Автоматизация холодильных установок

ТИПЫ ХОЛОДИЛЬНЫХ УСТАНОВОК. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИСКУССТВЕННОГО ХОЛОДА

Холод применяют в технологиях многих процессов переработки сельскохозяйственной продукции. Благодаря холодильникам значительно сокращаются потери при хранении продукции. Охлажденные продукты можно транспортировать на большие расстояния.

Молоко, предназначенное для переработки или реализации, как правило, предварительно охлаждают. Перед отправкой на предприятие молочной промышленности молоко допускается хранить не более 20 ч при температуре не выше 10 'С.

В сельском хозяйстве мясо охлаждают в основном на фермах и птицефабриках. При этом используют следующие способы охлаждения: в воздухе, холодной воде, в воде с тающим льдом и орошением холодной водой. Подмораживание мяса птицы производят либо холодным воздухом, либо погружением в холодный рассол. Воздушное подмораживание осуществляют при температуре воздуха в холодильных камерах от —23 до —25 °С и скорости движения воздуха 3…4 м/с. Для подмораживания погружением в рассол применяют растворы хлористого кальция или пропиленгликоля с температурой от —10 °С и ниже.

Мясо, предназначенное для длительного хранения, замораживают теми же способами, что и подмораживание. Замораживание воздухом осуществляют при температуре охлаждаемого воздуха от —30 до -40 °С, при замораживании в рассоле температура раствора равна —25…—28 °С.

Яйца хранят в холодильниках при температуре —1…—2 °С и относительной влажности 85…88%. После охлаждения до 2…3 °С их помещают в камеру хранения.

Фрукты и овощи охлаждают в стационарных хранилищах. Плодоовощную продукцию хранят в холодильных камерах с охлаждающими батареями, в которых циркулирует холодный агент или рассол.

В системах с воздушным охлаждением сначала охлаждается воздух, который затем вентиляторами нагнетается в камеры хранения. В смешанных системах продукты охлаждаются холодным воздухом и от батареи.

В сельском хозяйстве холод получают как безмашинным способом (ледники, льдосоленое охлаждение), так и при помощи специальных холодильных машин. При машинном охлаждении теплота от охлаждаемой среды отводится во внешнее окружающее пространство при помощи низкокипящих холодильных агентов (фреон или аммиак).

В сельском хозяйстве широко применяют паровые компрессоры и абсорбционные холодильные машины.

Простейший способ получения температуры рабочего тела ниже температуры окружающей среды заключается в том, что это рабочее тело (холодильный агент) сжимают в компрессоре, затем охлаждают до температуры окружающей среды и после этого подвергают адиабатическому расширению. При этом рабочее тело совершает работу за счет своей внутренней энергии и температура его уменьшается по сравнению с температурой окружающей среды. Таким образом, рабочее тело становится источником получения холода.

В качестве холодильных агентов в принципе можно применять любой пар или газ. В первых холодильных машинах с механическим приводом в качестве холодильного агента применяли воздух, но уже с конца XIX в. он был заменен аммиаком и углекислотой, поскольку воздушная холодильная машина менее экономична и более громоздка, чем паровая, из-за большого расхода воздуха, обусловленного его малой теплоемкостью.

В современных холодильных установках рабочим телом являются пары жидкостей, которые при давлениях, близких к атмосферному, кипят при низких температурах. Примерами таких холодильных агентов могут служить аммиак NH3, сернистый ангидрид SO2, диоксид углерода С0₂ и фреоны — фторохлоропроизводные углеводороды типа C_mH_xF_yCl2. Температура кипения аммиака при атмосферном давлении составляет 33,5 °С, «Фреона- 12» -30°С, «Фреона-22» -42 °С.

В качестве холодильных агентов широко применяют фреоны — галоидные производные насыщенных углеводородов (C_mH_n), полученные путем замены атомов водорода атомами хлора и фтора. В технике из-за большого разнообразия фреонов и относительно сложного их наименования установлена условная числовая система обозначения, согласно которой каждое такое соединение в зависимости от химической формулы имеет свое число. Первые цифры в этом числе условно обозначают углеводород, производным которого является данный фреон: метан — 1, этан — 11, пропан — 21. Если в соединении присутствуют незамещенные атомы водорода, то их число прибавляют к этим цифрам. Далее к полученной сумме или к первоначальному числу (если все атомы водорода в соединении замещены) дописывают в виде следующего знака цифру, выражающую число атомов фтора. Так получают обозначения: R11 вместо монофтортрихлорметана CFCI2, R12 вместо дифтордихлорметана CF₂C1₂ и т. д.

В холодильных установках в качестве холодильного агента обычно используют R12, а в перспективе будут широко применять R22 и R142. Преимущества фреонов — относительная безвредность, химическая инертность, негорючесть и взрывобезопасность; недостатки — низкая вязкость, способствующая утечке, и возможность растворяться в масле.

На рисунке 8.15 показана принципиальная схема парокомпрессорной холодильной установки и ее идеальный цикл в 75-диаграмме. В компрессоре 1 сжимается влажный пар холодильного агента, в результате чего (участок а—Ь) получается сухой насыщенный или перегретый пар. Обычно степень перегрева не превышает.

130… 140 «С, чтобы не усложнять эксплуатацию компрессора из-за повышенных механических напряжений и не применять масла.

Рис. 8.15. Принципиальная схема парокомпрессорной холодильной установки и ее теоретический цикл в 75 — диаграмме:

/ — компрессор; 2 — охлаждаемое помещение; 3— дроссельный вентиль; 4 — конденсатор специальных сортов. Из компрессора перегретый пар с параметрами pi и 02 поступает в охладитель (конденсатор 2). В конденсаторе при постоянном давлении перегретый пар отдает охлаждающей воде теплоту перегрева (процесс Ь—с) и его температура становится равной температуре насыщения 0_н2. Отдавая в дальнейшем теплоту парообразования (процесс c—d), насыщенный пар превращается в кипящую жидкость (точка d). Эта жидкость поступает к дроссельному вентилю 3, пройдя через который она превращается в насыщенный пар небольшой степени сухости (х₅ = 0,1…0,2).

Известно, что энтальпия рабочего тела до и после дросселирования одинакова, а давление и температура понижаются. На 7sдиаграмме изображена штриховая линия постоянной энтальпии d—e, точка е которой характеризует состояние пара после дросселирования.

Далее влажный пар поступает в охлаждаемую емкость, называемую рефрижератором 4. Здесь при неизменных давлении и температуре пар расширяется (процесс е—а), отнимая определенное количество теплоты. Степень сухости пара при этом увеличивается (х| = 0,9…0,95). Пар с параметрами состояния, характеризуемыми точкой 1, засасывается в компрессор, и работа установки повторяется.

На практике пар после дроссельного вентиля поступает не в рефрижератор, а в испаритель, где отнимает теплоту у рассола, который, в свою очередь, отнимает теплоту от рефрижератора. Это объясняется тем, что в большинстве случаев холодильная установка обслуживает ряд потребителей холода, и тогда незамерзающий рассол служит промежуточным хладоносителем, непрерывно циркулируя между испарителем, где он охлаждается, и специальными воздухоохладителями в рефрижераторах. В качестве рассолов применяют водные растворы хлорида натрия и хлорида кальция, имеющие достаточно низкие температуры замерзания. Растворы пригодны для использования лишь при температурах, превышающих те, при которых они замерзают как однородная смесь, образуя соленый лед (так называемая криогидратная точка). Криогидратной точке для раствора NaCl с массовой концентрацией 22,4% соответствует температура —21,2 'С, а для раствора СаС1₂ с концентрацией 29,9 — температура -55 °С.

Показателем энергетической эффективности холодильных установок служит холодильный коэффициент е, представляющий собой отношение удельной холодопроизводительности к затраченной энергии.

Действительный цикл парокомпрессорной холодильной установки отличается от теоретического тем, что из-за наличия внутренних потерь на трение сжатие в компрессоре происходит не по адиабате, а по политропе. В результате уменьшается затрата энергии в компрессоре и снижается холодильный коэффициент.

Для получения низких температур (—40…70 °С), требуемых в некоторых технологических процессах, одноступенчатые парокомпрессорные установки оказываются или неэкономичными, или совершенно непригодными из-за снижения КПД компрессора, обусловленного высокими температурами рабочего тела в конце процесса сжатия. В таких случаях применяют или специальные холодильные циклы, или в большинстве случаев двухступенчатое или многоступенчатое сжатие. Например, двухступенчатым сжатием аммиачных паров получают температуры до —50 °С, а трехступенчатым — до —70 °С.

Основное преимущество абсорбционных холодильных установок по сравнению с компрессорными — использование для выработки холода не электрической, а тепловой энергии низкого и среднего потенциалов. Последнюю можно получить от водяного пара, отбираемого, например, из турбины на теплоэлектроцентралях.

Абсорбцией называется явление поглощения пара жидким веществом (абсорбентом). При этом температура пара может быть ниже температуры абсорбента, поглощающего пар. Для процесса абсорбции необходимо, чтобы концентрация абсорбируемого пара была равна или больше равновесной концентрации этого пара над абсорбентом. Естественно, что в абсорбционных холодильных установках жидкие абсорбенты должны с достаточной скоростью поглощать холодильный агент, и при одинаковых давлениях температура их кипения должна быть значительно выше температуры кипения холодильного агента.

Наиболее распространены водно-аммиачные абсорбционные установки, в которых аммиак служит холодильным агентом, а вода — абсорбентом. Аммиак хорошо растворим в воде. Например, при 0 °C в одном объеме воды растворяется до 1148 объемов парообразного аммиака, и при этом выделяется теплота около 1220 кДж/кг.

Холод в абсорбционной установке вырабатывается по схеме, изображенной на рисунке 8.16. На этой схеме нанесены примерные значения параметров рабочего тела в установке без учета потерь давления в трубопроводах и потерь температурного напора в конденсаторе.

В генераторе 1 происходит выпаривание насыщенного аммиачного раствора при подогреве его водяным паром. В результате этого отгоняется легкокипящий компонент — аммиачный пар с незначительной примесью паров воды. Если поддерживать температуру раствора около 20 «С, то давление насыщения паров аммиака составит примерно 0,88 МПа. Чтобы содержание NH₃ в растворе не уменьшилось, с помощью перекачивающего насоса 10 из абсорбера в генератор непрерывно подается крепкий концентриро;

Рис. 8.16. Схема абсорбционной холодильной установки:

/—генератор; 2— конденсатор; 3 — дроссельный вентиль; 4— испаритель; 5—насос; б—перепускной вентиль; 7— охлаждаемая емкость; абсорбер; 9—змеевик; 10— насос ванный аммиачный раствор. Насыщенный аммиачный пар (х= 1), получаемый в генераторе, направляется в конденсатор 2, где аммиак превращается в жидкость (х = 0). После дросселя 3 аммиак поступает в испаритель 4, при этом давление его снижается до 0,3 МПа (/_н = —10 °С) и степень сухости становится равной примерно 0,2."0,3. В испарителе аммиачный раствор выпаривается за счет теплоты, подводимой рассолом из охлаждаемой емкости 7. При этом температура рассола понижается от —5 до —8 °С. С помощью насоса 5 он обратно перегоняется в емкость 7, где вновь нагревается до —5 °С, отбирая теплоту от помещения и поддерживая в нем постоянную температуру, примерно —2 °С. Выпаренный в испарителе аммиак со степенью сухости х= 1 поступает в абсорбер 8, где поглощается слабым раствором, подаваемым через перепускной вентиль 6 из генератора. Поскольку абсорбция — экзотермическая реакция, то для обеспечения непрерывности процесса теплообмена абсорбцит отводят охлаждающей водой. Полученный в абсорбере крепкий аммиачный раствор насос 10 перекачивает в генератор.

Таким образом, в рассмотренной установке имеются два аппарата (генератор и испаритель), где теплота подводится к рабочему телу извне, и два аппарата (конденсатор и абсорбер), в которых теплота отводится от рабочего тела. Сравнивая принципиальные схемы парокомпрессорной и абсорбционной установок, можно отметить, что генератор в абсорбционной установке заменяет нагнетательную, а абсорбер — всасывающую части поршневого компрессора. Сжатие холодильного агента происходит без затраты механической энергии, если не считать небольших расходов на перекачивание крепкого раствора из абсорбера в генератор.

В практических расчетах в качестве энергетического показателя абсорбционной установки также принимают холодильный коэффициент е, представляющий собой отношение количества теплоты q₂ воспринимаемого рабочим телом в испарителе к количеству теплоты q_u затрачиваемому в генераторе. Подсчитанный таким образом холодильный коэффициент всегда меньше холодильного коэффициента парокомпрессорной установки. Однако сравнительная оценка энергетической эффективности рассмотренных способов получения холода в результате непосредственного сопоставления способов только холодильных коэффициентов абсорбционной и парокомпрессорной установок неправильна, так как она определяется не только количеством, но и видом затраченной энергии. Два метода получения холода следует сравнивать по значению приведенного холодильного коэффициента, представляющему собой отношение холодопроизводительности q₂ к расходу теплоты топлива q_it т. е. ?_пр ⁼ Яг Я- Оказывается, что при температурах испарения от —15 до —20 °С (используемых основной массой потребителей) е_пр абсорбционных установок выше, чем парокомпрессорных, вследствие чего в ряде случаев абсорбционные установки выгоднее не только при снабжении их паром, отбираемым из турбин, но и при снабжении их паром непосредственно из паровых котлов.