Способы промышленного получения холода и типы холодильных машин

Получение холода или охлаждение может быть достигнуто при сохра­нении или изменении агрегатного состояния охладителя без затраты или с за­тратой энергии.

Количество тепла, выраженное в Дж или в других единицах энергии, которое может поглотить охлаждающее тело (охладить), определяет его ох­лаждающий эффект или холодопроизводительность. В качестве охладителя используют лёд, льдосоляные смеси, жидкости с низкими температурами ки­пения (хладагенты), наружный воздух и др,

Ледяное охлаждение очень простое, дешёвое. Недостаток его опреде­ляется тем, что нельзя получить температуру ниже + 3°С. Оно основано на том, что при таянии льда теплота расходуется на преодоление сил, удержи­вающих молекулы между собой, то есть на разрушение кристаллической ре­шетки. Холодопроизводительность, получаемая при таянии, при температуре 0°С равна 355 КДж/кг. Льдосоляное охлаждение основано на таянии льда и растворении соли. При таянии льдосоляной смеси также ослабляется моле­кулярное сцепление и разрушаются кристаллические решётки. Для этого требуется теплота, которая отбирается от растворителя, то есть воды, полу­чаемой при таянии льда и растворении в ней соли. К теплоте, поглощаемой льдом, добавляется теплота, поглощаемая солью при её растворении в воде, что понижает температуру смеси. Температура смеси определяется ориенти­ровочно по формуле:

где П - содержание соли в % от веса льда.

Температура смеси зависит от количества соли в ней, но повышать концентрацию последней можно до известного предела, предопределяемого криогидратной точкой, около 23 % (см. рис. 2.1). Таяние льда при льдосоляном ох­лаждении ускоряется, по сравнению с чистым льдом, благодаря увеличению разности температур плавления соляной смеси и охлаждаемого воздуха.

Приближённо холодопроизводительность смеси определяется по фор­муле:

Низкие температуры можно получить при смешивании льда с разве­дёнными кислотами. Например, смесь 66% серной кислоты и льда имеет температуру -37°С. Эти смеси, находя­щиеся в металлических оболочках (зероторах), которые заполнены на 92-94% объёма и наглухо запаяны, замораживают. Затем зероторы располагают в ох­лаждаемых помещениях. После отдачи «холода» смесь нагревается и зероторы снова размещают в морозильных камерах для аккумулирования «холода».

Сухоледное охлаждение (см. рис. 2.2) основано на свойстве твердого углекислого газа (ССЬ) переходить в газообразное состояние, минуя жидкую фазу. Такой переход называют возгонкой (сублимацией). Особенность изме­нения агрегатного состояния углекислоты основана ее физическими свойст­вами и положением тройной точки, характеризующей термодинамическое равновесие трех фаз: твердой, жидкой и газообразной. Следовательно, при атмосферном давлении углекислота, не расплавляясь, испаряется (сублими­руется), она может существовать в жидкой фазе только при достаточно высо­ком давлении. Сухой лед сублимируется при температуре -78,9 С. Высокая стоимость и недостаточность сухого льда

ограничивают его широкое приме­нение. Охлаждение жидкими газами (азотом, воздухом и др. ) основано на их кипении при низкой температуре. За рубежом получила распространение жидкоа-зотная система охлаждения контейнеров. В нашей стране ведутся исследова­ния по использованию этого способа для охлаждения изотермических ваго­нов. В этой системе от резервуара, установленного в машинном отделении, в грузовое помещение пропускается трубка с маленьким отверстием, через ко­торое разбрызгивается жидкий азот. Капли азота мгновенно испаряются и охлаждают грузовое помещение. Поступление азота из резервуара в трубку регулируется термостатом.

Наиболее просты по устройству и, следовательно, наиболее доступны установки, работающие на готовых хладоносителях: водном или сухом льде, льдосолянных смесях, жидких газах и др. Основной недостаток их –полная зависимость от возможностей и условий получения хладоносителей, а также большой объем работ, связанных с зарядкой охлаждающей системы, Этого недостатка не имеет машинное охлаждение, потребляющее извне только энергию или воздух.

Холодильная машина осуществляет холодильный цикл, при котором переносит тепло от источника, температура которого ниже окружающей сре­ды, к телу, имеющему температуру окружающей среды - воздуху или воде. Машина служит для охлаждения грузового помещения изотермического ва­гона, холодильной камеры и др. и поддержания температуры в них. На некоторых предприятиях используют и холод, и тепло холодильных машин. По виду затрачиваемой энергии холодильные машины подразделяются на компрессионные, теплоисполюующие и термоэлектрические. Ком­прессионные машины используют механическую энергию, теплоиспользующие - тепловую от источников тепла, температура которых выше, чем темпе­ратура окружающей среды, термоэлектрические - электроэнергию. В ком­прессионных и теплоиспользующих машинах тепло переносится в результате совершаемого рабочим телом (хладагентом) обратного кругового процесса (обратный цикл), в термоэлектрической машине - путем воздействия потока электронов на атомы.

В зависимости от свойств и агрегатного состояния хладагента, холо­дильные машины бывают паровые и газовые (вс душные). На железнодо­рожном транспорте распространены паровые компрессионные холодильные машины, в которых последовательно осуществляются механические расширения и сжатия хладагента. В процессе работы изменяется состояние хлада­гента (конденсация после сжатия и кипения после расширения). В газовых машинах состояние хладагента не изменяется.

Сорбционные машины относятся к теплоиспользующим. В них после­довательно осуществляются термические реакции поглощения (сорбция) хладагента соответствующим сорбентом и выделения (десорбция) его из сор­бента. Для охлаждения используют внешнюю тепловую энергию. Сорбцион­ные машины делятся на абсорбционные и адсорбционные. У первых погло­титель (абсорбент) жидкий, у вторых - твердый (силикагель) и др.

Струйные холодильные машины основаны на использовании кинети­ческой энергии потока газа или пара. Они бывают эжекторные и вихревые. Эжекторные машины (пароэжекторные) также относятся к теплоиспользую­щим, в них пар сжимается при помощи парового эжектора