Хладотранспорт / 504103_983EB_korolkov_b_p_efimov_v_v_hladotrans

			61
			5. 5. Теплопередача
Разделение теплопереноса на теплопроводность,						конвекцию	и
излучение	удобно	для изучения каждого из			этих	процессов.	В
действительности		же теплота передаётся		двумя	или	даже тремя
способами одновременно.
Так, в случае расчёта теплопритоков через ограждения
рефрижераторного		вагона	необходимо учитывать действие механизмов
лучистого	и конвективного		теплообмена.	Для	простоты используют
зависимость
			q = α(tн - t),			(26)

считая конвективный теплообмен доминирующим механизмом; здесь tн - температура наpужной необлучённой поверхности вагона, t - температура внешней среды. Есть два подхода к вычислению q.

1. Находят фиктивную интенсивность лучистого теплообмена

αл = q−л , tн t

где qл рассчитывают по зависимости (25). Далее эту величину включают в интенсивность конвективного теплообмена, α= αн + αл.

t

tж1

tс1

tc2

tж2

δ

Q x

Рис. 11. Температурное поле при передаче теплоты от одной жидкости к другой

62

2. Находят более высокое значение температуры облучённой поверхности tнл = tн + ∆ tн, где ∆ tн определяют из соотношения (24), и далее подставляют эту величину вместо tн в формулу (26).

В большинстве теплотехнических расчётов встречается ситуация передачи теплоты от одной жидкой (газообразной) среды к другой через разделяющую их стенку (рис. 11), причём лучистый механизм учитывают в

значении коэффициента теплообмена			α1. Поскольку у всех составляющих
стационарного режима	теплопереноса есть				общая величина теплового
потока Q, то для разности температур жидкостей можно записать очевидное
соотношение
tж1	- tж2 = Q (	1		+ Rc +	1				).
		α F				α	F
		1	1		2			2

Запишем это выражение относительно удельной плотности теплового потока

			q = k(tж1 -			tж2),				(28)
где k -	коэффициент теплопередачи.					Для	случая		плоской	стенки
F1 = F2,	и	тогда
			k =		1			.
				1/ α1 +δ/ λ +1/ α2
В знаменателе представлены все термические сопротивления на пути
теплового		потока. Величина k			характеризует интенсивность					процесса
теплопередачи. Управление этим					процессом		осуществляют воздействием
на все		составляющие	выражения			(27).		Для	интенсификации
теплопередачи применяют:			оребрение			(увеличение			F), искусственную

шероховатость поверхностей нагрева и усиление конвекции (увеличивают α), используют более теплопроводные материалы (снижают тепловое сопротивление Rc) и т. д. Для ослабления теплопритока усиливают тепловую изоляцию разделяющей стенки, влияя на её термическое сопротивление δ/ λ , в том числе путём введения многослойности.

63

6. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН

6.1. Изменение агрегатного состояния охладителей

Вещества, которые участвуют в процессах создания низкотемпературных условий хранения продуктов в НХЦ, называют

охладителями. Охладители

могут

находиться в одном из трёх равновесных

фазовых

состояний:

твёрдом,

жидком

и

газообpазном.

Кроме

того,

существуют так

называемые

о б л а с т и

н а с ы щ е н и я, в которых

охладители

могут быть одновременно в двух фазовых состояниях.

Это -

о б л а с т ь

к и п е н и я

(равновесие

пара

и

жидкости)

и

о б л а с т ь

п л а в л е н и я

(равновесие

твёрдого тела и жидкости).

Вся указанная

совокупность

состояний

может

быть отобpажена на

p, v -диагpамме (pис. 12).

Твёрдая фаза

охладителя

характеризуется

малым

удельным

объёмом. При

изобарном подводе тепла (пунктирная линия на рис.

12)

охладитель,

нагреваясь, незначительно увеличивает удельный объём.

На

границе

1,

называемой

л и н и е й

п л а в л е н и я,

твёрдый

охладитель начнёт переходить в жидкое состояние.

В области плавления

температура охладителя не меняется, а сам охладитель находится в

состоянии равновесия	двух	своих фаз: жидкой и твёрдой. На		правой
границе области 2 процесс		плавления заканчивается.	Эту	границу
называют л и н и е й	з а т в е р д е в а н и я, так как при отводе тепла от
жидкости на ней начинается процесс образования твёрдой фазы.
Если продолжать нагревание охладителя при постоянном давлении, то
жидкость при увеличении температуры будет расширяться и			на	л и н и и

к и п е н и я 3 достигнет области, в которой начнётся процесс кипения при постоянной температуре. Здесь охладитель также находится в состоянии равновесия двух фаз: жидкости и пара. На правой границе 4 области кипения охладитель полностью переходит в газообразное состояние. Эту границу называют л и н и е й к о н д е н с а ц и и, так как при обратном движении из области перегретого пара (снижении температуры) при p = const на ней начинается образование жидкой фазы (конденсация).

			64
Если к	твёрдому	охладителю подводить		тепло при	очень низких
давлении и темпеpатуpе,			то он достигнет пограничной кривой 5,
называемой	л и н и е й	с у б л и м а ц и и, где не плавится, а испаряется.
Процесс непосредственного			перехода охладителя	из твёрдого состояния в
газообразное	называют	сублимацией, а		обратный	переход -
десублимацией.
p	1

Переохлаждённая

ТО жидкость

в

б

К

ёл

ра

д с 2

от

е	ь	3	4
	п		Перегретый
			пар
	л
	а

тв

е	л	Область
л	е	кипения
о	н
	и	6	7
	я
	5	Область сублимации

v

Рис. 12. р,v -диаграмма агрегатных состояний охладителя: 1 - линия плавления; 2 - линия затвердевания; 3 - линия кипения; 4 - линия конденсации; 5 - линия сублимации; 6 - тройная линия; 7 - линия десублимации

При повышенных давлениях и температурах переход от жидкого к газообразному состоянию происходит без парообразования, т.е. без границ. Линии кипения и конденсации сходятся в так называемой критической точке. Равновесие между жидкой и газовой фазами возможно только при температурах ниже критической.

Если спроецировать			р,v,T -пространство			состояний на		р,Т –
плоскость (рис. 13), то			можно видеть,		как твёрдая,		жидкая	и
газообразная	фазы	охладителя		разделяются		тремя	кривыми -

65

плавления, парообразования и сублимации. Эти кривые являются проекциями областей плавления, кипения и сублимации. В пределах этих областей при постоянстве давления постоянна и температура. Поэтому, например, линии кипения и конденсации проецируются в виде одной кривой. Если изменить давление, изменится и температура фазового перехода охладителя.

p

2	Жидкость
Твёрдое	3	Газовая
тело		фаза

1

Т р о й н а я т о ч к а

Т

Рис. 13. р, Т -диаграмма состояний охладителя (линии pавновесия фаз):

1 - кривая сублимации; 2 - кривая плавления; 3 - кривая кипения

Кривые плавления, кипения и сублимации сходятся в одной точке, называемой т р о й н о й. Она соответствует единственному состоянию, в котором все три фазы находятся друг с другом в термодинамическом равновесии.

В холодильной технике весьма широко используют фазовые превращения охладителей, так как изменение агрегатного состояния происходит с наибольшим поглощением (выделением) тепла. Так, при таянии 1 кг водного льда требуется подвести 330 кДж тепловой энергии, в

то время как при его нагревании с температуры минус 15 0С	до 0 0С
теплоты затрачивается на поpядок меньше - всего лишь 2,12 . 1 .	15 = 31,8

кДж. Столь высокая тепловая ёмкость фазовых пеpеходов позволяет создавать компактные теплообменные устpойства холодильного цикла.

66

6.2. Холодильные агенты и холодоносители

Холодильные агенты (хладагенты)	применяют в	холодильной
технике для совершения рабочего цикла	по переносу тепловой энергии
путём изменения их агрегатного состояния.
В качестве хладагентов целесообразно использовать		жидкости,

отвечающие специальным требованиям: термодинамическим, физикохимическим, экономическим, физиологическим (низкая температура кипения и замерзания, большая объёмная холодопроизводительность, высокие значения теплоотдачи и теплопроводности, хорошая растворимость в воде, химическая инертность по отношению к конструкционным материалам, негорючесть, неядовитость, дешевизна и др.). Большое количество ограничений затрудняет выбор. К числу наиболее распространённых хладагентов относятся аммиак и фреоны.

Аммиак (NH3) - один из лучших холодильных агентов: кипит при t=-33,4 0С, замерзает при t=-77,7 0С, хорошо растворяется в воде и др. Однако он токсичен при концентрации свыше 1 % и взрывоопасен при

16...29 %.

Фреоны - хлорфторзамещённые углеводороды, получаемые на основе метана (СН4) и этана (С2Н6). Свойства фреонов зависят от соотношения в них углерода С, фтора F, хлора Cl и водорода Н, по числу атомов которых и строится их нумерация.

Наибольшее распространение получил фреон -12, чаще называемый хладоном (CF2Cl2) - негорючий и бесцветный газ, безвредный до концентрации в воздухе 30 %. Кипит при t=-29,8 0С (давление атмосферное), замерзает при t=-155 0С. Нейтрален к металлам, текуч, дорог, при t>400 0С разлагается с выделением ядовитого вещества - фосгена. Применяется в холодильных машинах малой и средней производительности: в бытовых холодильниках, рефрижераторных вагонах с индивидуальным охлаждением, в системах кондиционирования воздуха и др.

Холодоносители - вещества, предназначенные для отвода теплоты

от охлаждаемых объектов		и передачи	её хладагенту в холодильной
машине. Холодоносители должны иметь низкую температуру				замерзания,
большую	теплоёмкость,	малую	вязкость,	быть

67

безвредными и нейтральными к конструкционным материалам. В качестве холодоносителей применяют воздух, рассол, воду, этиленгликоль и др. Использование воздуха как холодоносителя характерно для большинства холодильных установок, а в системах дальнего транспорта холода (например, в снятых с эксплуатации рефрижераторных поездах и 12вагонных секциях) дополнительно применяли промежуточный холодоноситель - рассол хлористого кальция в воде, что избавляло от необходимости использовать для этой цели дорогой и небезопасный хладагент (аммиак).

6.3.Холодильные машины

Хо л о д и л ь н а я м а ш и н а - комплекс теплообменных аппаратов

иустройств, необходимых в рабочем цикле для отвода тепла при низкой температуре от охлаждаемого тела и передачи этого тепла в окружающую среду с более высокой температурой.

Взависимости от способа реализации цикла холодильные машины (ХМ) делятся на несколько типов: компрессионные, сорбционные, струйные, теpмоэлектpические и дp.

Вкомпрессионных ХМ последовательно происходят процессы сжатия хладагента в компрессоре и его последующего расширения. Они подразделяются на паровые и воздушные; для осуществления цикла здесь затрачивается внешняя механическая энергия. В паровых компрессионных ХМ хладагент в процессе работы изменяет своё агрегатное состояние: кипит при низких значениях температуры и давления и конденсируется при высоких t и p. Смены фазовых состояний хладагента циклически повторяются, что обеспечивает непрерывный процесс подавления теплопритоков в холодильную камеру. В воздушной компрессионной ХМ агрегатное состояние хладагента не меняется, но процессы его сжатия в компрессоре (с разогревом и отводом теплоты во внешнюю среду) и расширения в детандерном устройстве (с понижением давления и температуры) циклически чередуются.

Всорбционных ХМ в холодильном цикле участвуют два компонента:

хладагент (чаще всего аммиак) и поглотитель (жидкий - вода

или

68

твёрдый - силикагель). Холодильные машины с жидким поглотителем называются абсорбционными, а с твёрдым - адсорбционными. В таких ХМ последовательно и циклически осуществляются термические реакции поглощения паров хладагента сорбентом и выделение хладагента из этого вещества. Процессы поглощения и выделения в сорбционных ХМ аналогичны по своему назначению процессам расширения и сжатия в компрессионных ХМ. Однако циклическое действие здесь обеспечивается за счёт подвода извне к рабочему телу не механической, а тепловой энергии.

Действие струйных ХМ основано на использовании кинетической энергии потока газа или пара. Они бывают эжекторные, вихревые и турбохолодильные.

Термоэлектрическое охлаждение основано на использовании

эффекта Пельтье: при пропускании постоянного тока через термоэлемент, состоящий из двух разнородных полупроводников, соединённых медной пластиной, один из спаев охлаждается, а другой нагревается. Чтобы холодный спай постоянно имел низкую температуру, от теплого спая требуется непрерывно отводить теплоту. Здесь перенос энеpгии внутри термоэлемента выполняется электрическим током, а вне его - конвекцией охлаждающей среды (рис. 15). Если поменять полярность источника тока, то направление теплового потока изменится на противоположное.

Х о л о д

2

1

1

+ -

2	Т е п л о						2

Рис. 15. Термоэлектрическая батарея:

1 - полупроводник с высокими термоэлектрическими свойствами;

2 - медная пластина

69

Термоэлектрическое охлаждение просто и удобно, но маломощно и неэкономично. Оно применяется в космической технике, для кондиционирования воздуха в пассажирских вагонах и жилых зданиях (при незначительных перепадах температур) и т.п. Использование его на хладотранспорте возможно и эффективно при создании грузовых вагонов с усиленной тепловой изоляцией типа сэндвич, термоэлектрическими батареями, аккумулятором и подвагонным генератором для подзарядки

аккумулятора.		Преимущества такого способа получения холода:
бесшумность,		надежность,	автономность		и реверсивность		работы
оборудования.
В системе железнодорожного транспорта на подвижном составе
применяют	в	основном	поршневые		паровые	компрессионные
холодильные		машины (ПКХМ),		а стационарных		складах -	ещё и

турбохолодильные, сорбционные и струйные. Существуют и перспективны для использования на транспорте способы производства холода,

основанные на магнитокалорическом и электрокалорическом эффектах,

заключающихся в изменении температуры соответственно магнетиков и диэлетриков при изменении напряжённости внешнего магнитного или электрического поля.

6. 4. Одноступенчатая поршневая паровая компрессионная холодильная машина и её цикл

Для того чтобы холодильная машина осуществляла искусственную передачу энергии из среды с низкой температурой T1 в среду с высокой температурой Т2, необходимо создать условия естественной передачи тепла в теплообменных аппаратах с помощью хладагентов. Теплообменные аппараты, в которых хладагент забирает тепло из охлаждаемой среды,

называют	и с п а р и т е л я м и. В этом случае температура охладителя Т0
должна	быть ниже Т1, что создаётся понижением давления хладагента.

Теплообменники, в которых хладагент отдаёт тепло в окружающую среду, называют к о н д е н с а т о р а м и (или о х л а д и т е л я м и - при отсутствии конденсации). Здесь температура хладагента Тк должна быть выше Т2, что создаётся введением извне энергии в процессе повышения давления хладагента.

В компрессионных холодильных машинах хладагент совершает круговые необратимые процессы (циклы). Hа осуществление

70

холодильных	циклов затрачивается внешняя энергия).			Такие	циклы
называют	о б р а т н ы м и,	в отличие	от п р я м ы х		циклов
энергетических двигателей, предназначенных для			производства		работы
за счёт внешней энергии.

Идеальная паровая компрессионная холодильная машина (ПКХМ) pеализует теоретический цикл Карно. В нём принято, что процессы протекают в области влажного пара хладагента при постоянных температурах охлаждаемой и окружающей сред и идеальном теплообмене между ними и хладагентом. Отношение ε= q0/l, т.е. холодопроизводительности к затраченной механической энергии, у цикла Карно имеет наивысшее значение:

ε=		T0
			.
	T	− T
	k	0

Идеальная ПКХМ в области влажного пара является наиболее экономичной, однако её трудно осуществить из-за конструктивных сложностей реализации расширителя и потерь при всасывании влажного пара. Поэтому схему, близкую к циклу Карно, применяют только в газовых компрессионных холодильных машинах, где нет отмеченных проблем.

Реальная ПКХМ состоит из следующих основных узлов (рис.16): компрессора, конденсатора, терморегулирующего вентиля, испарителя и ряда вспомогательных элементов, соединённых между собой трубопроводами. Контур рабочего тела замкнут и герметичен. В нём циркулирует определённое количество хладагента, который в различных элементах лишь изменяет своё агрегатное состояние.

Вэтой холодильной машине расширитель идеальной ПКХМ заменён дросселирующим вентилем, а процесс адиабатического сжатия хладагента в компрессоре осуществляется в области сухого (перегретого) пара.

Виспарителе жидкий хладагент кипит за счёт теплоты q0,

отводимой от охлаждаемого груза; при этом его давление p0 неиз-