Методы создания среды с соответствующими параметрами

Для проведения испытаний на воздействие пониженной температуры применяют испытательные камеры:

· холода (КХ);

· комбинированные камеры - тепла и холода (КТХ);

· тепла, холода и пониженного атмосферного давления (КТХБ);

· тепла, холода и влаги (КТХВ); и т. д.

Конструктивно камеры холода бывают двух видов: шкафные и сундучковые. Особенностью сундучковых камер является расположение двери в верхней части камеры (как бы в потолке), что облегчает ее загрузку изделиями больших габаритных размеров и масс.

Комбинированные камеры позволяют осуществлять испытания изделий на раздельное и одновременное воздействие ряда воспроизводимых факторов (холода и пониженного атмосферного давления), а также на воздействие постепенного изменения температуры (циклическое воздействие температур). Основные параметры, характеризующие испытательные камеры холода или комбинированные камеры тепла холода, аналогичны рассмотренным ранее параметрам камер тепла.

Требования к пределам воспроизводимых температур (диапазону изменения температур) в основном определяются стандартами на испытания различных изделий. Наиболее часто камеры холода характеризуются диапазоном температур +25...—65 С.

Получение пониженной температуры в камере достигается искусственным охлаждением находящегося в ней воздуха с помощью двух способов: непосредственного и косвенного. Оба способа могут быть основаны на использовании одного из следующих физических процессов:

1. испарения,

2. кипения,

3. плавления или таяния,

4. сублимации.

Все указанные процессы протекают с поглощением тепла из окружающей среды. Кроме того, искусственное охлаждение может быть основано на таких физических явлениях, как:

Ø термоэлектрический эффект (эффект Пельтье),

Ø адиабатическое (без теплообмена с внешней средой) расширение газа.

Охлаждение при испарении или кипении за счет поглощения внешней теплоты характеризуется тем, что воспринимаемая извне теплота расходуется на преодоление сил молекулярного сцепления летучих жидкостей и их расширение. Данный способ осуществляется с помощью холодильных машин.

Охлаждение при таянии реализуется с помощью естественного льда за счет затрат теплоты извне на ее таяние, сопровождающееся изменением связей между молекулами вещества и ослаблением сил молекулярного сцепления.

Охлаждение в процессе сублимации, т. е. непосредственного перехода тела из твердого состояния в газообразное, имеет место при охлаждении так называемым сухим льдом, причем теплота расходуется на преодоление сил сцепления молекул вещества и внешнего давления, препятствующего этому процессу.

0хлаждение за счет адиабатического расширения сопровождается работой, совершаемой расширяющимся телом за счет уменьшения его внутренней энергии, приводящей к понижению температуры. Например, адиабатическое расширение воздуха от 0, 4 до 0, 1 МПа сопровождается понижением температуры от +20 ^о С до – 75 ^о С.

Охлаждение за счет использования эффекта Пельтье заключается в том, что пропускание постоянного электрического тока через цепь, состоящую из разнородных проводников (полупроводников), приводит к возникновению разности температур в месте их соединения, т.е. к более высокой температуре одного спая по отношению к другому (холодному) спаю. Количество энергии, переносимое oт холодного спая к горячему, пропорционально силе тока в цепи термоэлемента. Разность температур, получаемая с помощью термоэлементов, зависит от материалов ветвей. Достоинством данного способа является непосредственное использование электрической энергии для переноса тепловой энергии с низкого температурного уровня на более высокий (теплая ветвь) без промежуточных устройств.

Наибольшее применение получил способ машинного охлаждения, основанный на процессах испарения и кипения. Известно, что согласно второму началу термодинамики, для охлаждения теплота должна быть перенесена из охлаждаемой среды в теплую, путем затрат извне механической или тепловой энергии. Осуществляют так называемые холодильные (термодинамические) циклы, в процессе которых теплота переносится с помощью рабочего тела (вещества) (рисунок 2.4-8.23.). В процессе ( 1 – а – 2) рабочее вещество расширяется и нагревается, затрачивая теплоту окружающей среды и вызывая ее охлаждение, а в процессе ( 2 – b – 1) рабочее вещество сжимается и выделяющаяся при этом теплота отводится в окружающую среду (воздух). Осуществление цикла требует внешней механической работы, изображаемой в p – v – диаграмме площадью, ограниченной линиями (1 – а – 2 – b – 1 ). Если за время цикла рабочее вещество воспринимает от охлаждаемой среды теплоту в количестве q₀, а на его сжатие затрачивается l работы, то в соответствии с законом сохранения энергии от него должна отводиться теплота в количестве

(2.4-8.54.)

Комплекс технических устройств, осуществляющий холодильный цикл, называют холодильной машиной. В качестве рабочего тела используются различные вещества, которые по своему физическому состоянию могут быть в виде газа или пара. В связи с этим различают газовые и паровые холодильные машины.

В газовых холодильных машинах в качестве рабочего вещества применяют только воздух, который во время всего холодильного цикла не изменяет своего агрегатного состояния. В испытательных камерах газовые холодильные машины практически не применяются из-за больших размеров, низкого механического КПД, малой теплоемкости воздуха и ряда других недостатков.

В паровых холодильных машинах в процессе холодильного цикла рабочее вещество переходит из парообразного состояния в жидкое или наоборот. В принципе, паровые холодильные машины основаны на переносе теплоты из холодной среды в теплую, за счет затраты энергии. В них восприятие теплоты из охлаждаемого объема происходит в результате кипения рабочего вещества, а отвод теплоты за счет его конденсации. Для охлаждения окружающей среды с помощью паровой холодильной машины используют систему металлических труб или змеевиков, называемую испарителем. В испарителе рабочее вещество в процессе кипения переходит в парообразное состояние при низкой температуре и давлении.

Последующей операцией холодильных машин является отсасывание рабочего вещества, находящегося в парообразном состоянии, из испарителя. Оно может реализовываться двумя путями:

Ø применением компрессоров,

Ø и абсорбционных машин с поглотителями.

В испытательных камерах находят применение паровые компрессионные холодильные машины, в которых одним из главных элементов является компрессор, служащий для отсасывания паров рабочего вещества из испарителя, сжатия и нагнетания его в систему охлаждения.

Для характеристики холодильных компрессионных машин пользуются понятием холодопроизводительности (удельной, массовой и объемной).

Холодопроизводительностью называют количество теплоты Q ₀, которое холодильная машина отнимает за единицу времени от охлаждаемой среды. Она измеряется в ваттах.

Удельной массовой холодопроизводительностью q₀ называется количество теплоты в джоулях, отнимаемое от охлаждаемой среды массой рабочего тела в 1 кг при осуществлении холодильного цикла.

Удельная объемная холодопроизводительность q_v рабочего тела показывает, сколько теплоты отводится от охлаждаемой среды объемом паров рабочего тела в 1м³, образующихся в процессе кипения.

Энергетическую оценку холодильного цикла можно дать с помощью холодильногокоэффициента – ε, представляющего собой отношение q₀ к энергии l, затрачиваемой на адиабатическое сжатие 1 кг рабочего тела.

(2.4-8.55.)

Как уже указывалось, охлаждение достигается за счет применения рабочего вещества, называемого холодильным агентом (хладагентом). Это вещество должно удовлетворять следующим требованиям:

1. Хладагент должен иметь достаточно низкую температуру кипения (т.е. процесс парообразования при нормальном атмосферном давлении должен быть бурным), чтобы при работе холодильной машины не было разрежения в испарителе. Температура кипения и конденсации жидкости является функцией давления, причем, чем ниже давление, тем ниже температура кипения. В камерах находят применение хладагенты, легко превращающиеся в жидкость при высоком давлении и при температуре окружающей среды. Однако их испарение происходит при низком давлении и при температуре ниже окружающей среды. Испарение всегда сопровождается отводом теплоты. Происходящее при испарении увеличение объема хладагента и кинетической энергии молекул при переходе из жидкого состояния в парообразное приводит к изменению внутренней энергии вещества.

2. Хладагент не должен иметь высокого давления при температуре конденсации, которое требует повышения прочности холодильной машины, что увеличивает ее массу и стоимость.

3. Хладагент должен обладать достаточно большой удельной объемной холодопроизводительностью, что позволит уменьшить объем цилиндра компрессора, а следовательно, и его размеры.

4. Хладагент должен иметь возможно более высокую критическую температуру, при которой он переходит из парообразного состояния в жидкое, с тем чтобы исключить самопроизвольный переход на любом этапе холодильного процесса. В первую очередь эта температура должна быть выше температуры охлаждающей воды или воздуха в конденсаторах холодильных машин. Чем выше критическая температура хладагента, тем меньше образуется пара.

5. Хладагент должен обладать низкой температурой замерзания, исключающей его замерзание в испарителе при определенных температурах кипения.

6. Хладагент должен иметь малую плотность, что уменьшает гидравлическое сопротивление в трубопроводах и клапанах при его движении, а также потери давления.

7 Хладагент должен обладать хорошими теплопередающими свойствами, характеризуемыми коэффициентами теплоотдачи и теплопроводности.

Как отмечалось выше, коэффициент теплоотдачи α зависит от гидродинамической картины, режима течения и теплофизических свойств хладагента. Коэффициент теплопроводности λ главным образом определяется свойствами хладагента. Он является коэффициентом пропорциональности в формуле, определяющей тепловой поток q_ТП, распространяющийся вдоль некоторого направления z с изменяющейся температурой.

(2.4-8.56.)

где dt/dz —градиент температуры; S площадь поверхности, расположенной перпендикулярно к оси z.

Единица измерения λ – « — »Дж/м∙ с∙ градус. Знак «—» означает, что направление, в котором возрастает температура, и направление, в котором распространяется теплота, противоположны, т. е. теплота распространяется в направлении убывания температуры.

8. Хладагент должен обладать большой скрытой теплотой парообразования и высокой удельной теплоемкостью паров. Известно, что при переходе жидкости в газообразное состояние (при испарении) тело покидают наиболее быстрые молекулы, вследствие чего средняя энергия оставшихся молекул уменьшается и тело охлаждается. В связи с этим желательно, чтобы хладагент обладал большой скрытой теплотой парообразования, т. е. чтобы на парообразование (испарение) затрачивалось как можно больше теплоты, в результате чего тело сильнее охлаждалось бы. При этом пары должны обладать высокой удельной теплоемкостью, т. е. для повышения их температуры необходимо затратить большое количество теплоты, что также будет способствовать охлаждению.

Кроме того, к хладагентам предъявляется ряд дополнительных требований, они должны:

Ø быть безвредными для здоровья человека,

Ø не быть горючими,

Ø не быть взрывоопасными,

Ø должны обладать химической стойкостью и инертностью к смазочным маслам и металлам.

Ø должны хорошо растворять воду, поскольку если влага окажется нерастворенной, то при отрицательной температуре она может замерзнуть, образовав в системе ледяные пробки, которые могут нарушить циркуляцию хладагента.

Помимо этого в присутствии воды многие хладагенты могут оказывать коррозирующее действие на металлы. Это крайне нежелательно.

Указанным требованиям в наибольшей степени отвечают следующие хладагенты: аммиак – NН₃ и фреоны.

Фреоны представляют собой группу фтористых и хлористых производных предельных (насыщенных) углеводородов. Большое разнообразие фреонов и их относительно сложные названия привели к внедрению условной системы обозначения. Каждый хладагент в зависимости от его химической формулы имеет свое числовое обозначение, в котором последняя цифра означает число атомов фтора в молекуле данного хладагента; предпоследняя цифра на единицу больше числа атомов водорода в молекуле; третья цифра от конца на единицу меньше числа атомов углерода в молекуле. Для производных метана третья цифра равна нулю, и поэтому они имеют двузначные числовые обозначения. Перед окончательным числовым обозначением хладагента пишут слово «фреон» или только первую букву, например: фреон-12 ( дифтордихлорметан CF₂Cl₂ ) или Ф-12, фреон-22 или Ф-22 ( дифтормонохлорметан HF₂Cl ) и т. д.

Нормальные температуры кипения хладагентов приведены в таблице 2.4-8.5.

Рассмотрим структурную схему и принцип действия паровой компрессионной холодильной машины . Идеальный цикл холодильной машины был впервые введен французским инженером Сади Карно и получил название цикл Карно . Объяснение работы холодильной машины дается на так называемой энтропийной диаграмме с осями S, Т. Энтропией называется функция S состояния термодинамической системы, характеризующая направление протекания процесса теплообмена между системой и внешней средой. Обратимый цикл Карно (рисунок 2.4-8.25.) имеет вид прямоугольника и состоит из двух изотерм и двух адиабат. Площадь указанного прямоугольника численно равна количеству теплоты Q, получаемому обратимой изотермической системой за цикл:

(2.4-8.57.)

где S₁ —энтропия в начале цикла; S₂ – энтропия в конце цикла.

Если система отдает теплоту внешним телам, то ее энтропия уменьшается и, наоборот, если система получает теплоту, то ее энтропия увеличивается. В неизолированной системе в процессе цикла Карно энтропия изменяется, причем имеет место как ее возрастание на одних участках, так и убывание на других. Однако суммарное изменение за цикл должно быть равно нулю. (Подробно указанные процессы рассмотрены в книгах по термодинамике.)

Основными элементами паровых компрессионных холодильных машин (рисунок 2.4-8.25.), являются:

Ø компрессор 3,

Ø конденсатор 2,

Ø регулирующий вентиль 1,

Ø испаритель 4,

соединенные между собой трубопроводами.

Компрессор отсасывает пары хладагента из испарителя, сжимая их по адиабате 1–4, что обеспечивает повышение давления от Р₀ до Р, и нагнетает их в конденсатор.

Конденсатор предназначен для охлаждения и сжижения сжатых в компрессоре паров хладагента. При этом от хладагента отводится вся теплота, которую он воспринял в компрессоре и других элементах холодильной машины. Теплота отводится окружающим воздухом или водой, специально подводимой к конденсатору (в связи с этим различают конденсаторы с воздушным или водяным охлаждением). Таким образом, сжатые в компрессоре пары конденсируются в конденсаторе при постоянном давлении и температуре Т (изотерма 1 – 2 ) Количество теплоты, отводимой от хладагента в конденсаторе за единицу времени, называется его тепловой нагрузкой.

Жидкий хладагент из конденсатора направляется в испаритель через регулирующий вентиль, обеспечивающий дросселирование (регулировку) давления от уровня конденсации (Р) до уровня кипения ( Р₀); при этом температура хладагента понижается от Т до Т₀. Указанный процесс идет при постоянной энтальпии и изображается линией 2—3, представляющей собой изоэнтальпию. Попав далее в испаритель, хладагент кипит при постоянном давлении Р₀ и температуре Т₀ ( изотерма 3–4 ). В процессе кипения хладагента в испарителе поглощается теплота из окружающей среды, которой могут быть воздух в рабочем объеме камеры с непосредственным охлаждением или хладоноситель, находящийся в хладообменнике камеры с косвенным охлаждением.

Работа испарителя характеризуется коэффициентом теплопередачи . Интенсивная теплопередача в испарителях обеспечивается при больших скоростях циркуляции охлаждаемой среды (воздуха или рассола) и движения хладагента, удаления пузырьков пара с поверхности хладагента при его кипении, а также при высокой чистоте поверхности хладагента и т. д.

Испарители для охлаждения воздуха конструктивно выполняются в виде змеевиков, внутри которых кипит жидкий хладагент, поглощая теплоту их окружающей среды. Испарители для охлаждения воздуха бывают с принудительным и со свободным его движением.

Осуществляя отсасывание паров хладагента из испарителя, тем самым понижают их давление, что способствует понижению температуры кипения и конденсации хладагента. Следовательно, при работе холодильной машины для обеспечения получения заданной температуры среды необходимо в соответствии с требуемой температурой кипения хладагента поддерживать определенное давление над ним.

Для получения более низкой температуры следует повысить давление паров хладагента, но это приведет к повышению температуры при их конденсации. В связи с этим повышают давление отсасывания из испарителя хладагента до значения, при котором температура конденсации превышает температуру воды или воздуха, воспринимающих теплоту.

Количество теплоты q₀, отбираемое единицей массы хладагента от охлаждаемой среды, пропорционально площади ( а – б - 3 – 4 – а) (рисунок 2.4-8.25.), а работа l, затрачиваемая на осуществление этого цикла, пропорциональна площади ( 3 – 4 – 1 – 2 – 3). Таким образом, холодильный коэффициент цикла может быть выражен формулой

(2.4-8.58.)

По способу охлаждения различают камеры с непосредственным и косвенным охлаждением.

Непосредственное охлаждение может осуществляться путем введения твердого или жидкого хладагента в рабочий объем камеры. В качестве твердого хладагента применяют углекислоту, имеющую температуру точки замерзания (сублимации) – 78, 5°С. Поглощая теплоту из окружающего пространства, твердая углекислота нагревается и превращается в безвредный не вызывающий коррозии газ. Указанный способ охлаждения целесообразно применять при редких и кратковременных испытаниях. Недостатками данного способа охлаждения являются: непостоянство температуры в камере вследствие плохой теплопередачи путем конвекции, а также зависимость температуры в камере от количества, габаритных размеров и масс загруженных в нее изделий. Установка в камеру вентилятора несколько уменьшает приведенные недостатки. Достоинствами данного способа охлаждения являются его простота, быстрая установка температуры, бесшумность и т. д.

Из жидких хладагентов наиболее широкое применение получил азот, который может вводиться в камеру вручную и автоматически. В камерах с автоматической регулировкой введения жидкого хладагента (азота) в рабочий объем (рисунок 2.4-8.26.) в зависимости от установленных на задающем устройстве значений пониженной температуры, а также температуры в камере вырабатывается сигнал, подводимый к пусковому устройству 9. Сигнал с пускового устройства поступает на реле 8, включающее нагреватель азотного испарителя 1 и открывающее соленоидальный вентиль 5. Жидкий азот проходит к воздухоохладителю 6, расположенному в рабочем объеме камеры. Подача жидкого азота осуществляется за счет увеличения давления в сосуде Дьюара 2, вызванного его нагревом. Давление в сосуде Дьюара контролируется манометром 4. Для ручного дозирования расхода азота служит ручной вентиль 3. Предохранительный клапан 7 предназначен для сброса давления из сосуда Дьюара при аварийном состоянии.

Для обеспечения однородности температуры воздуха в любой точке рабочего объема камеры и максимального приближения к условиям, существующим в непосредственной близости от контрольных термопреобразователей регулирующих устройств, осуществляют непрерывную циркуляцию воздуха с помощью вентилятора.

Обеспечение рационального распределения потоков воздуха в рабочем объеме камеры может достигаться с помощью регулируемых жалюзи.

К камерам с непосредственным охлаждением относятся и такие, в которых испарители располагаются во внутренних стенках (в «рубашке»), а также в рабочем объеме. Примером камеры с испарителем, расположенным во внутренней металлической стенке, может служить камера сундучкового типа (рисунок 2.4-8.27), позволяющая получить максимальную минусовую температуру (до — 85° С) за относительно короткое время. Реализация указанных условий с помощью одноступенчатой холодильной машины оказывается нецелесообразной, так как она должна работать с большой разностью температур конденсации и кипения, а следовательно, с большим отношением давления конденсации Р к давлению кипения Р₀, что экономически невыгодно При большом отношении Р/Р₀ снижается холодопроизводительность машины и повышаются потребление энергии, температура хладагента и ухудшаются условия эксплуатации компрессора, поэтому когда Р/Ро ≥ 9, целесообразно применять двух- или многоступенчатое сжатие хладагента. При двух- или многоступенчатом сжатии хладагент сжимается от давления кипения до давления конденсации последовательно по ступеням с промежуточным охлаждением частично сжатых паров. Отношение давления нагнетания к давлению всасывания хладагента в каждой ступени холодильной машины меньше отно

шения Р/Р₀, между которыми осуществляется цикл двух- или многоступенчатой машины.

При двухступенчатом сжатии (рисунок 2.4-8.27.) пары хладагента из испарителя 2 засасываются в цилиндр холодильной машины 9 1-й ступени, сжимаются в нем по адиабате до промежуточного давления и нагнетаются в промежуточный водяной охладитель 11 и далее направляются во 2-ю ступень, где холодильная машина (компрессор) 12 сжимает их до давления конденсации. После этого пары хладагента, попав в конденсатор 13 , конденсируются и в жидком состоянии, пройдя дросселирующий вентиль 7, подводятся к испарителю 2 .

В камерах с непосредственным охлаждением или нагревом за счет циркуляции холодного или теплого воздуха (рисунок 2.4-8.28.) испаритель, нагреватель и вентилятор располагаются так, чтобы при принудительной циркуляции воздух проходил вдоль стен камеры, а затем попадал в пространство за специальной стенкой с отверстиями, где восстанавливал бы свои свойства.

В камерах с косвенным охлаждением испаритель помещают в специальный объем, который называют хладообменником. В нем осуществляется охлаждение промежуточной среды (в общем случае называемой термоносителем, а в частном случае хладоносителем), предназначенной для переноса теплоты от охлаждаемого тела к кипящему в испарителе хладагенту.

В качестве жидких теплоносителей в камерах применяют вещества, удовлетворяющие требованиям, аналогичным тем, которые предъявляются к хладагентам:

Ø низкая температура замерзания ( t_з ),

Ø малая вязкость,

Ø большая теплоемкость,

Ø большая теплопроводность,

Ø нетоксичность,

Ø взрывобезопасность,

Ø нейтральность к конструкционным материалам и т. д.

В качестве жидких теплоносителей могут использоваться водные растворы солей (рассолы):

· хлорида натрия (t_з, < -15° С),

· хлорида магния (t_з, < -27° С),

· хлорида кальция (t_з, < -45° С).

В низкотемпературных камерах могут применяться фреоны и антифризы, такие, как водные растворы:

· пропиленгликоля (t_з, < -47° С),

· этиленгликоля (t_з, < -60° С),

· фреон-30 (t_з, < -90° С),

· фреон-11 (t_з, < -100° С).

Хладообменник представляет собой бак, заполненный жидким хладоносителем, в который помещен испаритель, обеспечивающий охлаждение жидкого хладоносителя. Для термической изоляции бак хладообменника окружен слоем термоизоляции (например, пенопластом). Измерение и регулировка температуры хладоносителя осуществляются с помощью термометров сопротивления и специальных термореле. Регулировка температуры и давления хладагента, подводимого к испарителю, осуществляется с помощью терморегулирующего вентиля, а также соленоидальных вентилей (электроклапанов). Соленоидальный вентиль (рисунок 2.4-8.29.) обеспечивает поддержание постоянства давления в трубопроводах. В зависимости от подаваемой команды (наличия или отсутствия тока в обмотке) соленоидальный вентиль оказывается открытым или закрытым. При подаче команды мембрана перемещается вверх, открывается компенсационное отверстие, и давление в трубопроводе снижается.

 

⇐ Предыдущая3456789101112Следующая ⇒

Поделиться: