1.3.Холодильна техніка продовольчої служби.

1.3.1.Технологія одержання низьких температур

З курсу фізики відомо, що фізична природа тепла і холоду однакова і проявляється у швидкості руху молекул, з яких складаються всі тіла

Міра зміни внутрішньої енергії молекул, що переходять від одного тіла до іншою, називається кількістю теплоти. Перехід теплоти від більш нагрітого тіла до менш нагрітого відбувається самочинно. Звідси поняття "холод" умовне і означає мале утримання теплоти. В природних умовах обмін енергією між гарячим і холодним тілом продовжуватиметься до моменту зрівняння температур обох тіл. Таким чином, в природних умовах можливо понизити температуру любого тіла до температури оточуючого середовища (вода, лід, сніг, земля).

Для одержання більш низьких температур використовується штучне охолодження з участю переносника теплоти робочого тіла.

Досягнення низьких від'ємних температур гази штучному охолоджені здіснюється наступними основними процесами:

-зміною агрегатного стану тіла, -розширенням робочого тіла із здійсненням зовнішньої корисної роботи, -дроселюванням, -вихровим ефектом, -термоелектричним ефектом.

Зміна агрегатного стану тіла відбувається при постійній температурі тому, що все тепло витрачається на подолання сил зчеплення молекул

До процесу зміни агрегатного стану відносяться:

Плавлення - це перехід твердих тіл у рідке становище. Тут охолодження досягаєься за рахунок теплоти плавлення. Наприклад, водний лід плавиться при 0 С . Достатньо висока теплота плавлення льоду 335 кдж'кг, тобто для розтанення і кг льоду необхідно підвести 335 кдж тепла від охолоджуємого тіла . Досягнення більш низьких температур здійснюється використанням суміші льоду чи снігу з сіллю NaCL або CaCL , які забезпечують відносно -21,3° С, - 55 °С. Це так звані евтектичні розчини - швидкотаюча суміш.

Кипіння - не перехід рідини в пароподібне становище. Не слід ототожнювати поняття '' кипіння'' гаряче по аналогії з киплячою водою. Але існує значна кількість речовин ''холодоагенти", які киплять при низьких від'ємних температурах. Так, при атмосферному тиску температура кипіння: у аміаку - мінус 33.4 °С , фреона - R22 - мінус 40,8 °С, R-404 - мінус 46,6 °С, рідке повітря — мінус 19,2°С, рідкий кисень - мінус 183 °С, рідкий азот – мінус 196°С, рідкий гелій — мінус 269 °С. Температура кипіння кожної речовини залежить від тиску, при його зниженні знижується температура і навпаки.

Процес кипіння супроводжується поглинанням тепла., яке виттрачається на перебудову міжмолекулярних зв'язків речовини.

Сублімація - перехід твердих тіл в газоподібне становище, обминаючи рідку фазу.

Для одержання низьких температур при сублімації використовують тверду вуглекислоту СО або ''сухий лід". При атмосферному тиску температура сублімації складає мінус 78 °С, а теплота сублімації - 573 кдж'кг. В порівнянні з пароутворенням води при 0 °С теплота складає 2501 кдж'кт. Але теплоту

пароутворення води при охолоджені можна використовувати тільки при додатній температурі. Сухий лід успішно використовуюсь при транспортуванні їжі, при зберіганні морозива та інших продуктів.

В умовах вакууму температуру сублімації можна понизити до мінус 100°С.

Розширення із здійсненням зовнішньої корисної роботи.

Під час розширення стисненого газу (повітря) одержується подвійна користь: - за рахунок звільнення внутрішньої енергії знижується температура, а тиск виконує механічну роботу. Наприклад, робота пневмозубила, пневмодрелей, пневмоточила виконується під тиском стисненого повітря і сопроводжується зниженням температури.

При розширенні стиснутого повітря від 1,0 МПа (10 кгс/см2 ) до 0,1 МПа (1кгс/см2 ) без теплообміну з оточуючим середовищем (адіабатичний процес), то температура знизиться від 20°С до мінус 190 С.

Дроселювання (ефект Джоуля-Томсона).

Охолодження здійснюється за рахунок різкого розширення рідини або газу при його проходженні крізь звужений отвір (вентиль, капіляр, діафрагма). Під час дроселювання деяка частина рідини перетворюється у пару завдяки тертю рідини об стінки дросельного пристрою. Процес дроселювання супроводжується зміною внутрішньої енергії речовини і здійсненню роботі для подолання внутрішніх сил взаємодії молекул, в результаті знижується

температуа.

Зміна температури при дроселюванні називається ефектом Джоуля-Томсона,

який може бути позитивним і від ємним.

Вихровий ефект.

Ефект описаний вченим Ранком і здійснюється в мішальному пристрої - вихровій грубі, в якій одночасно додержується ''холод" і "тепло". В межах температур від мінус 10-50 °С на холодному кінці, і 100-130 °С на гарячому кінці труби.

Стиснене повітря з температурою навколишнього середовища подається крізь сопло 2 по дотичній до внутрішньої поверхні труби.

Потік повітря всередині обертається навкруги осі і перемішується від сопла 2 до вентиля 4. По мірі пересування потоку в сторону вентиля швидкість внутрішнього потоку зменшується і внутрішня енергія його передається периферійному потоку, в результаті він розігрівається, а внутрішній - охолоджується.

Ефект вихрової труби не одержав широкого використання внаслідок великих енерговитрат. Але на об'єктах з надмірними витратами повітря. Наприклад: авіація, суднобудівництво цей ефект здійснюється для кондиціювання повітря.

Термоелектричний ефект (Пельтьє).

Ефект охолодження можна одержати якщо пропускати постійний струм крізь контакти двох провідників (полупровідників). В залежності від напрямку струму в місцях контакту виділяться або поглинається тепло.

Якщо розмістити спаї і пропускати струм таким чином щоб температура на холодному спаї (Т_х) була нижче температури охолоджуємого середовиша (Т ), а температура гарячих спаїв (Т ) - вище температури навколишнього середовища (Ті), то термоелемент виконує функції охолоджувача.

Ефект охолодження пропорційний силі струму І і залежить від фізичних властивостей провідників і температури контактів П- коефіцієнту Пельтьє.

Q =I х П

Максимальна різниця температур на двох спаях досягає 75 °С. Термоелектричні елементи використовують на об'єктах, де недопустима вібрація, робота механізмів, наявність магістралей і робочих речовин.

Система енергетично невигідна в порівнянні з машинним охолодженням.

ПРИЗНАЧЕННЯ І СТРУКТУРА ХОЛОДИЛЬНИХ АГЕНТІВ ТА ТЕПЛОНОСІЇВ.

Холодильний агент здійснює в холодильної машини зворотній круговий процес, в результаті якого теплота від охолоджуємого середовища передається у середовище з більш високою температурою (вода, повітря, земля).

В парових холодильних машинах теплота від охолоджуємого середовища віднімається внаслідок кипіння холодильного агенту при низьких температурах і відводиться (віддається) оточуючому середовищу під час його конденсації.

Вимоги до холодильних агентів.

Термодинамічні властивості

До них відносяться: нормальна температура кипіння (при 760 мм рт.ст. = 0,10133 МПа); тиск у випарнику і конденсаторі; теплота пароутворення; об'ємна холодопродуктивність; температура замерзання; критична температура.

Нормальна температура кипіння. Ця температура холодильного агенту повинна бути низькою, що дає можливість уникнути вакуум у випарнику холодильної машини. Прі вакуумі можливе проникнення повітря в систему, що значно погіршує роботу машини.

Тиск у конденсаторі. При охолодженні конденсатора повітрям або водою тиск не повинен бути надто високим, що виключає необхідність збільшення товщини стінок апарату і його маси. Крім цього, високий тиск призводить до витоку холодоагенту крізь нещільності.

Теплота пароутворення - чим більш, тим менше буде ціркулювати у системі холодоагенту.

Об'ємна холодопродуктивність для поршневих компресорів повинна буди якомога більше, це забезпечить зменшення об'єму пари яка засмоктується компресором, завдяки чому зменшуються габарити і маса компресора.

Температура замерзання, бажано щоб вона була значно нижче робочої температури кипіння, щоб запобігти замерзання холодоагенту у випарнику.

Критична температура, вона повинна бути достатньо високою, щоб процес конденсації - утворення рідини здійснювався при температурі оточуючого середовища, це забезпечить економію енергії циклу.

Фізико-хімічні властивості

До них відносяться: густість, в'язкість, теплопровідність, тепловіддача розчинність в мастилі і воді, текучість, вплив на метали, хімічна стійкість.

Густість і в'язкість, чим вони менші тим менше опір руху рідкого холодоагенту в трубах, що знижує енерговитрати на його реціркуляцію в системі.

Теплопровідність і тепловіддача. Ці властивості впливають на інтенсивність роботи теплообмінних апаратів (конденсатор, випарник) тому бажано, щоб воші малі великі значення, тоді габарити апаратів значно зменшуються.

Розчинність. Якщо холодильний агент не розчіпляється в маслі, то із циліндрів компресора в систему доступає менше масла, відсутня піна у випарнику. Але під час роботи машини масло подається у випарник конденсатора і на їх поверхні викладається паром, який погіршує теплопередачу. Для звільнення апаратів від масла необхідно періодично продувати систему гарячими парами холодоагенту. Якщо холодоагент розчиняється в маслі, то умови експлуатації полегшуються, масло постійно змивається з поверхні апаратів і повітається до компресора. Обмежена або практично відсутня розчинність води у холодоагенті, наприклад, фреонах, негативно впливає на роботи машини. Навіть незначна кількість води при замерзанні у дросельному пристрої виводить з ладу всю машину. Для запобігання такого явища в системі передбачаються спеціальні фільтри - осушувачі для поглинання води із холодоагенту.

Текучість. В роз'ємних з'єднаннях труб апаратів компресорів для запобігання витоку холодоагенту передбачаються різноманітні ущільнювальні прокладки. Внаслідок незвичайно високої текучості фреонів крізь незначні нещільності використовують зварні, паяні з'єднання, а компресори, насоси, виготовляють герметичними.

Взаємодія з металами. Холодоагенти повинні бути інертними по відношенню до металів, але необхідно ураховувати особливості холодоагентів, які використовуються в машині. Наприклад, фреонові машини нейтральні до всіх металів при відсутності води (як до кольорових так і чорних). В аміачних машинах недопустимо використовувати деталі із мідних сплавів - вони руйнуються.

Хімічна стійкість. Холодоагент повинен бути пожежовибуховобезпечним, стійким при високих і від'ємних температурах Незважаючи на ці вимоги, на великих об'єктах продовольчої служби працюють пожежовибухонебезпечні аміачні машини. Завдяки додержанню суворих вимог техніки безпеки автоматизації і контролю, високій професійній підготовці персоналу дозволяється експлантація таких машин.

Фізіологічні властивості.

Холодильний агент повинен бути безпечним для життя і здоров'я людини і не повинен негативно впливати на продовольчі продукти. Вартість холодоагенту не повинну бути високою. Але на теперішній час поки немає такого холодоагенту, який повністю відповідав би переліченим вимогам.

Характеристика холодильних агентів.

В холодильній техніці продовольчої служби використовуються в основному фреони - вуглеводневі органічні сполуки і аміак. У зв'язку з тим, що хлороутримуючі фреони: R-12, R-502, R-11, R-13 руйнують озоновий шар навколо Землі, по Монреальському протоколу з 1996 року використання таких фреонів заборонено. Фреон 22 (R-22), незважаючи на те. що утримає одну молекулу хлору теж підлягає забороненню з 2002 року.

Крім фреонів на базі вуглеводневих сполук розроблені нові модифікації фреонів на базі фторовуглеводневих сполук, без молекул хлору. До них відносяться: R-134а R- 404, R- 407 та інші. По міжнародному стандарту всі холодильні агенти позначаються символом R (Refrigerant - холодоагент). На великих підприємствах використовується аміак R-717 в системах безпосереднього і розсільного охолодження з батареями і повітряохолоджувачами.

Аміак R-717, NНз безбарвний газ з рідким запахом володіє хорошими термодінамічними властивостями, тому і використовується в холодильній техніці. Велика об'ємна холодопродуктивність аміаку обумовлює малі габарити і масу компресора В маслі практично не розчиняється, але інтенсивно поглинається водою. Витоки легко виявляють за допомогою змоченої у воді лакмусового паперу, який червоніє На чорні метали не реагує, а сплави із міді руйнує. Важливим недоліком аміаку є його шкідливий вплив на організм людини. При його вдиханні з'являються спазми дихальних органів. Тому в робочій зоні концентрація аміаку в повітрі повинна бути не більш 0,02 мг /л, концентрація більш 0,5 %, викликає отруєння.

Концентрація аміаку в межах 16-27 % пожежовибухонебезпечна.

Газоподібний аміак легше повітря, внаслідок нього витяжну вентиляцію здійснюють у верхній зоні приміщень. Рідкий аміак - електропровідник. Завдяки його доступності і високим термодинамічним властивостям аміак використовують в холодильний техніці при температурах кипіння до -70 °С і конденсації до +50 °С.

Фреони відрізняються від аміаку тим, що практично не мають запаху, значно більш густість пари, майже в 6 разів ніж аміак тому витяжну вентиляцію виконують із нижньої зони приміщень.

Характеристики заборонених фреонів не приводяться. У таблиці 1 наведені характеристики сучасних озонобезпечних фреонів, які повинні використовуватись у холодильній техніці продовольчої служби. Більшість фреонів взаєморозчинні з маслом, а вода розчиняється у мізерній кількості, від 0,0025 до 0,0006 %

Внаслідок відсутності запаху фреонів виявляти витоки крізь нещільності можна омилюванням, галоїдними лампами і електронними течешукачами, які реагують на виток менш 0,5 г/рік.

Всі фреони пожежовибохунебезпечні, але які мають молекули фтору при температурі +400 °С утворюють сліди отрути фосгену.

Найменування холод.	R717	R22	R134а	R125	R404	R407
Хімічна формула	NH3	СНF2СL	СН2FСF3	СНF2СF3
Температура кипіння при норм. тиску, °С	-33,3	-40,8	-26,1	-48,1	-46,7	-43,6 |
Температура замерзання, °С	-77 7	-160	-101	-103	-116	-105
Критична температура, °С	132,4	96	101.1	66.2	72,1	86.7
Критичний тиск, бар	112,8	49.8	40.6	36,3	37, 3	46
Теплота випаровування при норм. тиску, ккккКДЖ'КГ	1367,1	233,5	217,1	164,4	202,1	246,1 1
Температура самоспалаху, °С		635	743	733	728	733

R 404 і R 407 - азеотропні суміші різних хладонів (однорідна суміш не розшаровується у всіх агрегатних становищах).

R 404: 44% R 125 + 52 % R 143 + 4% R 134а.

R 407: 25% R 125 + 23% R 32 + 52 %R 134а.

Масова холодопродуктивність аміаку (R 717) в 5.8 разів перевищує R 22 та інших фреонів, тому аміачні машини володіють високими позитивними енергетичними показниками.

Теплоносії.

Це речовини, за допомогою яких тепло відбирається від охолоджуємих об'єктів і передається холодильному агенту, тобто виповняється функція проміжного холодоносія.

Вимоги до проміжних теплоносіїв:

- потрібна низька температура замерзання,

- висока теплоємкість і теплопровідність,

- мала в'язкість і питома вага,

- хімічна нейтральність по відношенню до металів і прокладочним матеріалом,

- низька вартість.

Найбільш доступним теплоносієм є вода, але вона використовується тільки в системах кондиціювання повітря при температурах вище О°С.

В установках з від'ємними температурами застосовуються водні розчини солей хлористого натрію NаСL і хлористого кальцію СаСL .

Фізичні властивості цих речовин (розсолів) залежить від концентрації солі у розчині.

При відповідній концентрації, яка називається кріогідратною або ектевтичною (точка К) розчин має найнижчу знижується температури замерзання розсолу і називається ектевтичним (легко розплавляємий).

ПРИНЦИП МАШИННОГО ОХОЛОДЖЕННЯ.

Відомо, що тепло від гарячого до холодного тіла передається самочинно, без участі яких-небудь допоміжних процесів.

Але, відведення тепла від холодного тіла, ізольованого від оточуючого середовища і передача його в середовище з більш високою температурою можливо тільки при машинному охолодженні з витратою зовнішньої робот що відповідає вимогам другого закону теплодинаміки (Безперервний круговий процес, в якому теплота від холодного тіла передаєшся більш теплому, являється зворотнім круговим процесом - циклом).

Принцип роботи холодильної машини.

Охолоджуєме "холодне" тіло з тепловим потенціалом Q знаходиться в теплоізольованому приміщенні 2, в яке поступає тепло Q від оточуючого середовища 1.

Завдяки витратам зовнішньої енергії L у зворотному круговому холодильному процесі сума тепла Q + Q і тепловий еквівалент зовнішньої роботи L передається в оточуюче середовище:

Q = Q + Q + L

Зворотній круговий процес, в якому здійснюється штучне охолодження в результаті переносу теплоти від холодного тіла в оточуюче середовище називається холодильним циклом.

Холодильні машини, в яких для одержання холодильного ефекту використовується кипіння рідин при низьких температурах називають паровими холодильними машинами. В цих машинах, в якості робочих тіл використовують рідини з низькими температурами кипіння при атмосферному тиску.

До них відноситься: аміак і всі озонобезпечні хладони (фреони, наприклад R22, R 134а, R 404, R 407 і інші).

В якості робочих тіл або холодоагентів можна використовувати і воду, але тільки при температурі вище - 0 °С

Машини, які працюють на принципі випаровувального охолодження, і до складу яких входять компресори, називаються паровими компресійними холодильними машинами. Вся холодильна техніка продовольчої служби базується на парових компресійних холодильних машинах. До складу основних елементів холодильних машин, які забезпечують отримання штучного охолодження, входять: компресор, конденсатор, регулюючий вентиль і випарник.

Компресор служить для всмоктування пари із випарника, стиснення його до тиску конденсації і нагнітання у конденсатор.

Конденсатор служить для охолодження гарячої пари після стиснення у компресорі, конденсації її і при наявності резерву теплообмінної поверхні, -переохолодження рідкого холодильного агенту.

У регулюючому вентилі здійснюється дроселювання рідкого холодоагенту з частковим пароутворенням, завдяки роботи сил тертя при дроселюванні, зниження тиску від конденсації до тиску кипіння і відповідному зниженню температури. На відміну від середніх і великих холодильних машин у побутових холодильних машинах процес дроселювання холодильного агенту здійснюється в капілярних трубках. Це мідні трубки діаметром від 0,8 до 1,2 мм і довжиною до 4 м в залежності від продуктивності машини.

Капілярна трубка забезпечує поступове зниження тиску рідкого холодоагенту від тиску конденсації до тиску кипіння на вході у випарник.

Перевагами трубки є простота конструкції, відсутність рухомих частин і надійність в роботі. Крім цього, капілярна трубка зрівнює тиск в конденсаторі і випарнику під час зупинки компресора що забезпечує запуск електродвигуна.

Випарник виконує функції генератора холоду, в ньому кипить при низькій температурі холодоагент внаслідок поглинання тепла від охолоджуємого об'єкту. Пара, утворена при кипінні із випарника всмоктуєшся компресором. Таким чином здійснюється круговий зворотній холодильний цикл.

В реальних умовах експлуатації холодильна машина - це комплекс елементів, які забезпечують здійснення зворотного кругового процесу.

До складу цієї машини крім названих чотирьох основних елементів (компресор, конденсатор, регулюючий вентиль, випарник) входять і допоміжні апарати, механізми, арматура, прилади автоматики. 3 метою досягнення компактності конструкції, зменшення монтажних операцій холодильні машини для продовольчої служби виготовляють виключно у вигляді агрегатів.

• Холодильний агрегат - це конструктивне об'єднання окремих елементів холодильної машини, яке виконується заводом - виробником. В залежності від того, які технічні елементи входять до складу агрегатів, їх розподіляють на:

-компресорні (які складаються з компресора, електродвигуна та приладів автоматики;

-компресорно - конденсаторні (до складу яких входять компресор, електродвигун, конденсатор повітряного або водяного охолодження, ресивер, рідинний фільтр, прилади автоматики);

-апаратні агрегати (в яких об"єднані декілька апаратів випарно-конденсаторний, випарно - регулюючий);

-комплексні агрегати (які включають всі елементи машини, з'єднані трубопроводами в єдину замкнуту систему, наприклад, побутовий холодильник).

Холодильна установка - це холодильна машина разом з приладами охолодження в охолоджуємому об'ємі, допоміжне обладнання, прилади автоматики, конструкції, система енергозабезпечення.

Холодильні агрегати малих фреонових холодильних машин класифікуються по типу компресорів і конденсаторів.

По типу компресорів агрегати розділяються на відкриті (сальникові), безсальникові і герметичні.

По типу конденсаторів - на агрегати з конденсатором повітряного або водяного охолодження.

Будова та принцип роботи компресійної холодильної машини.

Парова компресійна машина складається з випарників 7, 8, компресора 5, конденсатора 4 і терморегулювальний вентиль 10. Для поліпшення режиму роботи в схему холодильної машини включається ряд допоміжних апаратів: мастиловідділювача, фільтри, осушувачі, теплообмінники, ресивери й інші, а також прилади автоматичного регулювання, керування, захисту, контролю і сигналізації.

Схема парової компресійної машини:

1 - ресивер; 2 - вентилятор; 3 - електродвигун; 4 - конденсатор; 5 - компресор;

6 - реле тиску; 7, 8 - випарники; 9 - теплообмінник; 10 - вентиль теплорегулюючий; 11- фільтр

Робота парової компресійної холодильної машини протікає в такий спосіб. Холодильний агент, що знаходиться у випарнику, кипить при низькій температурі, сприймаючи тепло від охолоджуваного середовища. Компресор відсмоктує з випарника пари, що утворилися, холодильного агента і, стискаючи них, нагнітає в конденсатор. У процесі стиску в компресорі збільшується тиск пар холодильного агента, а температура їх підвищується значно вище температури середовища, що оточує конденсатор.

У конденсаторі пари холодильного агента, віддаючи теплоту пароутворення навколишньому середовищу, конденсуються й у рідкому стані при температурі конденсації надходять у переохолоджувач (теплообмінник), де переохолоджуються і через регулюючий вентиль знову надходять у випарник, після чого холодильний цикл повторюється.

Кількість тепла, що холодильна машина віднімає за одна година від охолоджуваного середовища, називається холодопроизводительностью машини і виражається в ккал/ч.