Способы получения холода для кондиционирования воздуха. Как получить тепло из холода с помощью тепловых труб и капиллярных явлений. Как кондиционеры переносят холод

Физическая природа тепла и холода одинакова, разница состоит только в скорости движения молекул и атоме. В более нагретом теле скорость движения больше, чем менее нагретом. При подводе к телу тепла движение возрастает, при отнятии тепла уменьшается. Таким образом тепловая энергия есть внутренняя энергия движения молекул и атомов.

Охлаждение тела - это отвод от него тепла, сопровождаемый понижением температуры. Самый простой способ охлаждения - теплообмен между охлаждаемым телом и окружающей средой - наружным воздухом, речной морской водой, почвой. Но этим способом, даже при самом совершенном теплообмене, температуру охлаждаемого тела можно понизить только до температуры окружающей среды. Такое охлаждение называется естественным. Охлаждение тела ниже температуры окружающей среды называется искусственным. Для него используют главным образом скрытую теплоту, поглощаемую телами при изменении их агрегатного состояния.

Количество тепла или холода измеряется калориями или килограмм-калориями (килокалория). Калория - это количество тепла, необходимое для нагрева 1 г воды на 1 при нормальном атмосферном давлении, килокалория - для нагрева 1 кг воды на 1С при тех же условиях.

Существуют несколько способов получения искусственного холода. Самый простой из них - охлаждение при помощи льда или снега, таяние которых сопровождается поглощением довольно большого количества тепла. Если теплопритоки извне малы, а теплопередающая поверхность льда или снега относительно велика, то температуру в помещении можно понизить почти до 0°С. Практически в помещении, охлаждаемом льдом или снегом, температуру воздуха удается поддерживать лишь на уровне 5-8°С. При ледяном охлаждении используют водный лед или твердую углекислоту (сухой лед).

При охлаждении водным льдом происходит изменение его агрегатного состояния - плавление (таяние). Холодопроизводительность, или охлаждающая способность чистого водного льда, называется удельной теплотой плавления. Она равна 335 кДж/кг. Теплоемкость льда равна 2,1 кДж/кг градус.

Водный лед применяется для охлаждения и сезонного хранения продовольственных товаров, овощей, фруктов в климатических зонах с продолжительным холодным периодом, где в естественных условиях в зимний период его легко можно заготовить.

Водный лед в качестве охлаждающего средства применяется в специальных ледниках и на ледяных складах. Ледники бывают с нижней загрузкой льда (ледник-погреб) и с боковой - карманного типа.

Ледяное охлаждение имеет существенные недостатки: температура хранения ограничена температурой таяния льда (обычно температура воздуха на ледяных складах 5- 8°С), в ледник необходимо закладывать количество льда, достаточное на весь период хранения, и добавлять по мере необходимости; значительные затраты труда на заготовку и хранение водного льда; большие размеры помещения для льда, превышающие примерно в 3 раза размеры помещения для продуктов; значительные затраты труда на соблюдение необходимых требований, предъявляемых к хранению пищевых продуктов и отводу талой воды.

Лъдосоляное охлаждение производится с применением дробленого водного льда и соли. Благодаря добавлению соли скорость таяния льда увеличивается, а температура таяния льда опускается ниже. Это объясняется тем, что добавление соли вызывает ослабление молекулярного сцепления и разрушение кристаллических решеток льда. Таяние льдосоляной смеси протекает с отбором теплоты от окружающей среды, в результате чего окружающий воздух охлаждается и температура его понижается. С повышением содержания соли в льдосоляной смеси температура плавления ее понижается. Раствор соли с самой низкой температурой таяния называется эвтектическим, а температура его таяния - криогидратной точкой. Криогидратная точка для льдосоляной смеси с поваренной солью -21,2°С, при концентрации соли в растворе 23,1% по отношению к общей массе смеси, что примерно равно 30 кг соли па 100 кг льда. При дальнейшей концентрации соли происходит не понижение температуры таяния льдосоляной смеси, а повышение температуры таяния (при 25%-ной концентрации соли в растворе к общей массе температура таяния повышается до -8°С).

При замораживании водного раствора поваренной соли в концентрации, соответствующей криогидратной точке, получается однородная смесь кристаллов льда и соли, которая называется эвтектическим твердым раствором.

Температура плавления эвтектического твердого раствора поваренной соли -21,2°С, а теплота плавления - 236 кДж/кг. Эвтектический раствор применяют для зероторного охлаждения. Для этого в зероты - наглухо запаяннные формы - заливают эвтектический раствор поваренной соли и замораживают их. Замороженные зероты используют для охлаждения прилавков, шкафов, охлаждаемых переносных сумок-холодильников и т. д. В торговле льдосоляное охлаждение широко применялось до массового выпуска оборудования с машинным способом охлаждения.

Охлаждение сухим льдом основано на свойстве твердой углекислоты сублимировать, т. е. при поглощении тепла переходить из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое состояние. Физические свойства сухого льда следующие температура сублимации при атмосферном давлении - 78,9°С, теплота сублимации 574,6 кДж/кг.

Сухой лед обладает следующими преимуществами по сравнению с водным:

Можно получать более низкую температуру;

Охлаждающее действие 1 кг сухого льда почти в 2 раза больше, чем 1 кг водного льда:

При охлаждении не возникает сырости, кроме того, при сублимации сухого льда образуется газообразная углекислота, которая является консервирующим средством, способствующим лучшему сохранению продуктов.

Сухой лед применяется для перевозки замороженных продуктов, охлаждения фасованного мороженого, замороженных фруктов и овощей.

Искусственного охлаждения можно достигнуть также, если смешать лед или снег с разведенными кислотами Например, смесь из 7 частей снега или льда и 4 частей разведенной азотной кислоты имеет температуру -35°С. Низкую температуру можно получить и растворением солей в разведенных кислотах. Так, если 5 частей азотнокислого аммония и 6 частей сернокислого натрия растворить в 4 частях разведенной азотной кислоты, то смесь будет иметь температуру -40°С.

Получение искусственного холода с помощью снега или льда, а также с помощью охлаждающих смесей имеет существенные недостатки: трудоемкость процессов заготовки льда или снега, их доставки, трудность автоматического регулирования, ограниченные температурные возможности.

В последнее время в связи с энергетическим кризисом, загрязнением окружающей среды все более актуальной становится проблема использования для холодильной обработки пищевых продуктов нетрадиционных экологически безопасных методов получения холода. Наиболее перспективным из них является криогенный метод на базе жидкого и газообразного азота с применением безмашинной проточной системы хладоснабжения, предусматривающей одноразовое использование криоагента.

Перспективность данного метода хладоснабжения возрастает в связи с открытием в России больших запасов (340 млрд. м 3) подземных высокоазотных газов. Себестоимость очищенного азота на порядок ниже, чем азота, полученного с помощью метода разделения воздуха.

Безмашинные проточные системы азотного охлаждения имеют значительные преимущества: очень надежны в эксплуатации и имеют высокую скорость замораживания, обеспечивающую практически полное сохранение качества и внешнего вида продукта, а также минимальные потери его массы за счет усушки.

Особо следует отметить экологическую чистоту таких систем (в атмосфере Земли содержится до 78% газообразного азота).

Наиболее распространенным и удобным в эксплуатационном отношении способом охлаждения является машинное охлаждение.

Машинное охлаждение - способ получения холода за счет изменения агрегатного состояния хладагента, кипения его при низких температурах с отводом от охлаждаемого тела или среды необходимой для этого теплоты парообразования

Для последующей конденсации паров хладагента требуется предварительное повышение их давления и температуры.

В основу машинного способа охлаждения может быть положено также адиабатическое (без подвода и отвода тепла) расширение сжатого газа. При расширении сжатого газа температура его значительно понижается, так как внешняя работа в этом случае совершается за счет внутренней энергии газа. На этом принципе основана работа воздушных холодильных машин.

Охлаждение путем расширения сжатого газа, в частности воздуха, отлично от всех способов охлаждения. Воздух при этом не меняет своего агрегатного состояния, как лед, смеси и хладон, он только нагревается, воспринимая теплоту окружающей среды (от охлаждаемого тела).

Широкое применение машинного охлаждения в торговле объясняется рядом его эксплуатационных свойств и экономических преимуществ. Стабильный и легко регулируемый температурный режим, автоматическое действие холодильной машины без больших затрат труда на техническое обслуживание, лучшие санитарно-гигиенические условия хранения продуктов, компактность и общая экономичность определяют целесообразность применения машинного охлаждения.

На предприятиях оптовой и розничной торговли используют в основном паровые холодильные машины, действие которых основано на кипении при низких температурах специальных рабочих веществ - хладагентов Паровые холодильные машины подразделяют на компрессионные, в которых пары хладагента подвергаются сжатию в компрессоре с затратой механической энергии, и абсорбционные, в которых пары хладагента поглощаются абсорбентом.

Устройство и принцип действия компрессионной холодильной машины. Компрессионная холодильная машина (рис. 3.1) состоит из следующих основных узлов: испарителя, компрессора, конденсатора, ресивера, фильтра, терморегулирующего вентиля. Автоматическое действие машины обеспечивается терморегулирующим вентилем и регулятором давления. К вспомогательным аппаратам, способствующим повышению экономичности и надежности работы машины, относятся: ресивер, фильтр, теплообменник, осушитель. Машина приводится в действие электродвигателем.

Испаритель - охлаждающая батарея, которая поглощает тепло окружающей среды за счет кипящего в ней при низкой температуре хладагента. В зависимости от вида охлаждаемой среды различают испарители для охлаждения жидкости и воздуха.

Рис. Схема устройства компрессионной холодильной машины:

1 - компрессор; 2 - конденсатор; 3 - ресивер; 4 - фильтр; 5 -

терморегулирующий вентиль; 6 - испаритель; 7 - охлаждаемая

камера; 8 - электродвигатель; 9 - магнитный пускатель; 10 -

кнопочный вклю чатель; 11 - реле давления

Компрессор предназначен для отсасывания паров хладагента из испарителя, сжатия и нагнетания их в перегретом состоянии в конденсатор. В малых холодильных машинах применяют поршневые и ротационные компрессоры, причем наибольшее распространение получили поршневые.

Конденсатор - теплообменный аппарат, служащий для сжижения паров хладагента путем их охлаждения. По виду охлаждающей среды конденсаторы выпускают с водяным и воздушным охлаждением. Конденсаторы с принудительным движением воздуха имеют вертикально расположенные плоские змеевики из медных или стальных оребренных труб Естественное воздушное охлаждение применяется только в холодильных машинах бытовых электрохолодильников Конденсаторы с водяным охлаждением бывают кожухозмеевиковые и кожухотрубные.

Ресивер - резервуар, служащий для сбора жидкого хладагента с целью обеспечения его равномерного поступления к терморегулирующему вентилю и в испаритель В малых хладоновых машинах ресивер предназначен для сбора хладагента во время ремонта машины.

Фильтр состоит из медных или латунных сеток и суконных прокладок. Он служит для очистки системы и хлад агента от механических загрязнений, образовавшихся в результате недостаточной очистки их при изготовлении монтаже и ремонте. Фильтры бывают жидкостные и паровые. Жидкостный фильтр устанавливается после ресивера перед терморегулирующим вентилем, паровой - на всасывающей линии компрессора.

Для предотвращения попадания ржавчины и механических частиц в цилиндры малых фреоновых холодильных машин, во всасывающую полость компрессора вставляют фильтр в виде стаканчика из латунной сетки.

Терморегулирующий вентиль обеспечивает равномерное поступление хладона в испаритель, распыляет жидкий хладагент, тем самым понижает давление конденсации до давления испарения.

От правильной регулировки терморегулирующего вентиля во многом зависит экономичность работы холодильном машины. Избыток жидкого хладона в испарителе вследствие влажного хода компрессора может привести к возникновению гидравлического удара. При недостаточном заполнении испарителя жидкостью часть поверхности его не используется, что ведет к нарушению нормального режима работы машины и понижению температуры испарения хладагента.

Регулятор давления состоит из прессостата (регулятора низкого давления) и маноконтроллера (выключателя высокого давления). Для регулировки температурного режима в определенных пределах необходимо, чтобы холодопроизводительность холодильной машины всегда превышала приток тепла к ней. Поэтому в нормальных условиях нет необходимости в непрерывной работе холодильной машины.

Периодическое включение холодильной машины осуществляется прессостатом автоматически. Требуемый температурный режим достигается путем регулирования продолжительности перерывов работы холодильной машины. Маноконтроллер служит для защиты от чрезмерного повышения давления в линии нагнетания. При повышении давления в конденсаторе свыше 10 атм. (норма - 6-8 атм.) он размыкает цепь катушки магнитного пускателя, питание электродвигателя отключается и холодильная машина останавливается.

Работа холодильной машины происходит следующим образом. Легкоиспаряющаяся жидкость (хладон-12) поступает через терморегулирующий вентиль в испаритель. Попадая в условия низкого давления, она кипит, превращаясь в пар, и при этом отбирает тепло у воздуха, окружающего испаритель.

Из испарителя пары хладона отсасываются компрессором, сжижаются и в перегретом от сжатия состоянии нагнетаются в конденсатор. В охлаждаемом водой или воздухом конденсаторе они превращаются в жидкость. Жидкий хладон стекает по трубам конденсатора и скапливается в ресивере, откуда под давлением проходит через фильтр, где задерживаются механические примеси (песок, окалина и др.).

Очищенный от примеси хладон, проходя через узкое (отверстие терморегулирующего вентиля, дросселируется (мнется), распыляется и при резком снижении давления и температуры поступает в испаритель, после чего цикл повторяется.

Рабочий цикл холодильной машины с учетом взаимодействия приборов автоматики состоит в следующем. При выключенном электродвигателе контакты реле давления разомкнуты, терморегулирующий вентиль не пропускает жидкий хладон из конденсатора в испаритель, так как игла до конца вошла в седловину и плотно закрыла проходное сечение. В испарителе в это время продолжается процесс кипения оставшегося после выключения машины жидкого хладагента. От притока внешнего тепла температура испарителя постепенно повышается и, следовательно, давление скопившихся в нем паров возрастает. Давление в испарителе будет расти до тех пор, пока прессостат реле давления не замкнет контакты и машина не вступит в работу.

С включением машины в работу начинается отсос перегретых паров из испарителя в компрессор. Это влечет за собой повышение температуры и давления в чувствительном патроне терморегулирующего вентиля, вследствие чего игольчатый клапан открывает проходное отверстие. Жидкий хладагент, интенсивно кипя, устремляется в трубы испарителя. Кипение сопровождается значительным понижением температуры парожидкостной смеси, в результате чего охлаждаются стенки испарителя, окружающий его воздух и скоропортящиеся продукты.

Понижение температуры окружающей среды снижает величину теплопритока, Кипение становится менее интенсивным, сокращается количество пара, падает давление в испарителе до предела, при котором реле давления размыкает контакты и машина останавливается. К моменту выключения машины уменьшается подача жидкого хладагента в испаритель, поскольку избыток поступившего в него хладагента ведет к снижению температуры выходящих паров и к автоматическому прикрытию игольчатого клапана терморегулирующего вентиля. Через несколько секунд после остановки машины давление в термобаллоне и испарителе окончательно сравнивается и игольчатый клапан закрывается.

Хладагенты. Хладагенты - это рабочие вещества паровых холодильных машин, с помощью которых обеспечивается получение низких температур. Наиболее распространенные из них - хладон и аммиак.

При выборе хладагента руководствуются его термодинамическими, теплофизическими, физико-химическими и физиологическими свойствами. Важное значение имеет также его стоимость и доступность. Хладагенты не должны быть ядовиты, не должны вызывать удушья и раздражения слизистых оболочек глаз, носа и дыхательных путей человека.

Хладон-12 (R-12) имеет химическую формулу CHF 2 C1 2 (дифтордихлорметан). Он представляет собой газообразное бесцветное вещество со слабым специфическим запахом, который начинает ощущаться при объемном содержании его паров в воздухе свыше 20%. Хладон-12 обладает хорошими термодинамическими свойствами

Хладон-22 (R-22), или дифтормонохлорметан (CHF 2 C1), так же как и хладон-12, обладает хорошими термодинамическими и эксплуатационными свойствами. Отличается он более низкой температурой кипения и более высокой теплотой парообразования. Объемная холодопроизводительность хладона-22 примерно в 1,6 раза больше, чем хладона-12.

Аммиак (NH 3) - бесцветный газ с удушливым сильным характерным запахом. Аммиак имеет достаточно высокую объемную холодопроизводительность. Производство его основано главным образом на методе соединения водорода с азотом при высоком давлении с наличием катализатора. Аммиак применяют и для получения низких температур (до -70°С) при глубоком вакууме. Теплота парообразования, теплоемкость и коэффициент теплопроводности у аммиака выше, а вязкость жидкости меньше, чем у хладонов. Поэтому он имеет высокий коэффициент теплоотдачи. Стоимость аммиака невысока по сравнению с другими хладагентами

Как известно, некоторые хладагенты обладают озоноразрушающей способностью, что не может не тревожить международную общественность

Способность хлорсодержащих хладагентов вызывать этот процесс называется озоноразрушающим потенциалом - ОРП (рис 3 2)

Рис. Озоноразрушающий потенциал

Способность различных веществ вызывать процессы глобального потепления называется потенциалом глобального потепления - ПГП (рис 3.3)

Рис. Потенциал глобального потепления

Продолжительность жизни хладагентов в атмосфере также очень важный фактор Это показатель времени, в течение которого различные вещества сохраняются в атмосфере и могут влиять на окружающую среду Иными словами, чем дольше химикат или хладон сохраняется в атмосфере, тем он менее экологически безопасен (рис 3 4)

Рис. Срок жизни хладагентов в атмосфере

В 1985 г. в Вене была принята Конвенция о защите озонового слоя. К ней присоединились 127 государств, включая Россию и страны СНГ.

В 1989 г. вступил в силу Монреальский протокол о постепенном сокращении, а затем и о полном прекращении в 2030 г. выпуска озоноразрушающих хладагентов. К опасным группам были отнесены хладоны R-11, R-12, R-113, R-114, R-115, R-12B1, R-13B1, R-114B2. В 90-х гг. текст протокола был ужесточен путем введения ограничений не только на производство, но и на торговлю, экспорт и импорт любой холодильной техники, содержащей озоноразрушающие вещества.

Российская Федерация приняла на себя обязательства, вытекающие из Монреальского протокола об охране озонового слоя. Согласно принятым решениям, R-502 запрещен к производству с 1 января 1996 г. Для R-22 установлены более отдаленные сроки - сокращение производства и использования с 2005 г. и полный запрет начиная с 2020 г.

Для замены R-502 и R-22 основными мировыми производителями химической продукции были разработаны и выпускаются переходные (с содержанием хлорфторуглеводородов) и озонобезопасные (состоящие только из фторуглеводородов) смеси хладагентов.

К переходным хладагентам относятся R-402, R-403B и R-408A, которые могут использоваться в действующем оборудовании. Большая часть этих новых рабочих веществ появилась сегодня на российском рынке.

Озонобезопасные хладагенты R-507, R-404A, R-134A можно рекомендовать как для работы в новом оборудовании, так и для реконструкции низкотемпературных холодильных систем. Они разработаны для замены R-22 в действующем и выпускающему в настоящее время оборудовании.

Для производителей все более трудным становится рациональный подбор хладагента применительно к конкретному объекту. Поэтому проблема использования в качестве хладагентов природных веществ, и в первую очередь аммиака, наиболее актуальна сейчас у производителей холодильного оборудования.

Аммиачные холодильные установки эксплуатируются уже около 120 лет. В России подавляющая часть потребности в холоде для стационарных холодильников обеспечивается именно аммиачными холодильными установками.

В 90-х гг. и в Западной Европе значительно расширилось использование аммиака, поскольку он:

Не разрушает озоновый слой,

Не оказывает прямого воздействия на глобальный тепловой эффект;

Обладает отличными термодинамическими свойствами;

Имеет высокий коэффициент теплоотдачи при кипении и конденсации;

Имеет высокую энергетическую эффективность в холодильном цикле;

Обладает низкой стоимостью, производство его доступно, проблемы его воспламеняемости и токсичности сегодня разрешимы, что делает его привлекательным для производителей холодильного оборудования.

Холодильные машины и агрегаты. Холодильная машина представляет собой совокупность механизмов, аппаратов и приборов, последовательно соединенных в систему производства искусственного холода. Компактные, конструктивные объединения отдельных или всех элементов холодильной машины называют холодильным агрегатом.

По виду применяемого хладагента различают аммиачные и хладоновые холодильные агрегаты. По конструктивным особенностям компрессоров агрегаты подразделяют на открытые и герметичные, а конденсаторов - с воздушным и водяным охлаждением.

В зависимости от состава входящих в них элементов холодильные агрегаты бывают компрессорные, компpeccopно-конденсаторные, испарительно-регулирующие, испарительно-конденсаторные и комплексные агрегаты. На предприятиях торговли применяют компресорно-конденсаторные агрегаты и при охлаждении с помощью теплоносителя - испарительно-регулирующие агрегаты.

Компрессорно-конденсаторный агрегат состоит из компрессора, конденсатора (воздушного или водяного охлаждения), электродвигателя, приборов автоматики и вспомогательных аппаратов (ресиверы, осушители, теплообменники и др.). Испарителъно-регулирующий агрегат - это конструктивное соединение испарителя, вспомогательной аппаратуры, регулирующей станции и приборов автоматики. Комплексные агрегаты включают все элементы холодильной машины.

Холодильные машины поставляют отдельно и в комплекте с торговым холодильным оборудованием. В комплект оборудования входит встроенная испарительная батарея и вмонтированный или отдельно упакованный холодильный агрегат. Если агрегат предназначен для установки вне оборудования, в его комплект должны входить монтажные медные трубки.

Для охлаждения сборных камер, шкафов, прилавков и витрин применяют хладоновые холодильные агрегаты холодопроизводительностью до 3 тыс. ккал/ч. Это в основном компрессорно-конденсаторные агрегаты, pa6oтающие на хладоне-12 и хладоне-22. В зависимости от расположения электродвигателя и способа передачи механической энергии различают агрегаты открытого типа, а также герметичные.

В агрегаты открытого типа электродвигатель монтируется отдельно от компрессора, а передача механической энергии осуществляется шкиво-ременным механизмом.

Герметичные холодильные агрегаты являются наиболее перспективными. Герметичность системы достигается за счет применения сварного кожуха, сокращения количества разъемных соединений и использования термостата вместо реле давления. По сравнению с агрегатами открытого типа герметичные обладают значительными преимуществами.

За счет объединения электродвигателя и компрессора в узел с единым эксцентриковым валом отпала потребность в Передаточном механизме. Это позволило сократить массу и размеры компрессора и агрегата, увеличить скорость вращения вала до 3 тыс. об/мин.

В герметичном агрегате благодаря сокращению количества разъемных соединений, отсутствию сальников уменьшилась утечка хладона, что позволило сократить его рабочий запас в системе. Снизился и эксплуатационный расход хладагента, так как отпала необходимость в периодической дозаправке машин.

Охлаждение обмотки электродвигателя потоком всасываемых паров хладона позволило повысить нагрузку на электродвигатель, снизить его параметры, мощность, габaриты и массу. Например, при равной холодопроизводительности номинальная мощность электродвигателя герметичного агрегата на 40% меньше, чем агрегата открытого типа. В связи с этим значительно снижается расход электроэнергии.

Герметичные агрегаты обладают важным для магазинов, особенно торговых залов, качеством - относительно невысокий уровень издаваемого шума. Снижение размеров агрегатов позволяет рациональнее использовать складскую торговую площадь, а также емкость торгового холодильного оборудования.

Назначение и принцип действия отдельных элементов герметичных машин несколько отличается от машин открытого типа. Автоматическое управление работой герметичной холодильной машины осуществляется не прессостатом реле давления), а термостатом (реле температуры). Защита электродвигателя от перегрева и конденсатора от избыточного давления обеспечивается тепловым реле компрессора.

Ниже дается характеристика основных узлов холодильных машин.

Холодильные агрегаты ACL 88TN (рис 35) и АСР 12TN выполненные на базе лицензионных компрессоров фирмы Electrolux, имеют небольшие размеры и низкий уровень шума. Предназначены они для установки в торговое холодильное оборудование как отечественного, так и импортного производства.

Рис. Холодильный агрегат ACL 88TN

Холодильные агрегаты ВС 4000 (2) и ВН 2000 (2) - агрегаты с компрессорами спирального типа фирмы Copeland (рис 36).

Применение компрессора спирального типа значительно повысило надежность изделия как по сравнению с герметичными поршневыми, так и с компрессорами открытого типа Спиральный компрессор не имеет клапанов и при правильной эксплуатации не может заклиниться.

Холодильный агрегат ВН 2000 (2) применяется в низкотемпературных камерах объемом 12-14 м, где может обеспечить температуру до -18 С.

Холодильный агрегат ВС 4000 (2) предназначен для охлаждения среднетемпературных камер объемом 24-30 м 3 Технические характеристики холодильных агрегатов приведены в табл.

Рис. Холодильный агрегат ВС 4000 (2)

Компрессорно-конденсаторные установки серий SM MX с герметичным и полугерметичным компрессором рис 3 7), имеющим внутреннюю защиту электродвигателя, электрическим щитом управления, защищенным от воздействия внешней среды, могут устанавливаться вне помещения, на улице.

Технические характеристики холодильных агрегатов

Смонтированы в звукоизолирующем корпусе из оцинкованной стали. Техника серии SM и MX создает и поддерживает температуру от 5 до -30 С.

Установки эффективно работают в холодильных камерах на торговых предприятиях, а также широко применяются для охлаждения складских помещении.

Моноблок (рис 3 8) представляет собой единый блок, включающий в себя герметичный компрессор, воздушный конденсатор, воздухоохладитель и электронную панель управления. Моноблок устанавливают на сборных холодильных камерах с толщиной стены не более 120 мм, монтируя его в отверстие панели камеры на стене или потолке.

Рис. Компрессорно-конденсаторная установка

Рис 3 8. Моноблок

Сплит-система (рис. 3.9) - это полностью укомплектованное холодильное оборудование, состоящее из двух раздельных частей Применяется для охлаждения стационарных холодильных камер.

Рис. Сплит-система

Система автоматики обеспечивает в холодильной камере поддержание требуемой температуры, защиту от аварийных режимов и периодическое оттаивание воздухоохладителя.

Все оборудование поставляется с мониторами защиты, контролирующими напряжение питающей электросети.

Работает от сети с напряжением 220 или 380 В, сохраняет холод при температуре окружающего воздуха до 45°С,

Крупнейшим в мире производителем компрессоров холодопроизводительностью от 1 до 173 кВт для торгового холодильного оборудования, кондиционирования воздуха, тепловых насосов является фирма "Копланд" ("Copeland").

Герметичные поршневые компрессоры "Копланд" moизводятся по спецификациям, обеспечивающим их применение в любом климатическом поясе земного шара, что достигается благодаря широкому диапазону рабочих напряжений электродвигателей. Эти компрессоры производятся для работы на сертифицированных хладагентах и высококачественных смазочных маслах известных мировых фирм в высокотемпературном (выше 0°С), среднетемпературном (от 0°С до -15°С) и низкотемпературном (от -15°С до - 20°С) режимах.

С внедрением герметичных компрессоров появилась и новая гамма компрессорно-конденсаторных агрегатов с воздушным охлаждением. Эта новая номенклатура, привлекающая многими своими характеристиками, как стандартными, так и вводимыми по просьбе заказчиков, предназначена для работы с экологически безопасными хладагентами R-22 и R-134A. Она обладает широким диапазоном производительности и высоким энергетическим КПД. Все агрегаты [имеют бесшумный и плавный ход.

Предлагаются две основные гаммы агрегатов. Гамма HAN с обычным размером конденсатора применяется в целях обеспечения:

Режима стандартного хранения, когда температура закладываемого продукта не более чем на 10°С выше установленной в хранилище температуры;

Компактности и низкой стоимости;

Эксплуатации в условиях нормальной температуры окружающей среды.

Гамма HAL с более мощным конденсатором применяется, когда:

Величина нагрузки на агрегат часто и резко меняется во времени (при периодической загрузке одновременно больших количеств продукта или необходимости быстрого охлаждения продуктов, например, молока);

Необходимо достичь высокого энергетического КПД, что обеспечивает низкие эксплуатационные расходы;

Работа предстоит в условиях повышенной температуры окружающей среды.

Бессалъниковые холодильные компрессоры "Копланд" объединяют в себе последние конструкторские разработки преимуществами новейших хладагентов. Бессальниковые компрессоры имеют высокую производительность, длительный срок службы и широкий диапазон применения (высоко-, средне- и низкотемпературный режим эксплуатации).

Модели DLH, D6C, Discus, а также двухступенчатые компрессоры имеют устройства подключения дифференциального механического реле давления масла или электронный датчик системы защиты по давлению масла Sentronic.

Все бессальниковые компрессоры способны к прямому пуску. Возможна комплектация также электродвигателями с переключением электрической цепи со "звезды" на "треугольник" при пуске или с использованием части обмотки для уменьшения пускового тока. Для оптимальных условий пуска без нагрузки может устанавливаться специальное устройство на всех моделях Discus, а также на моделях DLH.

Каждый компрессор снабжен устройством защиты электродвигателя. В однофазных электродвигателях установлено термореле защиты от перегрузки. В трехфазных электродвигателях в обмотку двигателя встроены терморезисторы.

Оборудование для регулирования холодопроизводительности может применяться для всех одноступенчатых 3-, 4-, 6- и 8-цилиндровых компрессоров. Для компрессоров D3D разработана система изменения нагрузки Moduload с особо низким потреблением электроэнергии.

Для работы в сверхнизком диапазоне температур следует применять модели Discus с системой Demand Cooling, позволяющей регулировать температуру нагнетания компрессора путем впрыска в него небольших количеств жидкого хладагента. Благодаря системе Demand Cooling одноступенчатый компрессор становится хорошей альтернативой двухступенчатому. В случае, когда температура кипения хладагента в зависимости от потребности должна заметно изменяться (например, от -50°С до -20°С), более экономически эффективной становится система Demand Cooling.

Фирма "Копланд" выпускает также спаренные (TWIN) компрессоры. Спаренные компрессоры применяются для всех двухступенчатых и Discus моделей, кроме тех, в которых имеется система Demand Cooling. Основные преимущества спаренных компрессоров: двойная холодопроизводительность, пониженная 50%-ная модуляция холодопроизводительности и высокий КПД даже при частичной нагрузке.

На базе большинства моделей бессальниковых компрессоров выпускаются компрессорно-конденсаторные агрегаты воздушного охлаждения. Они поставляются заправленными маслом, полностью укомплектованными средствами автоматики и готовыми к работе. Дополнительно по желанию заказчика в них можно установить: подогреватели картера, регулятор скорости вращения вентилятора (для регулирования температуры конденсации), защитный кожух для наружной установки, различные модификации ресивера по величине емкости.

Согласованно-спиральный компрессор "Копланд" является одним из наиболее совершенных герметичных компрессоров, применяющихся для кондиционирования воздуха, работы в режиме среднетемпературного охлаждения и теплового насоса. Диапазон рабочих температур кипения спирального компрессора - от положительных до -20°С.

По сравнению с поршневыми герметичными или бессальниковыми спиральные компрессоры имеют такие существенные преимущества, как:

Высокая надежность и повышенный срок службы благодаря меньшему числу деталей, обеспечивающих сжатие хладагента;

Устойчивость к перегрузкам;

Низкий уровень шума вследствие отсутствия клапанов и возвратно-поступательного движения деталей, а также высокой степени согласованности движения деталей благодаря запатентованному принципу "Compliance";

Более высокий коэффициент подачи хладагента в связи с отсутствием "мертвого" пространства;

Низкий уровень вибрации вследствие плавного, непрерывного сжатия;

Повышенная производительность, стабильность работы компрессора при попадании в зону сжатия механических примесей, продуктов износа или жидкого хладагента;

Малые пусковой момент и пусковые токи (пуск без нагрузки), для однофазных моделей нет необходимости в пусковом оборудовании;

Компактность и малый вес.

Холодильный коэффициент спирального компрессора при работе в стандартном европейском режиме кондиционирования воздуха достигает значения 3,37 Вт против 2,75- 2,95 Вт у поршневого герметичного аналога.

На рынке оборудования появился низкотемпературный спиральный компрессор типа Glacier, эффективно и надежно работающий при больших перепадах давления Он может работать на хладонах R-22, R-404A, R-507, R-134A при температурах кипения до -45°С.

Компрессоры "Копланд" всех типов поставляются заправленными минеральным маслом для работы R-22 или полиэфирным маслом для работы на озонобезопасных хладонах либо на R-22.

Спиральные компрессоры (рис. 3.10) предназначены для применения в кондиционерах промышленных, торговых и административных зданий.

На рынке климатического оборудования особым спросом пользуется продукция фирмы Maneurop. Ее компрессоры марки Performer, благодаря низкому уровню шума и высокой степени надежности, удовлетворяют все требования эксплуатации и запросы потребителя.

Установив компрессоры попарно, по три или четыре в ряд можно достичь производительности системы охлаждения до 180 кВт.

Отличительным признаком компрессоров марки Performer является наличие подвижного контакта между спиралями, который при помощи двух запатентованных плавающих уплотнений обеспечивает совершенную осевую герметичность и уменьшает напряжение и деформацию.

Высокая точность и современные машинные технологии обработки доказывают, что простая пленка масла - это то, что необходимо для точного уплотнения торцов спирали, уменьшения контакта между движущимися частями, сведения к минимуму трения между ними, увеличения объемной производительности и уменьшения вибрации, что гарантирует высокие эксплуатационные качества компрессора и удлиняет срок его службы.

Рис. Спиральный компрессор Performer фирмы Maneurop

Достоинствами спиральных компрессоров марки Регformer являются:

Более высокая эффективность. Контролируемые вращающиеся части с плавающими уплотнениями и усовершенствованной геометрией спиралей;

Минимальный уровень шума. Эффективная система балансировки компрессора и защита его от вибрации;

Повышенная надежность. Удлиненный срок службы из-за отсутствия трения между спиралями и охлаждение двигателя всасываемым хладагентом;

Простота установки. В большинстве моделей в качестве стандартного варианта подсоединения используются штуцеры под пайку твердым припоем или патрубки с накидной гайкой. Устройства защиты от обратного вращения, так же как и защиты самого электродвигателя, являются составной частью конструкции. Никаких дополнительных приспособлений при установке компрессора не требуется;

Большой запас масла и больший объем заправляемого хладагента, чем у большинства других компрессоров, более длительный срок эксплуатации.

Фирменный цвет окраски компрессоров синий.

Фирма Danfoss Maneurop работает над расширением диапазона мощности с 3,5 до 25 л.с. и внедряет новые хладагенты. В дополнение к разработкам в части использования озонобезопасных хладагентов R-407C и R-134A и в целях борьбы за чистоту окружающей среды фирма Danfoss Maneurop начала использовать хладагент R-410A в компрессорах мощностью от 3,5 до 6,5 л.с.

Выносное и централизованное хладоснабжение

Традиционная схема хладоснабжения торговых предприятий выполняется на основе отдельных блоков, т. е. на каждого потребителя работает отдельная холодильная установка.

Но оснащение магазинов холодильным оборудованием со встроенными компрессорами оборачивается дополнительными затратами на установку кондиционеров для отвода теплопритоков в торговые залы от встроенных агрегатов.

Теплопритоки в торговые залы от встроенных в оборудование холодильных агрегатов приводят к снижению товарооборота и росту непредусмотренных расходов.

Некомфортные для покупателя условия (высокая температура в торговом зале и высокий уровень шума, неприятные посторонние запахи) приводят к тому, что он спешит покинуть магазин, что ведет к уменьшению товарооборота;

Некомфортные для продавцов и обслуживающего персонала условия приводят к снижению качества обслуживания, следовательно, падает имидж предприятия и уменьшается товарооборот;

Срок службы встроенных агрегатов в 2-3 раза ниже, чем при использовании систем выносного хладоснабжения и в 4-6 раз ниже, чем при использовании централей, вследствие чего растут производственные затраты на обслуживание и замену оборудования;

Работа компрессорного оборудования в экстремальных условиях с предельно высокой температурой и давлением конденсации становится причиной частых выходов из строя оборудования, а это ведет к убыткам от порчи продуктов;

Дополнительные расходы на кондиционирование увеличивают на 20-30% общие расходы предприятия на энергопотребление.

Намного эффективнее системы хладоснабжения, обслуживающие нескольких потребителей, - выносное и централизованное хладоснабжение.

Выносное хладоснабжение представляет собой систему хладоснабжения на базе автономных компрессорно-конденсаторных агрегатов, располагаемых в машинном отделении, изолированном от торговых помещений. При этом каждый агрегат может обеспечивать холодом несколько потребителей.

Централизованное хладоснабжение (централь) является разновидностью выносной системы хладоснабжения. Представляет собой многокомпрессорный блок с единым микропроцессорным управлением, как правило, на базе полугерметичных поршневых или спиральных компрессоров. Для среднетемпературных и низкотемпературных потребителей используются два раздельных контура.

В настоящее время такие установки получили наибольшее распространение в крупных продовольственных магазинах и супермаркетах.

При использовании системы централизованного хладоснабжения существенно снижаются не только эксплуатационные затраты, но зачастую и капитальные. И чем больше потребителей холода, тем выгоднее применять централизованное хладоснабжение.

Установка центрального хладоснабжения позволяет использовать теплоту конденсации для нужд отопления и подогрева технической воды.

В зависимости от холодопроизводительности и требований к ее регулированию она имеет от 2 до 6 компрессоров, включенных параллельно и имеющих общие системы нагнетания и всасывания. Такой компрессионный блок, изолированный от торговых и вспомогательных помещений, обеспечивает холодом 20-25 конечных потребителей, соединенных с ним хладомагистралями.

Кроме того, подобные системы проектируются с необходимым запасом мощности, что позволяет проводить плановoe обслуживание и экстренный ремонт любого холодильного агрегата без потерь хладоснабжения оборудования. Раньше такие системы выпускались в основном производителями престижных и дорогостоящих торговых марок. В настоящее время центральный холод доступен более широкому кругу потребителей.

Различают среднетемпературные и низкотемпературные установки централизованных систем с суммарной холодопроизводительностью до 80 кВт. Эти системы позволят рождать "бесшовную" линию витрин и до минимума снизить уровень шума в торговом зале.

Схему централизованного хладоснабжения см. на рис.

Долго люди пользовались только естественным охлаждением. Лишь в начале XIX в., когда ученые открыли новые свойства жидкостей и газов, удалось получить холод искусственно. Сначала искусственный холод применялся только для лучшего сохранения продуктов, но сейчас он стал помощником человека и на производстве. В жаркие дни он охлаждает воздух в заводских цехах, позволяет осуществлять в промышленных масштабах химические реакции, протекающие только при пониженной температуре. Холод применяют для замораживания грунтов при проходке шахт и тоннелей. Замерзший грунт служит хорошей преградой от проникновения воды. На многих заводах холодом обрабатывают сталь. После закалки ее охлаждают до -70° С и выдерживают при такой температуре несколько часов. Металл приобретает мелкозернистую структуру, становится более твердым и не таким хрупким. Теперь трудно назвать область техники, где искусственный холод не нашел бы применения. Прирученный холод стал нашим настоящим помощником и другом и на производстве, и в быту.

Как работают холодильные машины

Каждая жидкость кипит при определенной температуре. Однако температура кипения зависит от давления пара над жидкостью. Понижая давление лара, можно достигнуть понижения температуры кипения. При кипении жидкость - ее называют холодильным
агентом - отнимает тепло у охлаждаемого тела. Эффект охлаждения за счет кипения жидкости используется в паровых холодильных машинах.

Наибольшее распространение получили компрессионные паровые холодильные машины. Машины эти состоят из 4 основных узлов: испарителя, компрессора, конденсатора и регулирующего вентиля, Узлы соединены трубками и представляют собой единую герметичную систему, заполненную легкокипящим холодильным агентом.

Испаритель - это змеевиковая, обычно ребристая снаружи медная трубка. Он расположен непосредственно в шкафу или в камере. Благодаря непрерывному отводу пара в испарителе поддерживается низкое давление. Теплый жидкий холодильный агент, попадая в испаритель, начинает кипеть. Часть жидкости превращается в пар за счет тепла, которое она отбирает у остальной части жидкости. Поэтому температура оставшейся жидкости резко снижается. Оставшаяся жидкость продолжает уже кипеть при низкой температуре (-15° С и ниже), отбирая тепло из воздуха в камере. В результате воздух в камере охлаждается (примерно до 0° С).

Компрессор отсасывает пары из испарителя, поддерживая в нем низкое давление порядка 0,1-0,2 МПа, сжимает их и, направляет в конденсатор, давление в котором примерно 0,6-1 МПа (0,1 МПа = = 10 5 Па = 1 кгс/см 2). На сжатие паров затрачивается работа, и они нагреваются выше температуры окружающей среды. В конденсаторе пары охлаждаются воздухом (или водой) и снова превращаются в жидкость (конденсируются). Затем жидкий холодильный агент проходит через маленькое отверстие регулирующего вентиля. Давление жидкости при этом падает, и она снова поступает в испаритель, где в результате кипения охлаждает воздух в шкафу или камере.

В качестве холодильных агентов используют аммиак, фреон-12 и др.

Фреон-12 применяется в небольших машинах, которые охлаждают шкафы, прилавки и камеры в магазинах, столовых и ресторанах. Аммиак же используют для крупных промышленных холодильных машин.

Наряду с компрессионными существуют и другие типы паровых холодильных машин: эжекторные и абсорбционные (см. рис. на стр. 360 и 361).

В эжекторных машинах для отвода паров из испарителя используется подсасывающий эффект струи пара, которая с большой скоростью проходит через узкое отверстие сопла эжектора. Поскольку сумма кинетической энергии пара (пропорциональная квадрату его скорости) и статического давления пара величина постоянная (уравнение Бернулли), то около струи пара, движущейся с большой скоростью, создается вакуум. Поэтому пары из испарителя по трубке поступают в камеру эжектора. При расширении в диффузоре скорость пара падает и давление его снова растет. При охлаждении в конденсаторе сжатый пар конденсируется. Часть его через вентиль подается снова в испаритель, а часть насосом - в паровой котел, где при кипении создается пар высокого давления (рабочий пар), который поступает в сопло эжектора, и цикл повторяется.

В абсорбционных машинах пары отводятся из испарителя путем поглощения и растворения их жидкостью в специальном аппарате - абсорбере. Насыщенный раствор насосом направляется в генератор, где его подогревают. Пары из раствора при этом выделяются. Слабый раствор через регулирующий вентиль 1 возвращается в абсорбер, а пары поступают в конденсатор. Там, охлаждаясь, они превращаются в жидкость, которая, проходя через регулирующий вентиль 2, снова поступает в испаритель.

В последние годы в холодильной технике внедряется термоэлектрическое охлаждение. На рисунке показана термобатарея, составленная из полупроводниковых элементов - А и В, соединенных медными пластинами М. При прохождении постоянного тока нижний спай пластины М с элементом А нагревается, а верхний охлаждается. У элемента Б холодный спай расположен на входе тока, а не на выходе, но также сверху. Таким образом, одна сторона термобатареи холодная, другая - теплая. Такая термобатарея вставляется в заднюю стенку домашнего холодильника и, отводя тепло от шкафа, через теплую сторону передает его наружу в окружающую среду. Элементы А делают, например, из свинца и теллура, а элементы Б - из сурьмы и теллура.

Термоэлектрические холодильники несколько менее экономичны, чем компрессионные, но зато они бесшумны и более надежны.

Как используют искусственный холод

Для хранения продуктов строят крупные холодильники. Производственный холодильник - это большое здание без окон, со стенами, облицованными изнутри теплоизоляционными материалами с низкой теплопроводностью. Здание разбито на отдельные камеры. В каждой из них хранятся определенные продукты и поддерживается нужная температура. Опыт показал, что для каждого продукта есть вполне определенные границы температуры, позволяющие дольше всего сохранять его вкусовые и питательные качества. Сама холодильная машина расположена в отдельном помещении, а холодильный агент направляется в охлаждающие батареи, расположенные в камерах.

Схема устройства компрессионного холодильника.

Домашний компрессионный холодильник "ЗИЛ".

Принципиальная схема работы пароводяного эжекторного холодильника.

Для хранения и перевозки рыбы используют сударефрижераторы - плавучие холодильники. По железным дорогам скоропортящиеся продукты долгое время перевозили только в вагонах-ледниках. В специальные "карманы" этих вагонов загружали лед. Теперь появились целые поезда-рефрижераторы. В одном вагоне располагаются холодильная машина и двигатель, который приводит ее в действие, другие вагоны - это холодильные камеры. Часто на улицах города можно видеть автомобиль с длинным закрытым серебристым кузовом. Это авторефрижератор. В передней части кузова помещается холодильная машина. Компрессор ее приводится в движение двухтактным мотоциклетным двигателем. Испаритель расположен в холодильной камере, занимающей остальную часть кузова. Для более равномерного охлаждения продуктов в камере помещен вентилятор, создающий циркуляцию воздуха. В таких авторефрижераторах поддерживается температура -16° С.

Схема устройства абсорбционного холодильника.

Термобатарея - основной агрегат термоэлектрических холодильников (а) и схема одного термоэлемента (б).

Свежие продукты, доставленные в города, попадают в магазины, столовые. Там тоже имеются холодильные камеры, шкафы. Они полностью автоматизированы. Для хранения молока, например, требуется температура от 2° до 4° С. При достижении температуры 2° С компрессор автоматически выключается. Когда температура в шкафу из-за притока тепла поднимется до 4° С, давление паров фреона-12 в испарителе возрастет и реле давления снова включит компрессор.

Так же работают и наиболее распространенные домашние компрессионные холодильники: "ЗИЛ", "Минск", "Полюс". Между двойными стенками холодильника проложена изоляция, препятствующая проникновению тепла внутрь. Внутри холодильника в верхней части расположен испаритель. Основные узлы холодильной машины - компрессор с электродвигателем в герметическом кожухе и змеевиковый конденсатор - расположены на задней стенке шкафа. Автоматическое включение и выключение компрессора в тот момент, когда в шкафу достигнута необходимая температура, производит специальное реле температуры. Установив ручку реле температуры на определенном делении шкалы, вы получите нужную температуру в шкафу.

В настоящее время применяются новые методы хранения продуктов. Оказывается, если их заморозить очень быстро, то они гораздо дольше и лучше сохраняют свои вкусовые свойства. Например, свежеиспеченные булочки, став от резкого воздействия холода твердыми, как камень, могут в таком состоянии храниться до 2 месяцев. Если их прогреть 10 мин в духовке, булочки снова станут мягкими и ароматными. Таким же образом можно долго сохранять фрукты, овощи, даже готовые обеды.

Быстрое охлаждение производят в специальных скороморозильных аппаратах. Чтобы ускорить охлаждение, вентилятор гонит в этих аппаратах холодный воздух с очень большой скоростью.

А знаете ли вы, как делают мороженое?

Молоко или сливки смешивают с сахаром и водой, нагревают до 75° С и выдерживают в течение получаса. При этом погибают все микроорганизмы. Затем смесь фильтруют, и с помощью специального насоса давление повышается до 15 МПа. Под таким большим давлением ее с громадной скоростью пропускают через маленькое отверстие, причем на пути помещают твердую преграду. Жировые частички, ударяясь о нее, разбиваются на мельчайшие брызги (до одного микрометра), и смесь становится совершенно однородной.

Схема получения глубокого холода - температур ниже - 120° С.

Теплая масса выливается на трубки охладителя. В верхних трубках протекает холодная вода, а в нижних - холодильный агент с температурой от -5 до -6° С. Смесь охлаждают до +4° С и направляют в холодильный аппарат - фразер. Это горизонтально расположенный цилиндр с двойными стенками, между которыми под низким давлением кипит аммиак. Он охлаждает поступающую смесь до температуры -4°С; одновременно ее взбивают и насыщают воздухом. Вращающиеся ножи снимают с внутренней стенки загустевшую, как сметана, массу. Мороженое разливают в формочки и замораживают при -20 или -25° С. Готовые порции мороженого кладут между двумя вафлями или. обливают шоколадом, после чего остается только завернуть их в бумагу.

Глубокий холод

До сих пор мы говорили об искусственном холоде, применяемом в пищевой промышленности для хранения и транспортировки продуктов питания, где обычно не требуются температуры ниже -40° С. Однако статья об искусственном холоде была бы неполной без рассказа о "глубоком" холоде (температура ниже -120° С).

Получать температуры ниже -120° С с помощью компрессионных установок сложно и невыгодно. Для этой цели применяют другие методы.

Если сжатый газ направить в цилиндр, то он расширится и переместит поршень, совершив при атом работу. Теряя свою энергию, газ сильно охлаждается. Такая машина называется детандером. Если сжатый газ направить на лопатки вращающегося колеса- турбодетандера, то и в этом случае, вращая ротор, он резко снизит свою температуру. Так, при падении давления с 0,6 до 0,1 МПа воздух охлаждается с 20° до -90° С.

В установке для получения жидкого воздуха сжатый в компрессоре до 0,6-0,6 МПа воздух, прежде чем попасть в турбодетандер, охлаждается в теплообменнике. Из турбодетандера еще более охлажденный воздух поступает в конденсатор. Там он охлаждает и превращает в жидкость другую часть воздуха, которая под давлением 0,5-0,6 МПа поступает из теплообменника в межтрубное пространство конденсатора. Через вентиль жидкий воздух направляется в нижнюю часть конденсатора, где давление уже 0,1 МПа. Оттуда его можно слить в специальный сосуд Дьюара, где благодаря изоляции, создаваемой безвоздушным пространством между двойными стенками, жидкий воздух можно сохранять долгое время.

Получение сверхнизких температур позволило открыть интересные свойства различных веществ. Так, резина в жидком воздухе становится хрупкой, некоторые металлы начинают очень хорошо проводить электрический ток, а свинцовый колокольчик приобретает звучание чистого серебра.

Важнейшее применение глубокого холода - сжижение газов. Каждый газ имеет свою критическую температуру. Пока температура его выше критической, никаким давлением нельзя превратить его в жидкость. При современном развитии холодильной техники стало возможным охлаждать газы намного ниже их критической температуры и превращать их в жидкость при невысоких давлениях. Это позволило дешевым способом получать многие нужные нам газы. Так, если постепенно подогревать жидкий воздух, то сначала из него выделяется азот, имеющий более низкую температуру кипения, а жидкий кислород остается в сосуде. Этот способ получения кислорода широко применяется в промышленности.

Компрессорные холодильные установки являются основными потребителями электроэнергии на предприятиях по переработке и хранению скоропортящихся пищевых продуктов, что требует изыскивать резервы для экономии энергоресурсов. Поскольку для большей части территории нашей страны характерны продолжительные зимы с низкими температурами воздуха, весьма перспективным направлением экономии энергоресурсов является широкое применение естественного холода. Отметим несколько направлений использования естественного холода.

Наиболее простым и распространенным способом является непосредственная подача холодного воздуха в камеры охлаждения или хранения продуктов, когда наружная температура воздуха равна или ниже требуемой в камерах. В наружных стенах делаются отверстия для забора воздуха с помощью вентилятора и выпуска его через лепестковый обратный клапан (рис. 94). Раздача воздуха в камере производится через воздуховод с регулируемыми окнами, которые автоматически закрываются шиберами при остановке вентилятора. Температура в камере поддерживается двухпозиционным реле температуры, включающим или отключающим вентилятор. При размещении в камере неупакованных продуктов на всасывании вентилятора необходимо установить фильтры очистки воздуха от пыли и микроорганизмов (например, ЛАИК СП-6/15 или ЛАИК СП-6/15А). Установлено, что в районах с относительной влажностью воздуха 85 % и выше в камерах с неупакованной продукцией можно применять наружный воздух без увлажнения. В других случаях предусматривается система увлажнения воздуха. Учитывая сезонность использования естественного холода, целесообразно сочетать в камерах оборудование для естественного и искусственного охлаждения. При работе с искусственным охлаждением в летний период отверстия в ограждениях закрываются теплоизолированными люками. Для основных районов массового выращивания картофеля и овощей период хранения совпадает с периодом устойчивого стояния достаточно низких температур наружного воздуха. В связи с этим получает широкое распространение способ хранения продукции насыпью в условиях активного вентилирования с использованием естественного холода. Подача наружного воздуха осуществляется вентилятором в воздуховод переменного сечения, расположенный под перфорированным полом хранилища (рис. 95). Подаваемый воздух увлажняется, проходит через продукты снизу вверх и удаляется из хранилища через дефлектор. Вентилятор и увлажнитель автоматически включаются в работу по сигналу от датчиков дифференцированных терморегуляторов при температуре наружного воздуха на 2…3°С ниже температуры, которую имеет масса продукта. Увлажнение воздуха осуществляется водяным паром или распылением воды. Оптимальные значения влажности воздуха перед поступлением к продукту 90 % и более, а удельного расхода воздуха на 1 т продукции - более 100 м 3 /ч.

В молочной промышленности также широко распространено охлаждение хладоносителя с помощью наружных теплообменных аппаратов или в градирнях. В качестве теплообменных аппаратов можно использовать стандартные воздухоохладители с высокой степенью оребрения и мощными вентиляторами (например, ВОГ-230), устанавливаемые вне помещения (на крыше компрессорного цеха). Учитывая ограниченное время работы теплообменных аппаратов, использующих природный холод, общая схема циркуляции хладоносителя (воды, рассолов) должна быть мобильной и иметь переключения в расчете на разные режимы работы: охлаждение хладоносителя только наружными теплообменными аппаратами; совместная работа наружных аппаратов и испарителей холодильной установки; охлаждение хладоносителя только в испарителях холодильной установки. В зимнее время ледяную воду можно получать в градирнях при полном или частичном отключении холодильного оборудования. На рис. 96 показана схема подключения градирни для охлаждения хладоносителя, работающая в трех режимах: аккумулирование холода в ночное время, контур циркуляции хладоносителя (градирня - бак - насос); охлаждение технологического оборудования аккумулированным холодом и подохлаждение хладоносителя в градирне; охлаждение хладоносителя в испарителе. Параметром, по которому выбирается тот или иной способ охлаждения, является температура хладоносителя, поступающего в технологические аппараты.

Стандартные градирни типа ГПВ используются для получения воды с температурой 1…4°С при наружной температуре воздуха –5 °С и ниже. Недостатком устройства пленочных градирен является льдообразование на элементах конструкции, что приводит к резкому уменьшению количества циркулирующего воздуха и. повышению температуры охлажденной воды. Этот недостаток устранен в установке марки Я10-ОУ0 для естественного охлаждения в зимнее время циркуляционной воды. Она обеспечивает охлаждение воды от 10 до 5±1°С при температуре окружающего воздуха от –5 °С и ниже. В летний период установка выполняет функции градирни в системе оборотного водоснабжения. Для периодического удаления льда предусмотрена система оттаивания. Градирня монтируется на открытой площадке с обеспечением свободного слива из поддона в блок накопления, при этом разность отметок между сливным патрубком поддона и уровнем воды в блоке накопления не менее 1 м.
Заслуживает особого внимания способ аккумуляции зимнего холода путем намораживания ледяных буртов, позволяющий значительную часть летнего времени обходиться без машинного охлаждения, что дает экономию энергоресурсов, смазочных материалов, увеличивает срок службы оборудования.
Еще один резерв экономии электроэнергии за счет естественного холода - применение воздушных конденсаторов, которые можно использовать в качестве форконденсаторов в сочетании с кожухотрубными и испарительными конденсаторами. В зимний период воздушные форконденсаторы могут взять на себя всю тепловую нагрузку от установки, при этом температура конденсации может быть сколь угодно низкой, что приводит к экономии электроэнергии на выработку холода. Использование природного холода для охлаждения является неисчерпаемым источником эффективных технических решений, причем сочетанием двух и более видов естественного охлаждения могут быть достигнуты достаточно высокие технико-экономические показатели.

Процесс понижения температуры тела называется охлаждени­ем. Различают естественное и искусственное охлаждение.

Естественное охлаждение позволяет охладить тело до темпера­туры окружающей среды. Такое охлаждение обеспечивает холод­ная вода или воздух.

Для охлаждения до температуры более низкой, чем температу­ра окружающей среды, применяется искусственное охлаждение, которое можно осуществить с помощью любого физического про­цесса, связанного с отводом теплоты.

Искусственное охлаждение используется при проведении про­цессов абсорбции, кристаллизации, разделения газов, сублима­ционной сушки и кондиционирования воздуха.

С помощью холодильных смесей можно получать довольно низ­кие температуры. Смесь льда и СаС1 2 (до 30 %) позволяет достичь температуры -55 °С. Однако для осуществления охлаждения таким способом требуется много льда и соли, поэтому его применение ограниченно.

В современных холодильных машинах используется свойство ряда низкокипящих сжиженных газов (аммиак, хладоны, диоксид уг­лерода и др.) при испарении поглощать из окружающей среды большое количество теплоты.

Искусственное охлаждение можно разделить на умеренное (до температуры -100 °С) и глубокое (до более низкой температуры).

В промышленности глубокое охлаждение применяют для сжи­жения разделяемых парогазовых и газовых смесей. Полученные таким способом газы широко используются в химической про­мышленности: азот - для получения химических удобрений, кис­лород, метан и этилен - для производства минеральных кислот и т.п.

В установках искусственного холода осуществляют необходи­мое снижение температуры рабочего тела. По агрегатному со­стоянию рабочего тела холодильные установки подразде-

ляют на газовые, газожидкостные, парожидкостные и адсорбционные (с применением твердой фазы).

Искусственное охлаждение в большинстве случаев осуществ­ляется двумя методами:

Испарением низкокипящих жидкостей;

Расширением различных предварительно сжатых газов с по­мощью дросселирования или детандирования.

При испарении низкокипящих жидкостей последние охлажда­ются за счет уменьшения внутренней энергии.

Дросселирование представляет собой процесс расширения газа при его прохождении через сужающее устройство, в результате чего давление газа снижается. Энергия, необходимая для расши­рения газа при дросселировании, когда поступление теплоты из­вне отсутствует, может быть получена только за счет внутренней энергии самого газа. Дроссельный эффект (эффект Джоуля-Том­сона) - это изменение температуры газа при дросселировании в условиях отсутствия теплообмена с окружающей средой.

Детандирование - это расширение газа в расширительной ма­шине - детандере. По своей конструкции этот агрегат аналогичен поршневому компрессору или турбокомпрессору. При детандировании газ охлаждается вследствие снижения внутренней энергии и совершения внешней работы.

В наших рассказах о различных современных технологиях, позволяющих рационально использовать энергию и получать ее из так называемых альтернативных источников, мы упустили такой важный инструмент как тепловой насос. Тепловые насосы становятся все более распространенными в развитых странах из-за растущих цен на энергоносители и высокой эффективности этих самых тепловых насосов. О реалиях применения тепловых насос у нас читайте статью о перспективах использования тепловых насосов на русском и украинском языках.

Тепловой насос - устройство для переноса тепловой энергии от источника низкопотенциальной тепловой энергии (с низкой температурой) к потребителю (теплоносителю) с более высокой температурой. В основе работы теплового насоса лежит физический принцип – так называемый «цикл Карно», который был разработан и описан еще в 19-м веке. Цикл Карно назван в честь французского физика Сади Карно, который впервые его исследовал в 1824 году. Но техническая возможность воплощения идеи в жизнь появилась только в 20-м веке.

“Сколько нужно снежков, чтобы натопить печь?” - так иронизировал двести лет тому назад знаменитый философ Д. Дидро. Его насмешливый вопрос, как оказалось не лишен смысла.

Теоретически источником тепла может быть любое вещество, температура которого выше абсолютного нуля: воздух, скалистая порода, вода и даже снег. Вспомните, как работает самый обыкновенный домашний холодильник. Ведь теплота, отнимаемая от охлаждаемых продуктов, теплота конденсации и теплота замерзания влаги, т. е. теплота образования снега и его охлаждения, выделяется из холодильника и обогревает комнату. В этом легко убедиться, приложив руку к задней, иногда боковой, стенке холодильника: она всегда теплая.

Таким образом, холодильная машина может с успехом служить и для отопления. Вместо того, чтобы прямо расходовать электроэнергию на электрические тэны, обогревающие дом, может лучше ее использовать для осуществления термодинамического цикла и отапливать с ее помощью дом снегом? Докажем, что это вполне возможно.

Пусть температура снега на улице -3°С (предположим, что зима теплая, сущность вопроса это не изменит, а расчет упростит; можно снег заменить холодной водой из реки или хоть даже из Ледовитого океана - будет еще выгоднее). Температуру отопительных приборов в здании установим 27° С. Разность температур равна 30° С. Абсолютная температура нагревателя 27 + 273 = 300 К. КПД тепловой машины, работающей между такими близкими температурными пределами, очень мал - всего только 0,1. (КПД=30/300=0,1). Это значит, что если мы захотим получать в такой машине работу, то из каждых 10 Дж тепла, полученных от нагревателя, в самом лучшем случае мы можем превратить в работу только 1 Дж.

Но если мы заставим ту же машину работать в обратном направлении, то, затратив работу, эквивалентную только 1 Дж, сможем передать нагревателю (печке) целых 10 Дж, из которых 9 Дж будут получены от холодильника (снега). Рассмотрим как же работает тепловой насос:

1. Теплоноситель, проходя по трубопроводу, уложенному, например, в землю нагревается на несколько градусов. Внутри теплового насоса теплоноситель, проходя через теплообменник, называемый испарителем, отдает собранное из окружающей среды тепло во внутренний контур теплового насоса.

2. Внутренний контур теплового насоса заполнен хладагентом. Хладагент, имея очень низкую температуру кипения, проходя через испаритель, превращается из жидкого состояния в газ. Это происходит при низком давлении и низкой температуре.

3. Из испарителя газообразный хладагент попадает, в компрессор, где он сжимается, его температура повышается.

4. Далее горячий газ поступает во второй теплообменник (конденсатор). В конденсаторе происходит теплообмен между горячим газом и теплоносителем из обратного трубопровода системы отопления дома. Хладагент отдает свое тепло в систему отопления, охлаждается и снова переходит в жидкое состояние, а нагретый теплоноситель системы отопления поступает к отопительным приборам.

5. При прохождении хладагента через редукционный клапан - давление понижается, хладагент попадает в испаритель, и цикл повторяется снова.

Тепловые насосы используются в холодное время года для отопления помещения, а в теплое время года их используют для охлаждения воздуха в доме. Принцип работы такого насоса при охлаждении помещения такой же, как и при отоплении. Только тепло в этом случае забирается из воздуха в помещении и отдается земле или водоему.

В данном случае принцип работы теплового насоса практически полностью совпадает с принципом работы холодильника.

В общем, тепловой насос - это просто другое название холодильника, который представляет собой машину Карно, работающую в обратном направлении. Холодильник перекачивает тепло из охлаждаемого объема в окружающий воздух. Если поместить холодильник на улице, то, извлекая тепло из наружного воздуха и передавая его вовнутрь дома, то можно таким нехитрым способом обогревать помещение.

Отопление дома тепловыми насосами