Реферат применения искусственного холода

Обновлено: 08.07.2024

Применение искусственного холода ( холодильных машин) в установках НТС позволяет обрабатывать газ в течение всего периода разработки месторождения, но при этом капиталовложения в обустройство промысла увеличиваются примерно в 1 5 - 2 5 раза. [1]

Применение искусственного холода для сохранения пищевых продуктов известно уже давно. [2]

Применение искусственного холода ( холодильных машин) в установках НТС позволяет обрабатывать газ до конца разработки месторождения, но при этом капвложения в обустройство промысла увеличиваются примерно в 1 5 - 2 5 раза. [3]

Применение искусственного холода , а в равной мере и адсорбционных установок, сооружаемых с целью извлечения максимального количества конденсата из газа, в каждом конкретном случае должно сопровождаться технико-экономическим расчетом, поэтому в данной статье не ставится задача решения двух последних вопросов, касающихся больше экономики, чем техники. [4]

Применение искусственного холода в народном хозяйстве весьма многообразно. Им пользуются во многих областях химической промышленности: при производстве смазочных масел, синтетического каучука, искусственного шелка, для сжижения газов. Горючий, природный газ, использующийся в городах для бытовых целей, в настоящее время сжижают при помощи искусственного холода, что уменьшает объем необходимых для хранения резервуаров в 600 раз. В машиностроении производят термическую обработку инструмента и деталей машин при низких температурах, чем улучшается их качество. [5]

Применение искусственного холода , обеспечивающего поддержание в помещении температуры 2 - 8, сокращает время охлаждения жмыха с 16 - 24 до 4 - 5 час. [7]

Применение искусственного холода дает возможность заниматься конькобежным спортом в любой период года. Для этой цели используют искусственные ледяные катки, которые устраивают обычно в закрытых помещениях, а в некоторых случаях под открытым небом. [9]

Применение искусственного холода в процессах нефтепереработки дает положительные результаты только в том случае, если использование охлаждающего агента влияет на выход или качество продукции либо требуется для осуществления технологического процесса. При наличии на технологической установке, где нужен искусственный холод, достаточного количества сбросной энергии необходимого потенциала для выработки холода целесообразно использовать абсорбционные или эжекторные холодильные установки. [11]

Проблема применения искусственного холода для охлаждения электрических машин может быть рассмотрена и в другом аспекте. Известно, что при понижении температуры эксплуатации машины электрическое сопротивление ее обмоток уменьшается и соответственно количество выделяемых потерь также сокращается. Если при снижении температуры охлаждающей среды оставить номинальную мощность машины на прежнем уровне, то в связи со снижением температуры эксплуатации всей машины ее коэффициент полезного действия возрастет. [12]

При применении искусственного холода второе охлаждение дозволяет также снизить точку росы газа, что обычно достигается осушкой, которую производят после очистки газа. Недостатком этого метода является засорение холодильника нафталином. [13]

Создание и применение искусственного холода с каждым годом находит все большее внедрение в самых разнообразных отраслях народного хозяйства. [14]

Важной областью применения искусственного холода является кондиционирование воздуха, способствующее повышению производительности труда и обеспечивающее правильное проведение технологических процессов. [15]

Широкое применение льда в качестве охлаждающей среды объясняется прежде всего его физическими свойствами, а также экономическими факторами. Температура плавления водного льда при атмосферном давлении 0°С, удельная теплота плавления 334,4 Дж/кг, плотность 0,917 кг/м3, удельная теплоемкость 2,1 кДж/(кг•К), теплопроводность 2,3 Вт/(м•К). При переходе воды из жидкого состояния в твердое (лед) происходит увеличение объема на 9%.

Работа состоит из 1 файл

Производство и применение искусственного водного и.docx

Производство и применение искусственного водного и "сухого" льда.

Водный лед, полученный из пресной и морской воды, используют для охлаждения, хранения и транспортирования продуктов питания.

Естественный лед заготавливают путем вырезания или выпиливания крупных блоков изо льда, образовавшегося на естественных водоемах, послойного намораживания воды на горизонтальных площадках, наращивания сталактитов в градирнях. (Особым спросом для пищевых целей пользуется гренландский и антарктический лед как наиболее чистый. Возраст гренландского льда более 100 000 лет.) Лед хранят на площадках в буртах, укрытых насыпной изоляцией, и в льдохранилищах с постоянной и временной теплоизоляцией.

Искусственный водный лед получают с помощью льдогенераторов трубчатого типа, где лед образуется внутри труб вертикального кожухотрубного испарителя, в межтрубном пространстве которого кипит жидкий аммиак. Вода поступает в трубы испарителя сверху через водораспределительное устройство, в которое она подается насосом из бака, смонтированного под кожухом аппарата. В отверстия труб вставляют насадки, благодаря которым вода, поступающая в трубы, закручивается и пленкой стекает по их внутренней поверхности, частично замерзая. Не замерзшая вода собирается в бак, откуда опять подается в водораспределительное устройство. Благодаря непрерывной циркуляции из воды удаляется воздух, поэтому лед получается прозрачным. Когда стенки ледяных цилиндриков достигают толщины 4-5 мм, намораживание прекращают, насос останавливают, испаритель отключают от всасывающей стороны машины и соединяют с ее нагнетательной стороной, в результате чего в испаритель поступают горячие пары аммиака при давлении конденсации. Эти пары вытесняют из испарителя жидкий аммиак в ресивер (сборник аммиака), прогревают стенки труб, намороженный лед отделяется от стенок и под действием силы тяжести сползает вниз. При выходе из труб ледяные цилиндрики попадают под вращающийся нож, который разрезает их на части определенной высоты. Готовый лед падает в бункер и дальше по льдоскату выводится из льдогенератора.

Искусственный лед получают путем замораживания чистой пресной или морской воды в льдогенераторах. Качество льда, его форма, размер и способ получения, хранения и доставки потребителю обусловлены назначением и спецификой применения.

Матовый лед изготавливают из питьевой воды без какой-либо ее обработки в процессе замораживания. В отличие от естественного он имеет молочный цвет, обусловленный наличием большого количества пузырьков воздуха, которые образуются в процессе превращения воды в лед. Пузырьки уменьшают проницаемость льда для световых лучей, и он становится непрозрачным.

Прозрачный лед по виду напоминает стекло. Для его получения в форму наливают воду и при помощи форсунок продувают через нее сжатый воздух. Проходя через замораживаемую воду, oн захватывает и увлекает за собой пузырьки воздуха. Прозрачный лед изготавливают в виде кусков небольших размеров и используют для охлаждения напитков.

Лед с бактерицидными добавками предназначен для охлаждения рыбы, мяса, птицы и некоторых видов овощей путем непосредственного соприкосновения с ними. Бактерицидные добавки снижают обсеменённость продуктов микроорганизмами.

В зависимости от формы и массы искусственный лед бывает блочный (5-250 кг), чешуйчатый, прессованный, трубчатый, снежный.

Блочный лед дробят на крупный, средний и мелкий.

Чешуйчатый лед получают путем напыления воды на вращающийся барабан, плиту или цилиндр, являющиеся испарителями хладагента. Вода на поверхности барабана быстро замерзает, а образовавшийся лед при его вращении срезается фрезами или ножом. Льдогенераторы производят от 60 до 5000 кг/сут такого льда. Чешуйчатый лед эффективен при охлаждении рыбы, мясных изделий, зеленых овощей, некоторых плодов. Наибольший коэффициент теплоотдачи достигается, когда при охлаждении продукты плотно сопри-касаются со льдом.

В результате смешивания дробленого водного льда с различными солями помимо теплоты таяния льда поглощается теплота растворения соли в воде, что позволяет существенно понизить температуру смеси. Раствор может быть охлажден до криогидратной точки.

Сухой лед - твердый диоксид углерода. Производство сухого льда состоит из трех последовательных стадий: получения чистого газообразного диоксида углерода, сжижения его до образования снегообразной массы и прессования последней блоками плотностью 1400-1500 кг/м3. Различают его производство по циклу высокого, среднего и низкого давлений.

Сухой лёд получают из углекислого газа, который можно получить путём спиртового или металлического брожения или синтеза аммиака.

Сухой лед из жидкого диоксида углерода также получают двумя способами: дросселированием жидкого диоксида углерода по давлению тройной точки с последующим прессованием рыхлого влажного снега в блоки сухого льда; дросселированием до атмосферного давления с уплотнением блока льда в процессе льдообразования. Как охлаждающая среда он имеет значительные преимущества перед водным льдом: холодопроизводительность на единицу массы в 1,9, а на единицу объема в 7,9 раза больше; при атмосферном давлении сухой лед переходит в газообразное состояние, минуя жидкую фазу, что исключает увлажнение поверхности продукта. Благодаря низкой температуре сублимации сухого льда (-78,9°С) и выделению газообразного ди-оксида углерода понижается концентрация кислорода у поверхности продукта, создаются неблагоприятные условия для жизнедеятельности микроорганизмов.

Сухой лед укладывают поверх и между упаковок продуктов и используют как охлаждающую среду для хранения мороженого, фруктов, ягод. Сухой дробленый лед используют в специальных системах охлаждения, для чего его помещают в металлические емкости. Продукты сублимации льда отводят в грузовой объем помещения или наружу.

Прямым эжектированием жидкого диоксида углерода получают твердый гранулированный, или снегообразный, диоксид углерода, который используют для охлаждения упакованных продуктов (мясных, рыбных, овощных).

Производство водного льда

Производство искусственного водного льда сосредоточено в рыбной, мясной и молочной промышленности, на железнодорожном транспорте и в торговле. По количеству льдозаводов и их мощности первое место занимает рыбная промышленность (43 %), второе — железнодорожный транспорт (22,7%), третье — торговля (20,5%), четвертое — мясная и молочная промышленность. Льдозаводы рыбной, мясной и молочной промышленности применяют лед для собственных производственных нужд.

Искусственный лед используется для перевозки скоропортящихся продуктов в изотермических вагонах. Льдозаводы (чиллеры) при распределительных холодильниках торговли снабжают льдом предприятия торговли и общественного питания, а также рыбную промышленность. Около 80% всех действующих льдозаводов размещены в южных районах страны. Расход холода, топлива и электроэнергии на единицу продукции устанавливают по соответствующим нормативам. Заработную плату определяют в соответствии с планом по труду: начисления планируют в установленном проценте к заработной плате. В прямую заработную плату включают заработную плату рабочих-крановщиков и рабочих, осуществляющих фасовку и упаковку льда.

Накладные расходы — цеховые, общезаводские и внепроизводственные — определяют так же, как и по другим видам продукции. В настоящее время себестоимость искусственного водного льда в 4 раза больше естественого. Причинами этого являются большие затраты на холод, заработную плату, а также высокий уровень цеховых, общезаводских и внепроизводственных расходов. Основные пути снижения себестоимости искусственного водного льда — механизация и автоматизация производства холодильного оборудования, интенсификация процесса его выработки, повышение уровня концентрации его производства и снижение накладных расходов (затрат на содержание цехового персонала, текущий ремонт, общезаводских и внепроизвод-ственных расходов).

Основными факторами, определяющими мощность заводов искусственного водного льда при распределительных холодильниках, являются численность населения данного города или населенного пункта, его климатические условия, потребности предприятий пищевой промышленности, торговли и населения в искусственном водном льде. Многообразие потребителей искусственного водного льда и экономическая целесообразность концентрации его производства обусловливают необходимость составления балансового расчета его потребности. Для этого следует выявить потребность каждой отрасли пищевой промышленности и торговли в искусственном льде на год и по месяцам. Потребность в искусственном водном льде рассчитывают по дифференцированным нормам для отдельных климатических зон и по отраслям пищевой промышленности, торговли, а также железнодорожному транспорту.

На основании многолетних данных о сезонности производства и реализации искусственного водного льда в городах и промышленных центрах, расположенных в различных климатических зонах, можно установить, что удельный месяц максимального производства и реализации искусственного водного льда составляет в среднем 20 %.

При определении мощности завода искусственного водного льда следует в основном исходить из приведенных выше предпосылок и удельного веса месяца максимального производства, корректируя их в зависимости от климатических условий. Естественный лед используют главным образом в отраслях пищевой промышленности, железнодорожном транспорте и торговле. Удельный вес торговли в заготовке естественного льда за последние годы заметно снизился. Соотношение отдельных отраслей пищевой промышленности в заготовках естественного льда (в %): молочная промышленность 71,3, рыбная промышленность 22,7, прочие отрасли пищевой промышленности 6,0.

Из общего количества естественного льда, используемого в торговле, 50% приходится для охлаждения напитков. Структура себестоимости естественного льда, изготовляемого методом замораживания, характеризуется следующими данными (в %): сырье 3,5, зарплата с начислениями 18,4, цеховые расходы 22,8, общезаводские расходы 7,1, внепроизводственные расходы 42,8. Высокий удельный вес внепроизводственных затрат объясняется большими расходами, связанными со сбытом льда.

Большой удельный вес заработной платы обусловлен трудоемкостью операций по выколке льда. Решающими условиями снижения себестоимости естественного льда являются: механизация тяжелых и трудоемких работ' по его выколке, а также снижение внепроизводственных расходов. Себестоимость естественного льда калькулируют так же, как и искусственного водного льда. Расходы на сырье устанавливают на основании нормативов затрат, разрабатываемых на каждый год.

Заработную плату производственных рабочих (морозчиков) устанавливают в соответствии с планом по труду на основании действующих норм выработки с учетом планируемого уровня производительности труда. Накладные расходы — цеховые, общезаводские, внепроизводственные — определяют на основании специально разрабатываемых смет по каждой группе затрат с последующим отнесением этих затрат на данный вид вырабатываемой продукции.

В настоящее время известны три аморфных разновидности и 15 кристаллических модификаций льда. Фазовая диаграмма на рисунке справа показывает при каких температурах и давлениях существуют некоторые из этих модификаций (более полное описание см.ниже).

Фазовая диаграмма льда. Давление (ГПа) в логарифмическом масштабе, температура слева — в градусах Цельсия, справа — Кельвина, 1 — жидкая фаза

В природных условиях Земли лёд представлен, главным образом, одной кристаллической модификацией, кристаллизующейся в гексагональной сингонии (лёд I_h). Во льду I_h каждая молекула Н₂O окружена четырьмя ближайшими к ней молекулами, находящимися на одинаковых расстояниях от неё, равных 2,76 Å и размещённых в вершинах правильного тетраэдра.

Кристаллическая структура льда I_h. Серыми пунктирными линиями показаны водородные связи.

Ажурная структура такого льда приводит к тому, что его плотность, равная 916,7 кг/м³ при 0 °C, ниже плотности воды (999,8 кг/м³) при той же температуре. Поэтому вода, превращаясь в лёд, увеличивает свой объём примерно на 9 % [1] . Лёд, будучи легче жидкой воды, образуется на поверхности водоёмов, что препятствует дальнейшему замерзанию воды.

Высокая удельная теплота плавления льда, равная 330 кДж/кг, (для сравнения — удельная теплоты плавления железа равна 270 кДж/кг), служит важным фактором в обороте тепла на Земле. Так, чтобы растопить 1 кг льда или снега, нужно столько же тепла, сколько требуется, чтобы нагреть литр воды от 0 до 80 °C

Лёд встречается в природе в виде собственно льда (материкового, плавающего, подземного), а также в виде снега, инея и т. д. Под действием собственного веса лёд приобретает пластические свойства и текучесть.

Природный лёд обычно значительно чище, чем вода, так как при кристаллизации воды в первую очередь в решётку встают молекулы воды (см. зонная плавка). Лёд может содержать механические примеси — твёрдые частицы, капельки концентрированных растворов, пузырьки газа. Наличием кристалликов соли и капелек рассола объясняется солоноватость морского льда.

Основная статья: Криосфера

Общие запасы льда на Земле около 30 млн км³. Основные запасы льда на Земле сосредоточены в полярных шапках (главным образом, в Антарктиде, где толщина слоя льда достигает 4 км).

Основная статья: Морской лёд

Вода в мировом океане солёная и это препятствует образованию льда, поэтому лёд образуется только в полярных и субполярных широтах, где зима долгая и очень холодная. Замерзают некоторые неглубокие моря, расположенные в умеренном поясе. Различают однолетние и многолетние льды. Морской лёд может быть неподвижным, если связан с сушей, или плавучим, то есть дрейфующим. В океане встречаются льды, отколовшиеся от ледников суши и спустившиеся в океан в результате абляции, — айсберги.

Имеются данные о наличии льда на планетах Солнечной системы и в ядрах комет. Изо льда сложена поверхность Европы — спутника Юпитера.

Использование льда в качестве конструкционного материала широко распространено в приполярных регионах для строительства жилищ — иглу. Лёд входит в состав предложенного Д. Пайком материала Пайкерит, из которого предлагалось сделать самый большой в мире авианосец. Использование льда для постройки искусственных островов описывается в фантастическом романе Ледяной остров.

Характеристики [3] [4]

Обычный гексагональный кристаллический лёд. Практически весь лёд на Земле относится ко льду I_h, и только очень малая часть — ко льду I_c.

Метастабильный кубический кристаллический лёд. Атомы кислорода расположены как в кристаллической решётке алмаза.
Его получают при температуре в диапазоне от −133 °C до −123 °C, он остаётся устойчивым до −73 °C, а при дальнейшем нагреве переходит в лёд I_h. Он изредка встречается в верхних слоях атмосферы.

Тригональный кристаллический лёд с высокоупорядоченной структурой. Образуется изо льда I_h при сжатии и температурах от −83 °C до −63 °C. При нагреве он преобразуется в лёд III.

Тетрагональный кристаллический лёд, который возникает при охлаждении воды до −23 °C и давлении 300 МПа. Его плотность больше, чем у воды, но он наименее плотный из всех разновидностей льда в зоне высоких давлений.

Метастабильный тригональный лёд. Его трудно получить без нуклеирующей затравки.

Моноклинный кристаллический лёд. Возникает при охлажении воды до −20 °C и давлении 500 МПа. Обладает самой сложной структурой по сравнению со всеми другими модификациями.

Тетрагональный кристаллический лёд. Образуется при охлажении воды до −3 °C и давлении 1,1 ГПа. В нём проявляется дебаевская релаксация.

Кубическая модификация. Нарушено расположение атомов водорода; в веществе проявляется дебаевская релаксация. Водородные связи образуют две взаимопроникающие решётки.

Более упорядоченный вариант льда VII, где атомы водорода занимают, очевидно, фиксированные положения. Образуется изо льда VII при его охлаждении ниже 5 °C.

Тетрагональная метастабильная модификация. Постепенно образуется изо льда III при его охлаждении от −65 °C до −108 °C, стабилен при температуре ниже −133 °C и давлениях между 200 и 400 МПа. Его плотность 1,16 г/см³, то есть, несколько выше, чем у обычного льда.

Симметричный лёд с упорядоченным расположением протонов. Образуется при давлениях около 70 ГПа.

Ромбическая низкотемпературная равновесная форма гексагонального льда. Является сегнетоэлектриком.

Тетрагональная метастабильная плотная кристаллическая модификация. Наблюдается в фазовом пространстве льда V и льда VI. Можно получить нагреванием аморфного льда высокой плотности от −196 °C до примерно −90 °C и при давлении 810 МПа.

Моноклинная кристаллическая разновидность. Получается при охлаждении воды ниже −143 °C и давлении 500 МПа. Разновидность льда V с упорядоченным расположением протонов.

Ромбическая кристаллическая разновидность. Получается при температуре ниже −155 °C и давлении 1,2 ГПа. Разновидность льда XII с упорядоченным расположением протонов.

Физические принципы получения искусственного холода. Термодинамические процессы холодильных установок. Рабочие вещества современных холодильных машин, их основные свойства и область применения. Классификация и принцип действия холодильных машин.

Рубрика	Производство и технологии
Вид	курсовая работа
Язык	русский
Дата добавления	19.07.2015
Размер файла	112,6 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИСКУССТВЕННОГО ХОЛОДА

Неотъемлемой частью технологических процессов скоропортящихся продуктов, их последующей сохранности, транспортировки и реализации является искусственный холод.

Искусственное охлаждение - это отвод теплоты от тела, имеющего температуру более низкую, чем температура окружающей среды, в которой находится охлаждаемое тело.

Использование искусственного холода для сохранения скоропортящихся продуктов нашло свое применение еще в XIX веке, в основном на рыбных промыслах. В основу получения искусственного холода были положены физические процессы, которые сопровождаются поглощением теплоты. Иногда для этих целей используют механическую работу или электричество.

Существует ряд таких процессов, которые сопровождаются поглощением теплоты извне. К ним можно отнести фазовый переход вещества, а именно:

- сублимация (сухая пререгонка, возгонка - или непосредственно переход вещества при нагревании из твердого в газообразное состояние, минуя стадию жидкости);

- адиабатическое дросселирование (расширение газа, проходящего через суженное отверстие без совершения внешней работы и без теплообмена с окружающей средой - эффект Джоуля-Томсона);

Этот эффект обусловлен затратой внутренней энергии на работу против сил молекулярного притяжения, что приводит к изменению температуры реального газа. Применяется в технике глубокого охлаждения. В холодильных машинах АПК этот способ применяется крайне редко.

- адиабатическое расширение газа с совершением полезной внешней работы;

- вихревой эффект (эффект Ранка), который заключается в том, что сжатый воздух, имеющий температуру окружающего воздуха, подается в трубу по тангенциальному вводу;

- термоэлектрический эффект (эффект Пельтье) заключается в том, что при прохождении постоянного электротока через цепь, состоящую из двух разнородных металлов, один из них имеет более низкую температуру, второй более высокую. Холодный спай является источником низкой температуры. По такому принципу работают термоэлектрические охлаждающие устройства.

Для сохранения скоропортящихся продуктов их необходимо охлаждать постоянно. Это возможно в том случае, если имеется большой запас хладагента, или при его конечном количестве восстанавливать его первоначальное состояние, т.е. хладагент должен совершать круговой процесс или цикл, претерпевая ряд изменений, но обязательно превращаться в первоначальное состояние. Для этой цели необходимо затрачивать внешнюю работу.

2. термодинамические процессы и циклы холодильных установок

Идеальным циклом получения искусственного холода может быть холодильная установка, работающая в соответствии с обратным циклом Карно, сущность которого сводится к следующему. В отличие от прямого цикла, в котором производится работа при переходе теплоты от более нагретого тела к менее нагретому, в обратном цикле работа или теплота передается от менее нагретого тела к более нагретому. На диаграмме это явление (процесс) можно представить следующим образом.

Как видно из диаграммы, в процессе 1 - 2 хладагент адиабатно сжимается от объема V1 до объема V2 с повышением температуры от Т2 до Т1. Далее в процессе 2 - 3 осуществляется сжатие хладагента при одновременном изотермическом отводе тепла Q1 при температуре Т1 в окружающую среду. В процессе 3 - 4 хладагент адиабатно расширяется от объема V3 до объема V4 с понижением температуры от Т1 до Т2. В процессе 4 - 1 хладагент продолжает увеличиваться в объеме (расширяться) при температуре Т2, изотермически получая теплоту Q2 от более холодного тела относительно внешней среды.

Цикл идеальной холодильной машины

S - энтропия, т.е. количество энергии, которое передается в виде тепла от одного тела к другому (Клаудисус, 1852 г.)

Т - абсолютная температура

Действительный цикл холодильной машины

1-2 - адиабата (S = const) - сжатие сухих паров в камере. Процесс 2-2' - охлаждение хладона в конденсаторе (P= const), отводит ранее полученное тепло окружающей среде.

2'-3 - сжатый хладон при Т= const и P=const конденсируется в конденсаторе.

3-3' - переохлаждение в теплообменнике изобарно. P= const.

3'-4 - расширение после ТРВ (изоэнтальпа, i= const.

4 -1 - кипение в испарителе (T = const, P = const).

1-2 - адиабатное сжатие в компрессоре до давления Р1.

Полезным эффектом холодильного цикла является количество теплоты Q2 , которая отбирается хладагентом от охлаждаемого продукта, имеющего температуру Т2 00С).

Воду используют в качестве хладагента и в установках абсорбционного и эжекторного типов.

Аммиак применяют в специальных абсорбционных установках при температуре кипения tк > -700С. Основные преимущества его:

- малый удельный объем при температурах испарения;

- большая теплота парообразования;

- незначительная растворимость в масле;

- не оказывает координирующего действия на сталь.

Первая цифра в двухзначном номере или первые две или первые две цифры в трехзначном номере обозначают тот насыщенный углеводород CnH2n+2 , на базе которого получен хладон. Установлены следующие цифры: 1 - СН4 (метан); 11 - С2Н6 (этан); 21 - С3Н8 (пропан); 31 - С4Н10 (бутан) и т.д. Галоидные соединения насыщенных углеводородов CnH2n+2 , полученные путем замены атомов водорода атомами фтора, хлора, брома (CnHxFyClzBru), чрезвычайно многочисленны. Число молекул отдельных составляющих, входящих в эти химические соединения, связаны зависимостью x + y + z + u = 2n + 2.

Справа пишут число атомов фтора в хладоне CF2Cl2 - R12, C3F4Cl4 - R214 и т.д. При наличии в хладоне атомов брома после основного номера пишут букву В, а за ней число атомов брома: CF2Br2 - R12B2 . Незамещенные атомы водорода - плюс столько единиц, сколько осталось незамещенных атомов к первой цифре (метан) или ко второй в остальных соединениях.

К основным свойствам хладагентов относятся теплофизические, физико-химические и физиологические. К теплофизическим свойствам относятся вязкость м , теплопроводность л , плотность с , температура замерзания tкр и др. м, л, с - влияют на коэффициент теплопередачи при кипении и конденсации. Большим значением л, с и малой вязкости м соответствуют большие значения коэффициентов теплопередачи. Вязкость и плотность влияют на гидравлические сопротивления при циркуляции хладагента в системе. К физико-химическим свойствам относятся растворимость в смазочных маслах и воде, инертность к металлам, взрывоопасность и воспламеняемость. По физиологическим свойствам хладагенты не должны быть ядовитыми.

По характеру взаимодействия с маслом все хладагенты разделяют на две группы. К первой относятся хладагенты с ограниченной растворимостью в масле (аммиак R717, углекислота R44, близко подходят хладоны R13, R14, R115); ко второй группе - с неограниченной растворимостью (R11, R12, R21, R22, R40). Это значит, что при ограниченной растворимости в жидкой фазе смеси наблюдаются два слоя, из которых в одном преобладает масло, в другом - хладагент. Во втором случае этого не наблюдается и, кроме того, если кипит не чистый хладагент, а смесь (R12 + масло), то для получения такой же температуры кипения, что и для чистого R12, необходимо поддерживать более низкое давление кипения и, следовательно, затрачивать излишнюю работу на сжатие пара.

Взаимодействие хладонов с металлами зависит также от содержания в них влаги.

Галогенизированные углеводороды дают с влагой галогенные кислоты, при которых возможны гидролиз хладона и коррозия металлов.

Хладагент не должен быть взрывоопасным и ядовитым, а также не воспламеняться в смеси с воздухом. Однако аммиак вызывает раздражение глаз и верхних дыхательных путей. Допустимая концентрация его в воздухе > 0,02 г/м3.

Хладоны с большим содержанием фтора или полностью фторированные (R13, R113) практически безвредны для человека. R12 только на открытом пламени разлагается на составные части. В продуктах его разложения содержится фосген. Недостаток фтора - озоновые дыры.

В каких областях применяются различные хладагенты?

Аммиак (R717), хладоны (R12, R22) используют в компрессионных холодильных машинах для получения температуры кипения до -30…-400С без вакуума в системе охлаждения. R12 применяют в одноступенчатых холодильных машинах с tконд = -300С, в домашних холодильниках, кондиционерах, водоохлаждающих холодильных машинах. R22 применяют для машин с поршневыми и винтовыми компрессорами одно- и двухступенчатого сжатия, а также в бытовых холодильниках. Диапазон tкип = -10…1700С, tконд = -450С и т.д.

Для практического использования наиболее перспективными можно считать следующие хладагенты:

для высокотемпературных холодильных машин

Ркр/Р0 R12/R114; R22/R114; R143/R142

Р0 - давление расширения

R22/R114; R143/R12; R13B1/R12; R12/R142; R22/R12/R142/CO2

R13/R12; R13B1/R12; R13/R22/R12/азот.

Примерные обозначения и основные термодинамические свойства наиболее распространенных хладонов

Осуществление различных технологических процессов при температурах ниже температуры окружающей среды связано с производством искусственного холода. Этих технологий становится все больше, и они находят все большее применение во многих отраслях народного хозяйства. Остановимся на рассмотрении наиболее важных технологий по отраслям промышленности.

Холодильная технология пищевых продуктов охватывает сельское хозяйство; перерабатывающую — мясную и молочную промышленность; торговлю; транспорт (автомобильный, железнодорожный и водный); рыбодобывающую и рыбоперерабатывающую с рыбопромысловыми и перерабатывающими базами и судами.

Для осуществления холодильной технологии пищевых продуктов в СССР создана холодильная цепь, звенья которой предназначены для создания необходимых температурно-влажностных режимов для холодильной обработки, хранения, транспортирования и реализации пищевых продуктов.

С целью обеспечения длительного сохранения высокого качества скоропортящихся продуктов холодильные установки должны поддерживать нужный технологии температурный режим среды: для охлаждения до —5°С, замораживания —35 −40°С, хранения продуктов в охлажденном виде 0 −2°С, в замороженном —20 −30°С. Температурный режим транспортных рефрижераторов зависит от вида перевозимых продуктов и предварительного процесса холодильной технологии — их охлаждения или замораживания.

Перерабатывающая промышленность и торговля являются крупными потребителями холода. С помощью холодильной технологии в этих отраслях обрабатывают не менее 50 млн. т различных продуктов животного и растительного происхождения. Потребность в холоде непрерывно возрастает. Именно из-за недостаточного использования искусственного холода в мире теряется в среднем 25—30% произведенных пищевых продуктов.

Развивающейся отраслью промышленности является концентрирование соков, получение сухих порошков из концентрированных соков, а также продуктов с промежуточной влажностью с целью их хранения при обычных температурах, сублимационная сушка.

Холодильная цепь пищевой технологии использует различные холодильные установки: одно- и двухступенчатого сжатия. Для осуществления технологии обработки холодом используют как холодильники, так и различные морозильные аппараты.

В технологических процессах в нефтяной, газовой и химической промышленности применяют искусственный холод в диапазоне умеренных температур (примерно до —100°С).

В нефтяной промышленности искусственное охлаждение используют в технологических процессах, где применяют в основном системы непосредственного кипения холодильного агента в поверхностных аппаратах. Выбор холодильного агента определяется условиями работы предприятий. Чаще всего используют углеводороды, которые имеются в достаточном количестве на данном производстве. Они имеют высокую молекулярную массу, и поэтому возможно применение в холодильной установке центробежных компрессоров.

В газовой промышленности искусственный холод применяют при подготовке газа к транспортированию и при переработке нефтяных и природных газов газоконденсатных месторождений. При этом используют как внешние, так и. внутренние холодильные циклы, в которых холод получают в процессе переработки газа (дросселирование жидкостей или расширение газа), а также комбинированные циклы. Температура транспортируемого газа —5 −25°С, давление 5,5 МПа. Потребность в холоде измеряется десятками тысяч киловатт и требует применения высокопроизводительного турбокомпрессорного оборудования с газовыми или паровыми приводами компрессоров. В холодильных установках используют аппараты воздушного охлаждения, а в качестве хладагента — углеводороды (этан, пропан), которые получают при переработке газов.

Одним из основных процессов, применяемых при переработке газа, является процесс низкомолекулярной конденсации, основанный на различии температур конденсации компонентов, входящих в состав газа. Низкотемпературная конденсация компонентов проходит при разных температурах на одно-, двух- и трехступенчатых температурных уровнях, которые получают в соответствующих холодильных установках.

В химической промышленности (получение этилена, фармацевтических и биохимических препаратов, производство азотное, синтетического каучука, хлора и др.) имеется многообразие систем холодоснабжения с различным типом холодильных машин, начиная с небольших поршневых компрессоров и кончая крупными центробежными агрегатами производительностью в несколько тысяч киловатт. Широко применяют абсорбционные установки, использующие теплоту технологических процессов, либо теплофикационные отборы ТЭЦ.

Азотное производство включает предприятия синтеза аммиака и некоторые производства азотной кислоты. Основная часть холода при производстве аммиака потребляется агрегатом синтеза для конденсации аммиака из азотно-водородно-аммиачной смеси высокого давления при температурах кипения хладагента (—10 −12°С), а также для конденсации аммиака при температурах кипения —30 −34°С. Для производства аммиака применяют теплоиспользующие абсорбционные водоаммиачные машины и аммиачные центробежные компрессорные агрегаты. Для производства этилена используют искусственный холод температурных уровней от 6 до —100°С. При этом применяют системы непосредственного кипения на холодильниках агентах—этилене и пропилене (продуктах данного производства).

Производство синтетического каучука основано на полимеризации непредельных углеводородов — мономеров, для чего требуется искусственный холод на температурном уровне от 7 до —40°С. Вторая стадия технологии получения каучука проводится при —100°С.

Хлор выделяется из газовой смеси в результате фракционной конденсации, где применяют абсорбционные водоаммиачные холодильные установки с температурой кипения —45°С или фреоновые установки с температурным режимом 5, —20, —65°С, оборудованные центробежными компрессорными машинами.

Крупным потребителем холода в химической промышленности является производство химических волокон, изготовленных из различных видов синтетических полимеров. В данной отрасли применяют только системы охлаждения с промежуточным хладоносителем с температурным уровнем 20 −10°С. Потребность в холоде крупных комбинатов достигает 35—58 МВт.

Технологические процессы в производстве химико-фармацевтических препаратов, витаминов и антибиотиков сопровождаются потреблением искусственного холода на температурном уровне — 10 —15°С.

При получении белково-витаминных концентратов путем синтеза смеси жидких парафинов нефти и минеральных солей со специальной культурой дрожжей потребность в холоде весьма значительна: 1 т продуцента в производстве белково-витаминных концентратов выделяет 16 ГДж теплоты, производство лизина — до 54,5 ГДж. При современной мощности заводов потребность в холоде измеряется десятками тысяч киловатт.

Холод применяется при термической обработке сталей, стабилизации и восстановлении размеров деталей, запрессовке для создания неподвижных посадок, для охлаждения ванн анодирования, старения алюминиевых сплавов, осушке сжатого воздуха, гибке труб с замороженной в них водой, в установках кондиционирования воздуха.

Температурные режимы перечисленных холодильных технологий обработки металлов находятся в пределах —30 −120°С. В верхнем интервале можно использовать серийно выпускаемые парокомпрессионные машины двухступенчатого сжатия (до —60°С) и каскадные машины (до —80°С). Возможно снижение температурного уровня до —120°С, если применить смеси холодильных агентов.

Читайте также: