Искусственный холод и области его применения

Предприятий

Технологические энергоносители

Системы и установки обеспечения промышленных предприятий холодом

Б.А. кумиров

Сокращенный лекционный раздел

по курсу

Часть 2

Казань 2006

1.1. Общие сведения [1]

Холод – это та же теплота, температурный уровень которой, ниже температурного уровня окружающей среды. Поэтому все известные законы термодинамики и теплопередачи в области низких температур такие же как и в области высоких температур.

Выгоды применения природного холода человек научился использовать давно. Аккумулирование естественного холода может осуществляться заготовкой водяного льда (0 °С), а также применением льдосоляных смесей. Применение смеси солей CaCl₂ и NaCl со льдом позволяет получать температуры плавления льда до -55 °С.

Холод более низких температур люди смогли получать только тогда, когда были созданы устройства, которые теперь обобщенно называются трансформаторами тепла.

Основное назначение трансформаторов тепла – отвод теплоты от теплоотдатчика (охлаждаемой среды) на относительно низком температурном уровне и подвод ее к теплоприемнику (охлаждающая или нагреваемая среда) на более высоком температурном уровне. Создание таких устройств открыло новое, самостоятельное направление в технике – техника низких температур.

Современная техника низких температур условно разделяется на две части, которые отличаются друг от друга только температурным диапазоном работы:

а) криогенная техника;

б) холодильная техника (хладотехника).

Криогенная техника – это область получения холода с температурой ниже 120 К (-153 °С). Эта граница обусловлена температурой сжижения природного газа (температура сжижения метана -161,30 °С, включена в область криогеники).

Основными рабочими веществам криогенной техники являются воздух и продукты его разделения: азот, кислород, аргон, водород, гелий, криптон, неон, ксенон. Используется эта техника, главным образом, для получения газов из смесей.

Холодильная техника используется для получения холода с температурой выше 120 К (от +7 до –153 °С). Этот холод применяется в самых различных целях.

Особняком стоят комбинированные холодильно-теплонасосные установки. Они позволяют одновременно с выработкой холода получать теплоту потребительских параметров. Обычно не выше 120-180 °С. Более высокие температуры экономически целесообразнее получать за счет топлива.

Установки этого типа очень перспективны. Их использование может дать большой экономический эффект. Например: во дворцах спорта - одновременное получение искусственного льда и подогрев воды в плавательном бассейне; на молочных фермах – охлаждение молока (до 4 °С) и нагрев воды за счет этой теплоты до 60-80 °С.

Наиболее крупными потребителями искусственного холода являются химическая, нефтехимическая и газовая промышленности. Особенности технологий определяют повышенные требования к холодильному оборудованию: большие холодопроизводительности; высокая надежность; длительный ресурс непрерывной работы; возможность использования дешевых хладагентов (продукты собственных технологий); возможность использования вторичных энергоресурсов; максимальная автоматизация и др.

В этих отраслях используется холод с температурой от +5 до -110 °С. Единичные мощности агрегатов составляют от единиц до десятков мегаватт.

Крупными потребителями холода являются также системы кондиционирования воздуха, пищевая, машиностроительная и металлургическая промышленности, строительство, производство сухого и водяного льда, водоопреснительные и водоочистительные установки, медицина и др.

Более подробные сведения о применении холода в народном хозяйстве можно найти, например, в [2, 4].

1.2. Способы получения низких температур:

а) испарительное охлаждение жидкостей.

Охлаждение жидкости достигается уменьшением давления равновесного пара над поверхностью жидкости, то есть вакуумированием парового пространства.

Это самый простой и самый экономичный способ получения холода.

На рис. 1.1 показана схема получения низких температур методом испарения (кипения) жидкости.

В емкости (испарителе) 2 находится жидкость (рабочее тело), которая кипит под воздействием теплоты окружающей среды. Температура кипения жидкости Т₀ зависит от величины давления в емкости Р₀. Это давление можно изменять с помощью компрессора 5 и вентиля 4. Отвод теплоты q₀ из теплоизолированной камеры 3 создает в ней холод с температурой близкой к Т₀.

Недостаток такого метода – потеря в виде пара значительного запаса рабочего вещества. Его можно избежать, если сделать систему замкнутой – пар сконденсировать и вернуть обратно в испаритель. Что в реальных холодильных машинах и предусмотрено.

Рис. 1.1. Схема прототипа простейшей холодильной машины:

1 – кипящее рабочее тело (хладагент); 2 – испаритель; 3 – холодильная камера; 4 – регулировочный вентиль; 5 - компрессор

Первую компрессионную холодильную машину (ХМ), работающую на метиловом эфире, изобрел инженер Великобритании Я. Перкинс в 1834 г.

В 1874 г. немецкий инженер К. Линде создал первую аммиачную компрессионную ХМ, положив начало холодильному машиностроению.

В настоящее время более 90% выпускаемых в мире холодильных машин используют этот способ получения холода;

б) охлаждение газов и жидкостей дросселированием.

Дроссельэффект открыли в 1852 г. английские физики Д. Джоуль и У. Томсон (Кельвин). Дросселированием называют процесс расширения потока без энергообмена с окружающей средой и без увеличения скорости течения. При этом наблюдается изменение температуры потока, что собственно и называется дроссельэффектом. Понижение температуры при положительном дроссельэффекте невелико, но из-за простоты этот способ охлаждения нашел широкое применение в криогенных и холодильных установках малой мощности.

Более подробные сведения о процессе дросселирования и о его использовании, см. в [1];

в) охлаждение газов расширением с совершением внешней работы

Если сжатый газ направить в турбину или цилиндр поршневой машины, то в процессе расширения он совершает работу. Машины, предназначенные для расширения газа с отдачей работы с целью его охлаждения называются детандерами. При таком расширении газ сильно охлаждается. Значительно сильней, чем при дросселировании с тем же перепадом давлений.

Например, если сжатый воздух с начальным давлением Р₁=20 МПа и температурой Т₁=300 К расширять до давления Р₂=0,5 МПа, то воздух охлаждается до значений:

1) Т₂=267 К – при дросселировании, т.е. дроссельэффект составляет DТ=Т₁-Т₂=33°;

2) Т₂=100 К – при расширении в детандере, т.е. охлаждение воздуха составляет DТ=200°.

Этот на первый взгляд простой способ охлаждения долго не удавалось реализовать из-за технических трудностей создания низкотемпературного детандера (материалы, смазка и т.п.).

Впервые детандер для получения холода использовал немецкий инженер В. Сименс в 1875 году. В 1902 г. французский химик и изобретатель Ж. Клод усовершенствовал процесс сжижения воздуха, применив детандер для его охлаждения. Турбодетандер был предложен еще в 1898 г., но первый работоспособный турбодетандер (в области криогенных температур) был создан в 1938 г. отечественным академиком П.Л. Капицей.

В настоящее время детандеры с системой рекуперативных теплообменников (ступени Сименса) широко применяются в холодильной и криогенной технике. Более детальные сведения о конструкциях и работе детандеров см. в [1, 5];

г) охлаждение газов истечением из постоянного объема.

Если взять сосуд с сжатым газом с начальными параметрами Р₁ и Т₁ и с помощью вентиля начать выпускать его в пространство с давлением Р₂, то температура воздуха в сосуде будет снижаться в соответствии с уравнением адиабаты:

. (1.1)

Это явление было открыто случайно инженером Горри еще в 1845 г., однако его практическое использование началось значительно позднее. Используется в криогенной технике для сжижения гелия и др. газов.

д) охлаждение в вихревых трубах

Холодильный эффект в вихревой трубе открыл опытным путем в 1933 г. француз Жозеф Ранк. Позднее (в 1946 г.) теорию и практику этого явления развил немецкий инженер Р. Хильш. Поэтому получение холода в вихревой трубе носит название эффекта Ранка-Хильша.

Сжатый газ с давлением 0,5-0,6 МПа и температурой близкой к температуре окружающей среды подается через сопло в цилиндрическую трубу тангенциально. Закрученный поток в трубе разделяется. Периферийная часть потока с повышенной температурой выходит из трубы через кольцевую щель. Холодный газ вытекает через центральное отверстие диафрагмы. Температуру холодного газа и холодопроизводительность устройства можно регулировать коническим дросселем на горячем конце вихревой трубы.

Подробнее с устройством и теорией вихревой трубы можно познакомиться, например, в [1, 3, 5].