Кошкин - Холодильные машины и установки

ПРЕДИСЛОВИЕ

Интенсификация развития народного хозяйства страны, предусмотренная решениями XXVI съезда КПСС, требует повышения научно-технического уровня разработки и производства холодильного оборудования. Решению этих задач подчинена работа высшей школы по повышению качества подготовки инженерных кадров соответствующего профиля.

Настоящий учебник написан авторским коллективом кафедры холодильных машин Ленинградского ордена Трудового Красного Знамени технологического института холодильной промышленности в соответствии с действующей программой курса «Холодильные машины» высших учебных заведений, готовящих инженеров по специальности «Холодильные и компрессорные машины и установки» специализации «Холодильные машины и установки».

В основу книги положены лекции, читаемые в ЛТИХПе, а также многолетний опыт преподавания курса «Холодильные машины» в институте.

Основное внимание авторы уделили изложению теории, анализу и методикам расчета холодильных машин и их элементов. Рассмотрено ограниченное число примеров конструкций машин и устройств, применяемых в технике умеренного холода. Читатель может пополнить сведения по этому вопросу, обратившись к справочной литературе серии «Холодильная техника» [45, 46] и другим источникам.

ВВЕДЕНИЕ

Теплообмен, являясь одним из наиболее распространенных процессов в природе, диалектически связывает между собой процессы охлаждения и нагревания. Второй закон термодинамики устанавливает невозможность самопроизвольного перехода теплоты от менее нагретого тела к более нагретому.

Температурный уровень тела, устанавливаемый термодинамической шкалой температуры, позволяет однозначно определить направление естественного теплового потока. Наименее нагретыми телами или средами в природе являются окружающие нас воздух, вода, почва, т. е. окружающая среда, имеющая теоретически бесконечно большую теплоемкость.

Многие современные технологические процессы необходимо вести при температурах более низких, чем температура окружающей среды. Кроме того, температурный уровень окружающей среды в наземных условиях подвержен значительным колебаниям. Он не поддается регулированию, что не отвечает требованиям современного .материального производства, жизни и быта людей.

Искусственный холод - есть теплота, температурный уровень которой ниже температурного уровня окружающей среды. Искусственное охлаждение, т. е. процесс понижения температуры источника ниже температуры окружающей среды, можно осуществить двумя путями: 1) используя аккумулированный в ограниченном пространстве естественный холод; 2) используя выработанный в специальных устройствах - холодильных машинах - искусственный холод .

Аккумулирование естественного холода путем заготовки водного льда в нашей стране с ее многомесячным холодным периодом на большей части территории применяется давно. Современные технические средства заготовки естественного водного льда для многочисленных мелких потребителей и его бессольное применение (при температуре около 0 °С) делают этот способ энергетически и экологически целесообразным. Применение льдосоляных смесей, в частности хлорида кальция и льда, позволяет, как известно, снизить температуру плавления льда до —55 °С.

Для получения искусственного холода согласно второму закону термодинамики необходимо затратить внешнюю энергию. Температура охлаждаемого изолированного тела при этом будет понижаться, т. е. отнятие теплоты (охлаждение) воспринимается как «передача телу холода». Температура воспринимающего теплоту тела будет повышаться, однако, если теплота передается окружающей среде, имеющей бесконечно большую теплоемкость, ее температура практически не меняется.

Температурным пределом искусственного охлаждения является температура, близкая к абсолютному нулю (—273,15°С). Диапазон температур, достигаемый в холодильных машинах, условно делится на две области: область холода умеренной температуры (так называемая область умеренного холода) - до -160 С и область глубокого холода - от -120 °С и ниже. Вузовский курс «Холодильные машины» посвящен изучению способов получения искусственного холода умеренной температуры.

В цикле холодильной машины всегда имеются два внешних источника теплоты: источник теплоты низкой температуры (ИНТ) и окружающая среда или источник теплоты высокой температуры (ИВТ); ИНТ принято называть тело или среду, от которых отводится теплота. В машинах, работающих по теплонасосному или теплофикационному циклам, тело или среда, к которым подводится теплота, являются приемниками теплоты высокой температуры.

Для переноса теплоты от ИНТ к ИВТ в холодильных машинах используются рабочие вещества. Рабочее вещество холодильной машины называют также холодильным агентом (сокращенно хладагентом). Физические, калорические и другие свойства рабочего вещества (см. гл. 3) в реальных условиях влияют технико-экономические показатели холодильной машины.

Процесс производства искусственного холода для промышленных нужд необходимо осуществлять непрерывно, вырабатывая холод в холодильной машине и передавая его от ИНТ к ИВТ. Передача холода обычно осуществляется посредством жидкого или газообразного теплоносителя или передачей охлажденной среды, например воздуха, непосредственно в охлаждаемые помещения (холодильные камеры).

Холодильные машины умеренного холода делятся на три основные группы: компрессорные, теплоиспользующие, термоэлектрические.

Компрессорные холодильные машины используют энергию в виде механической работы. Одним из элементов этих машин является компрессор, сжимающий и перемещающий паро- или газообразное рабочее вещество. В зависимости от типа и мощности компрессора его привод осуществляется от двигателя: электрического, внутреннего сгорания, паровой или газовой турбины.

Теплоиспользующие холодильные машины — абсорбционные и пароэжекторные — в качестве источников энергии используют теплоту относительно низкого потенциала — горячую воду, отходящие газы, отработавший пар, имеющие температуру выше температуры окружающей среды. Это так называемые вторичные энергетические ресурсы (ВЭРы), использованию которых в настоящее время в соответствии с решением XXVI съезда КПСС придается особенно большое значение.

В термоэлектрических холодильных машинах используется непосредственно электрическая энергия.

Компрессорные холодильные машины в зависимости от агрегатного состояния холодильного агента, с помощью которого осуществляются рабочие процессы цикла, делятся на паровые и газовые. В паровых холодильных машинах рабочее вещество совершает замкнутый обратный круговой термодинамический цикл, меняя свое агрегатное состояние по схеме: пар—жидкость—пар. В газовых холодильных машинах агрегатное (газообразное) состояние рабочего вещества не изменяется, причем в качестве рабочего вещества применяется преимущественно воздух.

Получаемые с помощью холодильных машин умеренно низкие температуры используются в различных отраслях народного хозяйства: в пищевой промышленности и сельском хозяйстве при заготовке и переработке скоропортящегося сырья, производстве и хранении пищевых продуктов; в химической и нефтеперерабатывающей промышленности при производстве искусственного волокна, пластмасс, спирта, каучука и т. п.; в медицинской, фармацевтической и биологической промышленности при производстве и хранении лекарств и биологических продуктов; в производственных, административных и бытовых помещениях для кондиционирования воздуха; в железнодорожном, автомобильном и водном видах транспорта для сохранности при перевозке грузов; в горной промышленности для замораживания водоносных грунтов при строительстве шахт, туннелей, подземных сооружений; в машиностроении и радиотехнике; в спортивных сооружениях и во многих других случаях.

В настоящее время в нашей стране выпускаются все виды холодильного оборудования, известного и применяемого в мировой технике. Отечественные заводы выпускают холодильные машины от бытовых мощностью в несколько десятков ватт до промышленных мощностью 10 МВт. Более 75 % холодильных машин и оборудования предназначено для хранения и обеспечения технологии переработки пищевых продуктов. Вместимость холодильников за последние 15 лет увеличилась в нашей стране в 1,8 раза. Выпуск холодильного оборудования в ближайшие годы будет увеличен более чем в два раза.

Практическое применение холодильные машины получили во второй половине XIX века. Однако массовое использование холода в промышленности и в быту началось лишь в XX столетии.