Поняття про холодильний цикл. Зворотний цикл Карно

План

2.1 Принцип роботи компресійної холодильної машини

2.2 Поняття про холодильний цикл. Зворотний цикл Карно

2.3 Характеристика холодильних агентів

2.4 Компресори холодильних машин

2.5 Теплообмінні апарати холодильних машин

2.5.1 Випарники

2.5.2 Конденсатори

2.6 Допоміжне обладнання холодильних машин

2.7 Холодильні агрегати

2.8 Принципові схеми холодозабезпечення

2.1 Принцип роботи компресійної холодильної машини

Холодильні машини, які застосовуються у харчовій промисловості та ресторанному господарстві, складаються з таких основних елементів: компресор, конденсатор, випарник, регулювальний (дросельний) вентиль. Такі машини називаються паровими компресійними холодильними машинами.

Принцип роботи компресійної холодильної машини розглянемо за допомогою схеми на рис. 2.1.

Рис. 2.1 Схема роботи компресійної холодильної машини

Рідкий холодильний агент (робоче тіло) кипить у випарнику. Кипіння супроводжується поглинанням теплоти з охолоджуваного об'єму (камери холодильника) холодильним агентом.

Компресор безперервно відсмоктує пари хладона, що утворилися, знижуючи тиск у випарнику. В компресорі хладон стискається, а його тиск збільшується. Далі холодильний агент за високого тиску нагнітається компресором у конденсатор, віддає теплоту у навколишнє середовище і зріджується.

Зріджений холодильний агент подається у випарник через регулювальний (дросельний) вентиль. Цикл повторюється.

Регулювальний вентиль забезпечує зниження тиску і температури створенням необхідного опору між сторонами високого (у конденсаторі) та низького (у випарнику) тиску. Рідина із конденсатора, яка проходить через дросельний вентиль, відразу потрапляє в область низького тиску і частково перетворюється пару, тому у випарник надходить суміш рідкого та пароподібного хладона. Отже, лише частина холодильного агента кипить у випарнику, забираючи теплоту від об'єкта охолодження, що призводить до зниження питомої масової холодопродуктивності холодильного агента і холодильного коефіцієнта та збільшення роботи циклу.

Будова найпростіших холодильних машин на прикладі холодильних агрегатів побутових холодильників наведена на рис. 2.2.

Рис. 2.2 Схеми холодильних агрегатів побутових холодильників а – холодильний агрегат двокамерного холодильника з одним компресором: 1 – компресор; 2 – лінія нагнітання; 3 – конденсатор; 4 – фільтр-осушувач; 5 – дросельний вентиль; 6 – випарник холодильної камери; 7 – випарник морозильної камери; 8 – лінія всмоктування холодильного агента; б – холодильний агрегат двокамерного холодильника з двома компресорами (окремо для холодильної та морозильної камер): 1 – герметичні компресори; 2 – лінії всмоктування холодильного агента; 3 – дросельні вентилі; 4 – випарник холодильної камери; 5 – випарник морозильної камери; 6 – конденсатор; 7 – фільтри-осушувачі; 8 – лінії нагнітання холодильного агента в компресор

Цикл – це замкнена сукупність термодинамічних процесів, в результаті яких робоче тіло (холодильний агент) буде змінювати свої параметри стану, можливо агрегатний стан, і повернеться згодом до початкових значень параметрів, тобто у початковий стан.

За початок циклу, як правило, приймають точку, де починається підвід теплоти до робочого тіла.

Цикли є прямі і зворотні. В прямих циклах теплота перетворюється в роботу (цикли теплових двигунів). Для переносу теплоти від менш нагрітого тіла до більш нагрітого використовують зворотні цикли.

Цикли зображують в системі координат, відкладаючи на осях параметри стану робочого тіла. Прямі цикли на діаграмах зображуються за годинниковою стрілкою, лінія розширення розміщується вище лінії стискання. Зворотні цикли направлені проти годинникової стрілки, а лінія розширення знаходиться нижче лінії стискання. Робота стискання в зворотних холодильних циклах завжди більша за роботу розширення. Прагнуть створити такі цикли, в яких отримання холоду відбувається з мінімальними витратами зовнішньої енергії.

Розглянемо найпростіший холодильний цикл в координатах p–υ (тиск–об'єм).

Рис. 2.3 Діаграма найпростішого холодильного циклу

Робоче тіло переносить теплоту q від джерела з низькою температурою до джерела більшої температури. На здійснення такого процесу витрачається робота. В процесі 1-d-2 робоче тіло розширюється, а в процесі 2-с-1 стискається. Процес розширення протікає з підведенням теплоти q₂ при температурі нижчій, ніж у навколишньому середовищі, і робоче тіло нагрівається. Стискається робоче тіло при вищій температурі і під час стискання теплота відводиться у навколишнє середовище – повітря або воду. На здійснення циклу витрачається зовнішня механічна робота, яка в p–υ діаграмі відповідає площі, обмеженій лініями процесів, що створюють цикл. Корисна робота циклу дорівнює різниці робіт розширення та стискання:

l_ц = l_р - /l_ст/

Як видно з діаграми, робота стискання буде більшою за роботу розширення, а робота циклу – від'ємна.

Насправді цикли холодильних машин складніші, ніж розглянутий.

Найбільш досконалим холодильним циклом вважається зворотний цикл Карно. Він складається із двох ізотермічних та двох адіабатичних процесів (рис. 2.4).

Рис. 2.4 Діаграма зворотного циклу Карно

З точки 1 робоче тіло адіабатно розширюється до стану 2 (процес 1-2) і охолоджується до температури об'єкта охолодження. Подальше розширення (процес 2-3) проходить ізотермічно з підведенням теплоти q₀ до робочого тіла. В процесі 3-4 тіло адіабатно стискається з підвищенням температури від Т₀ до Т. Подальше стискання відбувається по ізотермі 4-1 з відведенням теплоти q у навколишнє середовище. Робоче тіло провертається у початковий стан.

Цикл Карно як ідеальний цикл передбачає, що температура охолоджувального середовища Т₀ не знижується, а температура навколишнього середовища Т не підвищується. Крім того Т₀ є температурою низького температурного рівня і об'єкта охолодження, а Т – високим температурним рівнем і температурою навколишнього середовища. На практиці температура об'єкта охолодження завжди повинна бути вищою за низький температурний рівень, а температура навколишнього середовища має бути меншою за високий температурний рівень.

Оборотний цикл тим досконаліший, чим більше теплоти q₀ відводиться від об'єкта охолодження і чим менше при цьому затрачається зовнішньої роботи.

Робота компресійної холодильної машини характеризується такими параметрами: холодопродуктивність, питома масова холодопродуктивність та холодильний коефіцієнт.

Холодопродуктивність (Q₀) – це кількість теплоти, яку холодильна машина відводить від об'єкта охолодження за одиницю часу, Дж/с (Вт).

Питома масова холодопродуктивність (q₀) – це кількість теплоти, яка відводиться від об'єкта охолодження одним кілограмом робочого тіла протягом циклу, Дж/кг.

Холодильний коефіцієнт ε – відношення теплоти q₀, відведеної від тіла, до затраченої роботи. Цей коефіцієнт змінюється від 0 до ∞ і використовується для оцінки ефективності зворотних циклів.

ε =

З рівняння видно, що холодильний коефіцієнт зворотного циклу Карно визначається температурами Т і Т₀. Холодильний коефіцієнт збільшується зі збільшенням Т₀ і зниженням Т, тому недоцільно здійснювати охолодження при більш низьких температурах, ніж це потрібно за умовами роботи, і необхідно прагнути, щоб температура, за якої від робочого тіла відводиться теплота, була якомога меншою.

2.3 Характеристика холодильних агентів

Термодинамічний процес або цикл здійснюється за допомогою холодильного агента (робочого тіла).

При нормальному атмосферному тиску 0,1 МПа холодильний агент повинен мати достатньо низьку температуру кипіння, щоб під час роботи холодильної машини не було розрідження у випарнику. Наприклад, для аміаку NH₃ температура кипіння при 0,1 МПа становить 33,4 °С.

Основними видами холодильних агентів є вода, аміак, фреони та повітря.

Воду використовують в установках кондиціювання повітря та абсорбційних холодильних машинах.

Аміак має невеликий питомий об'єм при температурі кипіння -70 °С, велику теплоту пароутворення, незначну розчинність в мастилі та інші переваги. Його застосовують у поршневих компресійних та абсорбційних холодильних машинах.

Фреони – це галогенопохідні насичених вуглеводнів, які отримують заміною атомів водню в насиченому вуглеводні С_nH_2n+2 атомами фтору, хлору, брому. Фреони є хімічно інертними і практично вибухобезпечними.

Будь-який холодильний агент позначається символами RN, де R – Refrigerant (охолоджувач, холодильний агент), N – номер холодильного агента.

Перша цифра в двозначному номері або перші три цифри в тризначному позначають насичений вуглеводень, на базі якого отримано фреон: 1 – СН₄ (метан); 2 – С₂Н₆ (етан); 21 – С₃Н₈ (пропан); 31 – С₄Н₁₀ (бутан). Праворуч вказують число атомів фтору в хладон і: CFCl₃ – R11, CF₂Cl₂ – R12, C₃F₄Cl₄ – R214, СCl₄ – R10. Якщо у фреоні містяться незаміщені атоми водню, їх кількість додається до числа десятків номера: CНFCl₂ – R21, CНF₂Cl – R22. Якщо до складу фреону входять атоми брому, після основного номера пишуть букву В, а за нею число атомів брому: CF₂Br₂ – R12B2.

Робочими тілами можуть бути азеотропні суміші, які складаються з двох холодильних агентів. Азеотропні суміші позначають цифрами, починаючи з 500. Наприклад, азеотропну суміш з 48,8 % R22 по масі та 51,2 % R115 (C₂F₅Cl) називають хладоном R502, його температура кипіння при 0,1 МПа становить -45,6 °С.

Холодильним агентами неорганічного походження (аміак, вода) присвоюють номери, які дорівнюють їх молекулярній масі, збільшеній на 700. Так, аміак і воду позначають відповідно R717 та R718.

Термодинамічні властивості холодильних агентів. До цих властивостей відносять температуру і тиск кипіння, температуру і тиск конденсації, теплоту пароутворення, об'ємну холодопродуктивність, температуру замерзання.

Температура кипіння хладона в робочому режимі повинна буди достатньо високою, тобто такою, щоб тиск у випарнику перевищував атмосферний. Це дозволить уникнути розрідження у випарнику та проникнення повітря в систему, яке погіршить роботу машини.

Теплота пароутворення та залежна від неї холодопродуктивніст ь повинні бути значними. Це дає змогу зменшити масу холодильного агента в системі. Проте надмірне зменшення кількості хладона в невеликих поршневих холодильних машинах ускладнює автоматичне регулювання їх роботи.

Критична температура холодильного агента повинна бути достатньо високою, що дасть змогу здійснювати процес конденсації при температурі навколишнього середовища і забезпечити більш економічну роботу машини. Чим вища критична температура хладона, тим менше утворюється парів під час дроселювання в регулювальному вентилі, і тим менші витрати роботи компресора в циклі.

Фізико-хімічні властивості холодильних агентів включають густину, в'язкість, коефіцієнт теплопровідності, розчинність, хімічна стійкість при контакті з металами, мастилом, повітрям, вологою, вибухобезпечність, займистість.

Ступінь розчинності холодильного агента в мастилі – важлива характеристика, яка суттєво впливає на конструкцію компресора та інших вузлів системи. Чим менше холодильний агент розчиняється в мастилі, тим менше мастила забирається із циліндрів компресора, відсутня піна у випарнику, не змінюється температура кипіння хладона. Проте мастило, яке потрапляє з нерозчиненим холодильним агентом в теплообмінні апарати (конденсатор, випарник), осідає на поверхні і погіршує теплопередачу.

Якщо використовувати хладон, розчинний в мастилі, то повернення мастила в компресор спрощується. Крім того, мастило змащує регулятор витрат холодильного агента та інші вентилі в системі, тому циркуляцію невеликої кількості мастила з хладоном в системі не слід вважати небажаним явищем.

Холодильні агенти з обмеженою розчинністю – аміак, вода, діоксид вуглецю R44, фреони R13, R14, R115.

Холодильні агенти з необмеженою розчинністю – R11, R12, R21, R40. В цьому випадку для суміші холодильного агента і мастила необхідно підтримувати більш низький тиск кипіння, тому для стискання парів витрачається додаткова робота.

Холодильні агенти з проміжною здатністю розчинятися – R22, R114.

Аміак необмежено розчиняє воду. За невеликої кількості води робота холодильної машини помітно не порушується. Фреони воду майже не розчиняють.

Зайва волога в холодильному агенті під час проходження крізь регулювальний вентиль перетворюється в лід і закупорює дросельний отвір. Для уникнення цього холодильні машини обладнують спеціальними осушувальними пристроями.

За відсутності вологи хладони не взаємодіють з металами.

Аміак не спричиняє корозію сталі. В присутності води він взаємодіє з міддю, цинком, бронзою та іншими мідними сплавами.

Фізіологічні (екологічні властивості) холодильних агентів. Фреони зі значним вмістом атомів фтору або повністю фторовані (R13, R113) безпечні для людини. Фреон R12 на відкритому полум'ї (вище 330 °С) руйнується з утворенням отруйного фосгену, фтористого та хлористого водню.

Вважається, що хлоровмісні холодильні агенти, вивільняючи хлор, руйнують озоновий шар Землі.

Хладони з високою здатністю руйнувати озоновий шар – R12, R13, R113, R500, R502, R503.

Хладони з низькою здатністю руйнувати озоновий шар – R22, R123, R141b, R142b.

Хладони, повністю безпечні для озону – гідрофторвуглеводні ГФУ (R134а, R404а, R143а, R152а), фторовуглеводні ФУ (R23, R32, R116, R218, R318), вуглеводні (R290, R600, R600а), аміак NH₃.

Міжнародними договорами передбачено припинення виробництва і використання до 2000 р. хладонів R11, R12, R113, R114, R115 та інших шкідливих для озону фреонів. Хладони R22, R123, R124, R141, R142 дозволено використовувати як перехідні замість заборонених. Проте і їх слід виключити з використання до 2040 року.

Альтернативними холодильними агентами є гідрофторвуглеводні та гідрохлорфторвуглеводні. Вони містять в молекулах атоми водню, тому руйнуються в нижніх шарах атмосфери швидше, ніж хлорофторвуглеводні, не досягаючи озонового шару.

Область застосування холодильних агентів. Аміак (NH₃, R717) – один з кращих холодильних агентів, сфера застосування якого розширюється. Він володіє хорошими термодинамічними характеристиками, за об'ємною холодопродуктивністю переважає такі хладони, як R11, R12, R22, R502. Використовується переважно в середніх та крупних холодильних установках з поршневими та гвинтовими компресорами при температурі кипіння до -70 °С, а останнім часом в машинах з невеликою холодопродуктивністю.

Недоліком аміаку є токсичність, горючість, вибухонебезпечність при концентраціях у повітрі 16 – 26,8 %. Аміак розкладається в атмосфері впродовж кількох днів.

Хладон R12 (CF₂Cl₂) – один з розповсюджених холодильних агентів, який використовують в компресійних промислових (в т.ч. кондиціонерах) та побутових холодильниках з температурою кипіння не нижче -30 °С і температурою конденсації не вище 75 °С. R12 має підвищену текучість, здатний проникати крізь мікрощілини та пори чавуну. Завдяки такій властивості суміш R12 з мастилом може проникати в простір між деталями, знижуючи тертя та зношення.

Хладон R22 (CНF₂Cl) – використовується в машинах з поршневими та гвинтовими компресорами, побутових холодильниках. Діапазон температур кипіння від +10 до -70 °С при температурі конденсації не вище 50 °С.

Холодоносії. Це проміжні речовини між джерелом холоду та об'єктом охолодження. Холодоносії бувають рідкі та тверді.

До рідких холодоносіїв відносять розчини солей – розсоли та однокомпонентні речовини, які замерзають при низьких температурах (етиленгліколь, кремнійорганічна рідина). Використовують водні розчини солей NaCl, MgCl₂, CaCl₂, температура замерзання яких залежить від концентрації. Кріогідратна точка для розчину NaCl -21,2 °С; MgCl₂ -33,6°С; CaCl₂ -55 °С. Для зниження корозійної дії розсолів на металеві частини обладнання в них додають пасиватори: силікат натрію, хромову сіль, фосфорні кислоти.

Етиленгліколь залежно від концентрації може мати температуру замерзання від 0 °С до -67,2 °С.

Тверді холодоносії – евтектичний лід, який утворюється при кріогідратній температурі. Це суміш льоду і солі з постійною температурою плавлення.

Дата добавления: 2014-01-04