Цикли холодильних установок і термотрансформаторів

Охолодження тіл до температури нижче температури навколишнього середовища й підтримка їх в охолодженому стані протягом тривалого часу становлять основне завдання холодильної техніки. Для багатьох виробництв таке охолодження різних речовин, або, як його називають, виробництво холоду, є невід'ємною частиною технологічних процесів. У побуті й на транспорті, при зберіганні й транспортуванні продуктів і для створення „штучного мікроклімату” (кондиціонування повітря), при будівництві різного роду підземних споруджень (заморожування ґрунту) виробництво холоду одержало широке поширення.

Теплові машини, призначені для зниження температури тіл у порівнянні з температурою навколишнього середовища й безперервної підтримки цієї температури, називаються холодильними установками. Ці ж машини, що використовуються для підвищення температурного рівня навколишнього середовища, називаються трансформаторами теплоти, або тепловими насосами.

Залежно від температури, що повинна бути досягнута при охолодженні, розрізняють холодильні установки помірного холоду (температура до -70 ^оС) і установки глибокого холоду (температура до – 200 ^оС і нижче).

За різновидами робочого тіла (хладоагента) холодильні установки підрозділяються на повітряні й парові. В останніх, як хладоагент використовуються пари різних низькокиплящих речовин, наприклад, аміаку, фреонів.

Установки, у яких енергія для одержання холоду затрачається у вигляді механічної роботи на привод компресора, називаються компресорними, а установки, у яких енергія затрачається у вигляді теплоти на термохімічну компресію, - абсорбційними.

Холодильні установки й теплові насоси працюють по зворотнім круговим процесам або циклам.

До робочих тіл, застосовуваємих у холодильних установках, пред'являється ряд особливих вимог, внаслідок чого значно скорочується число можливих хладоагентов:

1. Тиск насичених парів хладоагента, що відповідає необхідним температурам, повинен бути вище атмосферного або близьким до нього, тому що легше боротися з витоком хладоагента, чим з підсосом повітря при вакуумі. Менш за інших хладоагентов цій вимозі відповідає сірчастий ангідрид, що при температурі -10^оС має тиск 0,101 МПа. Підсос повітря небажан по наступних причинах:

а) погіршує теплопередачу між хладоагентом й охолоджуючим середовищем у конденсаторі та між хладоагентом й охолоджуваним середовищем у випарнику;

б) містить водяні пари, які можуть замерзати в трубках випарника або розчинятися в мастилах, що змащують компресор, і підвищувати температуру замерзання мастила;

в) підвищує робочий тиск і викликає надмірну витрату електроенергії, що необхідна для привода компресора.

2. Небажано високий тиск пари при температурі конденсації, тому що потрібна більша щільність з'єднань, щоб уникнути витоку хладоагента. Цій вимозі погано задовольняє СО₂, у якого при .

3. Холодильні агенти повинні мати велику теплоту паротворення, тому що вона визначає холодовиробництво у парокомпресорних установках. Менш за інших цій вимозі задовольняють вуглекислий газ і фреони.

4. Робочий тиск хладоагентов, при звичайно використовуваємій на практиці температурі від -30 ^оС до +30 ^оС, повинен бути значно нижче критичного. Критична температура повинна бути високою. Цій вимозі недостатньо задовольняє вуглекислий газ, у якого . Виходить, якщо у конденсаторі буде охолоджуюча вода з температурою вище 31,35 ^оС, то СО₂ ніколи не сконденсується. Із цієї причини холодильні установки, у яких використається СО₂, працюють по особливим, більш складним циклам, чим звичайні.

5. Хладоагенти не повинні володіти кородируючими властивостями й утворювати із мастилами хімічні сполуки, що порушують нормальну роботу машини.

6. Хладоагенти не повинні шкідливо впливати на обслуговуючий персонал при неминучих на практиці невеликих витоках їхніх парів.

Як відомо, широке застосування в якості хладоагентів одержали фреони – галоідні похідні насичених вуглеводнів , отримані шляхом заміни атомів водню атомами хлору й фтору.

У техніці через велику різноманітність фреонів і щодо складного їхнього найменування встановлена умовна числова система позначення, відповідно до якої кожне з'єднання залежно від хімічної формули має своє число. Спочатку пишуть цифри, що умовно позначають вуглеводень, похідним якого є даний фреон. Для метану це 1, для этана - 11, для пропану -21 й т. д. Потім, якщо в з'єднанні є незаміщені атоми водню, число їх додається до цих цифр. Далі до отриманої суми або до первісного числа (якщо всі атоми водню в з'єднанні заміщені) дописують (а не додають) у вигляді наступного знака цифру, що виражає число атомів фтору. Так одержують позначення: фреон -11 замість монофтортрихлорметан СFCl₃; фреон -12 замість дифтордихлорметан CF₂Cl₂; фреон -22 замість дифтормонохлорметан CHF₂Cl; фреон -114 замість тетрафтордихлоретан C₂F₄Cl₂; фреон -142 замість дифтормонохлорэтан C₂H₃F₂Cl.