Указания по принципу работы холодильных машин

ПРИНЦИП РАБОТЫ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ИСКУССТВЕННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

Холодильные машины представляют собой замкнутую систему, заполненную рабочим телом. Рабочее тело, циркулирующее в холодильной машине, отнимает тепло от охлаждаемой среды и, совершив круговой процесс, возвращается в первоначальное состояние. Это позволяет осуществлять непрерывное охлаждение с помощью одного и того же количества рабочего тела. Для возвращения рабочего тела в первоначальное состояние необходимо, чтобы тепло, воспринятое им от охлаждаемой среды, было отдано другому телу. Такими телами являются окружающий воздух и вода. Температура воды и воздуха, как правило, выше температуры охлаждаемой среды, поэтому естественный процесс передачи тепла невозможен. Для переноса тепла от охлаждаемой среды к более теплой окружающей среде необходимо повысить температуру рабочего тела настолько, чтобы она стала выше температуры окружающей среды (воды, воздуха). Для этого необходимо затратить энергию. Последующее понижение температуры рабочих тел достигается адиабатическим расширением сжатых газов или жидкостей (например, в расширительных цилиндрах или детандерах) или дросселированием (в вентилях, кранах).

Непрерывный круговой процесс, в результате которого тепло от холодного тела передается более теплому, является обратным круговым процессом-циклом. Рабочее тело, циркулирующее в холодильной машине и совершающее обратный круговой процесс, называется холодильным агентом.

Охлаждаемая среда (например, воздух холодильной камеры) имеет температуру (рис. 1,а) более низкую, чем температура окружающей среды  (например, воды или воздуха). Холодильный агент отнимает тепло от охлаждаемой среды и передает окружающей среде с более высокой температурой, при этом холодильный агент совершает непрерывный круговой процесс. Согласно второму закону термодинамики, для осуществления кругового процесса, обеспечивающего отнятие тепла от холодной среды и передачу его более теплой, требуется затратить механическую работу или другой вид энергии, например, тепло, которое при этом переходит с высшего уровня на низший. Обратный круговой процесс, обеспечивающий искусственное охлаждение в результате переноса тепла от холодного тела к окружающей среде, называется холодильным циклом. Холодильные машины, в которых для получения холодильного эффекта используют кипение жидкостей при низких температурах, называются паровыми холодильными машинами.

В паровых холодильных машинах в качестве рабочих тел применяют жидкости с низкими температурами кипения при атмосферном давлении. Из них наиболее распространены аммиак и хладоны (фреоны) хлорофторозащищенные углеводороды, в частности фреон-12 , фреон-22 . Однако в некоторых паровых холодильных машинах в качестве рабочего тела используют воду. В этом случае в охлаждающих аппаратах создастся значительное разрежение.

Иногда применяют рабочие тела, не изменяющие агрегатное состояние в холодильной машине, например воздух. Холодный воздух, отнимая тепло от охлаждаемой среды, повышает свою температуру. Холодильные машины, в которых рабочее тело не меняет агрегатного состояния, а холодильный эффект получают за счет повышения температуры рабочего тела, называются газовыми или воздушными холодильными машинами. Машины, в которых осуществляется обратный круговой процесс, можно применять не только для искусственного охлаждения, но и для отопления. Машину, обеспечивающую отопление с помощью обратного кругового процесса, называют тепловым насосом (рис. 1,б). Рабочее тело воспринимает тепло от окружающей среды (воздуха, воды и т.п.) и, совершая круговой процесс, передаст тепло горячему телу с температурой . Теплоприемником может быть, например, вода, которую затем используют для отопления зданий, при этом для переноса тепла, как и в холодильных машинах, затрачивается механическая или тепловая энергия.

Таким образом, принцип работы холодильной машины и теплового насоса одинаков; отличие состоит только в положении интервала температур, холодильные машины работают в интервале от температуры окружающей среды и ниже (до абсолютного нуля), тепловые насосы от температуры окружающей среды и выше (до 70…80 °С). В отдельных случаях холодильные машины можно использовать для одновременного получения холода и тепла, тогда они будут работать в интервале от температуры ниже окружающей среды до температуры выше этой среды.

Рис.1.Принципиальная схема холодильной машины (а) и теплового насоса (б)

В соответствии с видом затрачиваемой энергии холодильные машины можно разделить на работающие с затратой механической энергии (компрессорные) и тепла (абсорбционные и пароэжекторные).

ПАРОВЫЕ И ВОЗДУШНЫЕ ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ

Холодильная машина-это комплект аппаратов и трубопроводов, осуществляющих холодильный цикл. В паровых компрессорных машинах в качестве холодильных агентов применяют жидкости с низкими температурами кипения при атмосферном давлении.

Основные элементы паровой компрессорной машины испаритель, компрессор, конденсатор и регулирующий вентиль, соединенные между собой трубопроводами (рис. 2). Испаритель-это теплообменный аппарат, предназначенный для охлаждения какой-либо среды. В нем находится жидкий холодильный агент, имеющий низкие температуры кипения и давления. Температура кипения холодильного агента должна быть на несколько градусов ниже температуры охлаждаемой среды. Компрессор служит для отсасывания паров холодильного агента из испарителя, сжатия их и нагнетания в конденсатор. Конденсатор теплообменный аппарат, служащий для конденсации паров холодильного агента. Температура конденсации паров должна на несколько градусов превышать температуру охлаждающей среды. Регулирующий вентиль служит для подачи жидкого холодильного агента в испаритель, а также понижения давления и температуры холодильного агента.

Рис.2. Принципиальная схема паровой компрессорной машины
1 - конденсатор; 2 - компрессор; 3 - испаритель; 4 - регулирующий вентиль

Холодильная машина работает следующим образом. Жидкий холодильный агент кипит в испарителе за счет отнятия тепла от охлаждаемой среды. Холодные пары, образовавшиеся в результате кипения, отсасываются компрессором, сжимаются в нем до давления конденсации, в результате чего повышается их температура, и нагнетаются в конденсатор. В этом аппарате горячие пары конденсируются, отдавая свое тепло воде или воздуху. Таким образом, холодильный агент, совершив охлаждение и отдав в конденсаторе тепло, отнятое от охлаждаемой среды, снова превращается в жидкость, но с более высокой температурой. Из конденсатора жидкий холодильный агент поступает в регулирующий вентиль, в котором понижаются его давление и температура, а затем вновь попадает в испаритель. Цикл начинается сначала.

В воздушных холодильных машинах для получения низких температур используется адиабатическое расширение сжатого воздуха. Воздух из охлаждаемого помещения (рис. 3) отсасывается компрессором, в котором адиабатически сжимается с повышением температуры. Затем сжатый воздух поступает в холодильник, где охлаждается при постоянном давлении. Далее воздух поступает в расширительный цилиндр, где, адиабатически расширяясь, охлаждается. Холодный воздух поступает опять в охлаждаемое помещение и нагревается, отнимая тепло от охлаждаемой среды.

Рис. 3. Воздушная холодильная машина
1 - охлаждаемое помещение; 2 - расширительный цилиндр; 3 - холодильник; 4 - компрессор

     
ХОЛОДИЛЬНЫЕ АГЕНТЫ

В качестве холодильных агентов применяют вещества, свойства которых удовлетворяют специальным требованиям: термодинамическим, физико-химическим, физиологическим, экономическим.

К термодинамическим свойствам холодильных агентов относятся: температура кипения (при атмосферном давлении 0,10133 МПа), давление в испарителе и конденсаторе, теплота парообразования, объемная холоднопроизводительность, температура замерзания, критические температура и давление.

Давление в испарителе при рабочих температурах кипения должно быть выше атмосферного, чтобы избежать вакуума. При наличии вакуума возможно проникновение в систему воздуха, что ухудшает работу машины, поэтому следует применять холодильные агенты с низкими температурами кипения при атмосферном давлении.

Давление в конденсаторе при обычных температурах охлаждающей среды не должно быть чрезмерно высоким Снижение предельного давления в машине позволяет облегчить конструкцию, кроме того, снижаются требование к уплотнению, и уменьшается опасность утечки холодильного агента через неплотности.

Турбокомпрессорные холодильные машины экономичнее работают при больших объемах всасывания, поэтому для них пригодны холодильные агенты с малой объемной холодопроизводительностью. Температура замерзания холодильного агента должна быть значительно ниже рабочей температуры кипения, чтобы предотвратить замерзание его в испарителе. Для каждого газа есть своя критическая температура и соответствующее ей критическое давление. При температуре выше критической газ не может перейти в жидкое состояние, сколько бы ни повышалось давление. При температуре ниже критического газ становится паром. Для осуществления процесса сжижения при температуре окружающей среды, а также для обеспечения более экономичной работы машины критическая температура должна быть достаточно высокой.