Парокомпрессионные холодильные машины это
3.3. ПАРОВЫЕ (ПАРОКОМПРЕССИОННЫЕ) ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ
Идея паровой компрессионной холодильной машины зародилась, по существу, уже тогда, когда впервые вода была охлаждена под колпаком при откачке воздуха насосом. Однако до машины как таковой было еще далеко, так как производилось лишь однократное, а не непрерывное охлаждение. Но и при этом удаление большого количества водяного пара при низком давлении вызывало большие трудности. Чтобы их уменьшить, прибегали даже к тому, что вместо механического насоса стали применять поглощение водяного пара серной кислотой. [Эта, на первых порах малоперспективная, идея тоже содержала рациональное зерно, которое, как мы увидим, потом проросло, дав начало абсорбционным холодильным машинам.] Систематическое исследование получения холода при испарении не только воды, но и легкокипящих жидкостей проводили сначала (1781 г.) Т. Кавалло и позже (1813 г.) А. Маре.
В 1805 г. О. Эванс опубликовал описание машины «для охлаждения жидкостей», в котором предлагалось использовать для этой цели испарение этилового спирта.
Описанная им идея включает почти все принципиально важные для холодильной машины процессы: испарение эфира при низком давлении (под вакуумом), откачку пара насосом (т.е. компрессором) в другой сосуд и конденсацию этого пара холодной водой, отводящей от него тепло. Здесь не хватает только одного важного элемента, который позволил бы замкнуть цикл и вернуть жидкий эфир в сосуд, где он бы мог снова испаряться, охлаждая или замораживая воду.
Первым, кто успешно вступил на этот путь и подготовил условия для продвижения по нему, был англичанин Я. Перкинс. В августе 1834 г. он получил британский патент N°6662 «Аппарат для производства холода и охлаждающих жидкостей». Эта дата может быть с полным основанием принята как начальная точка отсчета в истории паровых холодильных машин.
Я. Перкинс родился в 1766 г (рис. 3.8). Получив техническое образование, он всю жизнь работал над совершенствованием паровых машин и накопил большой опыт в этой области. Только в довольно солидном возрасте он по причинам, которые его биографы не могли выяснить, обратился к холодильным машинам, которые в то время не имели какого-либо промышленного значения. Ему было 68 лет, когда он получил свой основополагающий патент на парокомпрессионную холодильную машину с замкнутым контуром. Он прожил еще 15 лет, но реализовать эти идеи ему не удалось, хотя ему, как известному конструктору паровых машин, казалось бы, признание должно было быть обеспечено. Один из его биографов писал: «Нет сомнения, что он заплатил штраф за то, что опередил свое время».
Рис. 3.8. Якоб Перкинс.
Судьба идей Перкинса обычна: большинство слишком новых предложений не нашли отклика у современников. Однако она уникальна в том смысле, что трудно найти в истерии техники человека, который в таком возрасте сделал бы столь важное изобретение, да еще в новой области.
В своем патенте Перкинс предложил собирать испарившееся летучее вещество, затем сжимать его газовым насосом, т.е. компрессором) и после этого снова конденсировать холодной водой, т.е. осуществлять полный цикл, чтобы непрерывно снова получать то же самое количество легколетучего вещества. Эта кажущаяся теперь очень естественной мысль в четкой форме до Перкинса никому не приходила в голову. Он, однако, не ограничился престо выдвижением идеи, а продумал и ее инженерную реализацию.
На рис. 3.9 показан чертеж из его патента. В изолированном сосуде а находится охлаждаемая жидкость. Предусмотрен также сосуд с легкокипящим испаряющимся веществом (испаритель) b. В качестве такого вещества Перкинс рекомендовал эфир (этиловый эфир), поскольку он дешев и характеризуется невысоким давлением пара. Пары поступают по трубопроводу f в паровой насос с (т.е. компрессор) и после сжатия подаются по трубопроводу g в конденсатор d, помещенный в ванне е с холодной водой (погружной конденсатор). Здесь пар при давлении, близком к атмосферному, конденсируется, и жидкость через дроссельный клапан h возвращается в испаритель. Видно, что здесь полностью предусмотрены все части парокомпрессионной холодильной установки. Если весь воздух из машины удалить, она будет исправно работать.
Рис. 3.9. Парокомпрессионная холодильная машина Перкинса (схема из патентного описания).
Рис. 3.10. Усовершенствованный вариант машины Перкинса.
Наибольший успех в развитии паровых холодильных машин был достигнут Дж. Гаррисоном (родился в 1816 г. в Глазго). Это, несомненно, вторая крупная фигура в истории паровых холодильных машин после Перкинса. Он эмигрировал в Австралию (Сидней) в 1837 г. и поселился вблизи Мельбурна. Был сначала журналистом и издателем газеты, но с 1850 г. занялся проблемами получения холода. Его первая профессия давала возможность быть в курсе главных экономических проблем того времени. Одна из них была связана с потребностью в замораживании мяса, экспортируемого из Австралии в Англию.
В период 1856-1857 гг. он получил два основополагающих английских патента (№747 и 2362) на машины с этиловым эфиром в качестве хладагента. Правда, он уже обдумывал в это время использование других рабочих тел, в особенности аммиака. В 1875 г. Гаррисон ездил в Лондон, где обсуждал проблемы охлаждения с Фарадеем и Тиндалем.[ Характерно, что многие создатели холодильной техники поддерживали связь с тогдашними корифеями науки и консультировались с ними. В числе таких консультантов был наряду с Фарадеем и Тиндалем и В. Томсон-Кельвин (который помогал Големану), Гей-Люссак и др.]
Наладив производство холодильных машин, Гаррисон занялся непосредственно замораживанием мяса для экспорта в Англию. Однако сначала он попробовал замораживать мясо на берегу в стационарных условиях. В 1873 г. он провел эксперимент в Мельбурне, заморозив посредством своей машины мясо, рыбу и тушки птицы. Через 6 мес. был проведен осмотр и проверка качества. После удачного окончания этой пробы Гаррисон в 1873 г. решился на широкомасштабный эксперимент. Он погрузил на судно «Норфольк», оборудованное его холодильной установкой, 20 т баранины и говядины, заморозил груз на борту, и судно отправилось в Англию. Однако здесь Гаррисона ожидало поражение: машина вышла по дороге из строя и по прибытии в Лондон покупателя на привезенное мясо не нашлось. Гаррисон понес большие убытки, вынужден был оставить коммерческую деятельность и занялся научной работой, Умер он в 1893 г. Машины Гаррисона, работающие на эфире, продолжали несколько лет выпускаться в Лондоне.
Независимо от Гаррисона, Ф. Карре, известный тем, что изобрел совершенно новый и оригинальный вариант паровой холодильной машины (о котором речь будет дальше), разработал паровые холодильные машины не только на этиловом эфире, но и на сернистом ангидриде (французский патент от 27.06.1857).
Одна из установок, построенных по этому патенту, была смонтирована в южной Франции на заводе по производству соли и использовалась при получении сернокислого натрия (глауберовой соли) из морской воды.
Парокомпрессионные холодильные машины
Холодильная машина является комплексом элементов, при помощи которых рабочее вещество совершает обратный термодинамический цикл (холодильный цикл) за счет затраты работы или теплоты. Процессы в элементах холодильной машины взаимосвязаны, и на них оказывают влияние как окружающая среда, так и охлаждаемые объекты.
Промышленные холодильные машины, работающие в области умеренного холода, можно подразделить на три основные группы: компрессионные – паровые и газовые, теплоиспользующие (используют тепловую энергию) и термоэлектрические (используют электрическую энергию).
Парокомпрессионные холодильные машины используют механическую работу. Они получили наибольшее распространение в холодильной технике и технологии для охлаждения, замораживания и хранения пищевых продуктов из-за их энергетической эффективности (меньший расход энергии по сравнению с другими машинами) и меньшей экологической опасности.
На рис. 1.6. показан принцип работы парокомпрессионных холодильных машин. Для осуществления холодильного цикла необходимо иметь четыре основных элемента: компрессор, конденсатор, испаритель и регулирующий вентиль, соединенных трубопроводом, в котором непрерывно циркулирует рабочее вещество – хладагент.
Рис.1.6. Принцип работы парокомпрессионных холодильных машин
Испаритель располагают в охлаждаемом помещении (холодильной камере, шкафу). В нем при низкой температуре (ниже температуры охлаждаемой среды) кипит жидкий хладагент, воспринимая тепло из холодильной камеры в количестве Q0. Пары хладагента из испарителя отсасываются компрессором, сжимаются до давления Рк, соответствующего температуре конденсации tк, и нагнетаются в конденсатор, охлаждаемый окружающим воздухом. При отводе от конденсатора теплоты в количестве Qк пары хладагента превращаются в жидкость, которая через регулирующий вентиль поступает опять в испаритель. В регулирующем вентиле происходит процесс дросселирования, при этом небольшая часть жидкого хладагента мгновенно испаряется, а оставшаяся жидкость охлаждается до температуры кипения.
Таким образом, хладагент выполняет непрерывный круговой (холодильный) цикл, циркулируя с помощью компрессора внутри замкнутой системы, изменяя температуру, давление, свое фазовое состояние, поглощая или отдавая при этом тепло.
В холодильных машинах в качестве хладагентов используют аммиак и фреоны (хладоны) при непосредственном охлаждении, и хладоносители – вода, рассолы (льдосоляные смеси хлористого натрия или хлористого кальция), антифризы (этиленгликоль, пропиленгликоль, метанол, глицерин), карбонат калия, жидкий диоксид углерода, водные растворы ацетата калия и формиата калия, экосолы (вода и этилкарбитол) – при косвенном охлаждении.
Главными элементами парокомпрессионных холодильных машин являются компрессор, конденсатор, испаритель, регулирующий вентиль.
1) КОМПРЕССОР. Компрессор является главным элементом холодильной машины. Он обеспечивает циркуляцию хладагента в системе холодильной машины, создает высокое давление, достаточное для перехода хладагента из парообразного состояния в жидкое в конденсаторе, и низкое давление, при котором он кипит в испарителе при заданной низкой температуре. Таким образом, он переносит вместе с парами хладагента теплоту, отведенную от охлаждаемой среды.
2) ИСПАРИТЕЛЬ. Испаритель – это теплообменный аппарат, предназначен для отвода (принятия) теплоты от охлаждаемой среды и хладагента. В испарителе происходит непосредственный теплообмен между охлаждаемым объектом и хладагентом (воздухоохладители, батареи, технологические аппараты непосредственного охлаждения). В испарителе обычно происходит кипение хладагента и превращение его в пар. Выделяют различные конструкции испарителей. На рис. 1.7 б) показан общий вид кожухотрубного испарителя затопленного типа, где: 1 – патрубок, куда подается жидкий хладагент, 2 – корпус аппарата, представляет собой сваренную из стального листа обечайку, по торцам к которой приварены трубные решетки 6 с отверстиями, в которые вставлены трубы 7. Снаружи к решеткам на шпильках крепятся крышки 3 и 9, одна из которых имеет штуцеры 4 и 5 для входа и выхода рассола. В центре обечайки вверху приварен сухопарник 8, через который пары хладагента отсасываются компрессором.
3) КОНДЕНСАТОР. Конденсатор – это теплообменный аппарат, который предназначен для превращения в жидкость поступающих из компрессорапаров хладагента. В конденсаторе возможно осуществить охлаждение жидкого хладагента ниже температуры конденсации (переохлаждение). Оба эти процесса сопровождаются отводом теплоты от хладагента к внешней среде. Существуют различные конструкции конденсаторов. На рис. 1.10а представлен кожухотрубный конденсатор.
4) РЕГУЛИРУЮЩИЙ ВЕНТИЛЬ. Об эффекте дросселирования, которое происходит в регулирующем вентиле, было упомянуто выше, сущность которого заключается в том, что при прохождении жидкого хладагента через суженное отверстие под действием разности давлений в конденсаторе и испарителе падение давления сопровождается понижением температуры всего потока. Хладагент дросселируется и теплообмен между ним и окружающей средой не осуществляется. При увеличении скорости движения в узком сечении внутренняя энергия молекул возрастает и повышенное внутримолекулярное трение приводит к тому, что часть жидкости переходит в парообразное состояние. При этом температура всего потока понижается до температуры кипения хладагента в испарителе. Поэтому только часть циркулирующего хладагента кипит в испарителе и производит полезное охлаждение.
Рис. 1.7. а) Кожухотрубный конденсатор; б) кожухотрубный испаритель затопленного типа
Вопросы для самоконтроля
1. Что такое фазовые переходы веществ?
2. Какие имеются способы получения искусственного холода?
3. Какую функцию выполняет компрессор в холодильных машинах?
4. Что такое источники низкой и высокой температур?
Тесты
1) В каком диапазоне лежит область низких температур для холодильной техники:
а)–120÷–273 0 С; б)+30÷–120 0 С; в)+20÷–120 0 С; г)+20÷–110 0 С; д) 0 ÷–150 0 С.
2) При каких условиях существует тройная точка воды:
а)617 Па; 0,0098 0 С; б)617 Па; 0,98 0 С; в)517 Па; 0,098 0 С; г)417 Па; 0 0 С.
3) При каких условиях сухой лед (твердая двуокись углерода) переходит из твердого в газообразное состояние:
а)1 атм; –70 0 С; б) 1 атм; –78,9 0 С; в)3 атм; +15 0 С; г)2 атм; –20 0 С; д)1 атм; –67 0 С.
4) Какую энергию используют парокомпрессионные холодильные машины:
а) механическую работу; б) тепловую; в) электрическую энергию.
5) Сублимация – это процесс перехода вещества:
а) из жидкого состояния в парообразное; б) из жидкого состояния в пар; в) из твердого состояния в газообразное, минуя жидкость; г) из газообразного состояния в твердое, минуя жидкость.
Дата добавления: 2015-09-18 ; просмотров: 1615 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Парокомпрессионная холодильная машина
Классификация холодильных установок
Холодильные машины, в которых низкие температуры получают в результате процесса кипения жидкости с отводом от охлаждающей среды необходимой теплоты парообразования, называются паровыми холодильными машинами.
Холодильные машины, работающие в области умеренного холода, в зависимости от вида используемой энергии делятся на следующие основные группы:
— парокомпрессионные, использующие механическую энергию для повышения давления паров хладагента и его температуры в компрессоре;
— абсорбционные и пароэжекторные – теплоиспользующие машины с поглощением паров соответствующим абсорбентом и выделением паров хладагента из раствора при его нагревании с затратой тепловой энергии;
— термоэлектрические – использующие непосредственно электрическую энергию;
Парокомпрессионная холодильная машина должна иметь как минимум четыре обязательных элемента: КМ – компрессор; КД – конденсатор; И – испаритель; РВ – регулирующий вентиль или расширительный цилиндр – детандер.
В испарителе, за счет кипения хладагента при низкой температуре, теплота 
отводится от охлаждаемой среды – воздуха в системе непосредственного охлаждения (например, в домашнем холодильнике), воды или рассола в системе с хладоносителем (насос направляет рассол в батареи, расположенные в охлаждаемом помещении). Пары рабочего вещества (хладагента) из испарителя И откачиваются с помощью компрессора КМ, сжимаются им и нагнетаются в конденсатор КД. В нем теплота 
отводится от конденсирующегося хладагента с помощью охлаждающей среды – воздуха или воды, которая при этом нагревается. Жидкий хладагент из конденсатора проходит через регулирующий вентиль РВ, где происходит процесс дросселирования, при этом падает давление и температура хладагента.
Температура кипения 
хладагента в испарителе зависит от давления 
, а оно в свою очередь – от производительности компрессора. Температуру кипения поддерживают такой, чтобы обеспечить необходимую (заданную) температуру охлаждаемой среды. Для понижения температуры кипения необходимо понизить давление кипения, что можно сделать, увеличив производительность компрессора.
Температура конденсации 
хладагента и соответствующее ей давление конденсации 
, зависит, главным образом, от температуры среды, используемой для охлаждения хладагента в конденсаторе. Чем она ниже, тем ниже будут температура и давление конденсации. Величины и в значительной мере связаны с производительностью компрессора. Они же в основном определяют и количество энергии, которое необходимо для работы компрессора.
Парокомпрессионные холодильные машины
Холодильная машина является комплексом элементов, при помощи которых рабочее вещество совершает обратный термодинамический цикл (холодильный цикл) за счет затраты работы или теплоты. Процессы в элементах холодильной машины взаимосвязаны, и на них оказывают влияние как окружающая среда, так и охлаждаемые объекты.
Промышленные холодильные машины, работающие в области умеренного холода, можно подразделить на три основные группы: компрессионные – паровые и газовые, теплоиспользующие (используют тепловую энергию) и термоэлектрические (используют электрическую энергию).
Парокомпрессионные холодильные машины используют механическую работу. Они получили наибольшее распространение в холодильной технике и технологии для охлаждения, замораживания и хранения пищевых продуктов из-за их энергетической эффективности (меньший расход энергии по сравнению с другими машинами) и меньшей экологической опасности.
На рис. 1.6. показан принцип работы парокомпрессионных холодильных машин. Для осуществления холодильного цикла необходимо иметь четыре основных элемента: компрессор, конденсатор, испаритель и регулирующий вентиль, соединенных трубопроводом, в котором непрерывно циркулирует рабочее вещество – хладагент.
Рис.1.6. Принцип работы парокомпрессионных холодильных машин
Испаритель располагают в охлаждаемом помещении (холодильной камере, шкафу). В нем при низкой температуре (ниже температуры охлаждаемой среды) кипит жидкий хладагент, воспринимая тепло из холодильной камеры в количестве Q0. Пары хладагента из испарителя отсасываются компрессором, сжимаются до давления Рк, соответствующего температуре конденсации tк, и нагнетаются в конденсатор, охлаждаемый окружающим воздухом. При отводе от конденсатора теплоты в количестве Qк пары хладагента превращаются в жидкость, которая через регулирующий вентиль поступает опять в испаритель. В регулирующем вентиле происходит процесс дросселирования, при этом небольшая часть жидкого хладагента мгновенно испаряется, а оставшаяся жидкость охлаждается до температуры кипения.
Таким образом, хладагент выполняет непрерывный круговой (холодильный) цикл, циркулируя с помощью компрессора внутри замкнутой системы, изменяя температуру, давление, свое фазовое состояние, поглощая или отдавая при этом тепло.
В холодильных машинах в качестве хладагентов используют аммиак и фреоны (хладоны) при непосредственном охлаждении, и хладоносители – вода, рассолы (льдосоляные смеси хлористого натрия или хлористого кальция), антифризы (этиленгликоль, пропиленгликоль, метанол, глицерин), карбонат калия, жидкий диоксид углерода, водные растворы ацетата калия и формиата калия, экосолы (вода и этилкарбитол) – при косвенном охлаждении.
Главными элементами парокомпрессионных холодильных машин являются компрессор, конденсатор, испаритель, регулирующий вентиль.
1) КОМПРЕССОР. Компрессор является главным элементом холодильной машины. Он обеспечивает циркуляцию хладагента в системе холодильной машины, создает высокое давление, достаточное для перехода хладагента из парообразного состояния в жидкое в конденсаторе, и низкое давление, при котором он кипит в испарителе при заданной низкой температуре. Таким образом, он переносит вместе с парами хладагента теплоту, отведенную от охлаждаемой среды.
2) ИСПАРИТЕЛЬ. Испаритель – это теплообменный аппарат, предназначен для отвода (принятия) теплоты от охлаждаемой среды и хладагента. В испарителе происходит непосредственный теплообмен между охлаждаемым объектом и хладагентом (воздухоохладители, батареи, технологические аппараты непосредственного охлаждения). В испарителе обычно происходит кипение хладагента и превращение его в пар. Выделяют различные конструкции испарителей. На рис. 1.7 б) показан общий вид кожухотрубного испарителя затопленного типа, где: 1 – патрубок, куда подается жидкий хладагент, 2 – корпус аппарата, представляет собой сваренную из стального листа обечайку, по торцам к которой приварены трубные решетки 6 с отверстиями, в которые вставлены трубы 7. Снаружи к решеткам на шпильках крепятся крышки 3 и 9, одна из которых имеет штуцеры 4 и 5 для входа и выхода рассола. В центре обечайки вверху приварен сухопарник 8, через который пары хладагента отсасываются компрессором.
3) КОНДЕНСАТОР. Конденсатор – это теплообменный аппарат, который предназначен для превращения в жидкость поступающих из компрессорапаров хладагента. В конденсаторе возможно осуществить охлаждение жидкого хладагента ниже температуры конденсации (переохлаждение). Оба эти процесса сопровождаются отводом теплоты от хладагента к внешней среде. Существуют различные конструкции конденсаторов. На рис. 1.10а представлен кожухотрубный конденсатор.
4) РЕГУЛИРУЮЩИЙ ВЕНТИЛЬ. Об эффекте дросселирования, которое происходит в регулирующем вентиле, было упомянуто выше, сущность которого заключается в том, что при прохождении жидкого хладагента через суженное отверстие под действием разности давлений в конденсаторе и испарителе падение давления сопровождается понижением температуры всего потока. Хладагент дросселируется и теплообмен между ним и окружающей средой не осуществляется. При увеличении скорости движения в узком сечении внутренняя энергия молекул возрастает и повышенное внутримолекулярное трение приводит к тому, что часть жидкости переходит в парообразное состояние. При этом температура всего потока понижается до температуры кипения хладагента в испарителе. Поэтому только часть циркулирующего хладагента кипит в испарителе и производит полезное охлаждение.
Рис. 1.7. а) Кожухотрубный конденсатор; б) кожухотрубный испаритель затопленного типа
Вопросы для самоконтроля
1. Что такое фазовые переходы веществ?
2. Какие имеются способы получения искусственного холода?
3. Какую функцию выполняет компрессор в холодильных машинах?
4. Что такое источники низкой и высокой температур?
Тесты
1) В каком диапазоне лежит область низких температур для холодильной техники:
а)–120÷–273 0 С; б)+30÷–120 0 С; в)+20÷–120 0 С; г)+20÷–110 0 С; д) 0 ÷–150 0 С.
2) При каких условиях существует тройная точка воды:
а)617 Па; 0,0098 0 С; б)617 Па; 0,98 0 С; в)517 Па; 0,098 0 С; г)417 Па; 0 0 С.
3) При каких условиях сухой лед (твердая двуокись углерода) переходит из твердого в газообразное состояние:
а)1 атм; –70 0 С; б) 1 атм; –78,9 0 С; в)3 атм; +15 0 С; г)2 атм; –20 0 С; д)1 атм; –67 0 С.
4) Какую энергию используют парокомпрессионные холодильные машины:
а) механическую работу; б) тепловую; в) электрическую энергию.
5) Сублимация – это процесс перехода вещества:
а) из жидкого состояния в парообразное; б) из жидкого состояния в пар; в) из твердого состояния в газообразное, минуя жидкость; г) из газообразного состояния в твердое, минуя жидкость.