Применении холода в различных областях науки и техники.

Применении холода в различных областях науки и техники.

Искусственным охлаждением наз. охлаждение тел ниже темп-ры окружающей среды. Холодильная установка представляет собой совокупность машин, аппаратов, приборов и сооружений, предназначенных для производства и применения искусственного холода.

Холодильные установки находят применение:

В пищевой промышленности искусственное охлаждение обеспечивает длительное сохранение высокого качества скоропортящихся продуктов;

В химической промышленности искусственное охлаждение применяется для разделения жидких и газовых смесей и получения чистых продуктов (н/р, этана, этилена, из нефти и природного газа), при производстве многих синтетических материалов, при производстве аммиака и азотных удобрений, для отвода теплоты химических реакций.

В машиностроении внедряются низкотемпературная закалка металлов и холодные посадки.

В строительстве искусственное замораживание грунтов оказывается эффективным средством при выполнении строительных работ в водоносных слоях, искусственное охлаждение бетона применяется при строительстве плотин крупных гидростанций.

В системах кондиционирования воздуха при помощи холода создается искусственный климат в закрытых помещениях.

Широко применяется искусственный холод на различных видах транспорта для перевозки пищевых продуктов, а также на судах рыболовного флота, в торговле пищевыми продуктами и в быту.

В основе применения холода для различных производственных целей лежит тот факт, что многие физические, химические, биологические и другие процессы протекают при низких температурах не так, как они осуществляются при обычных условиях. Большинство этих процессов при низких температурах замедляется, а некоторые из них прекращаются. Существуют процессы, которые при низких температурах протекают интенсивнее, чем при высоких; понижение температуры, при которой происходит реакция, позволяет получать полимеры с более высокой молекулярной массой, т. е. более прочные и упругие.

Охлаждение расширением газов. Охлаждение дросселированием.

Охлаждение расширением газов. В процессе адиабатного расширения сжатого газа в расширительном цилиндре (детандере) температура понижается, так как внешняя работа в этом случае совершается за счет внутренней энергии газа. Параметры состояния газа меняются в соответствии сьзависимостью

где k – показатель адиабаты сжатия.

Такой метод получения низких температур применяют в технике глубокого холода и в воздушных турбохолодильных машинах. На принципе охлаждения газа при его адиабатном расширении основана работа идеальной холодильной машины Карно.

Охлаждение дросселированием (эффект Джоуля – Томсона).

Дросселированием называется снижение давления жидкости или газа при прохождении их через суженное отверстие (вентиль, кран). В этом процессе не совершается внешней работы, и энтальпия остается постоянной. Внутренняя энергия газа расходуется на преодоление внутреннего трения при прохождении газа через суженное отверстие. Изменение температуры реального газа при дросселировании называется эффектом Джоуля – Томсона. Дросселирование применяется в парокомпрессионных и абсорбционных холодильных машинах. Температура при дросселировании понижается во много раз меньше, чем при адиабатном расширении.

Тепловая диаграмма Т- s.

Диаграмма Т-s. В диаграмме Т -s (а) по оси абсцисс откладывают значения энтропии s и проводят вертикальные линии постоянных s – адиабаты, по оси ординат откладывают значения абсолютной температуры Т и проводят горизонтальные линии постоянных Т – изотермы. На полученную сетку из адиабат и изотерм наносят пограничные кривые, характеризующие состояние соответственно насыщенной жидкости (паросодержание х = 0) и сухого насыщенного пара (х = 1). Между обеими пограничными кривыми находится область влажного пара 2. Пограничная кривая х = 0 отделяет от области влажного пара 2 область переохлажденной жидкости 1, а кривая х = 1 – область перегретого пара 3 от влажного. На диаграмме нанесены линии постоянных паросодержаний х; постоянных давлений р – изобары; постоянных удельных объемов ʋ – изохоры; постоянных энтальпий i – изоэнтальпы. Изобара в области влажного пара совпадает с изотермой, а в области перегретого пара круто поднимается вверх. Подведенное и отведенное количества теплоты, затраченная и полученная работа изображаются в диаграмме Т -s площадями. Теплота, подведенная к телу в изотермическом процессе 1-2, соответствует площади 1-2- а -b; теплота, отведенная в изобарном процессе 3-4, – площади 3-4- d- с (б).

Цикл теплового насоса.

Цикл, в котором окружающая среда будет холодным источником, и его назначение – получить теплоту с температурой t < t окр. ср называется циклом теплового насоса. Цикл Карно для теплового насоса изображается в диаграмме T-s совершенно так же, как и для холодильной машины.

Эффективность этого цикла оценивается отношением полученной теплоты к затраченной работе, называемым коэффициентом преобразования или коэффициентом отопления:

Коэффициент преобразования характеризует затрату работы на получение единицы теплоты в заданных условиях. Его можно выразить через температуры путем подстановки вместо l ц разности q к - q 0:

Выражение показывает, что чем выше температура нагреваемого тела T к и ниже Токр. ср, тем меньше коэффициент преобразования, следовательно, тем больше работы затрачивается на получение единицы теплоты. Из (2.4) путем деления обеих частей равенства на l ц получим μ = ɛ +1.

9.Комбинированный цикл.

Комбинированный цикл. Осуществляя обратный цикл, можно одновременно получить холод и теплоту. Такой цикл называется обратным комбинированным или теплофикационным. Он состоит из двух циклов: холодильного 1-2-3-4 и теплового насоса 2-5-6-3. Обратный комбинированный цикл эффективнее двух отдельных циклов, так как в нем используется теплота на обоих температурных уровнях.

В обратном комбинированном цикле Карно в процессе 4-1 при температуре T 0 подводится теплота q 0, соответствующая площади 4-1- а -b, а в процессе 5-6 при температуре T к отводится теплота q к, соответствующая площади 5-6-b- а. В цикле затрачивается работа l ц, измеряемая площадью 1-5-6-4. Основание а -b этих площадей одно и то же, и они пропорциональны своим высотам.

Из соотношение количеств теплоты, отдаваемых в теплонасосном и получаемых в холодильном циклах:

Машины, работающие по комбинированному циклу, применяются для охлаждения и отопления помещений.

 

Холодильные агенты. Требования, предъявляемые к холодильным агентам.

Хладагенты в значительной степени определяют технические характеристики холодильных машин, то есть рабочие давления, температуры, производительность компрессора. Взаимодействие их с конструкционными и смазочными материалами определяет не только конструктивные, но и эксплутационные показатели холодильных машин.

В ряде случаев в холодильных машинах в качестве рабочего тела применяются смеси, по крайней мере, двух веществ. По технической терминологии они подразделяются на азеатропные и неазеатропные.

Азеатропная смесь представляет собой нераздельно кипящую композицию чистых веществ, перегоняющую без разделения на фракции и без изменения температуры кипения. Неазеатропные смеси характеризуются различием равновесных концентраций компонентов в жидком и газообразном состоянии, они перегоняются с разделением на компоненты, кипение и конденсация происходит при различных температурах.

Одним из первых холодильных агентов была вода. В первой холодильной машине в качестве хладагента применялся этиловый эфир (1834 год), затем стали применять аммиак (1874 год), хлористый метил (1878 год), углекислоту (1881 год) и сернистый ангидрид (1884 год). Наибольшее распространение из первых хладагентов в современных условиях получил аммиак. Начиная с 30 годов ХХ столетия стали применять большую группу новых хладагентов – фреонов. Фреоны получают путем полного или частичного замещения в насыщенных углеводородах (метан, этан, пропан, бутан) атомов водорода на атомы фтора, хлора и брома. В странах СНГ фреоны называют хладонами.

В современных холодильных технологиях в качестве хладагентов применяют смеси хладагентов. К холодильным агентам предъявляются следующие группы требований: термодинамические, физико-химические, технические, физиологические, экологические и экономические.

Термодинамические требования. Термодинамические параметры холодильных агентов определяют характер изменения их состояния при циркуляции по замкнутому циклу холодильной машины. Объемная холодопроизводительность q u холодильного агента и теплота парообразования должны быть как можно большими. С увеличением значения этих параметров уменьшается количество хладагента, циркулирующего в цикле, что приводит к снижению энергоемкости, материалоемкости и габаритов холодильной машины. Давление холодильного агента в конце сжатия не должно быть слишком высоким, так как высокие давления приводят к усложнению и утяжелению конструкции машины, делают ее небезопасной. Давление кипения холодильного агента желательно иметь выше атмосферного, так как при вакууме в систему может засасываться воздух, который отрицательно влияет на работу холодильной машины. Отношение давления рк /p₀ должно быть небольшим, так как с уменьшением значений рк / р ₀ уменьшаются затрачиваемая работа и габариты, увеличивается КПД компрессора. Температура затвердевания холодильного агента должна быть низкой, а критическая температура – высокой, так как первая ограничивает возможность достижения низких температур, а при небольших значениях второй уменьшается холодильный коэффициент. Физико-химические требования. К этой группе требований относится вязкость, теплофизические коэффициенты (коэффициент теплопроводности, теплоемкость, объемная масса), стойкость химического соединения и т.д. Плотность и вязкость холодильного агента должны быть небольшими для сокращения гидравлических потерь в трубопроводах и клапанах. Теплофизические коэффициенты определяют интенсивность процессов переноса теплоты во всех элементах холодильной установки. Поэтому коэффициент теплопроводности должен иметь максимальное значение. Технические требования. Проявляются при эксплуатации. К ним относятся: чистота холодильного агента, цвет, запах, характер взаимодействия с основными конструкционными материалами, способность растворяться в воде, характер взаимодействия со смазочными материалами, способ обнаружения утечек, термическая стабильность и т.д. Важным свойством холодильных агентов является их растворимость в масле. Если холодильный агент не растворяется в масле, то оно легко отделяется от холодильного агента, который кипит при t ₀ = const независимо от количества масла в системе. Но на стенах теплопередающих аппаратов образуется масляная пленка, ухудшающая теплопередачу, что является недостатком таких холодильных агентов. Если холодильный агент растворяется в масле, то слой масла с теплопередающих поверхностей смывается почти полностью; это улучшает теплопередачу. Однако его трудно удалить из испарителя, что повышает температуру кипения при увеличении концентраций масла и может значительно ухудшить работу машины. Холодильные агенты должны быть нейтральными к металлам (даже в присутствии влаги) и прокладочным материалам. Холодильные агенты не должны быть горючими и взрывоопасными. Холодильные агенты не должны разлагаться при высоких температурах. Холодильные агенты должны обладать запахом, цветом или другими свойствами, позволяющими легко обнаружить утечку. Физиологические и экологические требования. Холодильные агенты должны быть безвредными для человека, они не должны быть ядовитыми, не должны вызывать удушья и раздражения слизистых оболочек глаз, носа и дыхательных путей человека. Особенно это важно при применении установок в системах кондиционирования воздуха и в холодильной технологии хранения пищевых продуктов. Большинство хладагентов экологически безопасны и не оказывают вредного влияния на все элементы биосферы. Экономические требования. Холодильные агенты должны быть дешевыми и доступными. При низкой цене производителя большие транспортные расходы могут привести к нецелесообразности закупок (недоступности) холодильного агента. Производство хладагента должно быть массовым и непрерывным.

Маслоотделители

Для уменьшения количества масла, попадающего в теплообменные аппараты, нужно очищать от него парообразный хладагент. Для этого в установках, работающих на аммиаке, R13, R22, на нагнетательном трубопроводе между компрессором и конденсатором устанавливается маслоотделитель. Масло из потока хладагента выделяется в этих аппаратах за счёт резкого изменения направления движения потока, за счёт прохождения потока через слой сетчатой набивки, а также в результате действия центробежных сил. Для более полного улавливания частиц масла пар, выходящий из компрессора, охлаждается жидким хладагентом или водой, при этом масло конденсируется и выделяется в жидком виде.

Отделители жидкости

Отделители жидкости применяются в холодильных установках для отделения капелек жидкости от пара хладагента, и предотвращения попадания жидкого хладагента в цилиндры компрессора. Вследствие этого обеспечивается сухой ход компрессора. Отделение жидкости от пара происходит в результате резкого изменения направления движения и уменьшения скорости пара при прохождении через аппарат. При этом пары хладагента осушаются и из верхней части отделителя отсасываются компрессором, а жидкость, имеющая большую плотность, собирается внизу и поступает затем в испарительную систему. Отделители жидкости устанавливаются на всасывающей линии компрессора.

 Промежуточные сосуды

Промежуточные сосуды применяются в холодильных установках двухступенчатого сжатия для охлаждения паров хладагента после сжатия их в первой ступени до температуры, соответствующей промежуточному давлению. Перегретый пар хладагента поступает из компрессора нижней ступени и, барботируя через слой жидкого хладагента, за счёт испарения жидкости охлаждается.

Воздухоотделители

В системе холодильной установки вместе с хладагентом могут находиться различные газы, не конденсирующиеся при давлениях и температурах, имеющих место в холодильных машинах. Так как главной составной частью этих газов является воздух, то их называют воздухоотделителями.

Воздух попадает в систему следующим образом:

– при вскрытии компрессоров и аппаратов во время ремонта;

– при давлениях в испарительной системе ниже атмосферного;

– засасывается через сальник при работе компрессора с закрытым всасывающим вентилем;

– некоторое количество воздуха остается в системе после ее монтажа;

– во время первоначального заполнения системы хладагентом.

Фильтры

Фильтры бывают паровые, жидкостные и масляные.

Паровой фильтр (грязеуловитель) устанавливается на всасывающей стороне компрессора в непосредственной близости от него для защиты цилиндров от попадания в них загрязнений (ржавчины, окалины), которые создают риски и задиры на зеркале цилиндра.

Жидкостные фильтры устанавливаются на жидкостной линии перед автоматическими приборами для защиты их от загрязнений ржавчиной, окалиной.

Осушители

Осушители применяются в хладоновых холодильных установках для поглощения из хладона влаги, которая может попасть в систему при монтаже, ремонте, при эксплуатации, если в системе давление ниже атмосферного. В качестве материала, поглощающего влагу, используется помещенный в цилиндрический сосуд гранулированный силикагель (SiO2 – окись кремния) с зернами 3-5 мм. Он поглощает до 40% воды (по отношению к своей массе). Кроме силикагеля применяются алюмогель и цеолит.

Переохладители

Противоточные переохладители предназначены для охлаждения жидкого хладагента ниже температуры конденсации перед регулирующим вентилем. Для охлаждения может быть использована вода или кипящий хладагент.

Переохладитель для охлаждения водой представляет собой двухтрубный аппарат, в межтрубном пространстве которого протекает хладагент, а во внутренних трубах – вода.

Трубопроводы и арматура холодильных машин

Трубопроводы и арматура соединяют отдельные элементы холодильных машин в единый технологический комплекс и предназначены для целенаправленного перемещения рабочих сред и изменения характеристик перемещаемых потоков, а в отдельных случаях и параметров рабочих сред.

 

 

Применении холода в различных областях науки и техники.

Искусственным охлаждением наз. охлаждение тел ниже темп-ры окружающей среды. Холодильная установка представляет собой совокупность машин, аппаратов, приборов и сооружений, предназначенных для производства и применения искусственного холода.

Холодильные установки находят применение:

В пищевой промышленности искусственное охлаждение обеспечивает длительное сохранение высокого качества скоропортящихся продуктов;

В химической промышленности искусственное охлаждение применяется для разделения жидких и газовых смесей и получения чистых продуктов (н/р, этана, этилена, из нефти и природного газа), при производстве многих синтетических материалов, при производстве аммиака и азотных удобрений, для отвода теплоты химических реакций.

В машиностроении внедряются низкотемпературная закалка металлов и холодные посадки.

В строительстве искусственное замораживание грунтов оказывается эффективным средством при выполнении строительных работ в водоносных слоях, искусственное охлаждение бетона применяется при строительстве плотин крупных гидростанций.

В системах кондиционирования воздуха при помощи холода создается искусственный климат в закрытых помещениях.

Широко применяется искусственный холод на различных видах транспорта для перевозки пищевых продуктов, а также на судах рыболовного флота, в торговле пищевыми продуктами и в быту.

В основе применения холода для различных производственных целей лежит тот факт, что многие физические, химические, биологические и другие процессы протекают при низких температурах не так, как они осуществляются при обычных условиях. Большинство этих процессов при низких температурах замедляется, а некоторые из них прекращаются. Существуют процессы, которые при низких температурах протекают интенсивнее, чем при высоких; понижение температуры, при которой происходит реакция, позволяет получать полимеры с более высокой молекулярной массой, т. е. более прочные и упругие.