низкого давления. Этот процесс является и своеобразным процессом расширения тела, в котором уменьшается его внутренняя энергия. Однако в процессе дросселирования полезной работы не создается. Внутренняя энергия расходуется на преодоление трения при проходе жидкости или газа через суженное сечение.

Дросселирование жидкости, а в определенных условиях и реальных газов сопровождается понижением температуры (эффект Джоуля—Томсона). При дросселировании реальных газов температура понижается незначительно, по сравнению с адиабатическим расширением в заданном интервале давлений. Конечная температура жидкостей при дросселировании может быть такой же, как при адиабатическом расширении. Температура жидкости значительно понижается в результате частичного парообразования. Следует подчеркнуть, что при дросселировании жидкости наблюдается большее парообразование, чем при адиабатическом расширении. Это вызвано тем, что работа сил трения превращается в теплоту и передается дросселируемой жидкости, так как процесс протекает быстро и теплообмен с окружающей средой практически отсутствует.

Охлаждение за счет вихревого эффекта

Этот эффект происходит в результате преобразования энергии сжатого воздуха в трубе специальной конструкции, называемой вихревой (рис. ).

Рис. . Схема вихревой трубы.

Воздух, сжатый и охлажденный до температуры окружающей среды, вводится в трубу 1 через сопло 3 по касательной к внутренней поверхности трубы. В трубе воздух совершает вращательное вихревое движение по отношению к оси трубы и перемещается от сопла 3 к тому концу трубы, где расположен вентиль 4.

Вначале угловая скорость вращения воздуха во внутренних слоях потока гораздо больше, чем в периферийных. По мере движения к вентилю 4 скорость вращения во внутренних слоях уменьшается, а кинетическая энергия их передается периферийным (наружным) слоям. При этом наружные слои воздуха оказываются более нагретыми за счет кинетической энергии, переданной внутренними слоями вихревого потока. В результате внешние, более теплые слои воздуха выходят из трубы 1 через вентиль 4 с температурой более высокой, чем температура поступающего в трубу воздуха, а внутренние— противотоком проходят по центральной части трубы и выходят через диафрагму 2 холодными.

Воздух с низкой температурой используют для охлаждения, а с высокой — для нагревания. Вихревой эффект происходит без совершения внешней работы.

Охлаждение с использованием термоэлектрических процессов

Сущность этого способа охлаждения заключается в том, что под действием электрического тока, проходящего по цепи из двух разных проводников или полупроводников, на спаях появляются разные температуры. Если температура холодного спая окажется ниже окружающей среды, то его можно использовать как охладитель. Значительная разность между температурами на спаях достигается при использовании пар, составленных из разнородных полупроводников. При этом одна ветвь пары должна обладать электронной проводимостью

(—), другая — дырочной (+). Для изготовления полупроводниковых пар используют соединения висмута, сурьмы, селена с добавлением небольшого количества присадок. Наиболее широко распространены сплавыBi₂Te₃+Bi₂Se₃ (с электронной проводимостью) и Bi₂Te₃+Sb₂Te₃ (с дырочной проводимостью).

Рис. . Термоэлемент.

Пара полупроводников, соединенных последовательно, образует термоэлемент (рис. ). Прямоугольные бруски 1 и 2 (называемые ветвями) из полупроводников с электронной и дырочной проводимостью соединяются последовательно металлическими пластинами 3 и 4, которые образуют спаи термоэлементов. В свою очередь термоэлементы объединяют последовательно в батарею. Если по термоэлементу (батарее) пропускать постоянный электрический ток, то в местах спаев (на медных пластинах) возникают разные температуры. На одном из спаев температура понижается до T_х, и холодный спай поглотает теплоту Q₀ от охлаждаемой среды. На другом горячем спае тепло Q_г будет выделяться и переходить в окружающую среду.

В применяемых термоэлементах разность между температурами теплого и холодного спаев реально достигает 60° С, что обусловливает широкое использование их в разных областях техники. Промышленность выпускает термоэлектрические устройства для холодильных шкафов, охлаждаемых баров и т.п.

Положительными особенностями устройств с термоэлементами являются их портативность, отсутствие движущихся частей, бесшумность, надежность и простота обслуживания. Кроме того, в них отсутствует рабочее тело, роль которого выполняет постоянный электрический ток. Однако применение такого способа охлаждения ограничено высокой стоимостью и большим расходом энергии. Холодопроизводительность выпускаемых устройств с термоэлементами не превышает 50—100 Вт.

ПРИНЦИП РАБОТЫ ХОЛОДИЛЬНОЙ МАШИНЫ

Холодильные машины представляют собой замкнутую систему, заполненную рабочим телом. Циркулирующее в холодильной машине рабочее тело отнимает теплоту от охлаждаемой среды и совершает круговой процесс, в результате чего возвращается в первоначальное состояние. Это позволяет осуществлять непрерывное охлаждение с помощью одного и того же количества рабочего тела.

Для возвращения рабочего тела в первоначальное состояние необходимо, чтобы теплота, воспринятая им от охлаждаемой среды, была отдана другому телу (окружающий воздух и вода). Температура воды и воздуха, как правило, выше температуры охлаждаемой среды, поэтому естественный процесс передачи теплоты невозможен. Для переноса теплоты от охлаждаемой среды к более теплой окружающей среде необходимо повысить температуру рабочего тела настолько, чтобы она практически стала выше температуры окружающей среды (воды, воздуха). Для этого необходимо затратить энергию. Последующего понижения температуры можно достигнуть расширением или дросселированием рабочего тела.

Непрерывный круговой процесс, в результате которого теплота от холодного тела передается более теплому, является обратным круговым процессом — циклом.

Рабочее тело, циркулирующее в холодильной машине и совершающее обратный круговой процесс, называют холодильным агентом.

Рис. . Принципиальная схема холодильной машины (а) и теплового насоса (б).

Как показано на рис. , а, охлаждаемая среда (например, воздух холодильной камеры) имеет температуру Т_охл, более низкую по сравнению с температурой окружающей среды T_окр (например, воды или воздуха). Теплота от охлаждаемой среды отнимается холодильным агентом и передается окружающей среде с более высокой температурой. При этом холодильный агент совершает непрерывный круговой процесс.

Согласно второму закону термодинамики для осуществления кругового процесса, который обеспечивает отнятие теплоты от холодной среды и передачу его более теплой, требуется затрата механической работы или энергии других видов и компенсирующих процессов (например, теплоты, которая при этом переходит с высшего температурного уровня на низший). Обратный круговой процесс, осуществляющий искусственное охлаждение в результате переноса теплоты от холодного тела к окружающей среде, называют холодильным циклом.

Холодильные машины, в которых для получения холодильного эффекта используют кипение жидкостей при низких температурах, называют паровыми холодильными машинами.

В паровых холодильных машинах в качестве рабочих тел применяют жидкости с низкими температурами кипения при атмосферном давлении. В некоторых паровых холодильных машинах рабочим телом является вода. В этом случае в охлаждающих аппаратах создается значительное разрежение.

Иногда применяют рабочие тела, не изменяющие агрегатного состояния в холодильной машине. Таким рабочим телом является воздух. Холодный воздух, отнимая тепло от охлаждаемой среды, повышает свою температуру. Холодильные машины, в которых рабочее тело не изменяет агрегатного состояния, а холодильный эффект получают за счет повышения температуры рабочего тела, называют газовыми или воздушными холодильными машинами.

Для достижения низких температур в паровых холодильных машинах применяют процесс дросселирования рабочего тела, а в газовых — адиабатическое расширение с совершением внешней работы или вихревой эффект.

Машины, в которых осуществляется обратный круговой процесс, можно применять не только для искусственного охлаждения, но и для отопления. Машину, обесчивающую отопление с помощью обратного кругового процесса, называют тепловым насосом (рис. ,6). Рабочее тело воспринимает теплоту q_o от окружающей среды (воздух, речная вода, отработавшая производственная вода, отработавшие газы и т. п.) и, совершая круговой процесс, передает теплоту q нагреваемому горячему телу с температурой T_гор (например, вода, которую используют для отопления зданий). Для такого переноса теплоты, как и в холодильных машинах, затрачивается механическая энергия или теплота. Таким образом, принцип работы холодильной машины и теплового насоса одинаков, различие состоит только в том, что холодильные машины работают в интервале от температуры окружающей среды и ниже (до абсолютного нуля), тепловые насосы — от температуры окружающей среды и выше (до 70—80° С).

Холодильные машины можно использовать также для одновременного получения холода и тепла. Тогда они будут работать в интервале от температуры ниже окружающей среды до температуры выше этой среды.

В соответствии с видом затрачиваемой энергии холодильные машины можно разделить на работающие с затратой механической энергии (компрессорные) и работающие с затратой теплоты (абсорбционные и пароэжекторные).

ОБРАТНЫЙ ЦИКЛ КАРНО

Наиболее совершенным холодильным циклом, в котором затрачивается наименьшее количество работы для получения определенного охлаждающего эффекта при условии постоянных температур охлаждаемого и охлаждающего тел, является обратный цикл Карно (рис. , а). Он состоит из двух изотермических и двух адиабатиче­ских процессов.

В изотермическом процессе 4—1 к рабочему телу подводится теплота q_o от охлаждаемой среды. При этом температура рабочего тела Т₀ остается постоянной. В s, T-диаграмме количество теплоты q₀ характеризуется площадью а—1—4—b.

Адиабатический процесс сжатия рабочего тела 1—2 совершается без теплообмена с окружающей средой, а температура рабочего тела повышается от Т₀ до Т. На осуществление такого процесса затрачивается работа l_cж.

В изотермическом процессе 2—3 от рабочего тела отводится теплота q охлаждающей средой, а температура его Т остается постоянной. В s, T-диаграмме теплота q выражается площадью а—2—3—b.

В адиабатическом процессе расширения 3—4 рабочее тело понижает температуру от Т до Т₀ и производит полезную работу l_расш.

Рис. . Обратный цикл Карно:

а — идеальный; б — с реальным процессом теплообмена.

Для осуществления изотермических процессов подвода и отвода теплоты (4—1 и 2—3). предполагается наличие двух бесконечно больших тел (охлаждаемого и охлаждающего), температура которых в процессе теплообмена не изменяется, а также отсутствие разности между температурами источников теплоты и рабочего тела, т. с. T₀ является одновременно температурой рабочего тела и температурой охлаждаемой среды, а T — температурой рабочего тела и окружающей среды.

При осуществлении обратного цикла Карно теплота отнимается от тела с низкой температурой Т₀ и передается телу с более высокой температурой Т. Для такой передачи теплоты затрачивается работа l, равная разно сти между работой, затраченной на сжатие (процесс 1— 2). l_сж и работой, полученной при расширении (процесс 3— 4), l_расш.

Работа, затраченная на совершение обратного цикла Карно, превращается в теплоту, которая передается рабочему телу. Поэтому от рабочего тела к охлаждающей среде с температурой Т отдается не только теплота q₀, взятая от охлаждаемого тела, но и теплота, эквивалентная затраченной работе l.

При этом уравнение теплового баланса имеет вид

Работа, затраченная в цикле, равна

В s, T-диаграмме работа l выражается заштрихованной площадью 1—2—3—4.

Теплота q_0t отнятая от охлаждаемой среды, характеризует холодопроизводительность цикла и соответственно холодопроизводительность 1 кг рабочего тела — холодильного агента, которую называют удельной массовой холодопроизводительностью холодильного агента.

Эффективность холодильного цикла оценивают холодильным коэффициентом ε, который равен отношению количества теплоты, отнятой от охлаждаемого тела, q_o к затраченной в цикле работе l, иначе говоря, холодильный коэффициент выражается отношением количества полученного холода к затраченной на это работе

В s, T-диаграмме q₀ и l выражены площадями, которые для цикла Карно равны:

Холодильный коэффициент цикла Карно

Из уравнения (1) видно, что холодильный коэффициент цикла Карно не зависит от свойств рабочего тела, а обусловливается только температурами T₀ и Т, т.е. температурами охлаждаемой и охлаждающей сред.

Холодильный коэффициент ε тем больше, чем выше температура охлаждаемой среды T₀ и ниже температура охлаждающей среды T. Высокий холодильный коэффициент свидетельствует об экономичности работы холодильной машины.

Обратный цикл Карно характеризует минимальную работу, необходимую для осуществления холодильного цикла в заданном интервале температур охлаждаемой и охлаждающей сред.

Практически температура рабочего тела Т₀ всегда должна быть ниже температуры охлаждаемой среды T_охл (рис. ,6). Тогда теплота от охлаждаемой среды естественным путем перейдет к более холодному рабочему телу (процесс 4—1). Температура рабочего тела Т должна быть выше температуры охлаждающей среды, т. е. воды или воздуха, T_окр. При этом теплота переходит от рабочего тела (процесс 2—3) к воде или воздуху. В этом случае холодильный цикл осуществляется в большем интервале температур, что неизбежно приводят к уменьшению холодильного коэффициента.

При наличии разности между температурами рабочего тела и охлаждаемой или охлаждающей средами процессы теплообмена являются необратимыми и приводят к потерям, что вызывает дополнительную затрату работы в холодильной машине. Так, в цикле с реальными разностями температур Ө₁ и Ө₂ (см. рис. ,6) затраченная работа больше, чем в идеальном цикле, совершенном в том же интервале температур внешних источников (см. рис. , а).

Уравнение (1) для цикла с реальными разностями между температурами рабочего тела и охлаждаемой или охлаждающей средами принимает вид

С уменьшением перепадов температур Ө₁ и Ө₂ в процессах теплообмена потери уменьшаются, но увеличиваются поверхности теплообменных аппаратов. Величина оптимальных разностей температур определяется экономическими соображениями.