6.9. Холодильні установки.

Холодильні установки дуже поширені в побуті та в промисловості і вчитель технічного профілю зобов'язаний знати як теоретичні основи, так і технічне вирішення проблеми штучного отримання холоду. До нього класу входять, окрім холодильників, кріогенні установи, теплові насоси та кондиціонери.

Холодильні установки використовуються для виробництва штучного холоду і для відводу теплоти від охолоджувальних об'єктів. Найпростіший спосіб штучного охолодження оснований на застосуванні льоду і снігу, танення яких супроводжується поглинанням 335 кДж теплоти на кожний кілограм. При атмосферному тиску лід і сніг тане при 0°С. Більш низькі температури танення снігу і льоду можна одержати шляхом застосування їх сумішей з деякими солями. З підвищенням концентрації солі температура танення льодосоляної суміші понижується до деякого мінімуму, який називається кріогідратною температурою. При концентрації кухонної солі у льоду 23,1 % така температура становить — 21,2°С. Низькі температури одержують також при розчині деяких солей в розчинах кислот, а також при використанні сухого льоду (тверда вуглекислота), сублімація якого проходить при - 78,9°С з поглинанням одним кілограмом 574 кДж теплоти. Але вказані способи одержання теплоти мають суттєві недоліки:

- необхідно мати запас цих матеріалів, транспортування і зберігання яких ускладнено;

- складності в запровадженні механізації та автоматизації в даних установках.

Більш досконалим способом одержання холоду є машинний, який оснований на використанні циюіш холодильних машин, Ідеальним теоретичним циклом холодильної установки є зворотній цикл Карне (рис.6.43). Як прямий, так і зворотній цикл Карно складається з двох ізотерм і двох адіабат. Теплота, яка забирається з охолоджуваного тіла q₂ підводиться до холодильного агента при сталій температурі T₂. Теплота q₁ відводиться в циклі при більш високій температурі Т₁ .

Цикл, який здійснюється з метою охолодження, називають холодильним. Його ефективність визначають шляхом розрахунку не коефіцієнта корисної дії, а — холодильного коефіцієнта. .(633)

де q₂ - кількість теплоти, що відводиться від холодного джерела, а

А - виконана при цьому робота.

Холодильний коефіцієнт можна представити у вигляді:

(6.33 а)

де- кількість теплоти, яка відводиться у конденсаторі.

Звідси випливає, що буде тим більшим, чим вище температура в холодильнику і чим нижче температура середовища, яка охолоджує холодоагент в конденсаторі.

Рис.6.43. Зворотній цикл Карно.

В холодильних установках роль холодного джерела виконують повітря і всі ті об'єкти, які знаходяться в холодильній камері. Гарячим джерелом служить оточуюче середовище (наприклад, повітря кімнати, де розміщений холодильник), а в теплових насосах, приміщення якого опалюються. Згідно другого начала термодинаміки тепло, яке відводиться при охолодженні, не може саме переходити від тіла з більш низькою температурою в оточуюче середовище, яке має більш високу температуру. Щоб здійснити такий відвід необхідно витратити енергію від стороннього джерела. За рахунок витраченої енергії теплота відводиться від холодного джерела і передається гарячому. В парових і- повітряних компресійних установках

витрачається при цьому механічна робота, в ежекційних і абсорбційних — теплова, в електричних і магнітних — електроенергія. Тепло, яке відводиться від охолоджуючого тіла, в коловому процесі холодильної машини акумулюється холодильним агентом, який має температуру нижче температури охолоджуючого тіла.

Холодильним агентом називають теплопередаючу речовину, яка поглинає теплоту в процесі кипіння при низькій температурі і віддає її в процесі конденсації парів при високій температурі.

Для холодильних агентів використовують такі речовини:

1. Галогенні сполуки (сполуки хлора, фтора, брома-фреона).

2. Анізотропні суміші, тобто суміші, які можна розділити на компоненти перегонкою (наприклад, суміш фреона -12 і дефторетана в співвідношенні 73,6 і 25,2 %).

3. Вуглеводні - метан СН₄, етан С₂Н₂, пропан С₃Н₃.

4. Неорганічні сполуки - аміак NH₃, вода Н₂О, повітря, вуглекислий газ СО₂, сірнистий ангідрид SO₂. Ці сполуки застосовуються дуже рідко,

5. Ненасичені органічні сполуки - етилен, пропилен.

Холодильні агенти повинні мати високу об'ємну холодопродуктивність. Тиск кипіння холодильного агенту повинен бути вище атмосферного, а тиск в кінці стиску не повинен бути високим. Холодильний агент повинен мати високу теплоту пароутворення і низьку густину та в'язкість. При цьому він повинен бути нейтральним до металів і прокладочних матеріалів, вибухобезпечним і негорючим. Холодильний агент повинен відповідати санітарно-гігієнічним нормам ~ не викликати отруєння, не подразнювати слизистих оболонок очей і дихальних шляхів.

Найпоширенішими холодними агентами є аміак і фреони. Температура кипіння аміаку NH₃ при атмосферному тиску становить - 33,4°С, температура замерзання — 77,7^аС, критична температура — 132,4'°С. Об'ємна холодопродуктивність при t — -15°С і t — + 30°С дорівнює 2166 . Аміак добре розчиняється у воді і погано в маслі, не вступає в реакцію з металами, має різький запах. В суміші з повітрям при концентраціях від 16 до 25% по об'єму є вибухонебезпечним. Як правило, використовують аміак в абсорбційних холодильних установках, де розчинником служить вода.

Фреони — це хлористі і фтористі насичені вуглеводні. Фреон-11 (CFCl₃,) фреон-12 (CF ₂Cl₂,) фреон-13 (C₂,F₂ Cl₂) фреон-14 (C₂,F₄ Cl₂), фреон-22 (CHF₂CI), фреон-142 (С₂Н₃ F₂Cl). Чим більше число атомів фтору, тим фреон має меншу токсичність, реакційну активність до металів, підвищується хімічна стабільність. Фреони без атомів водню не горять. В цілому всі фреони не токсичні, хімічно інертні, вибухонебезпечні, але вони мають низьку в 'язкість і взаємну розчинність в маслі.

Парокомиресійна холодильна установка працює таким чином (pис 6 44). Насичена пара холодоагента стискається компресором 1 і подається на конденсатор 2, де, віддаючи теплоту q_i в оточуюче середовише, частково конденсується. Утворена парорідинна суміш направляється до дросельного вентилю 3, де її тиск і температура зменшується. Після дроселювання волога пара невисокого ступеня сухості з низькою температурою поступає у випаровувач 4, який розміщений в охолоджуючому просторі 5. За рахунок одержаної теплоти q₂ холодоагент випаровується. Найчастіше холодильним агентом в них служать фреони.

Перша установка такого типу була створена в 1843 р. і працювала на парах ефіру. В 1874 p. K. Лінде створив аміачну, а в 1881 р. - вуглекислотну установку. В 30-і роки XX ст. були вперше використані фреони - вуглеводні, в яких водень повністю або частково заміщений галоїдами, найчастіше фтором і хлором.

Рис.6.44. Парокомпресійна холодильна установка.

1-компресор, 2-конденсатор, 3-дросельний вентиль, 4-випаровувач, 5-охолоджуючий простір, 6-електродвигун.

Недоліком таких установок є громіздкість, шум під час роботи, відносно висока вартість як самого агрегату, так і його експлуатації. Але можливість використання електродвигуна як приводу компресора, надійність її в роботі дали таким холодильникам найпоширеніше застосування.

В повітряно-компресійних холодильних установках робочий процес здійснюється таким чином (рис.6.45). Стиснуте компресором 1 повітря подається е охолоджувач 2, де охолоджується водою, віддаючи їй теплоту q₁.. Після цього вона подається в детандер 3 (турбіну, де здійснюється розширення до початкового тиску, виконуючи одночасно роботу і охолоджуючись від —60 до -70°С). Потім холодне повітря направляється в теплообмінник, який розміщений в охолоджуючій камері, і віднімає теплоту q₂. Такі установки розпочали будувати і застосовувати раніше парокомпресійних, але із-за малої ефективності і громіздкості внаслідок використання поршневих компресорів і детандерів вони практично були витіснені паровими. На відміну від попередніх ці холодильні машини мають такі переваги: меншу масу і можливість охолодження до більш низьких температур (від —80 до -135°С).

Рис.6,45.Схема повітряної компресійної холодильної установки.

В пароежекторних холодильних установках для стиску холодильного агента використовується кінетична енергія потоку водяної пари. Такі установки знайшли широке застосування в промисловості для охолодження води, зокрема, в градирнях, бризкальних басейнах.

В установці (рис. 6.46) замість компресора для стиску холодоагенти використовується ежектор - компактний пристрій, який не має рухомих частин і не потребує механічного приводу. Ефект стиску тут досягається за допомогою кінетичної енергії пари, яка подається з котла. Стиснена в дифузорі ежектора I" суміш з пари холодоагенти, яка потрапляє до ежектора з випарника 4, і з пари, що подається від котла I’, направлена до конденсатора 2, де, повністю охолоджуючись, конденсується. При виході з конденсатора рідина розгалуджується на два потоки. Один дроселюється в вентилі 3 до стану вологої пари з ступінню сухості до 10% (х=0,1) і подається потім в випарник 4, де відбирає тепло в охолоджуваному об'ємі. Другий потік конденсати спрямовується живильним насосом в котел І’, де за рахунок підведеної теплоти знову перетворюється в пару. Розглянуті установки прості, компактні, безшумні, дозволяють використовувати пару низьких параметрів, але малоекономічні і дають невелике охолодженая. Так, при використанні водяної пари охолодження можливо всього до t₂=3...10 °С при t₁ =30...40°С.

Рис.6.46.Схема пароежекторної холодильної установки

Із абсорбційних холодильних установок найбільш відомі водоаміачні і бромистолітієві системи. Компресор в абсорбційній системі немов би замінюється генератором — абсорбером, вони не мають рухомих частин (якщо не враховувати насосів). Абсорбцією називається поглинання речовин із розчинів і газів всім об'ємом твердих тіл або рідин (поглинання тільки з поверхні — адсорбція).

Процес поглинання в абсорбері відповідає всмоктуванню парів холодоагента в компресор, а випарування одного з компонентів із розчину в кип'ятильнику — стиску і виштовхуванню його із розчину в компресор. В останньому схема повторюється.

Як робоче тіло використовують розчин двох повністю розчинених один в одному речовин з різними температурами кипіння при одному і тому ж тиску. Компонент, який кипить при низькій температурі, називають холодоагентом, а при високій — абсорбентом, так, наприклад, аміак NH₃ виступає в ролі холодильного агента, а вода — в ролі абсорбента. Робота такого холодильника здійснюється таким чином (рис.6.47). До кип'ятильника 1΄ підводиться теплота q_k

від зовнішнього джерела, в результаті чого розчин кипить при постійному тиску і із нього виділяються пари аміаку, які направляються в конденсатор 2. Тут здійснюється їх конденсація і теплота q₁ відводиться з охолоджуючою водою. Рідкий аміак із конденсатора проходить через дросель 3, його тиск і температура зменшуються (Р₂ > P₁) і у випаровувачі 4 він поглинає теплоту q₂, яка відводиться від охолоджуючого об'єкта. Потім пари аміака направляються в абсорбер 1", де вони абсорбуються, віддаючи теплоту q_a охолоджуючій парі, воді. Після цього насосом 5 охолоджений і збагачений аміаком розчин перекачується знову до кип'ятильника 1΄, з якого пари аміаку знову передаються до конденсатора, а випарований розчин через дросельний вентиль 6 повертається до абсорбера. Такі холодильники широко використовують для кондиціювання повітря.

Рис.6.47, Схема абсорбційної холодильної установки.

Термоелектричні холодильники працюють на основі ефекту Пельт'є. Через коло, яке має дві вітки 3 і спаї 1 і 2, пропускається струм так, щоб спай 1 охолоджувався, а інший 2 — нагрівався (рис.6.48). Такі холодильники мають малі розміри і масу, точно змінюють температуру в холодильній камері, не мають рухомих деталей і довговічні в роботі, хоча, мають нижчий к.к.д., порівняно з попередніми. Галузі застосування - медицина, побут,

vvmho техніка. Магнітні холодильні установки застосовують тільки для сильного охолодження - до температур близьких до абсолютного нуля в спеціальних доводженнях.

Оскільки температури спаїв при стаціонарному режимі постійні,

процеси відбору тепла при Т₂ і відводу при Т₁ можна вважать ізотермічними, але переходи з одного рівня на інший внаслідок теплообміну і виділення джоулевої теплоти — неадіабатними. Отже термоелектричні холодильники частіше працюють у режимі макалальної холодопродуктивності, а їх позитивні якості - малі габарити і простота — перевищують недоліки (мала економічність).

Рис.6.48. Схема термоелектричного холодильника.

Кондиціонери завжди комплектуються холодильною машиною, конденсатор якої має повітряне або водяне охолодження. У випадку повітряного охолодження він встановлюється у віконному пройомі (рис.6.49) таким чином, що зовнішня частина 10 знаходиться в оточуючому середовищі, а внутрішня 4 — в приміщенні. Вентилятором 2 повітря через жалюзі З подається на обдув конденсатора 1. Повітря приміщення очищається в фільтрі 6 і іншим вентилятором 7 подається у випаровувач 5 холодильної машини, де, охолоджуючись, знову поступає в приміщення. Компресор 9 холодильної машини встановлюється у зовнішній частиш. Інколи кондиціонери можуть працювати в режимі теплового насосу, тобто здійснювати у випадку потреби нагрів приміщення.

Рис.6.49. Схема кондиціонера.

У теплових насосах теплота відбирається від води моря, річки і передається у приміщення, яке обігрівається (рис, 6.50).

Рис.6.50. Схема теплового насоса.

К-компресор, КД-конденсатор, РВ-регульовочний вентиль, В-випаровувач,

Н-насоси

Основними елементами теплових насосів є компресор або абсорбційний холодильник. Насосом НІ вода подається у випаровувач, де випаровується холоди.іьний агент (фреон-12), за рахунок поглиненої від холодної води теплоти. В конденсаторі холодильний агент віддає частину своєї теплоти воді із системи опалення CO. Циркуляція підігрітої води здійснюється насосом Н2. При температурі холодної води 6°С насос забезпечує отримання гарячої води з температурою 45...58°С.