27. Системы производства холода общие сведения

Реализация в середине XIX в. промышленных технологий произ­водства искусственного холода путем трансформации теплоты коренным образом расширила масштабы использования низких температур, способствовала внедрению новых прогрессивных технологий, требующих низкотемпературных теплоносителей. Уже сегодня рефрижераторные установки позволяют осуществить про­мышленный теплоотвод при температурах, близких к абсолютному нулю.

Работа рефрижератора (от лат. refrigero — охлаждаю) состоит в выработке холода путем отвода теплоты от объекта, температура которого Т„ ниже температуры окружающей среды (воздуха) Тос. В зависимости от величины Тн рефрижераторы делятся на две груп­пы: холодильники, работающие при Тн≥ — 150 °С, и крио­генные (от греч. kryos — холод и genes — рождающий) установки, работающие при Тн ниже — 150 °С.

Установки производства холода (Тн не выше —150 °С) нашли исключительно большое распространение в металлургических, машиностроительных, пищевых и иных промышленных технологиях, а также электронной, радиотехнической промышленности (Тн выше — 150 °С) и медицине.

По принципу работы рефрижераторные установки подразде­ляются на термомеханические, в основу работы которых положены процессы повышения и понижения давления рабочего тела, и электромагнитные, работа которых основана на использовании электрических либо магнитных полей. Системы производства холода с установками первого типа находят исключи­тельное применение в промышленности. Они в свою очередь подразделяются на компрессионные, сорбционные и струйные.

В компрессионных рефрижераторах повышение давления рабо­чего тела (водяной пар, фреон и др.) достигается механическим сжатием или нагреванием. Причем в парожидкостных и газо­жидкостных компрессионных установках агрегатное состояние рабочего тела — конденсация при сжатии и испарение при расши­рении (Т<Ткр). В газовых компрессионных установках агрегатное состояние рабочего тела в цикле не изменяется, так как в любой точке его Т> Ткр (рис. 4.1).

28. Хладоагенты и криоагенты, применяемые в системах производства холода

Холодильные жидкости, циркулирующие в системах, не должны быть токсичными, горючими, взрывоопасными и разрушающе дей­ствующими на элементы оборудования, а в энергетическом отно­шении они должны при испарении поглощать значительное количе­ство теплоты, имея малые удельные объемы испаряющихся (обра­зующихся) паров, а также умеренные давления при испарении и конденсации. В этом отношении наиболее дешева, доступна и инертна вода. Однако удельный объем образующихся паров весьма велик, что обусловливает ее применение только в аппаратах струйного типа или турбокомпрессорах.

До настоящего времени в холодильных установках технологи­ческого назначения с поршневыми компрессорами в качестве хладагента применялся аммиак — резко и неприятно пахнущий газ, ядовитый даже при небольших концентрациях, воспламеняющийся при нагревании. Область применения аммиака опреде­ляется его тройной точкой (температурой — 77,7 °С). Основными преимуществами этого хладагента являются: малый удельный объем при температурах испарения в основной области его исполь­зования, значительная скрытая теплота парообразования, неболь­шая растворимость в масле и простота обнаружения утечек благо­даря резкому и неприятному запаху. Наряду с этим аммиак не ока­зывает разрушающего воздействия на стальные элементы аппаратов (конденсаторы и испарители), но в смеси с водой разъедает медь, цинк, бронзу и другие медные сплавы, за исключением фос­форитной бронзы.

Особое место занимают фреоны (хладоны) — галоидопроизводные предельных углеводородов. Для удобства установлено следующее сокращенное цифровое обозначение фреонов (хладонов): после буквы Ф (сокращенно фреон) записывается число, определяющее производную, а также наличие и количество атомов водорода и фтора. Так, фреон, производный от метана, обознача­ется числом 1, этана — 11, пропана — 21, бутана — 31. К этому числу справа приписывается цифра, соответствующая числу атомов фтора. При наличии во фреоне незамещенных атомов водорода цифровой ряд записывается в том же порядке, где вторая цифра увеличивается на число атомов водорода.

Фреоны (хладоны) Ф-12 (CF2C12) и Ф-22 (CHF2CI) очень широко распространены в компрессионных системах производства холода в качестве хладагента. По степени вредности они относятся к шестому (Ф-12) и пятому (Ф-22) классам (к пятому классу относятся хладоагенты, вредное влияние которых при объемной концентрации в воздухе, равной 20 %, сказывается при воздействии на человеческий организм более 2 ч; к шестому — хладоагенты, которые при объемной концентрации свыше 20 % не оказывает вредного влияния при воздействии в течение 2 ч). В компрессионных установках хладоны используют при температуре испарения выше — 40 °С,

а в турбокомпрессионных — не ниже —60 °С. Эти хладо­агенты практически малотоксичны (относятся к пятой и шестой классификационным группам токсичности).

Группа фреонов Ф-11 (CFCb), Ф-21 (CHFCI2), Ф-113 (C2F3C1.5) и Ф-114 (C2F4C12), обладающих малой удельной объемной хладопроизводительностью, нашла применение в турбокомпрессорах.

Фреоны Ф-13 (CF3CI) и Ф-14 (CF4) являются низкотемпера­турными хладоагентами, используемыми в нижних ступенях кас­кадных холодильных установок и рефрижераторах, работающих на смесях хладоагентов.

По степени токсичности хладоны подраз­деляются на шесть классов. Чем выше порядковый номер класса, тем слабее их физиологическое воздействие на организм человека.

В качестве криоагентов используются: азот, аргон, воздух, гелий, нормальный водород (75% ортоводорода), диоксид угле­рода, кислород, криптон, ксенон, метан, неон. При температурах теплоотдатчика выше —200 °С, как правило, используется воздух, метан, азот, водород и гелий. При использовании водорода воз­можно получение температуры —259 °С.