Атомная энергеик

В адиабатном процессе расширения (3-4) холодильный агент понижает свою температуру от температуры Тк до температуры охлаждаемого объекта То. При этой температуре начинается процесс испарения жидкого хладагента, который протекает при постоянной температуре То и сопровождается поглощением скрытой теплоты парообразования (4-1).

Площадь заштрихованного прямоугольника 1-2-3-4 изображает внешнюю работу l, которую надо затратить для передачи тепла (q0) 1 кг хладагента от охлаждаемого объекта теплой окружающей среде. Отведенное тепло (q0) выражается площадью прямоугольника а-1-4-б.

Цикл Карно является идеальным циклом. Он предполагает, что температура охлаждаемой среды То не понижается, а температура окружающей среды Тк не повышается. Кроме того, в этом процессе предполагается отсутствие разности температур между источниками тепла и холодильным агентом, т.е. То, является температурой кипения холодильного агента и охлаждаемого объекта, а Тк – температура конденсации холодильного агента и окружающей среды.

Практически температура охлаждаемого объекта всегда должна быть выше температуры кипения холодильного агента. Тогда тепло от охлаждаемого объекта самопроизвольно перейдет к более холодному холодильному агенту в процессе 4-1. Температура окружающей среды, т.е. воздуха или воды, должна быть ниже температуры сжатых паров холодильного агента, тогда произойдет охлаждение и конденсация паров.

Исследования показали, что не существует других холодильных циклов, в которых работа, затраченная на передачу тепла от холодного источника к теплому, была бы меньше, чем в цикле Карно.

Действительные, реальные циклы холодильных машин отличаются от теоретического цикла Карно. Однако при создании холодильных машин стремятся к тому, чтобы совершающийся в них цикл как можно больше приближается к циклу Карно.

 

1.3 Одноступенчатая паровая  компрессионная холодильная машина

 

Машины, в которых выработка холода производится за счет кипения жидкости с последующим сжатием образовавшихся паров в компрессоре, называются паровыми компрессионными машинами.

Паровая компрессионная холодильная машина состоит из четырех основных узлов: испарителя 2, компрессора 1, конденсатора 4 и регулирующего вентиля 3, соединенных между собой трубопроводами в замкнутую герметичную систему, в которой циркулирует холодильный агент.

Испаритель служит для кипения в нем холодильного агента, благодаря чему отбирается тепло от охлаждаемого объекта.

Компрессор служит для отсасывания паров из испарителя, что обеспечивает низкое давление кипящего холодильного агента, и для сжатия паров до такого высокого давления, при котором они могут сжижаться в конденсаторе.

В конденсаторе перегретые после сжатия в компрессоре пары сначала охлаждаются до температуры конденсации, а затем отдают скрытую теплоту парообразования, после чего насыщенные пары превращаются в жидкость.

Регулирующий вентиль дросселирует жидкий холодильный агент от давления конденсации до давления кипения в испарителе и регулирует подачу холодильного агента в испаритель.

В испаритель надо подавать столько жидкости в единицу времени, сколько успевает ее выкипеть и в виде паров отсасывается компрессором.

Благодаря затрате энергии на привод компрессора, холодильный агент, циркулируя по системе и меняя свое агрегатное состояние, отбирает тепло от охлаждаемого объекта и передает его охлаждающей воде в конденсаторе. Все тепло, забираемое в охлаждаемом объеме (Q0), и тепло, которое получают пары холодильного агента при сжатии в компрессоре (Qе ), передается охлаждающей воде конденсатора (Qк).

Qк = Q0 + Qе – это равенство называется тепловым балансом паровой компрессионной холодильной машины.

 

1.4 Многоступенчатая паровая  компрессионная машина

 

В тех случаях, когда в паровой компрессионной машине должна быть достигнута сравнительно низкая температура, а также, когда охлаждающая конденсатор среда имеют температуру свыше 30' С и выше, компрессор должен работать со значительной степенью сжатия.

Высокая степень сжатия приводит к снижению производительности компрессора за счет уменьшения подачи свежего хладагента в цилиндр из-за расширения паров, оставшихся в нем от предыдущего сжатия, образования нагара в цилиндрах из-за высокой температуры сжатия, а также из-за глубокого дросселирования жидкого хладагента.

Чтобы повысить экономичность холодильных машин такого типа, при степени сжатия, равной восьми и более, применяют двухступенчатое сжатие и двухступенчатое дросселирование.

В двухступенчатой холодильной машине можно получить одну или две температуры испарения, что позволяет снабжать потребителей холодом двух параметров.

Цикл холодильной машины с двухступенчатым сжатием характеризуется последовательным сжатием паров в цилиндре низкого давления ЦНД и цилиндре высокого давления ЦВД с промежуточным охлаждением паров водой и за счет кипения хладагента.

Рабочий цикл совершается в следующем порядке: сухие пары, образовавшиеся в испарителе низкого давления F, засасываются цилиндром компрессора низкого давления В. После сжатия до промежуточного давления перегретые газы сначала охлаждаются при том же давлении водой в водяном охладителе G, а затем, за счет испарения части хладагента в особом аппарате – промежуточном сосуде Д.

После этого цилиндр высокого давления А засасывает:

Охлажденный насыщенный пар из ЦНД;

Пар, образовавшийся в промежуточном испарителе Е;

Пар, образовавшийся в промежуточном сосуде Д при первом дросселировании. Тепло этого пара пошло на снятие температуры перегрева паров, поступивших из ЦНД.

Смесь паров сжимается в ЦВД, перегретые пары охлаждаются и переходят в жидкое состояние в конденсаторе С. Затем жидкость переохлаждается в конденсаторе С и дросселируется. Проходя через промежуточный сосуд, жидкость разделяется на два потока: идет в испаритель промежуточного давления и через регулирующий вентиль или клапан в испаритель НД. Образовавшиеся из этих потоков пары хладагента после промежуточного сосуда засасываются в ЦВД.

Многоступенчатое сжатие может быть осуществлено системой отдельно работающих холодильных машин – каскадом. В каскадных схемах испаритель высшей ступени служит одновременно конденсатором низшей ступени. В нижней ветви каскада, как правило, используется рабочее тело с очень низкой температурой замерзания, а в верхних ветвях – с более высокой.

 

2. Холодильные агенты и  промежуточные хладоносители

 

Требования, предъявляемые к холодильным агентам

 

Как ранее отмечалось, рабочие тела холодильных машин носят название холодильных агентов или хладагентов. Для осуществления рабочего процесса в холодильной машине может быть использована любая жидкость, при испарении которой от охлаждаемой среды можно отвести необходимое количество тепла с понижением температуры до заданных пределов. Однако от того, какой хладагент применен в холодильной установке, зависят конструкция ее машин и теплообменной аппаратуры, вес, габариты и др.

Практически в качестве хладагентов применяются вещества, имеющие сравнительно низкую температуру кипения.

Требования, предъявляемые к хладагентам, можно свести в четыре группы:

1. термодинамические. К ним  относятся температура и давление  испарения, температура и давление  конденсации, теплота испарения, удельная  холодопроизводительность, температура замерзания.

Температура испарения хладагента в рабочем режиме должна быть по возможности такой, чтобы давление в испарителе превышало атмосферное. Это позволяет избежать вакуума в аппаратах и связанного с ним проникновения воздуха в систему, ухудшающего работу холодильной машины.

Температура конденсации должна быть такой, чтобы давление конденсации не превышало 10 / 20 кгс/см2, так как более высокое давление требует более громоздкой аппаратуры.

Теплота испарения хладагента и определяемая ею холодопроизводительность должна быть как можно большей. Чем больше теплота парообразования 1 кг хладагента, тем меньше хладагента должно циркулировать в системе.

Холодопроизводительность единицы объема хладагента тоже должна быть как можно большей. Чем она выше, тем меньшие размере имеют машины и аппаратура холодильной установки и тем меньше затраты энергии на циркуляцию хладагента.

2. физико-химические. К ним  относятся: плотность, вязкость, коэффициент  теплопроводности, химическая стойкость  при контакте с металлами, влагой.

Желательно, чтобы плотность и вязкость хладагентов были небольшими, это уменьшает расходы энергии на их циркуляцию. Они должны быть устойчивыми к растворению маслами. Это уменьшает унос масла из компрессоров и способствует лучшей сохранности смазки.

Хладагенты не должны вызывать коррозию материалов, из которых изготовлены аппараты холодильных установок, хорошо растворять влагу во избежание ее вымерзания на стороне испарения и обладать достаточной химической стойкостью.

3. Физиологические. Хладагенты  должны быть безвредными для  обслуживающего персонала, легко  обнаруживаться при утечках, не  портить продукцию тех производств, где они применяются.

4. экономические. Хладагенты  должны быть доступны и дешевы.

Развитие холодильной техники привело к необходимости специализации холодильных агентов по типам компрессорных машин, зонам температур кипения (высокотемпературные, умеренного холода, низкотемпературные), числу ступеней (одно- и двухступенчатые, каскадные).

Одним из наиболее распространенных холодильных агентов является аммиак. Однако в современных холодильных машинах все большее применение находят фреоны – холодильные агенты, получаемые из метана, этана и пропана путем замещения атомов водорода на атомы фтора и хлора.

Крупные холодильные установки химической и нефтеперерабатывающей промышленности являются потребителями большого количества холодильных агентов, поэтому в качестве хладагентов выгодно использовать продукты, вырабатываемые на данном предприятии или используемые на нем в виде исходного сырья.

 

2.2 Свойства важнейших  холодильных агентов

 

Аммиак. Получается синтетическим путем из водорода и азота воздуха. Относится к сжиженным газам. По термодинамическим свойствам, дешевизне и доступности является одним из лучших хладагентов.

Давление испарения аммиака в диапазоне рабочих температур от -40 до 0 С колеблется от 0,8 до 4,4 кгс/см2, а давление конденсации не превышает 13-14 кгс/см2.

Холодопроизводительность 1 м3 паров аммиака выше, чем у других хладагентов. С понижением температуры кипения объемная холодопроизводительность аммиака падает.

Основной недостаток аммиака – высокая токсичность. При любых концентрациях он вызывает сильное раздражение дыхательных путей, глаз, пищевода.

Аммиак коррозирует цветные металлы: цинк, медь и ее сплавы, поэтому в аммиачных холодильных станциях запрещается применять изделия из этих материалов. Масло в аммиаке почти не растворяется, зато в одном объеме воды можно растворить более 1000 объемов аммиака.

Благодаря резкому запаху можно легко определить даже незначительные утечки аммиака. Места утечки определяют индикаторами: бумажкой, пропитанной фенолфталеином, или тканью, пропитанной фенолротом.

Для определения содержания аммиака в воздухе рабочих помещений холодильных станций используют переносные универсальные газоанализаторы типа УГ-2, показывающие содержание аммиака, начиная с 30 мг/м3 воздуха.

Транспортируют аммиак в баллонах и железнодорожных цисцирнах.

Фреон-12 – дифтордихлорметан получил, благодаря своей безопасности и относительной безвредности, широкое распространение. Следует, однако, помнить, что в отличии от аммиачных паров, пары фреона тяжелее воздуха и при утечках скапливаются в нижних зонах рабочих помещений, которые должны быть оборудованы вытяжной вентиляцией.

Фреон-12 не имеет специфического запаха, поэтому для обнаружения его утечек применяют галоидные горелки. При утечке фреона пламя приобретает зеленоватый цвет. Иногда для обнаружения утечек устанавливают автоматические газоанализаторы, которые отбирают контрольные пробы воздуха.

При температуре 400 С и выше фреоны разлагаются с образованием фтористого и хлористого водорода и частично фосгена – крайне ядовитого вещества, поэтому курение и пользование открытым огнем в помещении запрещается.

Меньше чем у аммиака давление конденсации позволяет изготовить поршневые компрессоры на фреоне-12 с диаметром цилиндра в 1,3 раза большим, чем у аммиачных. Температура перегрева паров на нагнетании у фреона-12 не превышает 70 С, поэтому компрессоры иногда не снабжают охлаждающими рубашками.

Вода во фреоне не растворяется. Поэтому перед заправкой фреона в холодильные машины их тщательно сушат. Влага, попавшая в систему с фреоном, будем замерзать в испарителях и регулирующих вентилях.

Фреоны отличаются крайней летучестью, они проникают даже через поры обыкновенного чугуна. Уплотнение фреоновых систем и высокое качество соединений фреоновых установок – основная задача эксплуатационного и монтажного персонала.