Он значительно облегчает обслуживание холодильной уста новки, дает возможность получить более низкие температуры, обеспечивает автоматизацию производственных процессов.
Работа холодильных машин основана на различных принци
пах. В настоящее время самый распространенный из них —
принцип кипения жидких тел. Температура кипения жидкости зависит от давления. Поддерживая давление на определенном уровне, можно обеспечить надлежащую температуру кипения рабочего тела. При кипении рабочее тело отнимает от окружаю щей среды значительное количество тепла, в результате чего
температура ее понижается.
В основу работы холодильной машины может быть положен также принцип расширения сжатого воздуха. Если сжатый воз дух с температурой окружающей среды подвергнуть расшире нию, то температура его понизится и он станет источником ох лаждения. На этом и основана работа воздушных холодильных машин. Данный способ отличается от всех других тем, что воз
дух в процессе расширения не меняет своего агрегатного состоя
ния — он только нагревается, воспринимая тепло от окружаю щей среды.
Искусственное охлаждение можно получить также с по мощью сухого льда (твердой углекислоты). Сухой лед, воспри
нимая тепло от охлаждаемого помещения, сублимирует, т. е. пе
реходит из твердого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу. Каждый килограмм сухого льда, сублимируя при атмо сферном давлении, поглощает 137 ккал тепла из окружающей среды.
Искусственное охлаждение возможно осуществить и термо электрическим способом (эффект Пельтье). Если к замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных проводов, подвести посто янный ток, то один из спаев будет нагреваться, другой охлаж даться. При перемене направления электрического тока нагре тый спай будет охлаждаться, а холодный нагреваться. До при менения полупроводников1 указанное явление практического значения не имело. В цепи же из полупроводников эффект Пель тье проявляется настолько эффективно, что стало возможным применить его для практических целей. В настоящее время соз даны опытные образцы построенных на этом принципе комнат ных электрохолодильников.
Тепловые явления, связанные с преобразованием тепла в ме ханическую энергию или работу, изучаются термодинамикой.
Первый |
закон |
термодинамики |
устанавливает |
|||
только количественное соотношение |
между теплом |
и работой |
||||
при |
переходе одного вида энергии |
в другой. Если |
превратить |
|||
1 |
Полупроводники — это |
окислы металлов, сернистые |
соединения, соеди |
|||
нения |
с селеном, |
химические элементы |
(кремний, германий, селен, тел |
|||
лур и т. п.).
9
1 ккал тепла в работу, то получим 427 кгм работы, т. е. 1 ккал равнозначна (эквивалентна) 427 кгм работы. Число 427 назы
вают механическим эквивалентом тепла. Если 1 кгм работы пре вратить в тепло, то получим 1/427 ккал. Число 1/427 ккал!кгм,
обозначаемое обычно буквой А, называют тепловым (термиче
ским) эквивалентом работы. |
|
устанавливает, |
Второй закон термодинамики |
||
что все естественные тепловые процессы в |
природе протекают от |
|
тел с высокой температурой к телам с |
низкой |
температурой. |
Обратный же переход от менее нагретого тела |
к более нагре |
|
тому естественным путем невозможен без затраты работы. |
||
ПРИНЦИП РАБОТЫ ХОЛОДИЛЬНОЙ МАШИНЫ
Холодильная машина состоит из аппаратов и устройств, пред назначенных для отвода тепла от охлаждаемого тела и передачи его охлаждающей среде, имеющей более высокую температуру,
чем охлаждаемое тело. |
Для переноса тепла на более |
высокий |
|
|
уровень согласно второму закону термо |
||
|
динамики требуется затрата механиче |
||
|
ской или тепловой энергии, получаемой |
||
|
со стороны. |
идеальной |
|
|
Рассмотрим вначале цикл |
||
|
холодильной машиныЭтот цикл |
(рис. 3) |
|
|
состоит из двух изотерм (4—3 и 2—]) и |
||
|
двух адиабат (3—2 и 1—4). В изотерми |
||
|
ческом процессе 4—3 происходит отнятие |
||
Рис. 3. Цикл идеальной |
рабочим телом тепла Qo от источника низ |
||
холодильной машины |
кой температуры, например |
от |
охЛаж- |
в координатах v—p |
даемых продуктов в камерах, |
а |
от точки |
3 до точки 2 происходит адиабатическое
сжатие рабочего тела за счет внешней работы, при этом темпе
ратура тела повышается от То до 7\. В изотермическом процессе
2—1 происходит отдача рабочим телом источнику высокой тем пературы (воде или воздуху) тепла Qi, а в адиабатическом про цессе расширения 1—4, совершаемого за счет внутренней энер гии тела, температура его снижается с 7\ до То.
Эффективность холодильного цикла определяется отноше
нием тепла Qo, отнятого от охлаждаемого тела, к затраченной работе AL. Поэтому стремятся к наибольшему отношению этих
величин: чем меньше затрачивается работы, тем совершеннее цикл. Отношение Qo : AL = е, характеризующее совершенство цикла, называется холодильным коэффициентом.
Переходим к рассмотрению работы действительной холодиль
ной машины.
Холодильная машина состоит из испарителя, компрессора, конденсатора и регулирующего вентиля (рис. 4). Принцип ее работы заключается в следующем, В испаритель / поступает
10
жидкии холодильный агент (аммиак). Отнимая тепло от рас сола, он кипит. Образовавшиеся пары засасываются компрес сором и сжимаются от давления всасывания до давления нагне тания. При этом холодильный агент нагревается. Горячие лары
В канализацию |
СлиЬная труба. |
|
|
|
|||
Рис. 4. Принципиальная схема аммиачной |
компрессорной холодильной |
||||||
|
|
|
|
машины: |
|
|
|
/ испаритель, |
2 — компрессор, |
3 — конденсатор, 4— регулирующий вентиль, 5_ резер |
|||||
вуар |
для воды, |
б — манометр; |
а, |
б — всасывающие клапаны; в, г — нагнетательные кла |
|||
паны; |
о —поршень, е— шток, |
ж — задняя крышка |
компрессора, з —передняя |
крышка |
|||
компрессора, и — трехходовой |
вентиль с двумя предохранительными клапанами |
к — вен |
|||||
тиль |
для выпуска воздуха и нсконденсирующихся газов, л — указатель |
уровня |
жидкого |
||||
|
|
|
|
аммиака |
|
|
|
аммиака нагнетаются компрессором в |
конденсатор |
3, где они. |
|||||
отдавая тепло воде, конденсируются (сжижаются) и через регулирующий вентиль 4 вновь поступают в испаритель. Регулирую
щий вентиль служит для дросселирования аммиака от давления конденсации до давления кипения и для заполнения испарителя
холодильным агентом.
В рассматриваемой схеме жидкий аммиак отнимает тепло от
рассола, протекающего по трубам испарителя. Охлажденный
рассол подается насосом в батареи камеры. Чтобы довести рас сол до требуемой температуры, аммиак должен кипеть при бо лее низкой температуре.
Для осуществления непрерывного процесса кипения аммиака необходимо, чтобы он передавал отнятое у рассола тепло ка кому-либо другому телу, переходя таким образом снова в жид
кое состояние. Обычно для этого применяют воду. Для перехода тепла от холодных паров аммиака, образовавшихся в испари
теле, к воде, имеющей значительно более высокую температуру, необходима затрата энергии для их нагрева. Нагрев паров ам миака осуществляет компрессор путем сжатия их.
Компрессор имеет всасывающие клапаны а и б и нагнета
тельные виг. При работе компрессора поршень его никогда не доходит вплотную до крышек цилиндра. Между передней и задней крышками и крайним положением поршня имеется мерт вое пространство, в котором всегда остается некоторый объем
паров холодильного агента.
Допустим, что поршень д движется от задней крышки ж к пе редней з. Вслед за поршнем начнут двигаться пары аммиака,
оставшиеся в мертвом пространстве, и занимать свободный объем в цилиндре по эту сторону поршня. Давление паров при этом будет уменьшаться, т. е. будет уменьшаться давление в этой части цилиндра все более и более по мере движения
поршня.
Когда давление на всасывающей стороне (со стороны испа рителя) сделается несколько большим, чем в рассматриваемой части цилиндра, всасывающий клапан а откроется и начнется
всасывание холодных паров аммиака из испарителя в цилиндр
компрессора. По другую сторону поршня в это время будет про исходить сжатие находящихся здесь паров: давление их начнет повышаться, так как всасывающий клапан б будет закрыт под давлением паров аммиака в цилиндре; будет закрыт и нагне тательный клапан г, находящийся под давлением конденсации. Когда давление в этой части цилиндра станет большим, чем дав ление в конденсаторе, нагнетательный клапан г откроется, и сжатые горячие пары аммиака по нагнетательному трубопро воду поступят в конденсатор.
При движении поршня в обратном направлении (от перед ней крышки к задней) всасывание в цилиндр компрессора хо
лодных паров аммиака из испарителя будет происходить через всасывающий клапан б, а нагнетание в конденсатор сжатых горячих паров —через клапан в. Чередование всасывания, сжа тия и нагнетания паров аммиака происходит в течение всего периода работы компрессора.
В конденсаторе охлаждающая вода вначале отнимает теп лоту перегрева горячих паров аммиака. Когда температура их
12
снизится до температуры насыщения, при соответствующем дав лении конденсации произойдет их сжижение. Температура и дав ление конденсации зависят от температуры и количества охлаж дающей воды: чем больше воды проходит через конденсатор и
чем она холоднее, тем ниже температура и давление конденсации
и наоборот. Из конденсатора жидкий аммиак при давлении кон денсации направляется в испаритель через регулирующий вен
тиль для повторного кипения.
Одним из основных показателей совершенства холодильного цикла является расход электроэнергии на получение единицы
холода: чем меньше требуется киловатт-часов электроэнергии на выработку килокалорий холода, тем совершеннее термодинами
ческий цикл. |
4 |
Количество выработанных машиной килокалорий холода,
приходящихся на 1 квт-ч затраченной электроэнергии, называют удельной холодопроизводительностью компрессора, а количе ство холода, приходящегося на 1 ж3 холодильного агента,—
объемной холодопроизводительностью (последняя величина от носится к состоянию пара у входа в компрессор).
Совокупность холодильной машины, вспомогательного обо рудования и устройств, предназначенных для поддержания в ох лаждаемых помещениях, телах или веществах низкой темпера туры, называется холодильной установкой.
В данной книге рассмотрены средние и крупные аммиачные холодильные установки.
ХОЛОДИЛЬНЫЕ АГЕНТЫ
Для получения искусственного холода машинным способом
применяют холодильные агенты, или рабочие вещества (рабочие тела). Они предназначены для отнятия тепла от охлаждаемого тела, имеющего относительно низкую температуру, и передачи этого тепла телу с более высокой температурой.
При выборе холодильных агентов предъявляют требования в отношении термодинамических, физико-химических и физиоло
гических свойств, а также учитываются экономические пока затели.
Объемная холодопроизводительность (холодопроизводитель
ность 1 ж3 паров) должна быть наибольшей. Это свойство рабо чего тела дает возможность значительно уменьшить размеры и вес компрессора.
Удельный объем холодильного агента, т. е. объем 1 кг его
(ж3/кг) при рабочих температурах и давлениях, должен быть возможно меньшим, а теплота парообразования — возможно большей во избежание значительных размеров компрессора.
Рабочие тела должны кипеть при температурах около нуля или ниже, чтобы произвести соответствующее холодильное действие. Необходимо, чтобы кипение холодильного агента в ра
13