Лабораторная работа №2 Изучение непосредственного и косвенного бесконтактного охлаждения

Цель работы: изучить процесс охлаждения холодильной установки, определить равновесную температуру и коэффициент теплопередачи системы охлаждения. Провести сравнение термодинамической эффективности непосредственного и косвенного охлаждения, а также оценить преимущества использования регенеративного теплообмена.

Аппаратура: ларь морозильный СНЕЖ МЛК 350, термометр для определения температуры, хронометр, T-S диаграмма состояния фреона R-134a.

Теоретическая часть: для отвода теплоты и влаги из охлаждаемых помещений и тех­нологических аппаратов в них устанавливают теплообменные ап­параты, носящие название охлаждающих приборов. В этих прибо­рах теплота (включая и теплоту конденсации влаги) передается охлаждающей среде. Способы охлаждения в зависимости от вида охлаждающей среды делятся на непосредственное охлаждение и на охлаждение жидким хладоносителем (косвенное охлаждение). Функциональные схемы обоих способов охлаждения помещений показаны на рис. 2.1.

При непосредственном охлаждении (рис. 2.1,а) теплота, вос­принимаемая охлаждающими приборами, передается непосредст­венно кипящему в них хладагенту; в этом случае охлаждающие приборы, расположенные в охлаждаемом помещении (аппарате), являются испарителями холодильной установки (температура ох­лаждающей среды t_a = t₀).

При охлаждении хладоносителем (рис. 2.1, б) теплота в ох­лаждающих приборах передается промежуточной среде - хладоносителю, с помощью которого она переносится к хладагенту, находящемуся в испарителе холодильной установки, обычно располо­женном на некотором удалении от охлаждаемого объекта. При этом способе охлаждения отвод теплоты от охлаждаемого объек­та вызывает повышение температуры хладоносителя в охлажда­ющих приборах без изменения его агрегатного состояния (ох­лаждающей средой является хладоноситель со средней темпера­турой t_s, t_a=t_s).

Рис. 2.1. Способы охлаждений помещений:

а – непосредственное; б – косвенное

Охлаждение хладоносителем иногда называют рассольным ох­лаждением по виду наиболее распространенных хладоносителей (вод­ных растворов солей - рассолов), что не всегда справедливо, по­скольку в качестве хладоносителей используют не только рассолы.

Например, если хладоноситель не охлаждается ниже 1-2°С, то в качестве хладоносителя можно применять воду, а для более низ­ких температур нужно использовать растворы солей или органи­ческие соединения.

Области применения того или иного способа определяются их особенностями, оказывающими влияние на технологический про­цесс, а также экономическими показателями. Холодильная уста­новка при непосредственном охлаждении проще (рис. 2.1, а), так как в ней отсутствуют испаритель для охлаждения хладоносите­ля и насос для его циркуляции, вследствие чего эта установка требует меньших первоначальных затрат по сравнению с уста­новкой косвенного охлаждения. Установка при непосредствен­ном охлаждении требует и меньших затрат энергии: во-первых, вследствие того, что в охлаждаемых помещениях с одинаковой тем­пературой t_пм и одной и той же разностью температур t_пм-t_a при охлаждении хладоносителем появляется дополнительная разность температур в испарителе t_s-t_a, обычно находящаяся в пределах 4-6 К, вызывающая соответствующее понижение температуры ки­пения до значения t₀; во-вторых, при охлаждении хладоносите­лем появляется дополнительный расход энергии, обусловленный не только работой привода насоса, имеющего мощность N_H, но и дополнительной нагрузкой на компрессор, возникающей в резуль­тате превращения в теплоту работы насоса и подвода этой тепло­ты к хладоносителю.

Кроме того, применяемые в настоящее время хладагенты не вза­имодействуют с черными металлами, в то время как некоторые хладоносители (рассолы и, в известной степени, вода) вызывают коррозию, что иногда существенно сокращает долговечность сис­тем с охлаждением хладоносителем. В то же время способу непосредственного охлаждения присущи и серьезные недостатки. Прежде всего, имеется опасность попада­ния хладагента в помещения (аппараты) при нарушениях плотно­сти системы. Опасность для людей значительно увеличивается при применении токсичных хладагентов, например аммиака. Даже при использовании более безопасных хладагентов, таких как хладоны, применять непосредственное охлаждение помещении, в которых может находиться большое количество людей, нежелательно.

Недостатками способа непосредственного охлаждения долгое время являлись также трудность распределения хладагента по от­дельным помещениям (при большом их числе) и трудность защи­ты компрессора от влажного хода. Эти трудности связаны с тем, что хладагент должен подаваться в приборы охлаждения различ­ных помещений (аппаратов) в количестве, соответствующем теплопритокам в эти помещения. Но так как теплопритоки во времени изменяются по разным объектам самым различным об­разом, то при ручном регулировании подачи хладагента эта задача является очень трудоемкой и большей частью трудноразрешимой. В результате возникают недостаток хладагента в приборах одних помещений и переполнение жидким хладагентом приборов дру­гих помещений. Последнее обычно является причиной влажного хода компрессора и нередко гидравлических ударов с теми или иными нежелательными последствиями.

При охлаждении хладоносителем изменение тепловой нагруз­ки (при постоянном количестве циркулирующего хладоносителя) вызывает только уменьшение или увеличение его нагревания в охлаждающих приборах, что не влечет за собой опасных последст­вий. Регулирование же подачи хладагента в этом случае ведется только на один объект - испаритель, в котором колебания на­грузки от отдельных объектов в значительной степени компенси­руют друг друга и часто мало отражаются на режиме работы испа­рителя и компрессора. В связи с этим обслуживание холодильных установок при косвенном охлаждении оказывается значительно проще, что в ряде случаев заставляло отказаться от непосредствен­ного охлаждения, несмотря на ряд его преимуществ.

Такое соотношение достоинств и недостатков обеих систем долгое время не давало преобладающих преимуществ ни одной из них, вследствие чего на холодильных предприятиях обе сис­темы получали примерно одинаковое распространение. Теперь это положение существенно изменилось в связи с широким при­менением автоматического регулирования и появлением холо­дильных установок, в которых значительно уменьшена опасность гидравлических ударов и предусмотрена автоматическая подача хладагента в камерные приборы охлаждаемых объектов. Поэто­му преимущественное применение получают холодильные уста­новки с непосредственным охлаждением как более экономичные по капитальным и эксплуатационным затратам и более долговечные.

В зависимости от того, каким путем теплота охлаждаемых (замораживаемых) тел передается хладагенту или хладоносителю, различают способы контактного и бесконтактного охлажде­ния. Каждый из этих способов может быть реализован как при непосредственном охлаждении так и при охлаждении хладоносителем.

При контактном охлаждении хладагентом или хладоностелем охлаждаемое тело погружают в холодную (при охлажде­нии хладагентом кипящую) жидкость либо ороша­ют ею. Так пищевые продукты замораживают погру­жением в кипящий жидкий азот, а также орошением продуктов кипящим азотом.

Во всех случаях контактного охлаждения теплота от охлажда­емых тел передается охлаждающей среде за счет конвективного теплообмена в жидкости (или при кипячении), при высоких коэф­фициентах теплоотдачи, благодаря чему этот способ весьма эффек­тивен. Однако непосредственное соприкосновение охлаждаемого тела с охлаждающей средой не всегда возможно по санитарным требо­ваниям, из-за возможных недопустимых изменений на поверхнос­ти тела, а также при охлаждении жидких тел в связи с возмож­ным взаимодействием обеих сред.

Чаще используют способы бесконтактного охлаждения, в кото­рых теплота передается через среду или среды, разделяющие охлаждающее и охлаждаемое тела. Интенсивность теплообмена в этих случаях зависит от термического сопротивления разделяющих сред. Одной из разновидностей бесконтактного охлаждения является способ, при котором обменивающиеся теплотой среды разделены поверхностью из высокого теплопроводного материала. Так, например, для охлаждения жидкостей используют аппараты, в которых теплооб­мен между охлаждаемой жидкостью в резервуаре 2 и охлаждаю­щей средой в рубашке 1 происходит через металлическую стенку резервуара (рис. 2.2, а) или через стенки труб 3 (рис. 2.2, б).

Рис. 2.2. Способы охлаждения с передачей теплоты через

металличес­кую стенку

К такому же бесконтактному охлаждению относится и обработ­ка продуктов во влагонепроницаемой оболочке (например, поли­мерной), которой покрывают пищевые продукты для защиты от нежелательного по каким-либо причинам непосредственного со­прикосновения с хладагентом или хладоносителем при погруже­нии в него либо при орошении. Иногда этот способ называют не­прямым контактным, поскольку по интенсивности он близок к прямому контактному способу.

Для другой разновидности бесконтактного охлаждения харак­терна передача теплоты от охлаждаемых тел к охлаждающим при­борам через подвижную промежуточную среду, чаще всего через воздух. Передача теплоты идет посредством конвективного тепло­обмена в воздухе и лучистого теплообмена, а потому интенсив­ность передачи теплоты в этом случае оказывается существенно ниже, чем при контактных способах, так как коэффициент тепло­отдачи к воздуху от поверхности охлаждаемых тел во много раз меньше, чем к жидкостям. Однако бесконтактный способ охлаж­дения с передачей теплоты через воздух отличается универсальнос­тью, поскольку таким путем могут охлаждаться тела любой фор­мы, а соприкосновение охлаждаемых тел с воздухом очень редко может иметь вредные последствия.