-> 13.04.2011 - Способы получения холода и характеристики источников охлаждения

Получение холода сводится к уменьшению содержания тепла в твердом теле, жидкости или газе. Охлаждение - это процесс отнятия тепла, приводящий к понижению температуры или изменению агрегатного состояния физического тела. Различают естественное и искусственное охлаждение.

Естественное охлаждение — это отвод тепла от охлаждаемого тела в окружающую среду. При этом способе температуру охлаждаемого тела можно понизить только до температуры окружающей среды. Это самый простой способ охлаждения без затраты энергии.

Искусственное охлаждение — это охлаждение тела ниже температуры окружающей среды. Для искусственного охлаждения применяют холодильныр машины или холодильные установки. При этом способе охлаждения необходимо затратить энергию.

Существует несколько способов получения искусственного холода. Самый простой — охлаждение с помощью льда или снега. Ледяное охлаждение имеет существенный недостаток — температура охлаждения ограничена температурой таяния льда. В качестве охладителей используют водный лед, льдосоляные смеси, сухой лед и жидкие холодильные агенты (хладоны и аммиак).

Льдосоляное охлаждение производится с применением дробленого водного льда и соли. Из-за добавления соли скорость таяния льда увеличивается, а температура таяния льда опускается. Охлаждение сухим льдом основано на действии твердого диоксида углерода — при поглощении тепла сухой лед переходит из твердого состояния в газообразное. С помощью сухого льда можно получить более низкую температуру, чем при использовании водного льда: охлаждающее действие 1 кг сухого льда почти в 2 раза больше, чем 1 кг водного льда, при охлаждении не возникает сырости, выделяемый газообразный диоксид углерода обладает консервирующими свойствами, способствует лучшему сохранению продуктов. Сухой лед применяется при перевозках замороженных продуктов, охлаждении фасованного мороженого, хранении

Наиболее распространенным и удобным при эксплуатации является машинное охлаждение. По сравнению с другими видами охлаждения машинное охлаждение обладает следующими преимуществами:

• возможностью создания низкой температуры в широких пределах;
• автоматизацией процесса охлаждения;
• доступностью эксплуатации и технического обслуживания и др.

Машинное охлаждение получило в торговле наибольшее распространение в связи с рядом достоинств:

• автоматическим поддержанием постоянной температуры хранения в зависимости от вида продуктов;
• рациональным использованием полезной емкости для охлаждения продуктов, удобством обслуживания;
• высокой экономичностью и возможностью создания необходимых санитарно-гигиенических условий хранения продуктов.

В основу машинного охлаждения положено свойство некоторых веществ кипеть при низкой температуре, поглощая при этом большое количество теплоты из окружающей среды. Такие вещества называют холодильными агентами (хладагентами).

Хладагенты — это рабочие вещества паровых холодильных машин, с помощью которых обеспечивается получение низких температур. Хладагенты должны иметь высокую теплоту парообразования, низкую температуру кипения, высокую теплопроводность. Вместе с тем хладагенты не должны быть взрывоопасными, легко воспламеняющимися, ядовитыми. Важное значение имеет стоимость хладагентов. Наиболее отвечающим этим требованиям являются хладон 12, хладон 22 и аммиак. Хладон поступает в торговые предприятия в металлических баллонах, окрашенных в алюминиевый цвет и имеющих условную маркировку R12 или .

Работа паровой компрессионной холодильной машины.Стандартный цикл.

Цикл паровой компрессионной холодильной машины - это термодинамический процесс, в котором жидкий хладагент испаряется, сжимается и конденсируется в непрерывном цикле для охлаждения камеры или пространства.

Термодинамический цикл - это два или больше связанных процесса, которые в конечном счете возвращают рабочую жидкость к начальному состоянию.Цикл связанных процессов системы машинного охлаждения называют циклом паровой компрессионной холодильной машины. Простой цикл паровой компрессионной холодильной машины.

Простой цикл паровой компрессионной холодильной машины состоит из четырех основных процессов: расширение, испарение, сжатие и конденсация. В данных процессах давление, температура и состояние хладагента меняются. В каждом отдельном процессе свойства хладагента меняются. Но в конце последнего процесса хладагент возвращается в начальное состояние с теми же качествами, которые у него были в начале первого процесса, и образуется цикл. Компоненты для выполнения данных процессов представлены в предыдущем разделе.

Для понимания цикла паровой компрессионной холодильной машины необходимо сначала рассмотреть каждый процесс отдельно. При понимании отдельных процессов можно проанализировать их относительно других процессов, которые составляют цикл. Необходимо понимать взаимосвязь процессов, так как изменения в одном процессе вызывают соответствующие изменения в других, которые составляют цикл паровой компрессионной холодильной машины.

Хладагент в ресивере находится в жидком и газообразном состояниях при высокой температуре и давлении. В течение цикла жидкий хладагент переходит в жидкостный трубопровод, а затем в регулятор расхода хладагента.

Хладагент у входного отверстия регулятора расхода находится в жидком состоянии при высокой температуре и давлении. При проходе хладагента через маленькое отверстие клапана или капиллярной трубки его давление уменьшается до давления испарителя. Снижение давления хладагента производит соответствующее уменьшение температуры насыщения жидкого хладагента. В результате часть хладагента закипает и понижает температуру остальной жидкости. Парожидкостная смесь выходит из регулятора расхода хладагента и попадает в испаритель.

Хладагент у входного отверстия испарителя — это прохладная парожидкостная смесь с низкой температурой и давлением. Остальная жидкость испаряется при температуре насыщения, соответственно давлению в испарителе. Испаряющаяся жидкость поглощает скрытую теплоту в камере. Пар на выходе из испарителя немного перегрет, чтобы предотвратить попадание жидкости в компрессор.

Хладагент у входного отверстия компрессора — это перегретый пар при более низкой температуре и давлении. Компрессор вызывает движение хладагента благодаря зоне низкого давления в цилиндрах при всасывании. Так как давление в цилиндре ниже, чем давление пара в испарителе, хладагент поступает через всасывающий трубопровод в компрессор благодаря разнице давлений. Во всасывающем трубопроводе пар поглощает теплоту из окружающей среды, что еще более увеличивает его перегрев. При сжатии температура и давление пара увеличиваются, и нагретый пар под давлением выбрасывается в нагнетательный трубопровод.

Хладагент у входного отверстия конденсатора - это перегретый пар при высокой температуре и давлении. Так как температура окружающей среды конденсатора ниже, чем температура насыщения пара, хладагент конденсируется. Таким образом, скрытая теплота парообразования, поглощенная в испарителе, передается наружу из камеры. К тому времени, когда хладагент достигает нижней части конденсатора, он отдает достаточно сухой и скрытой теплоты, конденсируется и становится немного холоднее. Жидкость выходит из конденсатора и поступает к ресиверу в том же состоянии, в котором вышла из него. Цикл заканчивается.1

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН

Физические основы получения искусственного холода

Тепловая энергия в естественных условиях всегда переходит от тела более нагретого (охлаждаемого) к менее нагретому (охлаждающему). Понижение температуры охлаждаемого тела до температуры окружающей среды не требует специальных условий и происходит самопроизвольно. Понижение температуры тела ниже температуры окружающей среды требует применения искусственных способов.

Искусственное охлаждение основано на различных физических процессах: фазовых превращениях веществ, адиабатном расширении, дросселировании, термоэлект­рическом охлаждении и др.

Фазовые превращения. Сущность охлаждения при фазовых превращениях заключается в том, что кипение жидкостей, плавление твердых тел и сублимация твердых тел (переход из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое) могут происходить только при подводе к этим телам тепловой энергии. Если температура кипения жидкости, плавления или сублимации твердого тела ниже температуры окружающей среды, то тело будет переходить из одного агрегатного состояния в другое, отбирая необходимую для фазового превращения тепловую энергию от окружающей среды, температура ее при этом по­нижается. Среда, от которой отводится теплота, называется охлаждаемой средой.

В практике для целей искусственного охлаждения используют испарение и кипение жидкостей, плавление водного льда и льдосоляных смесей, сублимацию твердой углекислоты, называемой сухим льдом.

Кипением называется парообразование во всем объеме жидкости. В отличие от испарения, которое происходит только с поверхности жидкости при любом давлении и любой температуре, кипение жидкости протекает при определенной температуре, зависящей от давления. Жидкости, имеющие при атмосферном давлении низкие температуры кипения и используемые в качестве рабочих тел в паровых холодильных машинах, называются холодильными агентами .

Плавление представляет собой переход из кристаллического состояния в жидкое. Температура плавления водного льда 0°С, теплота плавления 334,88 кДж/кг.

С помощью льда нельзя получить низкие температуры. Для получения отрицательных температур используют смесь льда и поваренной соли. С повышением концентрациисоли до 23,1% температура плавления льдосоляной смеси понижается до определенной (криогидратной) температуры (-21,2°С), при этом теплота плавления уменьшается до 197,6 кДж/кг. Дальнейшее увеличение концентрации соли приводит к повышению температуры плавления смеси.

Ледяное и льдосоляное охлаждение имеют существеннее недостатки: необходимость заготовки, транспортировки льда, невозможность получения достаточно низких температур, в связи с чем их применение ограниченно.

Сублимация. твердой углекислоты СО 2 протекает при температуре -78,9° С, при этом килограмм сухого льда, переходя в газообразное состояние, отбирает от окружающей среды скрытую теплоту, равную 117 кДж/кг. Применение сухого льда позволяет получить низкие температуры, однако его высокая стоимостьи связанные с доставкой транспортные расходы ограничивают его использование.

Адиабатное расширение газа . Оно протекает только за счет его внутренней энергии без подвода внешней. Уменьшение внутренней энергии сопровождается понижением температуры газа. Этот процесс использован в воздушных холодильных машинах.

Дросселирование. Так называют расширение газа жидкости при проходе ими суженного отверстия. В процессе дросселирования наряду с расширением происходит понижение давления рабочего тела, при этом внешней работы оно не совершает.

Дросселирование жидкостей сопровождается их частичным парообразованием и понижением температуры. При дросселировании наблюдается большое парообразование жидкости, чем при адиабатном расширении, так как работа сил трения при движении жидкости через узкое сечение превращается в теплоту и передается дросселируемой жидкости. Дросселирование используется для глубокого охлаждения и сжигания газов.

Термоэлектрическое охлаждение . Оно основано на использовании эффекта Пельтье. При пропускании электрического тока от источника питания 4 (рисунок 1.1) через термоэлемент, состоящий из двух полупроводников, соединенных последовательно: электрического 1 (-) и дырочного 2 (+), спаянных медными пластинами 3, один спай охлаждается до температуры Т х , другой нагревается до температуры Т т.

Выполнить 5 заданий

Физическая природа тепла и холода одинакова, разни­ца состоит только в скорости движения молекул и атомов. В более нагретом телœе скорость движения больше, чем в [ менее нагретом. При подводе к телу тепла движение воз­растает, при отнятии тепла уменьшается. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, тепловая энергия есть внутренняя энергия движения моле­кул и атомов.

Охлаждение тела - это отвод от него тепла, сопро­вождаемый понижением температуры. Самый простой спо­соб охлаждения - теплообмен между охлаждаемым телом и окружающей средой - наружным воздухом, речной и морской водой, почвой. Но этим способом, даже при самом совершенном теплообмене, температуру охлаждаемого тела можно понизить только до температуры окружающей сре­ды. Такое охлаждение принято называть естественным. Ох­лаждение тела ниже температуры окружающей среды на­зывается искусственным. Стоит сказать, что для него используют глав­ным образом скрытую теплоту, поглощаемую телами при изменении их агрегатного состояния.

Количество тепла или холода измеряется калориями Или килограмм-калориями (килокалория). Калория - это Количество тепла, крайне важное для нагрева 1 г воды на 1°С При нормальном атмосферном давлении, килокалория - для Нагрева 1 кг воды на 1°С при тех же условиях.

Существуют несколько способов получения искусствен­ного холода. Самый простой из них - охлаждение при по­мощи льда или снега, таяние которых сопровождается по-

глощением довольно большого количества тепла. В случае если теп-лопритоки извне малы, а теплопередающая поверхность льда или снега относительно велика, то температуру в по­мещении можно понизить почти до 0°С. Практически в по­мещении, охлаждаемом льдом или снегом, температуру воздуха удается поддерживать лишь на уровне 5-8"С. При ледяном охлаждении используют водный лед или твердую углекислоту (сухой лед).

При охлаждении водным льдом происходит изменение его агрегатного состояния - плавление (таяние). Холодо-производительность, или охлаждающая способность чисто­го водного льда, принято называть удельной теплотой плавления. Она равна 335 кДж/кᴦ. Теплоемкость льда равна 2,1 кДж/ кг градус.

Водный лед применяется для охлаждения и сезонного хранения продовольственных товаров, овощей, фруктов в климатических зонах с продолжительным холодным перио­дом, где в естественных условиях в зимний период его лег­ко можно заготовить.

Водный лед в качестве охлаждающего средства приме­няется в специальных ледниках и на ледяных складах. Лед­ники бывают с нижней загрузкой льда (ледник-погреб) и с боковой - карманного типа.

Ледяное охлаждение имеет существенные недостатки: температура хранения ограничена температурой таяния льда (обычно температура воздуха на ледяных складах 5- 8"С), в ледник крайне важно закладывать количество льда, достаточное на весь период хранения, и добавлять по мере крайне важности; значительные затраты труда на заготовку и хранение водного льда; большие размеры помещения для льда, превышающие примерно в 3 раза размеры помеще­ния для продуктов; значительные затраты труда на соблю­дение необходимых требований, предъявляемых к хране­нию пищевых продуктов и отводу талой воды.

Лъдосоляное охлаждение производится с применением дробленого водного льда и соли. Благодаря добавлению соли

скорость таяния льда увеличивается, а температура тая-jjjfH льда опускается ниже. Это объясняется тем, что до­бавление соли вызывает ослабление молекулярного сцеп­ления и разрушение кристаллических решеток льда. Тая-л^е льдосоляной смеси протекает с отбором теплоты от ок­ружающей среды, в результате чего окружающий воздух охлаждается и температура его понижается. С повышени­ем содержания соли в льдосоляной смеси температура плав­ления ее понижается. Раствор соли с самой низкой темпе­ратурой таяния принято называть эвтектическим, а темпе­ратура его таяния - криогидратной точкой. Крио-гидратная точка для льдосоляной смеси с поваренной солью -21,2"С при концентрации соли в растворе 23,1% по отно­шению к общей массе смеси, что примерно равно 30 кг соли на 100 кг льда. При дальнейшей концентрации соли проис­ходит не понижение температуры таяния льдосоляной сме­си, а повышение температуры таяния (при 25%-ной кон­центрации соли в растворе к общей массе температура та­яния повышается до -8°С).

При замораживании водного раствора поваренной соли в концентрации, соответствующей криогидратной точке, по­лучается однородная смесь кристаллов льда и соли, кото­рая принято называть эвтектическим твердым раствором.

Температура плавления эвтектического твердого раствора поваренной соли -21,2°С, а теплота плавления 236 кДж/кᴦ. Эвтектический раствор применяют для зеро-торного охлаждения. Для этого в зероты - наглухо запа­янные формы - заливают эвтектический раствор поварен­ной соли и замораживают их. Замороженные зероты ис­пользуют для охлаждения прилавков, шкафов, охлаждае- M bix переносных сумок-холодильников и т. д. В торговле Ль досоляное охлаждение широко применялось до массо- в ого выпуска оборудования с машинным способом охлаж­дения.

Охлаждение сухим льдом основано на свойстве твер-Дой углекислоты сублимировать, т. е. при поглощении теп-

ла переходить из твердого состояния в газообразное, ми­нуя жидкое состояние. Физические свойства сухого льда следующие: температура сублимации при атмосферном дав­лении - 78,9"С; теплота сублимации 574,6 кДж/кᴦ.

Сухой лед обладает следующими преимуществами по сравнению с водным:

* можно получать более низкую температуру;

* охлаждающее действие 1 кг сухого льда почти в 2 раза больше, чем 1 кг водного льда;

* при охлаждении не возникает сырости, кроме того, при сублимации сухого льда образуется газообразная уг­ лекислота͵ которая является консервирующим средством, способствующим лучшему сохранению продуктов.

Сухой лед применяется для перевозки замороженных продуктов, охлаждения фасованного мороженого, заморо­женных фруктов и овощей.

Искусственного охлаждения можно достигнуть также, если смешать лед или снег с разведенными кислотами. На­пример, смесь из 7 частей снега или льда и 4 частей разве­денной азотной кислоты имеет температуру -35°С. Низкую температуру можно получить и растворением солей в раз­веденных кислотах. Так, если 5 частей азотнокислого аммо­ния и 6 частей сернокислого натрия растворить в 4 частях разведенной азотной кислоты, то смесь будет иметь темпе­ратуру -40°С.

Получение искусственного холода с помощью снега или льда, а также с помощью охлаждающих смесей имеет су­щественные недостатки: трудоемкость процессов заготовки льда или снега, их доставки, трудность автоматического регулирования, ограниченные температурные возможности.

В последнее время в связи с энергетическим кризисом, загрязнением окружающей среды всœе более актуальной ста­новится проблема использования для холодильной обработки пищевых продуктов нетрадиционных экологически безопас­ных методов получения холода. Наиболее перспективным

из них является криогенный метод на базе жидкого и газо­образного азота с применением безмашинной проточной системы хладоснабжения, предусматривающей одноразовое использование криоагента.

Перспективность данного метода хладоснабжения воз­растает в связи с открытием в России больших запасов (340 млрд м л) подземных высокоазотных газов. Себестоимость очищенного азота на порядок ниже, чем азота͵ полученно­го с помощью метода разделœения воздуха.

Безмашинные проточные системы азотного охлажде­ния имеют значительные преимущества: очень надежны в эксплуатации и имеют высокую скорость замораживания, обеспечивающую практически полное сохранение качества и внешнего вида продукта͵ а также минимальные потери его массы за счет усушки.

Особо следует отметить экологическую чистоту таких систем (в атмосфере Земли содержится до 78% газообраз­ного азота).

Наиболее распространенным и удобным в эксплуатаци­онном отношении способом охлаждения является машин­ное охлаждение.

Машинное охлаждение - способ получения холода за счет изменения агрегатного состояния хладагента͵ кипения его при низких температурах с отводом от охлаждаемого тела или среды крайне важной для этого теплоты парообра­зования.

Для последующей конденсации паров хладагента тре­буется предварительное повышение их давления и темпе­ратуры.

В основу машинного способа охлаждения может быть положено также адиабатическое (без подвода и отвода теп­ла) расширение сжатого газа. При расширении сжатого газа температура его значительно понижается, так как внешняя Работа в этом случае совершается за счет внутренней энер­гии газа. На этом принципе основана работа воздушных хо­лодильных машин.

Охлаждение путем расширения сжатого газа, в част­ности воздуха, отлично от всœех способов охлаждения. Воз­дух при этом не меняет своего агрегатного состояния, как лед, смеси и хладон, он только нагревается, воспринимая теплоту окружающей среды (от охлаждаемого тела).

Широкое применение машинного охлаждения в тор­говле объясняется рядом его эксплуатационных свойств и экономических преимуществ. Стабильный и легко регули­руемый температурный режим, автоматическое действие холодильной машины без больших затрат труда на техни­ческое обслуживание, лучшие санитарно-гигиенические условия хранения продуктов, компактность и общая эконо­мичность определяют целœесообразность применения машин­ного охлаждения.

На предприятиях оптовой и розничной торговли исполь­зуют в основном паровые холодильные машины, действие которых основано на кипении при низких температурах спе­циальных рабочих веществ - хладагентов. Паровые холо­дильные машины подразделяют на компрессионные, в которых пары хладагента подвергаются сжатию в компрес­соре с затратой механической энергии, и абсорбцион­ные, в которых пары хладагента поглощаются абсорбен­том.

Устройство и принцип действия компрессионной холо­дильной машины. Компрессионная холодильная машина (рис. 3.1) состоит из следующих базовых узлов: испарите­ля, компрессора, конденсатора, ресивера, фильтра, тер-морегулирующего вентиля. Автоматическое действие ма­шины обеспечивается терморегулирующим вентилем и ре­гулятором давления. К вспомогательным аппаратам, спо­собствующим повышению экономичности и надежности ра­боты машины, относятся: ресивер, фильтр, теплообмен­ник, осушитель. Машина приводится в действие электро­двигателœем.

Испаритель - охлаждающая батарея, которая погло­щает тепло окружающей среды за счет кипящего в ней

при низкой температуре хладагента. Учитывая зависимость отвида охлаждаемой среды различают испарители для охлажде­ния жидкости и воздуха.

Кожпрессор предназначен для отсасывания паров хлад­агента из испарителя, сжатия и нагнетания их в перегретом состоянии в конденсатор. В малых холодильных машинах Применяют поршневые и ротационные компрессоры, при­чем наибольшее распространение получили поршневые.

Конденсатор - теплообменный аппарат, служащий для снижения паров хладагента путем их охлаждения. По виду

охлаждающей среды конденсаторы выпускают с водяным ц воздушным охлаждением. Конденсаторы с принудительным движением воздуха имеют вертикально расположенные плоские змеевики из медных или стальных сребренных труб. Естественное воздушное охлаждение применяется только в холодильных машинах бытовых электрохолодильников. Конденсаторы с водяным охлаждением бывают кожухозме-евиковые и кожухотрубные.

Ресивер - резервуар, служащий для сбора жидкого хладагента с целью обеспечения его равномерного поступ­ления к терморегулирующему вентилю и в испаритель. В малых хладоновых машинах ресивер предназначен для сбора хладагента во время ремонта машины.

Фильтр состоит из медных или латунных сеток и су­конных прокладок. Он служит для очистки системы и хлад­агента от механических загрязнений, образовавшихся в ре­зультате недостаточной очистки их при изготовлении, монтаже и ремонте. Фильтры бывают жидкостные и паро­вые. Жидкостный фильтр устанавливается после ресивера перед терморегулирующим вентилем, паровой - на всасы­вающей линии компрессора.

Для предотвращения попадания ржавчины и механи­ческих частиц в цилиндры малых фреоновых холодильных машин, во всасывающую полость компрессора вставляют фильтр в виде стаканчика из латунной сетки.

Терморегулирующий вентиль обеспечивает равномер­ное поступление хладона в испаритель, распыляет жид­кий хладагент, тем самым понижает давление конденсации до давления испарения.

От правильной регулировки терморегулирующего вен­тиля во многом зависит экономичность работы холодильной машины. Избыток жидкого хладона в испарителœе вследствие влажного хода компрессора может привести к возникнове­нию гидравлического удара. При недостаточном заполнений испарителя жидкостью часть поверхности его не исполь­зуется, что ведет к нарушению нормального режима рабо-

ты машины и понижению температуры испарения хлад­агента.

Регулятор давления состоит из прессостата (регулятора лизкого давления) и маноконтроллера (выключателя высо­кого давления). Для регулировки температурного режима в определœенных пределах крайне важно, чтобы холодопроизво-дительность холодильной машины всœегда превышала приток тепла к ней. По этой причине в нормальных условиях нет необходи­мости в непрерывной работе холодильной машины.

Периодическое включение холодильной машины осу­ществляется прессостатом автоматически. Требуемый тем­пературный режим достигается путем регулирования про­должительности перерывов работы холодильной машины. Маноконтроллер служит для защиты от чрезмерного по­вышения давления в линии нагнетания. При повышении дав­ления в конденсаторе свыше 10 атм (норма - 6-8 атм) он размыкает цепь катушки магнитного пускателя, питание электродвигателя отключается и холодильная машина ос­танавливается.

Работа холодильной машины происходит следующим образом. Легкоиспаряющаяся жидкость (хладон-12) посту­пает через терморегулирующий вентиль в испаритель. По­падая в условия низкого давления, она кипит, превраща­ясь в пар, и при этом отбирает тепло у воздуха, окружаю­щего испаритель.

Из испарителя пары хладона отсасываются компрессо­ром, сжижаются и в перегретом от сжатия состоянии на­гнетаются в конденсатор. В охлаждаемом водой или возду­хом конденсаторе они превращаются в жидкость. Жидкий хладон стекает по трубам конденсатора и скапливается в ресивере, откуда под давлением проходит через фильтр, г Де задерживаются механические примеси (песок, окалина * Др.).

Очищенный от примеси хладон, проходя через узкое °тверстие терморегулирующего вентиля, дросселируется (мнется), распыляется и при резком снижении давления и

температуры поступает в испаритель, после чего цикл по­вторяется.

Рабочий цикл холодильной машины с учетом взаимо­действия приборов автоматики состоит в следующем. При выключенном электродвигателœе контакты релœе давления разомкнуты, терморегулирующий вентиль не пропускает жидкий хладон из конденсатора в испаритель, так как игла до конца вошла в седловину и плотно закрыла проходное сечение. В испарителœе в это время продолжается процесс кипения оставшегося после выключения машины жидкого хладагента. От притока внешнего тепла температура испа­рителя постепенно повышается и, следовательно, давле­ние скопившихся в нем паров возрастает. Давление в испа­рителœе будет расти до тех пор, пока прессостат релœе дав­ления не замкнет контакты и машина не вступит в работу.

С включением машины в работу начинается отсос пере­гретых паров из испарителя в компрессор. Это влечет за собой повышение температуры и давления в чувствитель­ном патроне терморегулирующего вентиля, вследствие чего игольчатый клапан открывает проходное отверстие. Жид­кий хладагент, интенсивно кипя, устремляется в трубы испарителя. Кипение сопровождается значительным пони­жением температуры парожидкостной смеси, в результате чего охлаждаются стенки испарителя, окружающий его воздух и скоропортящиеся продукты.

Понижение температуры окружающей среды снижает величину теплопритока. Кипение становится менее интен­сивным, сокращается количество пара, падает давление в испарителœе до предела, при котором релœе давления раз­мыкает контакты и машина останавливается. К моменту вык­лючения машины уменьшается подача жидкого хладагента в испаритель, поскольку избыток поступившего в него хлад­агента ведет к снижению температуры выходящих паров и к автоматическому прикрытию игольчатого клапана термо­регулирующего вентиля. Через несколько секунд после ос­тановки машины давление в термобаллоне и испарителœе

окончательно сравнивается и игольчатый клапан закрыва­ется.

Хладагенты. Хладагенты - это рабочие вещества па­ровых холодильных машин, с помощью которых обеспечи­вается получение низких температур. Наиболее распрост­раненные из них - хладон и аммиак.

При выборе хладагента руководствуются его термоди­намическими, теплофизическими, физико-химическими и физиологическими свойствами. Важное значение имеет так­же его стоимость и доступность. Хладагенты не должны быть ядовиты, не должны вызывать удушья и раздраже­ния слизистых оболочек глаз, носа и дыхательных путей человека.

Хладон-12 (R-12) имеет химическую формулу CHF 2 C1 2 (дифтордихлорметан). Он представляет собой газообразное бесцветное вещество со слабым специфическим запахом, который начинает ощущаться при объемном содержании его паров в воздухе свыше 20%. Хладон-12 обладает хорошими термодинамическими свойствами.

Хладон-22 (R-22), или дифтормонохлорметан (CHF 2 C1), так же как и хладон-12, обладает хорошими термодина­мическими и эксплуатационными свойствами. Отличается он более низкой температурой кипения и более высокой теплотой парообразования. Объемная холодопроизводи-тельность хладона-22 примерно в 1,6 раза больше, чем хладона-12.

Аммиак (NH 3) - бесцветный газ с удушливым сильным характерным запахом. Аммиак имеет достаточно высокую объемную холодопроизводительность. Производство его ос­новано главным образом на методе соединœения водорода с азотом при высоком давлении с наличием катализатора. Аммиак применяют и для получения низких температур (до -70°С) при глубоком вакууме. Теплота парообразова­ния, теплоемкость и коэффициент теплопроводности у ам­миака выше, а вязкость жидкости меньше, чем у хладонов. По этой причине он имеет высокий коэффициент теплоотдачи. Сто-

имость аммиака невысока по сравнению с другими хлад~

агентами.

Как известно, некоторые хладагенты обладают озоно-разрушающей способностью, что не может не тревожить международную общественность.

Способность хлорсодержащих хладагентов вызывать данный процесс принято называть озоноразрушающим потенциа­лом - ОРП (рис. 3.2).

R~403BR^t04A R-22 R-134A R-12 R-502

Рис. 3.3. Потенциал глобального потепления

0,5-.				£7
0,45-
0,4-
0,35-				^.		£?
0,3-cl 0,25-				1 1
0 0,2-		x~7
0,15		1-		^ i
0,1		ИХ |^"	Pli
0,05		К ^	^^Ji^:	^v ^			*r
0-		ОС	" I «fc	СЧ 4- ОС		г ОС

Рис. 3.2. Озоноразрушающий потенциал

Продолжительность жизни хладагентов в атмосфере также очень важный фактор. Это показатель времени, в течение которого различные вещества сохраняются в ат­мосфере и могут влиять на окружающую среду. Иными сло­вами, чем дольше химикат или хладон сохраняется в ат­мосфере, тем он менее экологически безопасен (рис. 3.4).

80-60- 40-20-0

Если давление понизить до 0,007 бар, то вода начнет кипеть при температуре всего 4 °C — таковы ее свойства. В этом случае достаточно было бы подвести к чайнику теплоноситель с температурой, например, 10 °C, и с помощью этого теплоносителя вода в чайнике закипела бы, как от пламени газовой горелки, а теплоноситель бы этот охладился, например, до температуры 7 °C, подобно тому, как охлаждаются под кипящим чайником продукты сгорания газа. Теплоноситель, охлажденный от 10 до 7 °C, называют холодоносителем, и его можно с успехом использовать, например, в системах кондиционирования.

В испарителе же АБХМ происходят именно такие процессы. В качестве холодильного агента в этой машине используются не фреоны, а как в чайнике — обыкновенная вода, которая кипит в испарителе, давление внутри которого близко к абсолютному вакууму.

Вместе с тем, холодильная машина должна быть все же несколько сложнее чайника. Вакуум из испари теля исчезнет, как только из воды начнет образовываться пар. Чтобы этого не произошло, пар нужно удалять. В обычных компрессорных холодильных машинах пар, образующийся при кипении холодильных агентов, отсасывают компрессором. Теоретически можно было бы отсосать компрессором и водяной пар, но практически эту задачу решить сложно, потому что удельный объем водяного пара при низком давлении очень велик, и потребовался бы компрессор чрезмерно большого размера. На этом идея водяной холодильной машины могла бы уйти в область фантастики, если бы не было открыто такое вещество, как раствор бромистого лития в воде. Особенностью этого раствора является его способность жадно поглощать (по-научному — «абсорбировать») водяной пар. Если в одном объеме с испарителем распылять концентрированный раствор бромистого лития, называемый абсорбентом, то вакуум в этом объеме сохранится, поскольку пар перейдет в раствор. Правда, абсорбент очень скоро потеряет свою способность поглощать, тепло будет передано оборотной воде, циркулирующей через змеевик абсорбера, и отведено в атмосферу через градирню.

Слабый раствор из абсорбера А насосом 3 подается в генератор Г, через трубки которого циркулирует теплоноситель от источника тепла Т. Под воздействием этого тепла пар из слабого раствора испарится и через жалюзи устремится (показано стрелкой) в пространство охлаждаемого оборотной водой конденсатора К, на трубках которого пар сконденсируется, конденсат возвратится в испаритель И, а частично обезвоженный (концентрированный) раствор бромистого лития возвратится в абсорбер. Концентрация соли в растворе понижается, и вместе с этим ухудшается абсорбционная его способность. Чтобы поддерживать абсорбционную способность раствора на постоянном высоком уровне, нужно лишний пар из него выпарить. А для выпаривания нет более подходя щей энергии, чем тепловая.

Способы получения холода

Физическая природа тепла и холода одинакова, разница состоит только в скорости движения молекул и атоме. В более нагретом теле скорость движения больше, чем менее нагретом. При подводе к телу тепла движение возрастает, при отнятии тепла уменьшается.

Тепловая энергия есть внутренняя энергия движения молекул и атомов.

Охлаждение тела - это отвод от него тепла, сопровождаемый понижением температуры. Самый простой способ охлаждения - теплообмен между охлаждаемым телом и окружающей средой - наружным воздухом, речной морской водой, почвой.

Но этим способом температуру охлаждаемого тела можно понизить только до температуры окружающей среды. Такое охлаждение называется естественным. Охлаждение тела ниже температуры окружающей среды называется искусственным. Для него используют главным образом скрытую теплоту, поглощаемую телами при изменении их агрегатного состояния.

Количество тепла или холода измеряется калориями или килограмм-калориями (килокалория). Калория - это количество тепла, необходимое для нагрева 1 г воды на 1 при нормальном атмосферном давлении, килокалория - для нагрева 1 кг воды на 1С при тех же условиях.

Существуют несколько способов получения искусственного холода.

1.О хлаждение при помощи льда или снега, таяние которых сопровождается поглощением довольно большого количества тепла. Простое, дешевое. Недостаток - нельзя получить температуру ниже +3 °С. Практически в помещении, охлаждаемом льдом или снегом, температуру воздуха удается поддерживать лишь на уровне 5-8°С. При ледяном охлаждении используют водный лед или твердую углекислоту (сухой лед).

При охлаждении водным льдом происходит изменение его агрегатного состояния - плавление (таяние). Холодопроизводительность, или охлаждающая способность чистого водного льда, называется удельной теплотой плавления. Она равна 335 кДж/кг. Теплоемкость льда равна 2,1 кДж/кг градус.

Водный лед в качестве охлаждающего средства применяется в специальных ледниках и на ледяных складах. Ледники бывают с нижней загрузкой льда (ледник-погреб) и с боковой - карманного типа.

2.Лъдосоляное охлаждение производится с применением дробленого водного льда и соли. Благодаря добавлению соли скорость таяния льда увеличивается, а температура таяния льда опускается ниже. Это объясняется тем, что добавление соли вызывает ослабление молекулярного сцепления и разрушение кристаллических решеток льда. Таяние льдосоляной смеси протекает с отбором теплоты от окружающей среды, в результате чего окружающий воздух охлаждается и температура его понижается. С повышением содержания соли в льдосоляной смеси температура плавления ее понижается. Раствор соли с самой низкой температурой таяния называется эвтектическим, а температура его таяния - криогидратной точкой. Криогидратная точка для льдосоляной смеси с поваренной солью -21,2°С, при концентрации соли в растворе 23,1% по отношению к общей массе смеси, что примерно равно 30 кг соли па 100 кг льда. При дальнейшей концентрации соли происходит не понижение температуры таяния льдосоляной смеси, а повышение температуры таяния (при 25%-ной концентрации соли в растворе к общей массе температура таяния повышается до -8 ° С).

При замораживании водного раствора поваренной соли в концентрации, соответствующей криогидратной точке, получается однородная смесь кристаллов льда и соли, которая называется эвтектическим твердым раствором.

Температура плавления эвтектического твердого раствора поваренной соли -21,2 ° С, а теплота плавления - 236 кДж/кг. Эвтектический раствор применяют для зероторного охлаждения. Для этого в зероты - наглухо запаяннные формы - заливают эвтектический раствор поваренной соли и замораживают их. Замороженные зероты используют для охлаждения прилавков, шкафов, охлаждаемых переносных сумок-холодильников и т. д.

3.Охлаждение сухим льдом основано на свойстве твердой углекислоты сублимировать, т. е. при поглощении тепла переходить из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое состояние. Физические свойства сухого льда: температура сублимации при атмосферном давлении - 78,9°С , теплота сублимации 574,6 кДж/кг. . Высокая стоимость сухого льда ограничивает его широкое применение.

Сухой лед обладает преимуществами по сравнению с водным:

1.можно получать более низкую температуру;

2.охлаждающее действие 1 кг сухого льда почти в 2 раза больше, чем 1 кг водного льда:

3.при охлаждении не возникает сырости, кроме того, при сублимации сухого льда образуется газообразная углекислота, которая является консервирующим средством, способствующим лучшему сохранению продуктов.

Сухой лед применяется для перевозки замороженных продуктов, охлаждения фасованного мороженого, замороженных фруктов и овощей.

Искусственного охлаждения можно достигнуть также, если смешать лед или снег с разведенными кислотами. Например, смесь из 7 частей снега или льда и 4 частей разведенной азотной кислоты имеет температуру -35°С. Низкую температуру можно получить и растворением солей в разведенных кислотах. Так, если 5 частей азотнокислого аммония и 6 частей сернокислого натрия растворить в 4 частях разведенной азотной кислоты, то смесь будет иметь температуру -40 ° С.

Получение искусственного холода с помощью снега или льда, а также с помощью охлаждающих смесей имеет существенные недостатки: трудоемкость процессов заготовки льда или снега, их доставки, трудность автоматического регулирования, ограниченные температурные возможности.

4. Охлаждение жидкими газами (азотом, воздухом и др.) основано на их кипении при низкой температуре. При нормальном давлении температура кипения азота равна –195,8 °С, воздуха – от –190 до –195 °С, кислорода –182,8 °С.

В связи с энергетическим кризисом, загрязнением окружающей среды все более актуальной становится проблема использования для холодильной обработки пищевых продуктов нетрадиционных экологически безопасных методов получения холода. Наиболее перспективным из них является криогенный метод на базе жидкого и газообразного азота с применением безмашинной проточной системы хладоснабжения, предусматривающей одноразовое использование криоагента.

Перспективность данного метода хладоснабжения возрастает в связи с открытием в России больших запасов (340 млрд. м 3 ) подземных высокоазотных газов. Себестоимость очищенного азота на порядок ниже, чем азота, полученного с помощью метода разделения воздуха.

Безмашинные проточные системы азотного охлаждения имеют значительные преимущества: очень надежны в эксплуатации и имеют высокую скорость замораживания, обеспечивающую практически полное сохранение качества и внешнего вида продукта, а также минимальные потери его массы за счет усушки.

Особо следует отметить экологическую чистоту таких систем (в атмосфере Земли содержится до 78% газообразного азота).

Наиболее просты по устройству и доступны установки, работающие на готовых хладоносителях: водном или сухом льду, льдосоляных смесях, жидких газах и др. Основной недостаток – полная зависимость от возможностей и условий получения хладоносителей, большой объем работ, связанных с зарядкой охлаждающей системы. Этого недостатка не имеет машинное охлаждение, потребляющее извне только энергию или воздух.

Наиболее распространенным и удобным в эксплуатационном отношении способом охлаждения является машинное охлаждение.

5.Машинное охлаждение - способ получения холода за счет изменения агрегатного состояния хладагента, кипения его при низких температурах с отводом от охлаждаемого тела или среды необходимой для этого теплоты парообразования

Охлаждение, как и нагрев, основано на теплообмене - это самопроизвольный переход тепла от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой. Для охлаждения используются процессы, протекающие с поглощением тепла из окружающей среды: таяние или растворение; кипение или испарение; сублимация и др.

Под низкими температурами понимают температуры ниже окружающей среды. В холодильном оборудовании предприятий торговли и общественного питания этот диапазон составляет от 0 до - 40°С.

Низкие температуры получают в результате физических процессов, которые сопровождаются поглощением тепла. К числу основных таких процессов относится:

1.Фазовый переход вещества - плавление, кипение (испарение), сублимация

Фазовый переход некоторых веществ при плавлении, кипении (испарении), сублимации происходит при низких температурах и с поглощением значительного количества тепла.

Рис.1 Схема фазовых переходов вещества

Плавление - переход твердого тела в жидкое состояние при определенной температуре. Теплота плавления - количество тепла, необходимое для превращения 1 кг твердого вещества при постоянной температуре в жидкое состояние.

Сублимация- переход тел из твердого состояния в парообразное, минуя жидкую фазу. Теплотой сублимации - количество тепла, необходимое для перехода 1 кг твердого вещества в пар при постоянных давлении и температуре. Твердая углекислота при атмосферном давлении переходит в газообразное состояние при -78°С.

Кипение - процесс превращения жидкости в пар. Образование пара происходит по всему объему жидкости. Температура жидкости, нагретой до точки кипения, остается постоянной при неизменном давлении пока вся не выкипит.

Испарение- процесс превращения жидкости, не достигшей точки кипения, в пар . Испарение происходит только с поверхности жидкости.

В холодильной технике под испарением подразумевают также и кипение.

Процесс, обратный кипению, - конденсация. Конденсация протекает при постоянной температуре и сопровождается выделением теплоты. Температура конденсации зависит от давления. Давление и температура всегда изменяются в одном направлении. Растет температура - увеличивается давление, и наоборот.

2.Адиабатическое расширение газа

П роцесс, происходящий без подвода и отвода тепла, называется адиабатическим. Адиабатное расширение – процесс резкого падения давления при прохождении рабочего вещества через специальное расширительное устройство. В холодильной технике в качестве расширительного устройства используется детандер .

3. Дросселирование газа и жидкостей

Процесс резкого падения давления (температуры) при прохождении рабочего вещества через местное сужение в канале .

сужение в канале

Рис. 2 Схема холодильной машины

4. Термоэлектрический эффект (эффект Пельтье)

Единичный элемент термоэлектрического модуля (ТЭМ) - термопара, состоящая из двух разнородных элементов с p- и n- типом проводимости. Элементы соединяются между собой при помощи коммутационной пластины из меди. В качестве материала элементов используются полупроводники на основе висмута, теллура, с примесями из сурьмы и селена.

ТЭМ - совокупность термопар, электрически соединенных последовательно. Термопары помещаются между двух плоских керамических пластин на основе оксида или нитрида алюминия. Количество термопар может изменяться в широких пределах - от единиц до тысяч пар, что позволяет создавать ТЭМ практически любой холодильной мощности - от десятых долей до сотен ватт.

При прохождении через ТЭМ постоянного электрического тока между его сторонами образуется перепад температур - одна сторона (холодная) охлаждается , а другая (горячая) нагревается . Если с горячей стороны ТЭМ обеспечить отвод тепла, то на холодной стороне можно получить температуру, которая будет на десятки градусов ниже температуры окружающей среды. Степень охлаждения будет пропорциональной величине тока. При смене полярности тока горячая и холодная стороны элемента Пельтье меняются местами.

Рис.3 Действие эффекта Пельтье при протекании тока через полупроводники p- и n-типов проводимости.	Рис.4 Термоэлектрический модуль (ТЭМ )	Рис.5 Внешний вид ТЭМ

Наибольшей термоэектрической эффективностью для изготовления ТЭМ материалов обладает теллурид висмута , в который добавляют специальные примеси, селен и сурьму.

Термоэлектрический холодильник бесшумен, но дорог: сумки-холодильники, небольшие автомобильные холодильники и кулеры питьевой воды.

Способы получения искусственного холода разнообразны.