Методи штучного охолодження

В процесах штучного охолодження зменшення температури холодильного агенту, який відіграє роль переносника теплоти, відбувається за допомогою наступних процесів:

1. Випаровування низькокиплячих розчинів.

2. Розширення рідких попередньо стиснених газів, які можуть випаровуватись

   1. При пропусканні газу через дросеюючий пристрій. При цьому розширення відбувається адіабатично, не виконується зовнішня робота.

   2. В детандері. Детандер – це машина, побудована подібно поршневому компресору. Процес розширення відбувається адіабатично, але з виконанням зовнішньої роботи.

При отриманні холоду за допомогою випаровування низькокиплячих рідин використовуються рідини з від’ємними температурами кипіння.

Так, наприклад, якщо аміак випарювати при тиску 1 ат то його температура знижується до -34°С, а холодильна установка забезпечує охолодження до -30°С.

В залежності від температури, до якої необхідно здійснити охолодження вибирають холодильний агент:

• до -24°С використовують фреони

• до -30°С використовують аміак

• до -160°С і нижче використовують азот чи гелій.

Але холодильні агенти мають певні властивості. Так для аміаку характерний специфічний запах. Фреони – шкідливі для навколишнього середовища.

Помірне охолодження

Як відомо, найефективніший теплообмін відбувається при кипінні та конденсації. Процеси кипіння та конденсації можуть відбуватись у таких машинах:

1. Парокомпресійні холодильні машини. В цих машинах холодоагент стискається компресором (поршневим, гвинтовим, турбінним), а стиснений газ конденсується в конденсаторі.

2. Газокомпресійні холодильні машини. В цих машинах газ стискається компресором, але при охолодженні не скраплюється.

3. Абсорбційні холодильні машини. В цих машинах холодильний агент стискається так званим термокомпресором.

4. Пароводневі ежекторні холодильні машини. В цих машинах стиснення холодоагенту відбувається паровим ежектором, а конденсація – безпосереднім змішуванням з водою або поверхневим конденсатором.

5. Водовипарювальні холодильні машини. В цих машинах охолодження досягають шляхом випаровування води чи водних розчинів мінеральних солей, шляхом пропускання крізь них повітря чи інших газів.

Парокомпресійні холодильні машини Цикли кхм

Охолодження до температур, нижчих за температуру зовнішнього середовища, завжди пов'язане з переносом кількості теплотивід менш нагрітого тіла до більш нагрітого. Згідно з другим законом тер­модинаміки, такий перенос можливий лише за умов підведення енергії.

Розглянемо коловий процес холодильної машини, що працює за оборотним оберненим циклом Карно. В такому циклі перенос теплоти з більш низького температурного рівня на більш високийздійснюється за раху­нок виконання зовнішньої роботи, що витрачається на адіабатний стиск пари робочого тіла з температурою(процес 1-2). Підчас стиснення температура пари підвищується до температури. Завдяки наявності високого тиску пара повністю конденсується в рідину (процес 2-3). Одержана рідина адіабатно розширюється (процес 3-4), а потім випаровується при зни­женому тиску (процес 4-1), відбираючи від охолоджуваного тіла певну кількість теплоти.

Рис. 17.2. Зображення оберненого циклу Карно на

T-sдіаграмі

Кількість теплоти, що віддається зовнішньому сере­довищу при температурі, та кількість теплоти, що відбирається від охолоджуваного тіла з температуроюможна визначити як

зокрема

Робота, яка витрачається на стиснення пари:

Холодильний коефіцієнт:

Обернений цикл Карно розглядають як ідеальний цикл парової КХМ. На практиці здійснити такий цикл неможливо через наявність необо­ротних та самодовільних процесів, таких як тертя тощо. Тому в цикл Карно потрібно вносити зміни, які з термодинамічної точки зору погір­шують цикл, але надають можливість його реалізації.

Так адіабатне розширення рідкого холодоагенту (процес 3-4) замінюється дроселюванням на дросельному вентилі, тобто необоротним розширенням від тиску до тискубез здійснення зовнішньої роботи. Це веде до зменшення розмірів КХМ, її здешевлен­ня та спрощення експлуатації.

Процес дроселювання показано лінією 3-4', Положення точ­ки 4' на діаграмі свідчить про деяке зниження холодопродуктивності машини, тому що площа 1-4-b-а зменшується на величину 4-b-с-4'.

Збільшення питомої холодопродуктивності циклу можна досягти переохолодженням рідкого холодоагенту. При цьому передача теплоти навколишньому середовищу не закінчується в точці 3 (див. рис.), а продовжується по ізобарі, що збігається з лінією насиченої рідини, до точки 3", а вже потім йде дроселювання 3"-4". В результаті питома холодопродуктивність циклу збільшується на величину площі 4'-4"-е-с.

Рис. 17.3. Теплова діаграма циклу парової КХМ з дроселюванням (а - без переохолодження; б - з переохолодженням)