1.2 Дросселирование

Это один из основных процессов, протекающих в парокомпрессионной холодильной машине. Сущность его заключается в том, что при про­хождении жидкого хладагента через узкое сечение в регулирующем венти­ле (РВ) (капиллярной трубке) под действием разности давлений Р_к – Р₀ в конденсаторе и испарителе падение давления сопровождается понижением температуры всего потока.

Хладагент дросселируется мгновенно, и теплообмена между ним и окружающей средой не происходит. Следовательно, это адиабатный процесс, и понижение температуры хладагента происходит в результате того, что при увеличении скорости движения в узком сечении внутрен­няя энергия молекул возрастает, и повышенное внутримолекулярное трение приводит к тому, что часть жидкости переходит в парообразное состояние. При этом температура всего потока понижается до темпера­туры кипения хладагента в испарителе.

Таким образом, после регулирующего вентиля хладагент поступает в испаритель в виде парожидкостной смеси, и только часть циркули­рующего хладагента в действительности кипит в испарителе и произво­дит полезное охлаждение. Эта величина, называемая удельной холодо-производителъностъю q₀, будет поэтому меньше, чем величина скрытой теплоты парообразования r при данной температуре кипения.

1.3 Расширение газа с совершением внешней работы

Этот процесс используют в воздушных и газовых холодильных ма­шинах, работающих в области глубокого холода. Для области умеренного холода, используемого в пищевых отраслях промышленности, он интере­са не представляет, так же как и вихревой эффект. Последний создается с помощью специального устройства – вихревой трубы, где закрученный в трубе поток воздуха делится на теплый и холодный. Этот эффект ис­пользуют в специальных лабораторных установках.

1.4 Термоэлектрический эффект (эффект Пельтье, 1838 г.).

Если через цепь, состоящую из разнородных проводников, пропус­кать постоянный электрический ток, то в местах спаев будет выделяться или поглощаться теплота, и один из спаев будет нагреваться (горячий спай), а другой – охлаждаться (холодный спай).

Практического использования этот эффект не имел до 1949 г., ко­гда академик А.Ф. Иоффе предложил использовать в термоэлектриче­ских охлаждающих устройствах (ТОУ) полупроводники с различной (электронной и дырочной) проводимостью.

Величина поглощаемой теплоты Q в спае (контакте) двух разно­родных полупроводников пропорциональна силе тока I, а Q, = ПI, где П – коэффициент Пельтье.

Основными преимуществами ТОУ по сравнению с парокомпрессионными холодильными машинами является их надежность и бесшумность. Однако удельное электропотребление ТОУ в 4–5 раз больше. Поэтому они находят применение в термостатах, небольших охладителях жидкости, бытовых холодильниках малой емкости и специальных кондиционерах.

Глава 2. Рабочие вещества парокомпрессионных холодильных машин

2.1 Основные свойства хладагентов

Холодильный агент (хладагент) – это рабочее вещество, с помо­щью которого в холодильной машине совершается обратный круговой процесс, или цикл.

В парокомпрессионной холодильной машине хладагент кипит при низкой температуре в испарителе, поглощает теплоту из охлаждаемой среды (воздуха в камере или жидкого хладоносителя) и отдает ее в кон­денсаторе охлаждающей среде (воде или окружающему воздуху), пре­вращаясь из парообразного состояния в жидкое.

В качестве хладагентов используют вещества, обладающие особы­ми термодинамическими, физико-химическими и физиологическими свойствами, которые должны обеспечивать безопасную и экономичную (с малыми энергозатратами) эксплуатацию холодильной машины.

Термодинамические свойства характеризуют хладагент с точки зре­ния энергетической эффективности его использования, то есть обеспечения минимального расхода энергии на единицу холодопроизводительности.

Величиной, представляющей отношение полученной холодопроиз­водительности Q₀ к единице затраченной мощности N, является холодильный коэффициент Обычно эту величину используют в холодильной технике как характеристику энергетической эффективности холодильной машины.

Наиболее важным свойством хладагента, влияющим на холодопроизводительность и холодильный коэффициент, является скрытая теплота парообразования r, кДж/кг. Если высокое значение г сочетается с низким удельным объемом пара v, м3/кг, то при малом расходе энергии будет требоваться также меньшая объемная производительность компрессора.

Важнейшими эксплуатационными характеристиками являются давление и соответствующая им температура насыщения при кипении и конденсации хладагента.

Принятые обозначения: Р₀ и t₀ – давление и температура кипения, Р_к и t_к – давление и температура конденсации.

При эксплуатации холодильной машины желательно, чтобы Р₀ бы­ло выше атмосферного. В этом случае исключается возможность попа­дания в систему машины воздуха из окружающей среды.

От величины разности давлений (Р_к – Р₀) зависит толщина стенок сосудов (конденсаторов, ресиверов и др.), а следовательно, и металло­емкость машины.

Важно также и отношение этих величин Р_к/Р₀, которое называют иногда «степень сжатия». Более правильно его называть «степень по­вышения давления».

Желательно, чтобы эта величина была малой, так как с ее увеличе­нием растет расход энергии, падает холодопроизводительность машины и ухудшаются объемные и энергетические характеристики компрессора.

Крайне желательна низкая (адиабатная) температура конца сжатия пара в компрессоре. От ее значения зависят нагрев компрессора, надеж­ность работы нагнетательных клапанов и возможный срок работы без ремонта. Во многом ее значение определяет конструкцию компрессора: необходимость устройства охлаждающей рубашки, использование встроенного электродвигателя и др.

Температура замерзания хладагента t₃ – это тот нижний предел, ко­торый ограничивает возможность использования данного хладагента.

Критические температура t_кр и давление P_кр указывают верхний предел области, в которой хладагент может быть в жидком состоянии. Выше критических параметров хладагент находится в газообразном состоянии, когда невозможны процессы кипения и конденсации.

Теплофизические свойства хладагентов также очень важны для конструирования и правильной эксплуатации холодильных машин. Плотность хладагента  кг/м³ влияет на затраты энергии при его циркуляции в трубопроводах и на преодоление сопротивления в клапанах. Величина коэффициента теплопроводности хладагента λ, Вт/м К влияет на теплоотдачу хладагента при его конденсации и кипении в ап­паратах.

Динамическая вязкость μ, Па·с также влияет на затрату энергии в клапанах компрессора.

К основным физико-химическим свойствам хладагентов относят их электропроводность, растворимость в воде и масле и воздействие на конструкционные материалы. Аммиак хорошо растворяется в воде и практически нерастворим в масле. Фреоны – наоборот: хорошо раство­ряют масло, но нерастворимы в воде и не проводят электрический ток. Исключительную значимость для безопасной эксплуатации холодильных установок имеют токсичность и пожаро-взрывоопасность хладаген­тов. Эти свойства иногда называют физиологическими.

Токсичность – это относительное свойство, которое проявляется, если создается опасная степень концентрации хладагента в воздухе. Все хладагенты токсичны: при достаточно высокой концентрации в поме­щении они вытесняют воздух и вызывают удушье.

Оценивают токсичность коэффициентом токсичной опасности

(2.1)

где – плотность паров хладагента при 20⁰С, а ПДК – предельно допусти­мая концентрация хладагента в воздухе, мг/м³.

Значения ПДК и К_то для ряда наиболее часто используемых хлада­гентов приведены ниже в табл. 2.1.

Таблица 2.1  Значения ПДК и К_то

Хладагент	ПДК, мг/м3	Кто×10–3
R11	1000	15
R12	300	9
R22	3000	10
R502	3000	20
R717	20	300