Файл: Конспект лекций для студентов специальности 5В071700 Теплоэнергетика Алматы 2014 алматинский университет.pdf

71 агентом. В специальной литературе применяют сокращенный термин хладагент.
Различают естественные и искусственные холодильные агенты.
К естественным хладагентам относятся: аммиак (R717), воздух (R729), вода (R718), углекислота (R744) и другие.
К искусственным хладагентамотносятся — хладоны (фреоны) и их смеси.
Фреон – это торговая марка, принадлежащая американской фирме
«Дюпон», которая в 1928 г. впервые синтезировала фреон-12.
Фреоны — углеводороды (СН
4
, С
2
Н
6
, С
3
Н
8
и С
4
Н
10
), в которых водород полностью или частично заменен фтором и хлором (в отдельных случаях бромом). Международным стандартом принято краткое обозначение всех холодильных агентов, состоящее из символа R (Refrigerant — хладагент) и определяющей цифры. Например, фреон-12 имеет обозначение R12. Поэтому на сегодня все холодильные агенты принято обозначать в международной символике и называть иностранным словом Freon - фреон или отечественным аналогом этого слова — хладон.
Хладоны (фреоны) химически инертны, мало- или невзрывоопасны.
Хладоны - галоидопроизводные предельных углеводородов, получаемые путем замены атомов водорода в насыщенном углеводороде С
n
H
2n+2
атомами фтора, хлора, брома (С
n
,H
x
, F
y
, Cl z
, Вr u
). Число молекул отдельных составляющих, входящих в химические соединения хладонов, связаны зависимостью х + у + z + u = 2n + 2.
Любой холодильный агент обозначается символами R
N
, где R - символ, указывающий на вид холодильного агента, N - номер хладона или присвоенный номер для других холодильных агентов.
Рабочие вещества или хладагенты, предназначенные для холодильных машин, должны отвечать следующим основным требованиям:
- обладать химической стабильностью и инертностью к основным конструкционным материалам и смазочным маслам;
- иметь допустимые значения рабочих давлений, разности и отношения давлений нагнетания и всасывания;
- не оказывать отрицательных воздействий на окружающую среду и человека;
- быть негорючими и взрывобезопасными;
- иметь высокую степень термодинамического совершенства, большую объемную холодопроизводительность;
- обладать благоприятным сочетанием теплофизических свойств, влияющих на массу и габариты теплообменной аппаратуры;
- выпускаться промышленностью и иметь относительно низкую стоимость.

72
Хладоносители применяют для «транспортировки холода» от источника его получения (испарителя) до охлаждаемого объекта (камеры, аппарата и др.)
При одинаковых условиях (одинаковые температура воздуха в охлаждаемом объекте и тепловая нагрузка на него) энергопотребление в системе с хладоносителем будет выше, чем в системе непосредственного охлаждения (хладагент кипит непосредственно в аппарате, находящемся в охлаждаемом объекте). Это объясняется тем, что в системе с хладоносителем для его охлаждения температура кипения хладагента должна быть ниже на
5…6ºС. К тому же необходима дополнительная энергия для насосов, осуществляющих циркуляцию хладоносителя.
Использование хладоносителя иногда обусловлено специфичностью охлаждаемых объектов(например искусственные катки, грунты и др.).
Самым доступным хладоносителем является вода, которой присуще хорошие теплофизические свойства.
Водаимеет высокую нормальную температуру кипения и теплоемкость
(в 4 раза выше теплоемкости воздуха), сравнительно низкую динамическую вязкость, что важно для теплоносителя, но одновременно и высокую температуру замерзания, что существенно ограничивает ее применение в качестве хладоносителя. Она применяется только для температур выше 0 °С
(на химических заводах, а также при центральном кондиционировании воздуха, охлаждении напитков, молока и др.)
В качестве хладоносителей для температур ниже 0 °С применяют растворы солей хлористого кальция СаСl
2
, поваренной соли NaCl и хлористого магния MgСl
2
, или рассолы. Свойства рассолов зависят от концентрации соли в растворе. С увеличением концентрации температура замерзания рассола снижается (см.рисунок 14.1).
Рисунок 14.1 – Диаграмма температур затвердевания водных растворов
NaCl (a) и CaCl
2
(б)

73
Такое понижение происходит до криогидратной точки КТ, соответствующей температуре замерзания всего рассола в виде однородной смеси кристаллов льда и соли (криогидрата) льда и соли (криогидрата).
Увеличение концентрации соли выше криогидратного содержания приводит к повышению температуры замерзания рассола (правые ветви кривых на рисунке 14.1). При этом будут выделяться кристаллы соли. При замерзании рассола с концентрацией ниже криогидратной точки происходит выделение водного льда.
Криогидратная точка для водного раствора NaCl характеризуется температурой - 21,2 °С и содержанием 29 % (по массе) соли в воде, для растворов СаСl2 и MgСl2 - соответственно -55 °С и 42,7 %, - 33,6 °С и 27,6 %.
14.2 Параметры и методика расчета холодильных установок
Тепловой расчет термодинамического цикла. Расчет предусматривает определение количества рабочего тела (массового и объемного расхода), обеспечивающего требуемую холодопроизводительность q
0
в соответствии с заданными температурами внешних источников, т.е. с видом охлаждаемого объекта, режимом работы машины и внешними климатическими условиями. В объем расчета входит также определение количества теплоты, отводимой в цикле (тепловая нагрузка конденсатора и переохладителя), а также основных показателей энергетической эффективности.
Расчет ведут при установившемся режиме работы, т.е. при постоянной температуре источников теплоты и неизменном расходе выбранного рабочего тела. Основные параметры цикла - давление кипения (парообразования) и конденсации рабочего тела Р
0
и Р
к
находят для заданной температуры испарения Т
0
(температура в холодильной камере) и температуры конденсации Т
к
(температура окружающей среды) по таблицам или диаграммам с учетом особенности теплообмена у внешних источников теплоты. Так, если отвод теплоты в конденсаторе производят воздухом, то разность температур в процессе теплообмена ΔT к
= (10 ÷20) K, при использовании для этой цели воды ΔT
к
= (5÷8)К; в том случае, когда охлаждаемой средой служит воздух, разность температур в процессе теплообмена в испарителе ΔT
0
= 10 К, при охлаждении жидкого теплоносителя - рассола ΔT
0
= (5÷8) К. Для жидкости разность между температурой кипения и конденсации принимают в пределах (5÷8) К, для воздуха — порядка 10К.
Параметры в характерных точках цикла определяют с учетом рекомендаций по величине переохлаждения жидкости перед дроссельным вентилем и перегрева паров на входе в компрессор в зависимости от теплофизических свойств рабочего тела. При этом переохлаждение обычно выдерживают в пределах (2÷4) К, а перегрев — на уровне (5÷10) К.
Удельная массовая холодопроизводительность машины

74
q
0
= h
1
– h
4
, (14.1) где h
1
и h
4
— энтальпия рабочего тела в соответствующих точках цикла (см.рисунок 14.1).
Массовый расход рабочего тела, обеспечивающий требуемую холодопроизводительность,
G
a
= Q
0
/ q
0
. (14.2)
Объем паров рабочего тела на входе в компрессор
V
а
= G
а
/

1
, (14.3) где

1
- удельный объем паров на входе в компрессор (в точке 1 цикла).
Удельная объемная холодопроизводительность машины
q
v
= q
0
/

1
. (14.4)
Теоретическая удельная работа компрессора, приходящаяся на единицу массы (расхода) рабочего тела:
l
к
= h
2
– h
1
. (14.5)
Теоретическая мощность компрессора
N
к
= G
а
l
к
. (14.6)
Степень повышения давления рабочего тела в компрессоре, определяющая его тип и конструкцию:
β
к
= Р
к
/Р
0
. (14.7)
Холодильный коэффициент термодинамического цикла
ε
т
= q
0
/l
ц
= Q
0
/N
к
=(h
1
– h
4
)/(h
2
– h
1
). (14.8)
14.3 Основные схемы холодоснабжения технологических цехов от
холодильных станций
Снабжение технологических потребителей холодом осуществляется от холодильных станций или холодильных установок.
Холодильная станция – это отдельно стоящее сооружение на генеральном плане предприятия. Оно предназначено для снабжения потребителей холодом нескольких параметров (температур) в диапазоне +7

-
25

С.
Холодильные станции бывают центральные и цеховые. Они входят в состав службы главного энергетика предприятия. На станции располагается несколько холодильных машин, как минимум, по одной на каждую температуру.
Холодильная установка обычно размещается в технологическом цехе и является составной частью технологического оборудования основного производства. Она предназначена для обеспечения отдельного производства холодом одного параметра, как правило, холодом ниже -25

С, и подчиняется службе главного технолога.

75
Существует три наиболее часто встречающиеся схемы холодоснабжения:
1) Непосредственное испарение хладагента в технологических аппаратах.
2) Охлаждение технологических продуктов с помощью промежуточных хладоносителей (рассольное охлаждение).
3) Смешанная схема, где часть продукта охлаждается непосредственно испаряющимся хладагентом, часть – промежуточным хладоносителем.
14.3.1 Схема с непосредственным испарением хладагента в технологических аппаратах (непосредственное охлаждение).
Принципиальная схема взаимосвязи холодильной станции с технологическими цехами при использовании холода двух параметрах представлена на рисунке 14.1.
Цех № 1 потребляет холод -12

C, цеха № 2 и № 3 потребляют холод
0

C. При такой схеме холодоснабжения на холодильной станции размещаются компрессорно-конденсаторные агрегаты.
В качестве испарителей используются непосредственно технологические аппараты в цехах.
По трубопроводу 1 – пары ХА с температурой -12

C отсасываются компрессорами или абсорберами холодильной станции.
По трубопроводу 2 – то же самое, но пары с температурой 0

C.
Рисунок 14.2- Схема трубопроводной связи холодильной станции с технологическими цехами при охлаждении продуктов производства непосредственным испарением ХА в технологических аппаратах
Трубопровод 3 – служит для подачи жидкого ХА в цеха. Диаметры этих трубопроводов определяются из теплового и гидравлического расчетов.
Трубопровод 4 – предназначен для проведения вспомогательных операций в аппаратах технологических цехов (отсос паров, передавливание

76 жидкого ХА парами высокого давления). Диаметр – 50-100 мм.
Трубопровод 5 – служит для освобождения технологических аппаратов от жидкого ХА или флегмы. Диаметр находят из расчета быстрого освобождения системы от жидкости (например за 1 час, если время не оговаривается техусловиями).
Трубопровод 6 – прокладывается в том случае, если на складе ХА нет компрессора. По нему подают пары под давлением для передавливания жидкого ХА со склада на ХС.
Трубопровод 7 – служит для подачи жидкого ХА со склада на станцию и обратно.
Для конденсации ХА, как правило, на станции устанавливают единый блок конденсаторов, которые оснащены единой системой водоснабжения и системой сбора конденсата. Это позволяет подавать жидкий ХА во все цеха по общему трубопроводу и с параметрами, независящих от температуры получаемого холода.
14.3.2 Охлаждение с помощью промежуточных хладоносителей.
При этой схеме на станции устанавливаются, как правило, полностью агрегатированные холодильные машины. Хладагент не выходит за пределы станции, что повышает надежность и безопасность системы. Холод потребителю транспортируется с помощью промежуточного хладоносителя.
Подача хладоносителя может осуществляться, как по закрытой схеме, так и по открытой – с разрывом струи. Связь холодильной станции с цехами в зависимости от числа используемых параметров холода осуществляется по
2-3 трубопроводам. Пример такой схемы приведен на рисунке 14.3.
Рисунок 14.3 - Схема трубопроводной связи цехов с холодильной станцией при холодоснабжении с помощью промежуточных хладоносителей
(рассольная система)
В данной системе холодоснабжения представлены те же потребители холода и холодильная станция. В соответствии со схемой:

77
-по трубопроводам 1 и 3 хладоноситель с температурами –12 и 0

C поступает в цехи к потребителям холода;
-по трубопроводам 2 и 4 он же, подогретый на 3-5

C, возвращается на станцию в испарители холодильных машин;
-по трубопроводу 5 осуществляется слив ХН (самотеком) при опорожнении системы или при переливе;
-по трубопроводу 6 ХН насосами подается со склада на станцию или обратно.
Если ХН

вода, то трубопровод 5 не прокладывается. Воду просто сливают в канализацию.
Использование воды в качестве хладоносителя дает еще ряд преимуществ. Зимой можно подавать в технологические аппараты речную воду с температурой 4-6

C, а уже подогретую направлять в систему оборотного водоснабжения предприятия.
В такой системе целесообразно использовать речную воду и для охлаждения компрессоров и аппаратов холодильных машин, так как она на 5-
10

C ниже оборотной. При транспортировке холода с отрицательными температурами часто используются водные растворы солей (NaCl и CaCl
2
), поэтому такую систему холодоснабжения часто называют «рассольной».
В схеме предусмотрена необходимая запорная арматура, но надо стремиться к минимальному ее количеству.
Диаметры основных трубопроводов определяются гидравлическим расчетом. Вспомогательные – в пределах 50-100 мм. Для горючего и взрывоопасного ХН рекомендуется увеличивать диаметры трубопроводов 5 и
6 в 2-2,5 раза.
14.3.3 Смешанная система холодоснабжения.
При смешанной системе – взаимосвязь между потребителями холода и холодильной станцией осуществляется по таким же схемам трубопроводов как и в предыдущих системах, то есть часть потребителей снабжается холодом по схеме рисунка 13.1, а часть - по схеме рисунка 13.2.
14.3.4 Достоинства и недостатки этих систем.
Схема с непосредственным испарением ХА.
Достоинства: а) наиболее высокая термодинамическая эффективность; б) простота конструкций холодильных установок, дешевизна; в) быстродействие, возможность достижения более низких температур.
Недостатки: а) опасность попадания паров ядовитых ХА в производственные и складские помещения при нарушении герметичности системы; б) необходимо большое количество ХА для заполнения системы; в) пожаро- и взрывоопасность при горючих хладагентах.

78
Система с промежуточным хладоносителем.
Рассольную систему применяют, когда нельзя по правилам техники безопасности применять схему с непосредственным испарением или же по экономическим соображениям.
Достоинства: а) безопасность для людей и продукта производства; б) имеется возможность аккумуляции холода на случай остановки компрессора; в) простота регулирования температуры и холодопотребления
(количеством рассола); г) пожаро- взрывобезопасность (при негорючих ХН).
Недостатки: а) меньшая термодинамическая эффективность по сравнению со схемой с непосредственным испарением из-за дополнительных потерь температурного напора в испарителе; б) повышенная коррозия металлов элементов ХМ и трубопроводов; в) дополнительные капитальные затраты на испарители, насосы и др.; г) дополнительные эксплуатационные расходы на электрическую энергию рассольных насосов, ремонт и др.
15 Лекция №15. Системы производства и распределения продуктов