Теоретические основы холодильных машин

Стр 1 из 14Следующая ⇒

Теоретические основы холодильных машин

КУРС ЛЕКЦИЙ

Могилев 2005

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

МОГИЛЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРОДОВОЛЬСТВИЯ

Кафедра теплохладотехники

Холодильные машины

Конспект лекций

для студентов механических специальностей

дневной и заочной формы обучения

Могилев 2005

УДК 664.7

Рассмотрены и утверждены

на заседании кафедры

теплохладотехники

Протокол № 4 от 22.11.2005г.

Составитель к. т. н., доцент В.П. Зыльков

Рецензент старший преподаватель. В.И. Сидоров

Ó УО «Могилевский государственный университет продовольствия»

СОДЕРЖАНИЕ с

ВВЕДЕНИЕ 6

1. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР 7

1.1. Параметры состояния вещества.............................. 7

1.2. Основные законы термодинамики............................ 9

1.3. Термодинамические основы холодильных машин. 11

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ПОЛУЧЕНИЯ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР........... 14

2.1. Фазовый переход........................................... 14

2.2. Дросселирование........................................... 16

2.3. Адиабатное расширение..................................... 18

2.4. Вихревой эффект.......................................... 19

2.5. Термоэлектрический эффект................................. 20

2.6. Адиабатное размагничивание................................ 22

2.7. Десорбция газов........................................... 23

3. РАБОЧИЕ ВЕЩЕСТВА ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН 24

3.1. Классификация рабочих веществ............................. 24

3.2. Свойства холодильных агентов.............................. 25

3.4. Выбор холодильных агентов................................. 45

3.5. Промежуточные хладоносители............................... 45

3.6. Выбор хладоносителей...................................... 47

3.7. Термодинамические диаграммы............................... 48

4. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБРАТНЫХ ЦИКЛОВ 52

4.1. Классификация обратных циклов............................. 52

4.2. Необратимые потери обратных циклов........................ 54

4.3. Выбор обратимого цикла.................................... 59

4.4. Методы сокращения необратимых потерь...................... 61

4.5. Связь прямого и обратного циклов.......................... 63

4.6. Эксергетический анализ обратных циклов.................... 64

5. СХЕМЫ И ЦИКЛЫ ПАРОВЫХ КОМПРЕССИОННЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН.... 68

5.1. Классификация паровых компрессионных холодильных машин 68

5.2. Одноступенчатые холодильные машины........................ 68

5.3. Двухступенчатые холодильные машины........................ 74

5.4. Трехступенчатые холодильные машины........................ 81

5.5. Каскадные холодильные машины.............................. 83

6. СХЕМЫ И ЦИКЛЫ ГАЗОВЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН 86

6.1. Классификация газовых холодильных машин................... 86

6.2. Детандерные замкнутые холодильные машины.................. 87

6.3. Детандерные разомкнутые холодильные машины................ 89

6.4. Вихревые холодильные машины............................... 91

7. СХЕМЫ И ЦИКЛЫ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН........ 93

7.1. Теоретические основы термоэлектричекого охлаждения........ 93

7.2. Взаимосвязь термоэлектрических эффектов................... 94

7.3. Эффективность применения термоэлектрического охлаждения 97

ВЫВОД 99

ЛИТЕРАТУРА..................................................... 100

Введение.

Любое вещество состоит из мельчайших частиц, которыми являются молекулы. Они связаны между собой силами взаимного притяжения и отталкивания и поэтому находятся в непрерывном движении. Как все движущиеся вещества, имеющие массу, молекулы обладают кинетической энергией движения. Кроме этого молекулы обладают и потенциальной энергией, обусловленной их силами сцепления и взаимного расположения. Сумма кинетической энергии хаотического движения молекул и потенциальной энергией их взаимодействия называется внутренней энергией вещества.

В природе энергия от одного тела к другому может передаваться с помощью механического или теплового взаимодействия. При механическом взаимодействии тел передача энергии осуществляется за счет работы механических или электромагнитных сил. Тепловое взаимодействие обусловлено передачей энергии хаотическим движением молекул за счет теплопроводности или теплового излучения.

Количество энергии, переданное или полученное при тепловом взаимодействии тел, называется количеством теплоты или просто теплотой. Увеличение средней скорости хаотического движения молекул вызывает повышение кинетической энергии, а значит и увеличение внутренней энергии вещества. Уменьшение средней скорости хаотического движения молекул вызывает снижение кинетической энергии, а значит и уменьшение внутренней энергии вещества. Повышение или уменьшение внутренней энергии влияет на относительную нагретость вещества, т.е. не его температуру. При подводе к веществу теплоты его внутренняя энергия возрастает, вещество нагревается и температура повышается. Отвод теплоты от вещества приводит к уменьшению его внутренней энергии, охлаждению и снижению температуры.

Теплота – это одна из форм передачи энергии. Она может быть преобразована в другие виды энергии, например в механическую или электрическую. И наоборот, все виды энергии могут быть превращены в тепловую энергию.

Физическая природа теплоты и холода одинакова. Теплота и холод условные понятия относительно какой-либо фиксированной температуры. Например, для двигателя автомобиля атмосферный воздух с температурой +30 ^оС является холодным, а человеком он воспринимается как теплый.

К низкотемпературному диапазону относится диапазон температур от температуры окружающей среды до температуры абсолютного нуля. В свою очередь он делится на область умеренного холода и область глубокого холода.

ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР

Физические принципы получения низких температур.

Фазовый переход.

Любое вещество может находиться в различных агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. При определенных условиях возможно одновременное состояние вещества сразу в нескольких фазах. Например, в жидкой и газообразной, газообразной и твердой, твердой и жидкой фазах. В тройной точке вещество может находиться сразу в трех фазах.

Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое называется фазовым переходом. Фазовая диаграмма для чистых веществ показана на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1. Термодинамическая диаграмма состояния вещества.

На диаграмме кривая I обозначает равновесие пар-жидкость (кипение-конденсация), кривая II – равновесие жидкость - твердое вещество плавление - кристаллизация), III - равновесие твердое тело-пар (сублимация - десублимация), точка А – тройная точка.

Фазовые переходы сопровождаются процессами выделения или поглощения теплоты без изменения температуры рабочего вещества. В этом случае выделяемая или поглощаемая теплота фазового перехода расходуется на преодоление сил сцепления между молекулами. При выделении теплоты происходит нагрев какого-либо тела, помещенного в рабочее вещество. При поглощении теплоты, наоборот, от тела отнимается теплота и происходит его охлаждение.

К фазовым переходам с выделением теплоты относятся кристаллизация, конденсация, десублимация и др. Такие процессы в холодильной технике для получения низких температур не применяются.

Для получения температур ниже температуры окружающей среды используются фазовые переходы, которые сопровождаются поглощением теплоты. К ним относятся плавление, кипение, испарение и сублимация.

Плавление.

Плавлением называется процесс фазового перехода рабочего вещества из твердого состояния в жидкое, при сообщении ему теплоты. Наиболее широко для получения низких положительных температур применяется водный лед. Его температура плавления при атмосферном давлении равна 0^оС, удельная теплота плавления составляет 334 КДж/кг. Недостатком охлаждения с помощью водного льда является невозможность получения отрицательных температур. Если кусочки водного льда смешать с какой-либо солью, то можно снизить температуру его плавления до отрицательных значений. Температура таяния льдосоляной смеси зависит от вида соли и ее концентрации. Так, например, добавление 20 % хлористого натрия позволяет снизить температуру плавления льда до - 13, 7^оС. Однако существует определенная концентрация соли, выше которой не происходит снижения температуры плавления смеси. Эта температура является самой низкой для данной смеси. С увеличением концентрации соли в воде температура плавления снижается. При какой-то определенной концентрации ξ Е наблюдается самая низкая температура плавления. Дальнейшее увеличение концентрации не приводит к снижению температуры плавления. Раствор состояния т. Е называется эвтектикой, а концентрация и температура эвтектическими.

В транспортных холодильных установках для охлаждения рефрижераторов применяется плавление эвтектического льда в зероторах. Эвтектический лед представляет собой замороженный водно-соляной раствор с криогидратной или эвтектической концентрацией соли. Температура плавления эвтектического льда, например, с солью СаCl₂ равна -55^оС.

Кипение.

Кипением называется процесс перехода рабочего вещества из жидкого состояния в газообразное с образованием пузырьков пара по всему объему жидкости. Для осуществления процесса кипения необходимо постоянно подводить теплоту. Каждое вещество характеризуется определенной температурой кипения, которая зависит от давления в сосуде. Повышая или понижая давление можно изменять температуру кипения рабочего вещества.

Жидкости с низкими температурами кипения используются для получения холода в паровых холодильных машинах. Например, температура кипения хладона 22 при атмосферном давлении равна -41^оС, аммиака - -33^оС, хладона 142" В" - 9^оС.

Испарение.

Испарением называется переход рабочего вещества из жидкого состояния в газообразное только с поверхности жидкости. В герметически закрытом сосуде между жидкостью и паром устанавливается динамическое равновесие, то есть количество молекул вещества выходящих из жидкости в пар равно количеству молекул переходящих из пара в жидкость. Определенному давлению при этом соответствует определенная температура. Нарушение динамического равновесия приводит к процессам, стремящимся восстановить его вновь. Если из сосуда начать откачивать пар, то давление начнет уменьшаться и количество молекул выходящих из жидкости значительно превысит количество молекул переходящих из пара в жидкость. В этом случае теплота будет поглощается от самого рабочего вещества и температура жидкости понизится.

Сублимация.

Сублимацией называется переход рабочего вещества из твердого состояния сразу в газообразное, минуя жидкую фазу. Для получения низких температур чаще всего используется сублимация твердого диоксида углерода СО₂. Так как при сублимации он не образует жидкости, то его еще называют " сухим" льдом. Температура сублимации " сухого" льда при атмосферном давлении составляет -78, 5^оС, теплота сублимации равна 573 КДж/кг.

2.2. Дросселирование (Эффект Джоуля-Томсона).

Дросселированием называется процесс резкого падения давления при прохождении рабочего вещества через какое-либо местное сужение в канале. Этот эффект был открыт в 1852 году Д.Джоулем и В.Томсоном при изучении свойств реальных газов [6]. В качестве местных сопротивлений могут быть использованы: диафрагма, вентиль, капиллярная трубка, пористая перегородка и т.д.

Для примера можно рассмотреть процесс дросселирования при прохождении рабочего вещества через диафрагму, установленную в горизонтальной трубе постоянного сечения (рис.2.3). Процесс протекает без теплообмена с окружающей средой. По трубе площадью F перемещается рабочее вещество массой G. Давление, температура и удельный объем рабочего вещества до и после дросселирования соответственно равны Р₁, Т₁, v₁ и Р₂, Т₂, v₂, причем

Р₁ > Р₂.

Рисунок 2.3. Дросселирование.

За некоторый промежуток времени сечение 1-1 до диафрагмы переместится на расстояние s₁, сечение 2-2 после диафрагмы - на расстояние s₂. Для того чтобы переместить сечение 1-1 на расстояние s₁ необходимо совершить работу, равную

L₁ = Р₁s₁F = Р₁v₁G, (2.1)

где s₁F = v₁G = V₁ – объем рабочего вещества, вытесненного сечением 1-1 за данный промежуток времени через диафрагму.

Работа, совершенная потоком для перемещения сечения 2-2 за диафрагмой, соответственно определяется как

L₂ = Р₂v₂G, (2.2)

Работа, затраченная на преодоление сопротивления диафрагмы (работа проталкивания), равна разности полученных работ, т.е.

L = L₂– L₁ = P₂v₂G – P₁v₁G = G (P₂v₂ – P₁v₁) (2.3)

В процессе дросселирования без теплообмена с окружающей средой эта работа преобразуется в теплоту и передается самому рабочему веществу. Она может быть произведена только за счет уменьшения внутренней энергии системы и, следовательно:

L = u₁G – u₂G = G (u₁ – u₂) (2.4)

где u₁и u₂ – внутренняя энергия единицы массы рабочего вещества до и после диафрагмы.

Приравнивая между собой правые части уравнения 2.3 и 2.4 можно получить равенство:

G (P₂v₂ – P₁v₁) = G (u₁ – u₂) (2.5)

или после преобразования:

u₁ + P₁v₁ = u₂ + P₂v₂ (2.6)

Так как u₁+ P₁v₁ = h₁, а u₂ + P₂v₂ = h₂, то при дросселировании h₁ = h₂

Отсюда наглядно видно, что при адиабатном дросселировании значения энтальпий рабочего вещества до и после местного сопротивления одинаковы.

Однако в самом процессе дросселирования энтальпия может быть переменной.

Для идеального газа:

dh = 0; du = 0; dT = 0; p₁v₁= p₂ v₂.

Для реального газа внутренняя энергия зависит от объема, тогда:

dh = 0; du ≠ 0; dT ≠ 0; p₁v₁≠ p₂ v₂.

Эффективность процесса дросселирования определяется коэффициентом дросселирования α _h_, который равен:

Изменение температуры при дросселировании называется интегральным дроссельным эффектом или эффектом Джоуля-Томпсона

Отсюда:

если α _h > 0, то Т₂ – Т₁ < 0 – положительный дроссельэффект (охлаждение),

если α _h < 0, то Т₂ – Т₁> 0 – отрицательный дроссельэффект (нагрев),

если α _h = 0, то Т₂ = Т₁– инверсия (температура не изменяется).

Для большинства рабочих веществ, при дросселировании от нормальной температуры имеет место снижение температуры. Для некоторых веществ, таких как водород, неон, гелий, температура при дросселировании повышается, наблюдается отрицательный дроссельэффект.

Адиабатное расширение.

Адиабатное расширение – процесс резкого падения давления при прохождении рабочего вещества через специальное расширительное устройство. В холодильной технике в качестве расширительного устройства используется детандер.

По конструкции детандеры делятся на: осевые, центробежные, винтовые, поршневые.

В отличии от дросселирования при адиабатическом расширении температура любого рабочего вещества уменьшается (Р₁> P₂, T₁> T₂).

Эффективность адиабатного расширения определяется

коэффициентом адиабатного расширения:

При сопоставлении коэффициента адиабатного расширения и коэффициента дросселирования, запишем уравнение, т.к. удельный объём и теплоёмкость всегда положительны, то всегда α _s> α _h.

Рассмотрим два процесса в S, T-диаграмме:

Рисунок 2.4. Сравнение адиабатного расширения и дросселирования.

1-2 – процесс адиабатного расширения,

1-3 – процесс дросселирования.

Из рисунка видно, что Δ Т_s > Δ Т_h.

С точки зрения термодинамики процесс адиабатного расширения на много эффективней, чем процесс дросселирования. Но детандер представляет собой сложный механизм, понижающий надёжность работы холодильной машины, поэтому в действительных холодильных машинах процесс адиабатного расширения используют очень редко.

2.4 Вихревой эффект (эффект Ранка-Хильша).

В 1932 году французский ученый Жорж Ранк при испытании циклонного пылеуловителя обратил внимание на то, что температуры воздуха в центре и на периферии канала различны. В центральной части воздух был значительно холодней, чем около внутренней поверхности циклона. В то время на это открытие не обратили особого внимания и даже опровергали его. В 1946 немецкий ученый Р. Хильш опубликовал статью с подробным доказательством процесса температурного расширения в вихревой трубе, после чего эффект стал называться эффектом Ранка-Хильша.

Вихревой эффект заключается в том что при прохождении любого газа по любому каналу происходит разделение потоков: более горячий поток движется по периферии, а холодный поток сосредотачивается в центре, на оси канала. Чем больше турбулизация потока, тем эффективнее процесс температурного разделения.

В холодильной технике наиболее широко используется вихревая труба. Конструкция вихревой трубы чрезвычайно проста (см. рис. 2.5).

Рисунок 2.5.Конструкция вихревой трубы.

Она имеет цилиндрический корпус 1, сопло с тангенциальным вводом 2, дроссель 3 и диафрагму или трубу малого диаметра 4.

Сжатый воздух с температурой окружающей среды через сопло подается в трубу по касательной к внутренней поверхности корпуса. Поступивший воздух вращается, одновременно перемещаясь по длине трубы от сопла к дросселю. При вихревом движении воздуха в трубе происходит его температурное разделение. Более теплый поток перемещается к внутренней стенке корпуса, более холодный поток сосредотачивается у оси трубы. Теплый поток выводится за пределы вихревой трубы через дроссель, как правило, в атмосферу, а холодный поток направляется через диафрагму или трубу малого диаметра для охлаждения. Количество воздуха в теплом и холодном потоках можно регулировать, изменяя площадь проходного сечения дросселя.

Отношение массового расхода холодного потока G_х к общему расходу газа, поступившему в трубу G_об, называется массовой долей холодного потока и обозначается буквой μ, т.е.

Современные конструкции вихревых труб позволяют получить при расширении воздуха в вихревой трубе от давления 0, 4–0, 8 МПа (4–8 атм.) до атмосферного давления можно получить температуру холодного потока t_х = –2…–80^оС и температуру горячего потока t_г = 100…130^оС. Величина температурного перепада во многом определяется μ.

С точки зрения термодинамики необратимые потери при температурном разделении потоков в вихревой трубе предопределяют больше энергетических затрат, чем при адиабатном расширении, но меньше, чем при дросселировании. Полезно используется только 30% от всего потока.

Адиабатное размагничивание.

В 1905 году французский учёный Лонжерон экспериментально показал, что при намагничивании парамагнитного вещества его температура повышается, а при размагничивании – уменьшается.

В 1926 – была создана экспериментальная установка для получения низких температур, такая установка имеет периодический принцип действия.

Рисунок 2.7 – Процесс адиабатного размагничивания.

Первоначально вокруг парамагнетика создаётся магнитное поле при этом парамагнетик намагничивается от первоначальной Н₁ до конечной Н₅ в ходе процесса 1-2. Для отвода теплоты намагничиваемости используется охлаждающая среда (парообразный гелий). После полной намагничиваемости магнитное поле снимается и прекращается подача охлаждающей среды. Парамагнетик начинает размагничиваться от конечной намагниченности Н₅ до начальной Н₁, его температура резко падает в ходе процесса 2-3.

Преимущество способа:

- простота конструкции,

- отсутствие движущихся частей,

- отсутствие холодильного агента,

- бесшумная работа.

Недостатки:

- необходимость мощного магнитного поля.

Десорбция газов.

Адсорбция – поглощение твердым веществом газа протекает с выделением теплоты, т.е. с нагреванием, а при десорбции – выделение газа из твёрдого тела, протекает с поглощением энергии и охлаждением.

В качестве твёрдого вещества используется пористые вещества: активированный уголь, древесный уголь, соли.

В промышленности такой способ не нашёл широкого применения, но может использоваться в лабораторных и научно-исследовательских работах.

Для получения температур близких к нулю по шкале Кельвина используется активированный уголь и газообразный гелий при температуре равной 289°С. В опытах часть гелия впитывалась активированным углём, другая часть гелия отводила теплоту адсорбции, поэтому температура рабочего вещества не изменялась.

В сосуде с активированным углём создавался вакуум, после чего начинался процесс десорбции – температура активированного угля резко падала до – 272°С. Процесс прекращался сразу после выхода всего газа из твёрдого вещества.

Холодильные агенты.

В настоящее время известно около ста различных холодильных агентов. Самыми распространенными из них являются: воздух, вода, аммиак, диоксид углерода, чистые углеводороды (пропан, метан, изобутан и др.), хлор – фтор – бромпроизводные углеводородов (хладоны) и другие вещества. В некоторых машинах целесообразно применение азеотропных и неазеотропных смесей холодильных агентов. Азеотропные смеси представляют собой однородный раствор хладонов, кипящий при постоянной температуре. Кипение неазеотропной смеси происходит при изменяющейся температуре, так как сначала выкипает низкотемпературный, а затем высокотемпературный компонент раствора.

В некоторых старых литературных источниках хладоны представлены их зарубежным названием – фреоны, которое запатентовано американской фирмой Дюпон. В настоящее время за рубежом применяются новые холодильные агенты аналоги некоторым отечественным хладонам под названием «СУВА», «Форан».

Сокращенное обозначение холодильного агента строится по форме RN (где R – международный символ, обозначающий холодильный агент; N – присвоенный номер холодильного агента). Например R22 – хладон 22 (CHClF₂), R729 – воздух, R170 – этан (C₂H₆), R717 – аммиак (NH₃), R718 – вода (H₂O), R744 – диоксид углерода (CO₂) и т.п.

Для хладонов номер расшифровывается в следующем порядке:

Первая цифра в двухзначном номере или первые две цифры в трехзначном номере обозначают тот насыщенный углеводород С_nН₂_n₊₂, на базе которого получен хладон. Установлены следующие цифры: 1 – СН₄ (метан); 11 – С2Н6 (этан): 21 – С3Н8 (пропан): 31 – С4Н10 (бутан). Справа пишется число атомов фтора в хладоне (например CF2Cl2 – R12, C3F4Cl4 – R214). При наличии в хладоне атомов брома после основного номера пишется буква В, а за ней число атомов брома (например СF2Br2 – R12B2, F3Br – R13B1).

Азеотропные смеси имеют номера от 500 до 600. Неазеотропные смеси обозначаются номерами от 400 до 499 или дробными числами с процентным содержанием компонентов в скобках (например, смесь хладонов 22 и 12 с концентрацией соответственно 75% и 25%, обозначается R22/12 (75/25).

Альтернативные хладагенты.

Выбор холодильных агентов

Выбор хладагента для конкретной холодильной машины — одна из важнейших инженерных задач. При этом учитывают назначение машины, ее холодопроизводительность, условия эксплуатации, стоимость хладагента и разнообразие его свойств. В современной отечественной и зарубежной практике наибольшее применение в стационарных холодильных машинах большой холодопроизводительности для получения температур от 0 до -40°С нашел аммиак. Это связано с его хорошими термодинамическими свойствами и низкой стоимостью. В холодильных машинах малой холодопроизводительности, в бытовых холодильниках, а также транспортных установках используют фреоны. При температурах кипения от -10 до -25°С предпочтение пока отдают R12 из-за его более низкой стоимости и доступности по сравнению с R22, а также более низкой температуры конца сжатия в компрессоре. R22 применяют главным образом в низкотемпературных машинах при температурах кипения ниже -25°С. Наиболее предпочтительным для низкотемпературных одноступенчатых машин малой и средней холодопроизводительности является R502. К сожалению, отечественная химическая промышленность не выпускает его в нужном объеме. Применение фреонов в машинах большой холодопроизводительности сдерживается из-за их текучести (способности проникать через мельчайшие неплотности) и высокой стоимости.

Промежуточные хладоносители

Вещества, с помощью которых теплота передается от охлаждаемых объектов к холодильному агенту, называются промежуточным хладоносителями или теплоносителями.

Для охлаждаемых объектов они являются хладоносителями, а для испарителей холодильных машин – теплоносителями. Хладоносители бывают твердые, жидкие и газообразные. К твердым хладоносителям можно отнести водный лед, эвтектический лед, льдосоляную смесь, конструкционные материалы и т.д. Газообразными хладоносителями являются в основном воздух и специальные газовые смеси. Специальные газовые смеси имеют небольшую концентрацию кислорода и повышенную концентрацию азота и углекислого газа. Они используются редко для длительного хранения отдельных видов экзотических фруктов в герметичных камерах фруктоовощехранилищ. Системы охлаждения с использованием воздуха рассматриваются отдельно и носят название систем воздушного охлаждения. В холодильной технике под промежуточными хладоносителями, как правило, понимаются жидкие хладоносители. К жидким хладоносителям предъявляются следующие требования: большие теплопроводность и теплоемкость; низкая температура замерзания; малые вязкость и плотность; химическая инертность к конструкционным материалам; безвредность для человека; низкая стоимость и другие. В настоящее время пока не существует идиального хладоносителя. В наибольшей степени вышеперечисленным требованиям отвечает вода. Однако она имеет высокую температуру замерзания 0^оС. Поэтому вода широко используется в системах кондиционирования воздуха и для охлаждения технологических аппаратов, когда необходимо получить температуру выше 0°С. Для получения более низких температур используются водные растворы солей и этиленгликоля, спирт, высококипящие хладоны и другие вещества.

Температура замерзания водных растворов солей (рассолов) зависит от вида применяемой соли и ее концентрации. Для приготовления рассолов применяются хлористый натрий (NaCl), хлористый магний (MgCl₂), хлористый кальций (CaCl₂) и другие соли. Чем больше концентрация соли в воде, тем ниже температура замерзания раствора. Однако существует предельная концентрация соли, превышение которой не ведет к снижению температуры замерзания, а наоборот – к повышению температуры замерзания раствора. Такие температура и концентрация называются эвтектическими или криогидратными, а раствор называется эвтектикой. Для водного раствора NaCl эвтектическая температура t_э= - 21, 2°С при эвтектической концентрации x_э=23, 1%, для раствора MgCl₂ – t_э= - 33, 6°С при x_э=20, 6%, для раствора СaCl₂ – t_э= - 55°С при x_э=29, 9 %.

На практике наиболее часто применяется раствор хлористого кальция. На рисунке 3.2. показана зависимость изменения температуры замерзания рассола от концентрации соли CaCl₂ в воде.

Рисунок 3.2. Зависимость изменения температуры замерзания рассола от концентрации соли в воде.

Большим недостатком рассолов является их коррозирующее действие на металлы, особенно в присутствии воздуха. Уменьшить коррозию металлов можно добавлением в хладоносители ингибиторов и пассиваторов. Эти вещества образуют на металлических поверхностях защитную пленку, замедляющую процесс коррозии. В качестве ингибиторов и пассиваторов используют хромат натрия (Na₂CrO₄), хромат калия (K₂CrO₄), бихромат натрия (Na₂Cr₂O₇*2H₂O) с едким натром (NaOH), двуметаллический фосфат натрия (Na₂HPO₄*12H₂O) и другие. Применяя пассиваторы необходимо иметь нейтральный или слабощелочной раствор с рН = 8-9. Для увеличения кислотности рассол обогащают углекислым газом. Снизить кислотность можно раствором свежегашеной извести [Са(ОН)₂].При увеличении концентрации соли возрастают вязкость и поверхностное натяжение раствора, что приводит к повышению гидравлических потерь в аппаратах и рассольных трубопроводах. Для снижение энергозатрат на привод рассольных насосов в растворы иногда добавляют высокомолекулярные соединения – поверхностно активные вещества (ПАВ) в небольших количествах (0, 03 – 0, 07 %).

Кроме рассолов в холодильной технике в качестве промежуточных хладоносителей используются водные растворы этиленгликоля [C₂H₄(ОН)₂], пропиленгликоля [C₃H₆(ОН)₂], трихлорэтилена (С₂НCl₃) и др. Из указанных хладоносителей наиболее часто применяется водный раствор этиленгликоля, у которого лучшая корозионная стоикость, меньшая токсичность, большая удельная теплоемкость. Его недостатком является высокая стоимость (примерно в 5 раз выше, чем у рассола). В таблице 3.5. показаны физические свойства водного раствора этиленгликоля.

Этиловый спирт в качестве промежуточного хладоносителя применяется главным образом в медицинских учреждениях для замораживания плазмы крови. Для получения более низких температур порядка – 90÷ – 120°С применяются производные углеводородов (хладоны) R30, R11 и др.

Таблица 3.5.Свойства водного раствора этиленгликоля.

Концент-рация, %	Плотность при 15 ^оС	Темпратура замерзания ^оС	Теплоемкость, кДж/кг∙ К	Концент-рация, %	Плотность при 15 ^оС	Темпратура замерзания ^оС	Тепло-емкость, кДж/кг∙ К
4, 6		-2	4, 10	27, 4		-15	3, 72
8, 4		-4	4, 06	31, 2		-17	3, 64
12, 2		-5	3, 98	35, 0		-21	3, 57
16, 0		-7	3, 90	38, 8		-26	3, 52
19, 8		-10	3, 86	42, 6		-29	3, 44
23, 6		-13	3, 77	46, 4		-33	3, 35

Выбор хладоносителей

В холодильных установках крупных холодильников промышленности и торговли в качестве хладо носителей используют в основном рассолы: водные растворы хлористого натрия NaCl и хлористого кальция СаСl2. Последний предпочтительнее из-за более низкой температуры замерзания и меньшей коррозионной активности. Однако он дороже, чем NaCl. Для снижения коррозионной активности в рассолы добавляют специальные ингибиторы, например, кальтозин. Для специальных целей, где требуется хладоноситель с особо низкой температурой, используют этиленгликоль, трихлорэтилен или дихлорметан (R30). Однако их стоимость значительно выше стоимости рассолов.

Термодинамические диаграммы

Теоретические циклы холодильных машин изображают на термодинамических диаграммах, которые позволяют лучше понять принцип действия холодильных машин. Термодинамические диаграммы, кроме того, служат теоретической базой для расчета холодильных машин в целом и, их отдельных элементов. Наиболее распространены диаграммы энтальпия — давление (h, lgp-диаграмма) и энтропия — температура (s, T-диаграмма).

Первую применяют для тепловых расчетов, вторую — для анализа термодинамической эффективности циклов. При этом используют следующие простые измеряемые параметры:

- температуру t в °С или абсолютную температуру T в К;

- давление p в Па или производных единицах (1кПа=10³Па, 1МПа= 10⁶, Па= 10, 2кгс/см2 = 10бар);

- удельный объем в м³/кг;

- плотность = 1/ в кг/м³, т. е. величину, обратную удельному объему.

Кроме простых измеряемых параметров, используют также сложные расчетные параметры:

- энтальпию h в кДж;

- энтропию S в кДж/К.

Энтальпия h — это полная энергия рабочего вещества (хладагента), зависящая от его термодинамического состояния. На диаграммах и в расчетах применяют обычно удельную энтальпию h в кДж/кг, т.е. отнесенную к единице массы хладагента. Удельную энтальпию можно выразить как

h = u + p ,

где u — внутренняя энергия холодильного агента, кДж/кг; p — абсолютное давление, Па; — удельный объем, м³/кг.

В этом выражении слагаемое pv представляет собой потенциальную энергию давления p. Она расходуется на совершение работы. Значения h, зависящие от принятого на конкретных диаграммах или в таблицах начала отсчета, в разных источниках (учебниках, справочниках) могут не совпадать при одних и тех же значениях t и p. Энтропия S — это также расчетный параметр, являющийся функцией термодинамического состояния хладагента, характеризующий направление протекания процесса теплообмена между хладагентом и внешней средой. На диаграммах и в расчетах пользуются удельной энтропией s в кДж/(кг К), т. е. отнесенной к единице массы хладагента. Интерес обычно представляет ее изменение

s = q / T_m,

где q — теплота, отнесенная к единице массы хладагента, кДж/кг; T_m — средняя абсолютная температура в течение процесса теплообмена, К.

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒