Белорусский государственный аграрный технический университет

		БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Машины для механизации животноводческих ферм. Теория и расчет

ТЕМА 19
Физические процессы и технические средства получения искусственного холода на предприятиях АПК

Физические принципы получения искусственного холода.
Термодинамические процессы холодильных установок
Классификация и принцип действия холодильных машин
Рабочие вещества холодильных машин, их основные свойства и область применения
Контрольные вопросы
Дополнительная литература

Вернутся к содержанию

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИСКУССТВЕННОГО ХОЛОДА

Неотъемлемой частью технологических процессов скоропортящихся продуктов, их последующей сохранности, транспортировки и реализации яв-ляется искусственный холод.
Искусственное охлаждение — это отвод теплоты от тела, имеющего температуру более низкую, чем температура окружающей среды, в которой находится охлаждаемое тело.
Использование искусственного холода для сохранения скоропортя-щихся продуктов нашло свое применение еще в XIX веке, в основном на рыбных промыслах. В основу получения искусственного холода были поло-жены физические процессы, которые сопровождаются поглощением теплоты. Иногда для этих целей используют механическую работу или электричество.
Существует ряд таких процессов, которые сопровождаются поглоще-нием теплоты извне. К ним можно отнести фазовый переход вещества, а именно:

плавление;
испарение;
сублимация (сухая пререгонка, возгонка или непосредственно переход вещества при нагревании из твердого в газообразное состояние, минуя стадию жидкости);
адиабатическое дросселирование (расширение газа, проходящего че-рез суженное отверстие без совершения внешней работы и без теплообмена с окружающей средой — эффект Джоуля-Томсона);
Этот эффект обусловлен затратой внутренней энергии на работу против сил молекулярного притяжения, что приводит к изменению температуры реаль-ного газа. Применяется в технике глубокого охлаждения. В холодильных машинах АПК этот способ применяется крайне редко.

адиабатическое расширение газа с совершением полезной внешней работы;
вихревой эффект (эффект Ранка), который заключается в том, что сжатый воздух, имеющий температуру окружающего воздуха, подается в трубу по тангенциальному вводу;
термоэлектрический эффект (эффект Пельтье) заключается в том, что при прохождении постоянного электротока через цепь, состоящую из двух разнородных металлов, один из них имеет более низкую температуру, второй более высокую. Холодный спай является источником низкой температуры. По такому принципу работают термоэлектрические охлаждающие устройства.
Для сохранения скоропортящихся продуктов их необходимо охлаждать постоянно. Это возможно в том случае, если имеется большой запас хлада-гента, или при его конечном количестве восстанавливать его первоначальное состояние, т.е. хладагент должен совершать круговой процесс или цикл, пре-терпевая ряд изменений, но обязательно превращаться в первоначальное со-стояние. Для этой цели необходимо затрачивать внешнюю работу.

Вернутся к содержанию | Вернутся в начало

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ЦИКЛЫ ХОЛОДИЛЬНЫХ УСТАНОВОК

Идеальным циклом получения искусственного холода может быть холо-дильная установка, работающая в соответствии с обратным циклом Карно, сущность которого сводится к следующему. В отличие от прямого цикла, в котором производится работа при переходе теплоты от более нагретого тела к менее нагретому, в обратном цикле работа или теплота передается от менее нагретого тела к более нагретому. На диаграмме это явление (процесс) мож-но представить следующим образом.

Как видно из диаграммы, в процессе 1 - 2 хладагент адиабатно сжима-ется от объема V₁ до объема V₂ с повышением температуры от Т₂ до Т₁. Далее в процессе 2 - 3 осуществляется сжатие хладагента при одновременном изо-термическом отводе тепла Q₁ при температуре Т₁ в окружающую среду. В процессе 3 - 4 хладагент адиабатно расширяется от объема V₃ до объема V₄ с понижением температуры от Т₁ до Т₂. В процессе 4 - 1 хладагент продол-жает увеличиваться в объеме (расширяться) при температуре Т₂, изотерми-чески получая теплоту Q₂ от более холодного тела относительно внешней среды.

Цикл идеальной холодильной машины

S — энтропия, т.е. количество энергии, которое передается в виде тепла от одного тела к другому (Клаудисус, 1852 г.)

Q — запас тепла
Т — абсолютная температура

Действительный цикл холодильной машины

1-2 — адиабата (S = const) — сжатие сухих паров в камере.
Процесс 2-2' — охлаждение хладона в конденсаторе (P= const), отводит ранее полученное тепло окружающей среде.
2'-3 — сжатый хладон при Т= const и P=const конденсируется в конденсаторе.
3-3' — переохлаждение в теплообменнике изобарно. P= const.
3'-4 — расширение после ТРВ (изоэнтальпа, i= const.
4 -1 — кипение в испарителе (T = const, P = const).
1-2 — адиабатное сжатие в компрессоре до давления Р₁.
Полезным эффектом холодильного цикла является количество теплоты Q₂, которая отбирается хладагентом от охлаждаемого продукта, имеющего температуру Т₂ < Т₁. Это количество теплоты принято называть холодопро-изводительностью цикла, которую можно определить по формуле:

Q_у = С_ср(Т₁ - Т₄) = i₁ - i₄, Дж,
где i₁ — энтальпия сухого пара хладагента;
i₄ — энтальпия жидкого хладагента при температуре переохлаждения;
С_ср — средняя теплоемкость хладагента при Р = const.
Для оценки работы холодильной машины, работающей по обратному циклу Карно, используют холодильный коэффициент, который определяется как отношение

полезного количества теплоты, отнятой от холодильного источника ограниченных размеров, к затраченной работе на осуществление цикла, где А_обр — работа, затрачиваемая на осуществление обратного цикла.
Для осуществления такого цикла в рабочую схему холодильной маши-ны необходимо устанавливать дополнительно расширитель принудительного действия — дендратер. Это приводит к дополнительному расходу энергии.
В действующих холодильных установках вместо расширительного ци-линдра (расширителя) устанавливается дросселирующий вентиль, через ко-торый проходит хладагент с предварительным охлаждением. Это делается для того, чтобы увеличить количество кипящего хладагента в испарителе, что приведет к уменьшению цикла работы холодильной машины. Причем этот цикл сопровождается перегревом паров при сжатии.
Рабочий процесс холодильной машины можно представить в виде сле-дующей диаграммы. Жидкий хладон кипит в испарителе при Т = const и Р₂ = const (процесс 4-1 — изобара, изотерма), получая тепло Q₂, которое отводит от охлаждаемого тела.
Образовавшийся пар, пройдя теплообменник, поступает в компрессор, где адиабатно сжимается до давления Р₁ (процесс 1-2) Сжатые и перегретые

пары из компрессора поступают в конденсатор, в котором при постоянном давлении Р₁ охлаждаются (процесс 2-2') при одновременном изобарическом отводе тепла Q₁, полученного в предыдущих процессах в окружающей сре-де. Отдавая теплоту, хладагент поступает в теплообменник (переохладитель), где он дополнительно охлаждается до более низкой температуры парами хладагента, вышедшими из испарителя, или водой. При этом давление Р₁ = const, а температура ниже, чем температура конденсации Т₁ ( процесс 2'-3 изобара). Из теплообменника хладагент подается в фильтр-осушитель, прой-дя через который поступает в ТРВ. Дросселируясь, хладагент адиабатно рас-ширяется до давления Р₂ (процесс 3-4 изоэнтальпа i = const) с понижением температуры от Т₁ до Т₂. Далее процесс повторяется.
Различают компрессионные холодильные машины, в которых проис-ходит сжатие холодильного акта; теплоиспользующие холодильные машины, потребляющие тепловую энергию; термоэлектрические холодильные маши-ны, основанные на использовании Пельтье явления.
Компрессионные холодильные машины в свою очередь подразделяют на газовые, в которых газообразный холодильный агент не меняет агрегатно-го состояния, и на паровые, в которых холодильный агент изменяет агрегат-ное состояние (пар — жидкость). Последние получили наиболее широкое рас-пространение.
Теплоиспользующие холодильные машины подразделяют на абсорб-ционные, у которых в холодильном цикле участвуют два компонента — холо-дильный агент и поглотитель (абсорбент), и пароэжекторные, в которых сжа-тие пара осуществляется с помощью пароэжектора.
Холодильный агeнт или хладагeнт — это рабочее вещество холодильной машины. В зависимости от типа холодильной машины применяются различ-ные хладагенты. Так, в паровых компрессионных холодильных машинах в качестве хладагента применяют хладоны, аммиак, углеводороды (пропан, этан, этилен и др. вещества; в абсорбционных — водные растворы аммиака и бромистого лития; в пароэжекторных — водный пар.
Рассмотрим схемы и принципы действия компрессионной паровой, те-плоизолирующей абсорбционной и теплоиспользующей эжекторной холо-дильных машин.

Рис1. Принцип работы компрессионной холодильной машины
1 — бак-аккумулятор; 2 — испаритель; 3 — компрессор; 4 — реле давления; 5 — вентили запорные; 6 — конден-сатор; 7 — вентилятор; 8 — ресивер; 9 — теплообмен-ник; 10 — вентиль терморегулирующий; 11 — фильтр-осушитель

Схема компрессионной холодильной машины представлена на рис. 1. Она состоит из следующих основных элементов: испарителя 2, компрессора 3, конденсатора 6, теплообменника 9, фильтра-осушителя 11 и терморегули-рующего вентиля ТРВ 10, соединенных между собой трубопроводами в замкнутую герметичную систему, заполненную холодильным агентом.
Испаритель содержит промежуточный теплоноситель (воду), находя-щийся в аккумуляторе холода 1 в результате теплообмена с кипящим холо-дильным агентом. Кипение холодильного агента в испарителе происходит за счет дросселирования в ТРВ и поддерживаемого компрессором низкого дав-ления. Температура кипения холодильного агента в испарителе обычно на 5-150 ниже температуры охлаждаемой среды. Через поверхность испарителя вода отдает свое тепло холодильному агенту, который при этом превращает-ся в пар. Таким образом, в испарителе холодильный агент кипит при низкой температуре, отбирая тепло от охлаждаемой воды.
Компрессор отсасывает пары холодильного агента из испарителя и поддерживает в нем низкое давление, обеспечивающее низкую температуру кипения. Кроме того, компрессор нагнетает пары в конденсатор и сжимает их до такого высокого давления, при котором они превращаются в жидкость при условии охлаждения их окружающей средой с температурой 20-30°С.
Конденсатор обеспечивает охлаждение сжатых паров холодильного агента окружающим воздухом с целью понижения температуры паров до температуры конденсации (состояния насыщения) и конденсации насыщен-ных паров в жидкое состояние.
Ресивер создает запас жидкого холодильного агента, необходимый для обеспечения равномерного питания им испарительной системы. Кроме того, ресивер является дополнительной емкостью конденсатора, которая предот-вращает переполнение последнего жидким холодильным агентом. Ресивер работающей холодильной машины должен быть заполнен жидким холодиль-ным агентом на 50% своего объема.
Теплообменник обеспечивает переохлаждение жидкого холодильного агента, поступающего к терморегулирующему вентилю, и перегрев парооб-разного холодильного агента, поступающего из испарителя в компрессор.
Фильтр-осушитель улавливает различные механические загрязнения (опилки, ржавчину и т.п.) холодильного агента и поглощает влагу, находя-щуюся в системе.
Терморегулирующий вентиль предназначен для дросселирования жид-кого холодильного агента, поступающего в испаритель, и регулирования его расхода. Дросселирование сопровождается понижением давления холодиль-ного агента от давления конденсации до давления кипения. Кроме того, тер-морегулирующий вентиль обеспечивает необходимое заполнение испарителя жидким холодильным агентом, подавая в единицу времени столько жидко-сти, сколько паров успевает за это время отсосать компрессор.
Таким образом, холодильная машина работает по замкнутому циклу. Процесс дросселирования жидкого холодильного агента терморегулирую-щим вентилем (ТРВ) сопровождается изменением агрегатного состояния хо-лодильного агента. Часть жидкости, прошедшей через ТРВ, превращается в насыщенный пар, охлаждая при этом остальную часть холодильного агента до температуры кипения. Поэтому из ТРВ выходит смесь жидкости и насы-щенного пара (влажный пар). Относительное содержание пара в этой смеси 10-20% по массе или до 90-95% по объему. Влажный пар, поступающий в испаритель, разделяется на жидкую и газообразную фазы. Жидкость в испа-рителе кипит при давлении кипения, поглощая тепло от промежуточного те-плоносителя (воды) через стенки испарителя. Пары, поступающие из ТРВ и образовавшиеся при кипении, отсасывает компрессор. Температура и давле-ние кипения зависят от требуемой температуры охлаждения, величины теп-лопередающей поверхности испарителя и интенсивности теплообмена.
Пары холодильного агента, отсасываемые компрессором, по мере про-движения по испарителю в результате теплообмена через стенки последнего дополнительно подогреваются. Поэтому их температура на выходе из испа-рителя обычно на 2-70С выше температуры кипения.
Сжатие паров холодильного агента в компрессоре с давления кипения до давления конденсации сопровождается возрастанием их внутренней энер-гии, давления и температуры. Температура конца сжатия паров компрессоре зависит от разности давлений на входе и выходе из компрессора и достигает 60-80°С.
В конденсаторе последовательно происходит три процесса: охлажде-ние сжатых паров до состояния насыщения, их конденсация и переохлажде-ние жидкого холодильного агента. Давление и температура конденсации за-висит от температуры охлаждающей среды, величины теплопередающей по-верхности конденсатора и интенсивности теплопередачи. Как правило, тем-пература конденсации на 5-20°С превышает температуру охлаждающей среды.
Жидкий холодильный агент из конденсатора через ресивер, теплооб-менник и фильтр-осушитель поступает в ТРВ и цикл повторяется. Таким об-разом, холодильный агент, совершая движение по замкнутому циклу, отни-мает тепло от воды в аккумуляторе холода и отдает его воздуху, обдувающе-му конденсатор.

Абсорбционная холодильная машина

В теплоиспользующей абсорбционной холодильной машине (АХМ) для отвода пара из испарителя служит абсорбер — сосуд, заполненный водой. Пары аммиака (холодильный агент R717) из испарителя И попадают в абсор-бер Аб . Вода, через которую пробулькивают пары аммиака, растворяет их (абсорбирует, т.е. впитывает). Некоторое снижение давления в абсорбере способствует поступлению новых паров из испарителя в абсорбер.

При растворении аммиака в воде выделяется теплота, которая ухудша-ет дальнейшее растворение аммиака. Поэтому абсорбер необходимо охлаж-дать.
Насыщенная аммиаком вода (крепкий раствор) подается в генератор Г. Здесь крепкий раствор нагревается проходящим по змеевику горячим паром (в домашних абсорбционных холодильниках крепкий раствор нагревается электроспиралью или с помощью газовой горелки). Пары аммиака, образую-щиеся при нагревании крепкого раствора, из генератора поступают в конден-сатор Кд , где охлаждаются водой и конденсируются. Жидкий аммиак высо-кого давления дросселируется в регулирующем вентиле ТРВ и поступает в испаритель, где кипит при низком давлении, отбирая теплоту от охлаждаю-щих сред.
Оставшийся в генераторе, после выкипания аммиака, слабый водоам-миачный раствор возвращается в абсорбер и впитывает новые порции паров аммиака, поступающие из испарителя.
Таким образом, в отличии от компрессионной машины в абсорбцион-ной вместо компрессора используются два аппарата (абсорбер и генератор), а также насос для подачи жидкости, мощность которого примерно в 10 раз меньше, чем у компрессора.
В домашних абсорбционных холодильниках насос и вентиль 2РВ во-обще исключены из схемы. Это достигается добавлением в испаритель водо-рода. В результате давление в конденсаторе становится равным суммарному давлению аммиака и водорода в испарителе. При этом добавление водорода не влияет на температуру кипения аммиака в испарителе, так как она опреде-ляется только парциальным давлением паров аммиака.
Холодильный коэффициент

в абсорбционных машинах ε ≈ в три раза меньше, чем в компрессионных. Отсутствие компрессора, создающего при работе шуми выходящего из строя быстрее, чем теплообменные аппараты, обуславливает применение абсорб-ционных машин также и для домашних холодильников.
Однако, по сравнению с компрессионными холодильные машины аб-сорбционные имеют ряд недостатков. Поскольку нагреватель постоянно или циклично включен в электросеть, эксплуатация абсорбционных холодильных машин обходится дороже компрессионных, включающихся в сеть периоди-чески. Производительность абсорбционных холодильных машин значитель-но ниже компрессионных, процесс охлаждения и получения низкой (минусо-вой) температуры в абсорбционных холодильных машинах протекает значи-тельно медленнее и достигаемая температура значительно выше, чем в ком-прессионных холодильных машинах.
Широко распространены в быту холодильники абсорбционного типа (АТ). Свое название они получили от происходящих в них процессах абсорб-ции, т.е. поглощение жидким или твердым поглотителем паров хладагента, образующихся в испарителе. Хладагентом служит аммиак. Пары аммиака по-глощаются водой с образованием при этом водоаммиачного раствора.
Компонентами раствора для заполнения холодильного агрегата явля-ются: хладагетн — аммиак, абсорбент — бидистиллят воды, ингибитор — хро-мат натрия Na₂CrO₄ , инертный газ — водород. Количество водоаммиачного раствора для заполнения холодильного агрегата составляет 350-750 см³, кон-центрация аммиака в водоаммиачном растворе 34-36% (по массе).
Агрегат наполнен водоаммиачным раствором и водородом под давле-нием 1,47—1,96 МПа. Водород инертен и не вступает в химическую реакцию с аммиаком.
Назначение водорода — создание противодавления аммиачному пару. Водород подается в конденсатор с меньшим давлением, чем давление амми-ачного пара до его конденсации.
Для предохранения внутренней поверхности труб холодильного агре-гата от коррозии в раствор вводят хромат натрия (Na₂CrO₄) в количестве ≈ 2% массы заряда. Водоаммиачный раствор приготавливают, смешивая ам-миак с дистиллированной водой двойной перегонки.
Холодильный агрегат расположен на задней стенке холодильного шка-фа, испаритель — внутри холодильной камеры.
Холодопроизводительность агрегата абсорбционно-диффузионного ти-па 20-30 ккал/ч.

Холодильный агрегат

Рис. Холодильный агрегат абсорбционного типа

1 — кипятильник; 2 — дефлегматор; 3 — конденсатор; 4 — испаритель; 5 — абсорбер; 6 — капиллярная трубка ø 0,8 мм

Холодильный агрегат абсорбционно-диффузионного действия изготов-лен из бесшовных труб, соединенных газовой сваркой. Основные узлы агре-гата:
генератор — выработка аммиачного пара и подъем слабого раствора на высоту слива в абсорбер;
конденсатор — конденсация паров аммиака;
испаритель — испарение жидкого аммиака с образованием холода;
абсорбер — поглощение пара аммиака водоаммиачным раствором (про-цесс абсорбции);
электронагреватель — нагрев водоаммиачного раствора в генераторе.
Принцип работы холодильного агрегата абсорбционного типа заключа-ется в следующем. Концентрированный раствор постоянно нагревается в ки-пятильнике 1 до температуры кипения каким-либо источником тепла (элек-трическим, газовым и т.д.). Так как температура кипения хладагента значи-тельно ниже температуры кипения растворителя (абсорбента), то в процессе выпаривания концентрированного раствора (приблизительно t = 165-1750С) из кипятильника выходят концентрированные пары хладагента с небольшим количеством растворителя. На пути движения к конденсатору концентриро-ванные пары хладагента проходят специальный теплообменный аппарат (де-флегматор 2), в котором происходит частичная конденсация концентриро-ванных паров. При этом образовавшийся конденсат стекает в слабый рас-твор, выходящий из кипятильника, а более концентрированные пары хлада-гента поступают в конденсатор 3. Высококонцентрированный жидкий хлада-гент по капиллярной трубке O 0,8 мм из конденсатора поступает в испари-тель 4, где он закипает при отрицательной температуре, отбирая тепло из хо-лодильной камеры. Слабый раствор из кипятильника поступает в абсорбер 5 и охлаждается окружающей средой до температуры начала абсорбции. Вы-ходящие из испарителя пары хладагента также поступают в абсорбер на-встречу движущемуся охлажденному слабому раствору. В абсорбере проис-ходит процесс поглощения (абсорбции) паров хладагента слабым раствором. При этом выделяется некоторое количество теплоты абсорбции (смешения) в окружающую среду. Образовавшийся в абсорбере концентрированный рас-твор термонасосом подается в кипятильник.
Циркуляция раствора и хладагента осуществляется непрерывно, пока работает кипятильник и термонасос, обогреваемые одним источником тепла. Таким образом, в абсорбционном холодильном агрегате непрерывного дейст-вия роль всасывающей части механического компрессора выполняется аб-сорбером, а нагнетательной — термонасосом.
Российской промышленностью выпускаются абсорбционные холо-дильные агрегаты: Морозко 3м, 4м, 5м; Ладога 40м; Спутник АШ-60, Кри-сталл 4, 9,9 м, 12м; Иней, Россия. Стоимость таких агрегатов значительно дешевле, но нет в нашей республике гарантийного обслуживания и ремонта.
В пароэжекторной холодильной машине рабочий пар из кипятильника (парогенератора) поступает в сопло эжектора, где расширяется и, выходя из сопла с большой скоростью, инжектирует (захватывает) холодный пар из ис-парителя. Общий поток поступает в конденсатор, где создается давление Р_к.

Схема пароэжекторной холодильной машины

1 — кипятильник; 2 — эжектор; 3 — испаритель; 4 — охладительные объекты; 5, 7 — насосы; 6 — конденсатор.
Из конденсатора основная часть жидкости насосом возвращается в кипя-тильник, а меньшая часть поступает через регулирующий вентиль РВ1 в ис-паритель. В нем за счет работы эжектора поддерживается низкое давление Р0, при котором часть воды испаряется, пары отсасываются эжектором, а основ-ная масса охлаждается и насосом подается к охлаждаемым объектам. В испа-ритель вода возвращается через регулирующий вентиль РВ2.
По энергетическим показателям пароэжекторные машины уступают компрессионным, но простота их конструкции и обслуживания, низкая на-чальная стоимость, высокая надежность и возможность использования теп-лоты низкого потенциала делают их применение в определенных условиях предпочтительным.

Вернутся к содержанию | Вернутся в начало

Рабочие вещества холодильных машин, их основные свойства и область применения

Рабочее вещество, с помощью которого в холодильной машине совер-шается обратный круговой цикл, называется хладагентом. Хладагенты ис-пользуют в холодильных машинах, кондиционерах воздуха и теплонасосах. Наиболее распространенными теплоагентами являются вода, аммиак, хладо-ны и воздух.
В зависимости от используемого хоадагента холодильные машины де-лят на две группы: паровые и газовые.
Паровые машины бывают двух типов — компрессионные и абсорбци-онные. В машинах первого типа циркуляцию хладона осуществляет компрес-сор. Во втором типе — циркуляция обеспечивается за счет тепловой энергии теплонагревателя при нагреве им сжиженного газа.
В газовых машинах в качестве хладагента используют воздух.
В кондиционерах в качестве хладагента используют воду, т.к. темпера-тура теплоносителя всегда больше 0°С (t > 0°С).
Воду используют в качестве хладагента и в установках абсорбционного и эжекторного типов.
Аммиак применяют в специальных абсорбционных установках при температуре кипения t_к > -70°С. Основные преимущества его:

малый удельный объем при температурах испарения;
большая теплота парообразования;
незначительная растворимость в масле;
не оказывает координирующего действия на сталь.
К недостаткам относятся его ядовитость, горючесть, а также взрыво-опасность при концентрации в воздухе 16…26,8 %. В смеси с водой разъеда-ет цинк, медь, бронзу и др. медные сплавы, за исключением фосфористой бронзы. Поэтому большее распространение получили в качестве хладагентов углеродные или углеводородные соединения, содержащие фтор, хлор и бром. Это позволило повысить надежность, энергетическую эффективность и безо-пасность холодильных машин. Первоначально такие галоидопроизводные предельных углеводородов называли фреонами из-за того, что торговая аме-риканская фирма "Дюпон" в 1928 г. Впервые синтезировала фреон-12. В на-стоящее время вместо термина "фреон" введен термин "хладон". Обозначе-ние хладонов согласно международного стандарта МС ИСО 817-74 строится по формуле R - N (где R — символ, обозначающий холодильный агент; N — номер хладона или присвоенный номер для других хладагентов). Для хладонов номер расшифровывается в следующем порядке.
Первая цифра в двухзначном номере или первые две или первые две цифры в трехзначном номере обозначают тот насыщенный углеводород C_nH_2n+2 , на базе которого получен хладон. Установлены следующие цифры: 1 — СН₄ (метан); 11 — С₂Н₆ (этан); 21 - С₃Н₈(пропан); 31 - С₄Н₁₀ (бутан) и т.д. Галоидные соединения насыщенных углеводородов C_nH_2n+2 , полученные путем замены атомов водорода атомами фтора, хлора, брома (C_nH_xF_yCl_zBr_u), чрезвычайно многочисленны. Число молекул отдельных составляющих, вхо-дящих в эти химические соединения, связаны зависимостью x + y + z + u = 2n + 2.
Справа пишут число атомов фтора в хладоне CF₂Cl₂ — R12, C₃F₄Cl₄ — R214 и т.д. При наличии в хладоне атомов брома после основного номера пишут букву В, а за ней число атомов брома: CF₂Br₂ — R12B₂ . Незамещенные атомы водорода — плюс столько единиц, сколько осталось незамещенных атомов к первой цифре (метан) или ко второй в остальных соединениях.
К основным свойствам хладагентов относятся теплофизические, физи-ко-химические и физиологические. К теплофизическим свойствам относятся вязкость μ , теплопроводность &lanbda; , плотность ρ , температура замерзания t_кр и др. μ, λ, ρ - влияют на коэффициент теплопередачи при кипении и конденса-ции. Большим значением λ, ρ и малой вязкости μ соответствуют большие значения коэффициентов теплопередачи. Вязкость и плотность влияют на гидравлические сопротивления при циркуляции хладагента в системе. К фи-зико-химическим свойствам относятся растворимость в смазочных маслах и воде, инертность к металлам, взрывоопасность и воспламеняемость. По фи-зиологическим свойствам хладагенты не должны быть ядовитыми.
По характеру взаимодействия с маслом все хладагенты разделяют на две группы. К первой относятся хладагенты с ограниченной растворимостью в масле (аммиак R717, углекислота R44, близко подходят хладоны R13, R14, R115); ко второй группе - с неограниченной растворимостью (R11, R12, R21, R22, R40). Это значит, что при ограниченной растворимости в жидкой фазе смеси наблюдаются два слоя, из которых в одном преобладает масло, в другом - хладагент. Во втором случае этого не наблюдается и, кроме того, если кипит не чистый хладагент, а смесь (R12 + масло), то для получе-ния такой же температуры кипения, что и для чистого R12, необходимо под-держивать более низкое давление кипения и, следовательно, затрачивать из-лишнюю работу на сжатие пара.
Кроме того, маслохладоновая смесь имеет большую вязкость. А это уменьшает коэффициент теплопередачи. Растворимость хладонов в воде также имеет важное значение для нормальной работы холодильной машины. Избыточное присутствие влаги приводит к "запайке" льдом дроссельного от-верстия терморегулирующего вентиля.
Взаимодействие хладонов с металлами зависит также от содержания в них влаги.
Галогенизированные углеводороды дают с влагой галогенные кислоты, при которых возможны гидролиз хладона и коррозия металлов.
Хладагент не должен быть взрывоопасным и ядовитым, а также не вос-пламеняться в смеси с воздухом. Однако аммиак вызывает раздражение глаз и верхних дыхательных путей. Допустимая концентрация его в воздухе > 0,02 г/м³.
Хладоны с большим содержанием фтора или полностью фторирован-ные (R13, R113) практически безвредны для человека. R12 только на от-крытом пламени разлагается на составные части. В продуктах его разложе-ния содержится фосген. Недостаток фтора — озоновые дыры.
В каких областях применяются различные хладагенты?
Аммиак (R717), хладоны (R12, R22) используют в компрессионных хо-лодильных машинах для получения температуры кипения до -30…-40°С без вакуума в системе охлаждения. R12 применяют в одноступенчатых холо-дильных машинах с t_конд = < + 75°С и t_кип = > -30°С, в домашних холодиль-никах, кондиционерах, водоохлаждающих холодильных машинах. R22 при-меняют для машин с поршневыми и винтовыми компрессорами одно- и двухступенчатого сжатия, а также в бытовых холодильниках. Диапазон t_кип = -10…170°С, t_конд = < 50°С.
Для уменьшения растворимости и циркуляции масла вместо R22 ис-пользуют смесь R22 и R12, а также азетропную смесь R502.
R502 применяют в низкотемпературных одноступенчатых холодиль-ных машинах при t_конд = < 50°С и t_кип = > -45°С и т.д.
Для практического использования наиболее перспективными можно считать следующие хладагенты:
для высокотемпературных холодильных машин
Р_кр/Р₀ R12/R114; R22/R114; R143/R142
Р₀ — давление расширения
для среднетемпературных
R22/R114; R143/R12; R13B1/R12; R12/R142; R22/R12/R142/CO2
для низкотемпературных
R13/R12; R13B1/R12; R13/R22/R12/азот.

Примерные обозначения и основные термодинамические свойства наиболее распространенных хладонов

Симво-лическое обозна-чение Химиче-ское назва-ние Термодинамические свойства

Темпер. кипения,t_н , °С Темпер.замерзан.t₃ , °С Критич.темпер.t_кр , °С Критич.давлениеР_кр, МПа Уд.теплота парообраз.q уд,кДж/кг

R717 Аммиак -78,8

R744 Двуокись углерода -78,8 -56,6 31,2 7,38 573

R11 Фтортри-хлорметан -23,6 -111,0 198,0 4,37 182

R12 Дифторди-хлорметан -29,7 -155,9 112,0 4,11 166

R22 Дифтор-хлорметан -40,8 -160,0 96,1 4,99 239

Р = атмосферному

По давлению конденсации при температуре конденсации t_к = 30°С хла-дагенты делятся на три группы:

хладагенты высокого давления (2 < Р₃₀ < 7 МПа) или низкотемпера-турные (t_н.к ниже -60°С) — R744; R13; R14;
хладагенты среднего давления (0,3 < Р₃₀ < 2 МПа) или среднетемпе-ратурные (t_н.к выше -60°С и ниже -10°С) — R717; R12; R22; R115; R143; R502;
хладагенты низкого давления (Р₃₀ < 0,3 МПа) или высокотемпера-турные (t_н.к выше -10°С).
По виду использования хладагента холодильные машины подразделя-ются на аммиачные, хладоновые, пропановые, пароводяные, водоаммиачные и др. На практике применяется более двадцати хладагентов.
Поскольку в сельском хозяйстве применяются в основном компресси-онные холодильные установки, трущиеся части компрессора должны быть тщательно смазаны. Для смазки применяются специальные смазочные масла, которые длительное время сохраняют свои физико-химические свойства без старения с возможно низкой температурой застывания и высокой температу-рой вспышки. Для этой цели применяют специальные холодильные (рефре-жираторные) масла высокого качества типа ХФ. При этом каждому виду хладона должен соответствовать его тип масла (R12 - ХФ 12-16; R22 -ХФ 22-24; R717 -ХА; ХА-23; ХА-30; ХА-34).
Старение масла происходит под действием кислорода воздуха, в ре-зультате чего происходит коррозия металла и выделение смолистых веществ, которые приводят к закупорке небольших проходных отверстий в холодиль-ной машине. Смазочные масла не должны содержать влаги. Поэтому выпус-кают их тщательно просушенными, а хранят в герметически закрытой таре. Перед заправкой холодильной машины масло обязательно дополнительно сушат.
Смазочные масла должны иметь низкие температуры помутнения и за-стывания. Помутнение происзодит при понижении температуры вследствие выделения из масла кристаллов парафина. А это приводит к закупорке не-больших проходных сечений в машине (капиллярных трубок) и нарушению нормальной работы холодильника.

Вернутся к содержанию | Вернутся в начало

Контрольные вопросы

Какие Вы знаете физические принципы получения искусственного холода?
Опишите идеальный цикл холодильной машины.
Опишите действительный цикл холодильной машины.
Опишите признаки, по которым классифицируются холодильные машины.
Какие рабочие вещества используются в холодильных машинах?
Опишите принцип работы компрессионной холодильной машины.
Опишите принцип работы абсорбционной холодильной машины.
Опишите принцип работы пароэжекторной холодильной машины.
Опишите принцип работы термоэлектрического холодильника.

Вернутся к содержанию | Вернутся в начало

Дополнительная литература

Холодильная техника. Под ред. В.Ф. Лебедева. — М.: Агропромиздат, 1986.
А.И.Побединский и др. Искусственный холод на предприятиях АПК. — Мн.: Ураджай, 1994

Вернутся к содержанию | Вернутся в начало