659

Таблица 2.2

Относительная влажность воздуха (для низких температур), %

31

Соотношения между единицами теплоты (работы) и мощности представлены в табл. 2.3, 2.4.

Давление — это сила, действующая со стороны газа или жидкости на единицу поверхности стенки, ограничивающей данный объем газа (жидкости), выражается в паскалях (Па): 1 Па = 1 Н/м2.

Различают понятия нормального атмосферного давления (760 мм рт. ст., или 1 ат, или 1,013∙105 Па), парциального давления, вакуума.

Абсолютным называют давление, отсчитываемое от абсолютного нуля давления, т.е. от космического вакуума. Избыточным называют давление, измеренное относительно атмосферного в данной точке и превышающее его: рабс = рат + ризб.

Соотношения междуединицамидавленияпоказанывтабл. 2.5.

Таблица 2.5

Соотношения между единицами давления

32

2.2. Способы промышленного получения холода и типы холодильных машин

Охлаждение — это отвод тепла от тела. Этот процесс иногда достигается при непосредственном контакте охлаждаемого тела с более холодным телом (окружающей средой). Такой процесс называется естественным охлаждением. Часто естественное охлаждение производить невозможно, так как окружающая среда имеет температуру выше или равную температуре охлаждаемого тела. В этом случае используют так называемое искусственное охлаждение [1, 3, 5, 14].

Получение холода или охлаждение может быть достигнуто при сохранении или изменении агрегатного состояния охладителя, без затраты или с затратой энергии. В качестве охладителя на транспорте используют лед, льдосоляные смеси, жидкости с низкими температурами кипения (холодильные агенты), наружный холодный воздух и др.

Водный лед (аккумулятор холода) в зависимости от способов получения бывает естественный и искусственный. Физические свойства его при температуре 0 °С и атмосферном давлении следующие: температура плавления 0 °С, теплота плавления 333,2–335кДж/кг,теплоемкость(всреднем)2,09кДж/(кг∙град), весмассивальда900–917кг/м3,дробленогольда500–625кг/м3.

Ледяное охлаждение весьма простое, но получаемые при нем температуры для целого ряда продуктов высоки (выше +3 °С). Оно основано на том, что при таянии льда теплота расходуется на внутреннюю работу по преодолению сил, удерживающих молекулы льда, т.е. на разрушение его кристаллической решетки.

Льдосоляное охлаждение основанона таянии льда ирастворении соли. При таянии льдосоляной смеси также происходит ослабление молекулярного сцепления и разрушение кристаллических решеток. Для этого требуется теплота, которая отбирается от растворителя, т.е. воды, полученной при таянии льда и растворении вней соли.К скрытой теплоте, поглощаемой льдом, присоединяется теплота,поглощаемая солью приее растворении в воде, что ведет к понижению температуры смеси, которую

33

Температура таяния льдосолянойсмесизависит от количества соли в смеси, но повышать концентрацию соли можно только до известного предела, предопределяемого криогидратной точкой. Для смеси поваренной соли со льдом или снегом криогидратная точка характеризуется содержанием соли по отношению к весу льда или снега около 29 %. При увеличении содержания соли свыше 29 % повышается температура таяния смеси.Таяние льда прильдосоляном охлажденииускоряется посравнениюсчистым льдом за счет увеличения разности температур плавления смеси

иохлаждаемого воздуха помещения. С понижением температуры смеси уменьшается ее холодопроизводительность, так как соль ослабляет силы, удерживающие молекулы льда. Приближенновесовуюхолодопроизводительность1кгсмесиq0,кДж/кг,

иплотность смеси льда и соли , кг/м3, определяют по формулам:

Холодопроизводительностьсмесиможнотакжеопределитьпо табл. 2.6.

Таблица 2.6

Удельная холодопроизводительность льдосоляной смеси, кДж/кг

Низкие температуры можно получить при смешении льда с разведеннымикислотами. Например, смесь изравных количеств 66 %-ной серной кислоты и снега или измельченного льда имеет температуру –37°С.

Эвтектическаясмесьсостоитиз водных растворовхлористого натрия (поваренной соли), хлористого кальция или других солей с концентрацией, соответствующей криогидратной точке. Эту смесь замораживают в металлических оболочках-зероторах, которые заполнены на 92–94 % их объема и наглухо запаяны. Температура затвердевания раствора зависит от содержания соли в воде. Коэффициент теплоотдачи зероторов составляет 9,28–11,6 Вт/(м2∙К). Складывая зероторы разными гранями, можно регулировать величину поверхности теплоотдачи.

34

Сухоледное охлаждение основано на переходе твердой углекислоты в газообразное состояние, минуя жидкую фазу. Такой переход собходом жидкойступени обозначаюттермином возгонка (сублимация), а необходимая для этого температура называется температурой возгонки (сублимации). Эта особенность изменения агрегатного состояния углекислоты обусловлена ее физическими свойствами. При атмосферном давлении температураитеплотасублимации1кгсухогольдаравнысоответственно –78,9 °С и 575 кДж/кг, а с учетом нагревания полученных холодных паров до 0°С теплота повышается до 636 кДж/кг. Благодаря большой плотности сухого льда (1,56 кг/л) его объемная холодопроизводительность в 3–8 раз выше, чем водного льда с солью. Если растворять сухой лед в эфире, то можно получить температуру –100 °С, а при обдувании сильной струей воздуха и ниже –100 °С. Высокая стоимость сухого льда ограничивает его широкое применение на железнодорожном транспорте.

Охлаждение жидкими газами (азотом, кислородом и возду-

хом) основано на их кипении при низкой температуре. Охлаждение жидким азотом перспективно для изотермических вагонов и контейнеров. В условиях нормального давления температура и скрытая теплота кипения жидких газов составляют:

Холодопроизводительность жидких газов с учетом нагревания их холодных паров до 0 °С будет больше на величинуq = с t, где с — теплоемкость холодного пара; t — величина, показывающая, насколько нагревается газ, °С. В этом случае

где Q0 — тепловая нагрузкана жидкогазовую установку, кДж/кг;— коэффициент, учитывающий потери жидкого газа.

35

Наиболеепростымипо устройствуи,следовательно,наиболее доступнымиявляются установки, работающиенаготовыххладоносителях:водномилисухомльде,льдосоляныхсмесях,жидких газах и др. Основным недостатком этих холодильных установок является их полная зависимость от возможностей и условий получения хладоносителей, а также большой объем грузовых работ, связанных с зарядкой охлаждаемых объектов. Этих недостатков не имеет машинное охлаждение, потребляющее извне только энергию или сжатый воздух.

Машинное охлаждение осуществляют специальными холодильными машинами. При этом способе охлаждения энергию охлаждаемого тела воспринимает третье тело (холодильный агент) и передает эту энергию в последующем окружающей среде. На железнодорожном транспорте основное применение получилипаровыекомпрессионные холодильныемашины,которые работают за счет затрат механической энергии.

2.3. Основы теории холодильных машин

Первыйзакон термодинамикиустанавливаетэквивалентность тепла и работы, т. е. что энергия может изменяться по форме, но ее нельзя уничтожить. В процессе охлаждения превратить отнимаемоетепловдругуюформуэнергииневозможно.Следовательно, возникает необходимость, используя холодильный агент, воспринятьтеплоqо отохлаждаемоготела, температуракоторого Т0,и передать егокакому-либо другомутелу, например, воде или воздуху, имеющим более высокую температуру Т, затрачивая работу l. В этом и заключается принцип работы холодильной машины.

В соответствии со вторым законом термодинамики передача тепла от тел, менее нагретых, к более нагретым невозможна без внешнего воздействия. Такая передача осуществляется холодильными машинами, которые требуют обязательной затраты механической работы или тепла, т.е. энергии. Эта энергия необходима для повышения температуры холодильного агента до температуры более высокой, чем у среды, которой он должен отдать тепло. Совокупность процессов, которые при этом осуществляет холодильный агент, называется холодильным циклом.

36

2.4. Одноступенчатая паровая компрессионная холодильная машина

Принципиальная схема холодильной машины приведена на рис. 2.1.

Компрессор

ТРВ

Qи

Испаритель

Рис. 2.1. Принципиальная схема одноступенчатой холодильной машины

Цикл изменения теплодинамического состояния холодильного агента при работе холодильной машины определяется поступлением из испарителя в компрессор сухого насыщенного пара с параметрами tо, Ро. В компрессоре пар сжимается. В малом объеме камеры сжатия частицы холодильного агента входят в соприкосновение друг с другом, скорость движения их увеличивается. Скоростьдвижения частиц определяеттемпературу тела. Так, при абсолютном нуле градусов частицы тела не имеют колебательных движений. Из компрессора выходит холодильный агент с высокой температурой и высоким давлением. Высокая температура холодильногоагента обеспечивает интенсивный отвод тепла от него в окружающую среду через конденсатор. Повышенное давление обеспечивает циркуляцию холодильного агента в замкнутой системе холодильной машины. Из компрессора холодильный агент с параметрами tк, Рк поступает в конденсатор. Конденсатор находится в среде, температура которой ниже температуры поступающего агента. В конденсаторе агент отдает энергию qк, температура снижается до tк и конденсируется, т.е. из парообразного состояния переходит в жидкое. В жидком состоянии с параметрами tк, Рк холодильный агент поступает в терморегулирующий вентиль (далее — ТРВ), в

37

котором хладагент дросселируется, т.е. частицы выходят из-под влияния друг друга, резко падают давление и температура. ПослеТРВ холодильныйагентпоступаетв испаритель.Температура продукта выше температуры агента, поэтому энергия qо от охлаждаемого тела поступает к хладагенту. Благодаря этой энергии хладагент закипает, кипит при постоянной температуре, переходит в парообразное состояние и в виде пара с параметрами tо, Ро поступает в компрессор. Продукт вследствие отдачи энергии охлаждается. Для предотвращения пополнения энергии из окружающей среды продукт вместе с испарителем размещается в теплоизолированной камере.

Для установления теплового и мощностного режима работы холодильной машины производится построение и расчет теоретического цикла работы машины.

Построение теоретического цикла (рис. 2.2) сводится к определению параметров хладагента, т.е. вписыванию в тепловую диаграмму опорных характерных точек и графическому изображению процессов, происходящих в агрегатах холодильной машины.

38

—изобара (2–а) — охлаждение пара в конденсаторе;

—изобара и изотерма (а–3) — конденсация пара в конденсаторе при температуре tк и давлении Рк;

—изоэнтальпия (3–4) — дросселирование хладагента в ТРВ;

—изобара и изотерма (4–1) — кипение хладагента в испари-

теле при температуре t0 и давлении Р0 (0 — температура кипения);

—изобара (3–3 ) — переохлаждение хладагента в переохладителе (переохлаждение).

Действительный цикл отличается от теоретического за счет перегрева паров при сжатии, переохлаждения при охлаждении

итрения в трубопроводе.

При засасывании из испарителя перегретого пара с температурой tвс адиабатическое сжатие в компрессоре на диаграмме показано линией 1–2 . В этом случае сухой ход компрессора сопровождается большим перегревом пара при сжатии (точка 2 , температура перегрева сжатых паров tп).

Эффективность холодильного цикла оценивается холодильным коэффициентом , равным отношению удельной массовой холодопроизводительности q0 к затраченной в цикле удельной работе компрессора lк: = q0/lк.

Холодильный коэффициент характеризует теоретическую экономичность холодильной машины, показывая, какое количество энергии может быть отведено от охлаждаемых продуктов при затрате единицы работы, или холодопроизводительность машины на единицу затраченной мощности. Для заданных значений температуры t0 и tк максимально возможное значение этого коэффициента можно вычислить по формуле

где Т0, Тк — абсолютные температуры кипения и конденсации, °С. Идеальным циклом холодильных машин, т.е. циклом, имеющим максимально возможный холодильный коэффициент max при любыхзаданных значенияхтемпературкипенияТ0 иконденсации Тк, считается обратный цикл Карно (обратный круговой процесс). Этот цикл состоит из двух адиабатических и двух изотермических процессов. В одном из изотермических процессов рабочее тело (хладагент) воспринимает теплоту от охлажда-

39

емой среды, вдругом—отдает еев окружающую (болеетеплую) среду. В одном из адиабатических процессов рабочее тело (хладагент) подвергается сжатию, вследствие чего его температура повышается от Т0 до Тк, в другом — расширяется с понижением температуры от Тк до Т0.

Холодильный коэффициент обратного цикла Карно определяется крайними температурами Тк и Т0 этого цикла и увеличивается при повышении Т0 и понижении Тк. Числовые значения холодильного коэффициента обратного цикла Карно приведены в табл. 2.7.

Таблица 2.7

Значения холодильного коэффициента обратного цикла Карно

На основании построенной диаграммы (см. рис. 2.2) производится расчет параметров холодильной машины, представленный в табл. 2.8.

40