Физические основы получения искусственного холода

Билет №14

1. Абсорбция — это поглощение газа жидкостью. Работа абсорбционных холодильных установок основана на том, что растворимость газов в жидкости при уменьшении температуры увеличивается, а при повышении — падает. Несмотря на большое количество бинарных растворов, промышленное применение получили лишь водоаммиачный раствор и раствор бромистого лития в воде. Аммиак по термодинамическим свойствам является одним из лучших хладагентов, активно абсорбируемым водой: при 0°С один литр воды абсорбирует до 1140 л аммиака.

Подобно компрессионной, абсорбционная холодильная машина имеет испаритель, конденсатор и регулирующий вентиль.

Промышленностью выпускаются абсорбционные водоаммиачные холодильные машины с температурой испарения до —25° С, дающие от 1 до 4 млн. ккал холода в ч.

Эти машины используют в качестве энергетического теплоносителя пар, отработанный на турбинах ТЭЦ, или перегретую воду. Они компактно монтируются на открытых этажерках, занимают мало места, очень устойчивы и безотказны в работе. Установки этого типа выполнены одноступенчатыми. Работают они по следующей схеме (рис. 81): крепкий водоаммиачный раствор из ресивера абсорбера 1 подается насосом 11 через теплообменник растворов 10 в генератор-ректификатор 9, в нижнюю часть которого поступает греющий пар, или горячая вода.

Рис. 81. Принципиальная схема водоаммиачной абсорбционной холодильной машины:

1 — ресивер абсорбера, 2 — абсорбер, 3 — газовый переохладитель, 4 — регулирующий вентиль, 5 — испаритель, 6 — конденсатор. 7 — ресивер конденсатора, 8 — дефлегматор, 9 — генератор-ректификатор, 10 — теплообменник, 11 — насос

Смесь образовавшихся в нижней части аппарата 9 паров воды и аммиака проходит через насадку из колец Рашига, орошаемую крепким раствором. Часть воды увлекается стекающим по насадке раствором. При этом концентрация аммиачного пара возрастает.

Далее концентрированный аммиачный пар проходит дефлегматор 8— кожухотрубный аппарат, в трубках которого циркулирует охлаждающая вода. Остаток паров воды, содержавшихся в аммиаке, конденсируется и стекает на тарелки генератора-ректификатора 9, промывая движущийся вверх пар.

Осушенный аммиачный пар из дефлегматора направляется в кожухотрубный конденсатор 6, из которого сжиженный аммиак попадает в ресивер 7. После ресивера поток жидкого аммиака проходит газовый переохладитель 3, где охлаждается аммиачными парами, идущими из испарителя 5 в абсорбер 2, и через автоматический регулирующий клапан 4 поступает в нижнюю часть испарителя 5.

Некоторое количество воды все же поступает в испаритель, поэтому из него приходится сливать (дренировать) водоаммиачный раствор.

В испарителе жидкий аммиак испаряется, отбирая тепло у хладоносителя.

Аммиачный пар, пройдя после испарителя газовый переохладитель, поступает в абсорбер 2, орошаемый слабым водоаммиачный раствором, идущим из генератора-ректификатора.

Поглощение аммиака раствором — абсорбция, сопровождается выделением тепла, которое отбирается протекающей по трубкам абсорбера водой.

Образовавшийся крепкий раствор стекает в ресивер 1 абсорбера и насосом 11 направляется в генератор. В теплообменнике 10 происходит предварительный нагрев раствора, идущего на регенерацию (что приводит к экономии греющего пара), а также охлаждение слабого раствора, что повышает его абсорбирующую способность (растворимость газов в воде с понижением температуры увеличивается).

Тепловой баланс водоаммиачной абсорбционной холодильной машины выглядит так: Q конденсатора + Q абсорбера = Q испарителя + Q генератора, т. е. тепло, отданное раствором в конденсаторе и абсорбере, равно теплу, полученному им в испарителе и генераторе.

Для вывода воздуха в абсорбционных холодильных машинах служат воздухоотделители.

Первоначальное вакуумирование системы и отсос воздуха из аппаратов, находящихся под низким давлением (испаритель, абсорбер), осуществляется вакуум-насосами.

В целях экономии охлаждающей воды, ее последовательно пропускают через абсорбер, конденсатор и дефлегматор.

Во время работы периодически делают анализы хладоносителя и воды на присутствие в них аммиака.

Для защиты аппаратуры водоаммиачных абсорбционных холодильных установок от коррозии применяют в растворе дистиллированную воду, в которую добавляют двухромовокислый калий или двухромовокислый аммоний в количестве 0,5% от веса раствора.

Абсорбционные холодильные машины широко внедряются в химическую, металлургическую и другие отрасли промышленности. Они позволяют использовать вторичные энергоресурсы: тепло химических реакций, тепло охлаждения расплавленных металлов, дымовые газы и продукты сгорания отходов химических производств, пар низкого давления из котлов-утилизаторов и т. д. Количество этих ресурсов тепла растет из года в год, использование их для получения холода резко повышает экономичность холодильных установок.

Смазка винтовых компрессоров
В винтовых компрессорах, смазываемых впрыском смазочного материала, масло выполняет смазывающую, уплотнительную и охлаждающую функции. Масло впрыскивают в камеру высокого давления между роторами под давлением 3-4 атм. Оно образует гидростатическую и гидродинамическую пленку. Таким образом, масло смазывает сцепленные роторы и подшипники скольжения и качения, которые являются составной частью зубчатого сцепления. Кроме того, оно уплотняет зазоры между ротором и корпусом. Также смазочный материал способствует поглощению тепла и его рассеиванию через радиаторы. Температура сжатого воздуха составляет 80—100 °С и регулируется количеством впрыскиваемого масла. Масляные сепараторы (обычно патронные фильтры) удаляют масло из воздуха. Остаточные количества масла Б воздухе достигают 1—3 мг на 1 м3. Выделенное масло затем деаэрируют, фильтруют и охлаждают с 80 до 50 °. Когда масло находится на стороне нагнетания винтового компрессора (например, под давлением 10 атм), давление может быть использовано для повторного впрыска масла. Поскольку вязкость масла имеет первостепенное значение для эластогидродинамической смазки и, следовательно, для механической стабильности пленки, то она должна подбираться для условий пуска и нормальной эксплуатации компрессора. Как правило, масла ISO VG 46 удовлетворяют требованиям производителей компрессоров по предельной вязкости больше 10 мм2/сек при рабочей температуре и около 500 мм2/с при запуске. Этот диапазон также удовлетворяет большинству областей применения в Центральной Европе. Более высоковязкие масла ISO VG 68 или синтетические сложные эфиры PAG или масла на базе ПАО применяют в странах с высокими температурами окружающей среды. В последнее время широкое применение получили масла гидрокрекинга (так называемые масла группы 3). Масла для винтовых компрессоров обладают мягкими противозадирными и противоизносными характеристиками. Для них требуется, как правило, нагрузка ≥ 10. Что касается их размеров и

Физические основы получения искусственного холода

Тепловая энергия в естественных условиях всегда переходит от тела более нагретого (охлаждаемого) к менее нагретому (охлаждающему). Понижение температуры охлаждаемого тела до температуры окружающей среды не требует специальных условий и происходит самопроизвольно. Понижение температуры тела ниже температуры окружающей среды требует применения искусственных способов.

Искусственное охлаждение основано на различных физических процессах: фазовых превращениях веществ, адиабатном расширении, дросселировании, термоэлектрическом охлаждении и др.

Фазовые превращения. Сущность охлаждения при фазовых превращениях заключается в том, что кипение жидкостей, плавление твердых тел и сублимация твердых тел (переход из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое) могут происходить только при подводе к этим телам тепловой энергии. Если температура кипения жидкости, плавления или сублимации твердого тела ниже температуры окружающей среды, то тело будет переходить из одного агрегатного состояния в другое, отбирая необходимую для фазового превращения тепловую энергию от окружающей среды, температура ее при этом понижается. Среда, от которой отводится теплота, называется охлаждаемой средой.

В практике для целей искусственного охлаждения используют испарение и кипение жидкостей, плавление водного льда и льдосоляных смесей, сублимацию твердой углекислоты, называемой сухим льдом.

Кипением называется парообразование во всем объеме жидкости. В отличие от испарения, которое происходит только с поверхности жидкости при любом давлении и любой температуре, кипение жидкости протекает при определенной температуре, зависящей от давления. Жидкости, имеющие при атмосферном давлении низкие температуры кипения и используемые в качестве рабочих тел в паровых холодильных машинах, называются холодильными агентами.

Плавление представляет собой переход из кристаллического состояния в жидкое. Температура плавления водного льда 0°С, теплота плавления 334,88 кДж/кг.

С помощью льда нельзя получить низкие температуры. Для получения отрицательных температур используют смесь льда и поваренной соли. С повышением концентрациисоли до 23,1% температура плавления льдосоляной смеси понижается до определенной (криогидратной) температуры (-21,2°С), при этом теплота плавления уменьшается до 197,6 кДж/кг. Дальнейшее увеличение концентрации соли приводит к повышению температуры плавления смеси.

Ледяное и льдосоляное охлаждение имеют существеннее недостатки: необходимость заготовки, транспортировки льда, невозможность получения достаточно низких температур, в связи с чем их применение ограниченно.

Сублимация. твердой углекислоты СО2 протекает при температуре —78,9° С, при этом килограмм сухого льда, переходя в газообразное состояние, отбирает от окружающей среды скрытую теплоту, равную 117 кДж/кг. Применение сухого льда позволяет получить низкие температуры, однако его высокая стоимостьи связанные с доставкой транспортные расходы ограничивают его использование.

Адиабатное расширение газа. Оно протекает только за счет его внутренней энергии без подвода внешней. Уменьшение внутренней энергии сопровождается понижением температуры газа. Этот процесс использован в воздушных холодильных машинах.

Дросселирование. Так называют расширение газа жидкости при проходе ими суженного отверстия. В процессе дросселирования наряду с расширением происходит понижение давления рабочего тела, при этом внешней работы оно не совершает.

Дросселирование жидкостей сопровождается их частичным парообразованием и понижением температуры. При дросселировании наблюдается большое парообразование жидкости, чем при адиабатном расширении, так как работа сил трения при движении жидкости через узкое сечение превращается в теплоту и передается дросселируемой жидкости. Дросселирование используется для глубокого охлаждения и сжигания газов.

Термоэлектрическое охлаждение. Оно основано на использовании эффекта Пельтье. При пропускании электрического тока от источника питания 4 (рисунок 1.1) через термоэлемент, состоящий из двух полупроводников, соединенных последовательно: электрического 1 ( - ) и дырочного 2 ( + ), спаянных медными пластинами 3, один спай охлаждается до температуры Тх, другой нагревается до температуры Тт.

Рисунок 1.1 – Полупроводниковый термоэлемент

Холодный спай, имеющий температуру ниже температуры окружающей среды, отнимает от нее теплоту Q0, охлаждая среду; от теплого спая теплота Qr отводится охлаждающим телом, например водой. Максимальное понижение температуры спая соответствует определенному оптимальному значению силы тока. Для получения большого охлаждающего эффекта несколько термоэлементов соединяют последовательно, и таким образом образуется термобатарея. Преимущества термоэлектрического охлаждения – бесшумность работы, непосредственный переход электрической энергии в тепловую, компактность установки – обусловливают перспективность его развития.

3.По степени использования наружного воздуха центральные СКВ подразделяют на прямоточные, рециркуляционные и с частичной рециркуляцией. В рециркуляционных (замкнутых) СКВ (рис. 2) многократно используется один и тот же воздух, который забирается из помещения, подвергается в кондиционере необходимой обработке и снова подается в помещение. Таким образом осуществляется полная рециркуляция воздуха. Рециркуляционные системы применяют для помещений, в которых образуются только тепло- и влагоизбытки и в которых отсутствуют выделения вредных паров, газов и пыли.
Если в воздух помещений поступают вредные пары, газы и пыль, то применять СКВ с полной рециркуляцией можно лишь при включении в комплект устройств по обработке воздуха, специальных аппаратов для очистки воздуха от вредных примесей, что весьма усложняет системы и обычно экономически нецелесообразно. К такому решению прибегают тогда, когда нельзя использовать наружный воздух.

Рис. 2. Принципиальная схема центральной рециркуляционной (замкнутой) СКВ:
1 - вытяжной вентилятор; 2 - воздухоприемная камера;
3 - центральный кондиционер; 4 - приточный вентилятор

В СКВ с полной рециркуляцией осуществляются только очистка воздуха от пыли и тепловлажностная обработка, поэтому такие СКВ применяют для кондиционирования воздуха в помещениях, в которых требуется поддержание температурно-влажностных параметров воздуха, а потребность в наружном воздухе отсутствует или удовлетворяется другими системами. К числу таких помещений относятся многие технологические помещения с тепловыделяющим оборудованием (залы вычислительных машин, радиоцентры и т. п.).

Наиболее распространенной является СКВ с частичной рециркуляцией, в которой используется смесь наружного и рециркуляционного воздуха (рис. 3). Такие системы применяют при условии, что воздух, используемый для рециркуляции, не содержит токсичных паров и газов, а расчетное количество вентиляционного воздуха для удаления избытков теплоты и влаги превышает количество наружного воздуха, которое должно подаваться в помещение для ассимиляции вредных паров и газов. Кроме того, использование рециркуляционного воздуха должно приближать температурно-влажностные параметры наружного воздуха к требуемым параметрам приточного воздуха.

СКВ с частичной рециркуляцией обычно предусматривается с подачей в помещения переменных объемов наружного и рециркуляционного воздуха в зависимости от параметров наружного воздуха. Однако количество наружного воздуха в смеси, подаваемой в помещение СКВ с частичной рециркуляцией, должно быть не меньше санитарной нормы.

Рис. 3. Принципиальная схема однозональной центральной ОКБ с частичной рециркуляцией:
1 — воздухоприемная камера; 2 — вытяжной вентилятор;
3 — воздуховыбросная шахта; 4 — воздуховод вытяжной системы;
5 — приточный воздуховод; 6 — вентилятор; 7 — центральный кондиционер

СКВ с частичной рециркуляцией являются наиболее гибкими: в зависимости от условий и состояния наружного воздуха они могут работать по прямоточной схеме, по схеме с частичной или полной рециркуляцией. В последнем случае при необходимости газовый состав воздуха по кислороду и углекислому газу в помещениях поддерживается иными средствами.

В системах с частичной рециркуляцией рециркуляционный воздух смешивается с наружным до или после камеры орошения. В первом случае система называется СКВ с первой рециркуляцией, во втором - СКВ со второй рециркуляцией. В воинских зданиях чаще применяют СКВ с первой рециркуляцией. Применение первой рециркуляции позволяет уменьшить расход теплоты на нагрев наружного воздуха в холодное время года и расход холода на охлаждение воздуха в теплое время.

Утилизация теплоты вытяжного воздуха- процесс вторичного использования тепловой энергии в системе вентиляции. Теплота вытяжного вентиляционного воздуха — основной вторичный энергоресурс (ВЭР) жилых и общественных зданий. Расход теплоты на нагрев вентиляционного воздуха в жилых зданиях составляет 40—50% расхода на отопление, в общественных — 40—80%. В промышленных зданиях кроме теплоты вытяжного воздуха к ВЭР относятся уходящие газы топливо исполняующего технология, оборудования, отопительно-промышленных котельных и др.
Аппараты, прсдназначенные для утилизации теплоты вытяжного воздуха, называют теплоутилизаторами. По характеру изменения теплового потенциала различают два их вида: тепловые насосы, обеспечивающие увеличение теплового потенциала, и теплообменные аппараты. Выбор схемы и типа теплоутилизаторов определяет характер нагрузки теплопотребителей, так как существенно влияет на экономичность системы в целом. Потребители теплоты вытяжного воздуха могут быть круглогодичные (системы горячего водоснабжения хозяйственно-бытового и производственного) и сезонные (низкотемпературные системы водяного отопления, системы кондиционирования воздуха и вентиляции).
Тепловые насосы при утилизации теплоты вытяжного воздуха могут применяться для подогрева или подогрева и охлаждения приточного воздуха, а также для подогрева воды. В случае использования воздуха в качестве источника и приемника теплоты тепловые насосы работают посхеме "воздух—воздух". Такая схема предпочтительна при кондиционировании воздуха, то есть при нагреве его в холодный период года и охлаждении в теплый. Переход работы теплового насоса с режима нагревания на режим охлаждения осуществляется изменением движения либо хладагента, либо воздуха. Работу теплового насоса для подогрева воды за счет теплоты вытяжного воздуха называют работой по схеме "воздух—вода".
Тепловые насосы работают по обратному термодинамическому циклу Карта. Их тепловой цикл аналогичен холодильному циклу, но в данном случае производится не только холод в испарителе, ной теплота в конденсаторе. Таким образом при затрате работы извне тепловой насос извлекает из источника низкопотенциальную теплоту и передает ее с более высоким потенциалом к приемнику.
Большое распространение получили теплоутилизаторы - теплообменники, которые подразделяют на три группы: рекуперативные (воздухо-воздушные, воздухо-жидкостные, жидкостно-жидкостные), регенеративные и с промежуточным теплоносителем. В первых двух рабочим телом являются сами теплообменивающиеся среды, например, вытяжной и приточный вентиляционный воздух, в последнем — кроме теплообменивающихся сред используется рабочее тело, воспринимающие теплоту от вытяжного воздуха и передающее ее потребителю. В рекуперативных воздухо-воздушных теплоутилизаторах-теплообменниках теплота вытяжного воздуха передается через стенку приточному воздуху, а в воздухо-водяных — от воздуха к воде. В регенеративных теплоаккумулирующая масса попеременно нагревается за счет теплоты вытяжного воздуха и отдает аккумулированную теплоту приточному воздуху.
Регенеративные теплоутилизаторы-теплообменники бывают стационарные, в которых неподвижная теплоаккумулирующая масса (в виде насадок из металлической стружки, гравия, щебня и т.п.) попеременно автоматически переключается с режима поглощения (поток вытяжного воздуха) на режим отдачи теплоты (поток нагреваемого воздуха), и вращающиеся, теплоаккумулирующая масса которых, выполненная в виде плоского цилиндра-насадки, разделенной на секторы, при вращении последовательно пересекает поток вытяжного и приточного воздуха. Вращающиеся регенеративные аппараты могут передавать как явную, так и полную теплоту. В последнем случае теплоутилизаторыназыватэнтальпийными или сорбирующими и их теплоаккумулирующая масса изготовляется из тонколистового картона, бумаги, целлюлозы и тому подобных материалов. Теплоутилизаторы с промежуточным теплоносителем имеют дополнительный циркуляционный контур, в котором циркуляционным насосом перемещается рабочее тело, передающее теплоту от вытяжного воздуха потребителю.
Их достоинства: полная аэродинамическая изоляция потоков вытяжного и приточного воздуха, что исключает возможность переноса запахов, бактерий и прочих загрязнений из вытяжного воздуха; возможность устройства систем утилизации при размещении приточных и вытяжных установок на значительном расстоянии одной от другой; возможность объединения в одну систему различного числа приточных и вытяжных установок с различным тепловым потенциалом удаляемого воздуха; недостаток — большой расход металла.
Разновидностью рекуперативного теплоутилизатора с промежуточным теплоносителем является теплоутилизатор на базе тепловых труб. Он представляет собой пучок труб, помещенных одним концом в поток греющего вытяжного, а другим — в поток нагреваемого приточного воздуха. Трубы отопительные, представляющие собой разновидность рекуперативных воздухо-жидкостиых теплообменников, выполняют в виде герметичной оболочки, частично заполненной легкокипящей жидкостью (хладоны, аммиак, глицерин и т.п.), устанавливают под небольшим углом к горизонту, в результате чего происходит естественная конвекция паров жидкости.
Серийно изготовляемые теплоутилизаторы на базе труб предназначены для круглогодичного использования теплоты (холода) воздуха, удаляемого системами местной и общеобменной вытяжной вентиляции для нагревания (охлаждения) приточного воздуха в системах кондиционирования воздуха и приточной вентиляции производственных и общественных зданий.
Они могут использоваться при температуре не выше 70 С в потоке вытяжного и не ниже —40 С в потоке приточного воздуха и запыленности не более 0,5 мг/м без содержания липких веществ и волокнистых материалов. Для них вводятся те же ограничения в применении, что и для рекуперативных и регенеративных теплоутилизаторов.
Теплоутилизаторы контактного типа являются разновидностью теплоутилизаторов с промежуточным теплоносителем. Они могут быть полые, в которых поверхность теплообмена образуется каплями жидкости, разбрызгиваемой через форсунки или другими способами, или иметь насадку, орошаемую водой, раствором солей или жидкими сорбентами. В насадочных аппаратах теплообменная поверхность образуется частично стекающей пленкой жидкости, частично каплями, движущимися между пленконесущимй элементами. В качестве полых контактных теплоутилизаторов могут использоваться форсуночные камеры центральных кондиционеров. Теплоутилизаторы контактного типа применяют для нагревания воды за счет теплоты вытяжного воздуха. Вода в этом случае может быть подогрета лишь до температуры, соответствующей температуре воздуха по мокрому термометру. Поэтому теплоутилизаторы контактного типа целесообразно применять для утилизации теплоты вытяжного воздуха с высоким влагосодержанием, например, удаляемого от различного сушильного оборудования текстильной, деревообрабатывающей, пищевой и других отраслей промышленности. Вода, нагреваемая в контактных аппаратах, используется для тсхнологич. целей либо в рекуперативных теплообменниках. Достоинство теплоутилизаторов контактного типа — возможность совмещения процессов очистки и утилизации теплоты вытяжного воздуха, а также допустимость широкого диапазона начальных температур.
Применение любых теплоутилизаторов связано с дополнительными капитальными и энергетическими затратами, увеличением расхода металла, установкой воздушных фильтров в потоке вытяжного воздуха, дополнительными затратами электроэнергии на перемещение воздуха или жидкости и др. На технико-экономическую эффективность утилизации теплоты вытяжного воздуха влияют его массовый расход, температуpa, влагосодержание и загрязнение, климатические характеристики наружного воздуха, способы регулирования параметров тепловоспринимающей среды и предотвращения инееобразования, время работы теплоутилизационной установки. Экономическая эффективность резко возрастает с увеличением продолжительного действия установки в годовом цикле при трехсменной работе

Мероприятия по экономии электроэнергии:

1. Замена вентиляторов старых типов с КПД 50÷63% на современные вентиляторы
с КПД 80-86% дает экономию 20÷30% электроэнергии.

2. Регулирование вытяжной вентиляции шиберами на рабочем месте вместо регулирования на нагнетании дает экономию электроэнергии 10%;

3. Замена общеобменных цеховых систем вентиляции на местные индивидуальные рекуперативные системы вытяжки, расположенные в зонах вредных выбросов, экономит до 50% электроэнергии;

4. Использование регулируемого частотного привода вентиляторов, а также многоскоростных электродвигателей позволяет экономить 20÷30% электроэнергии;

5. Автоматическое управление вентиляционными установками путем:

установки блокировки индивидуальных вытяжных систем на включение только при работе механизмов источника выбросов дает экономию электроэнергии 25÷70%;

автоматического регулирования температуры теплоносителя калориферов приточных камер в зависимости от температуры окружающего воздуха позволяет экономить до 10÷15% электроэнергии;

перевода на режимы: «рабочее время» - «нерабочее»; «режим выходного дня» с помощью реле 2РВМ, ВС-44 и т.д.;

6. Внедрение графиков работы вентсистем: отключение в обеденное время, по окончанию работы ‒ дает экономию электроэнергии до 20%;

7. Устранение дефектов вентсистем, полученных при неквалифицированной сборке, монтаже и ремонтах вентиляционных установок. К таким дефектам относятся:

снятие обтекателя перед входом в рабочее колесо снижает КПД на 10%;

укороченный диффузор снижает КПД на 6%;

колесо осевого вентилятора перевернуто, КПД вентилятора снижается на 20÷40%;

увеличен зазор между рабочим колесом и всасывающим патрубком центробежного вентилятора;

некачественное изготовление и монтаж отводов, тройников, колен, плохая штукатурка каналов, вмятины (эти дефекты увеличивают гидравлическое сопротивление системы);

8. Внедрение высокоэкономичных радиальных вентиляторов с загнутыми вперед лопатками повышает КПД установки на 10÷12%.

Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 464; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!