Способы получения холода

Выполнить 5 заданий

Физическая природа тепла и холода одинакова, разни­ца состоит только в скорости движения молекул и атомов. В более нагретом теле скорость движения больше, чем в [ менее нагретом. При подводе к телу тепла движение воз­растает, при отнятии тепла уменьшается. Таким образом, 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 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°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. 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, называется удельной теплотой плавления. Она равна 335 кДж/кг. 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 необходимо закладывать количество льда, достаточное на весь период хранения, и добавлять по мере необходимости; 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 называется 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 называется эвтектическим твердым раствором.

Температура плавления эвтектического твердого раствора поваренной соли —21,2°С, а теплота плавления 236 кДж/кг. 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-^Mbix переносных сумок-холодильников и т. д. В торговле ^Льдосоляное охлаждение широко применялось до массо-^вого 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/кг.

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 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^л) 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 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 необходимой 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 всех 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 целесообразность 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 основных 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 электро­двигателем.

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

при низкой температуре хладагента. В зависимости от вида 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 испарителе 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 определенных пределах необходимо, чтобы холодопроизво-дительность холодильной машины всегда превышала приток тепла к ней. Поэтому 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, ^гДе 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 электродвигателе контакты реле 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 испарителе 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 испа­рителе будет расти до тех пор, пока прессостат реле 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 испарителе до предела, при котором реле 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 испарителе

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 CHF₂C1₂ (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 (CHF₂C1), 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 (NH₃) — бесцветный газ с удушливым сильным характерным запахом. Аммиак имеет достаточно высокую объемную холодопроизводительность. Производство его ос­новано главным образом на методе соединения 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. Поэтому 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.

Хлорсодержащие хладагенты, достигая стратосферы, разлагаются там ультрафиолетовыми лучами и высвобож­дают хлор, быстро реагирующий с озоном, разрушая та­ким образом озоновый слой.

Способность хлорсодержащих хладагентов вызывать этот процесс называется 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	' <r <m че 5 ** ^ 2 cc S 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).

голы

80- 60- 40- 20-0

Дата добавления: 2014-01-11