Холодильное оборудование. 4

Министерство  образования и науки Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
 
 
 
 

Реферат по дисциплине «Холодильное оборудование» 
 
 
 

Выполнила: Меньшикова А. В Факультет: МА

Группа: ЭМ-810 б

Проверила: Будасова С. А 
 
 
 
 

Новосибирск 2011 
 
 
 
 

Оглавление

Введение 2

1 Холодильные агенты и хладоносители 4

2 Классификация 6

3 Требования, предъявляемые к холодильному агенту 11

Заключение 12 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

Первая  холодильная машина, установленная  на барже в 1888 г. астраханским рыбопромышленником Г.О. Супуком была воздушной. Уже в 1910 г в мире работало 1800 углекислотных холодильных машин. С 1898 г. Россия стала выпускать аммиачные и углекислотные холодильные машины. Первые домашние холодильники появились в 1910 г. на сернистом ангидриде и аммиаке. Сернистый ангидрид был использован и на первом советском домашнем холодильнике ХТЗ-120, изготовленном на Харьковском тракторном заводе. К 1921 году в мире трудилось 5000 домашних холодильников. 

Холодильный агент (хладагент) — рабочее вещество холодильной машины, которое при кипении и в процессе изотермического расширения отнимает теплоту от охлаждаемого объекта и затем после сжатия передаёт её охлаждающей среде за счёт конденсации (воде, воздуху и т. п.).

Хладагент является частным случаем теплоносителя. Важным отличием является использование теплоносителей в одном и том же агрегатном состоянии, в то время, как хладагенты обычно используют фазовый переход (кипение и конденсацию).

Основными холодильными агентами  являются аммиак, фреоны (хладоны), элегаз и некоторые углеводороды. Следует различать хладагенты и криоагенты. У криоагентов ниже температура кипения, также к хладагентам имеются более высокие требования по взаимодействию с маслами компрессоров. Это не касается появившихся в последнее время компрессионных криостатов, способных охлаждать до температур ниже −120 °C без применения жидкого азота, как это было принято последние сто лет. В качестве холодильного агента при создании оксиликвита используется кислород. Он же служит окислителем.

Принципиальной  разницей в использовании холодильных  агентов в виде азота, гелия и  т. д. является то, что жидкость расходуется  и испаряется (как правило, в атмосферу), т.е используется разомкнутый холодильный цикл. В холодильных машинах фреон или аналогичный газ работает по замкнутому циклу, сжимаясь при помощи компрессора, охлаждаясь в конденсаторе, расширяясь в дросселе или детандере, испаряясь в испарителе. 
 
 
 

1 Холодильные агенты и хладоносители

Один  из основных вопросов, возникающих  при создании холодильных машин (далее — ХМ), — выбор холодильных  агентов, которые способствовали бы надежной и экономичной работе машины в заданном температурном диапазоне.

Рабочие вещества, предназначенные для ХМ, должны отвечать следующим основным требованиям:

• * обладать химической стабильностью и инертностью к основным конструкционным материалам и смазочным маслам;
• * иметь допустимые значения рабочих давлений, разности и отношения давлений нагнетания и всасывания;
• * не оказывать отрицательных воздействий на окружающую среду и человека;
• * быть негорючими и взрывобезопасными;
• * иметь высокую степень термодинамического совершенства, большую объемную холодопроизводительность;
• * обладать благоприятным сочетанием теплофизических свойств, влияющих на массу и габариты теплообменной аппаратуры;
• * выпускаться промышленностью и иметь относительно низкую стоимость.

Как правило, в ХМ применяют рабочие вещества, удовлетворяющие лишь наиболее важным требованиям. Кроме перечисленных, немаловажным требованием, которое предъявляется к холодильным агентам, является безопасность эксплуатации холодильного оборудования. В холодильных камерах определенную опасность представляют утечки хладагента и их вредное влияние на людей и хранящиеся в них продукты.

Каждое  рабочее вещество может обеспечить эффективную работу ХМ в довольно узком температурном диапазоне. А поскольку работа холодильных  машин на предприятиях торговли осуществляется довольно в широком диапазоне  температур кипения хладагентов (от -5 до -40°С), то для каждой из этих температур существует наиболее подходящий холодильный  агент, при использовании которого технико-экономические показатели работы холодильной установки оптимальны.

Хладоносители. Хладоносители являются промежуточным веществом между источником холода и объектом охлаждения. Они подразделяются на жидкие и твердые.  
 
К жидким хладоносителям относятся водные растворы солей - рассолы и однокомпонентные вещества, замерзающие при низких температурах (этиленгликоль, кремнийорганическая жидкость). Применяют водные растворы солей NaCl, MgCl₂, СаСl₂, температура замерзания которых до известного предела (состояния криогидратной точки) зависит от концентрации рассола. Для раствора NaCl криогидратная точка -21,2 °С, для MgCl₂ -33,6 °С, для СаСl₂ -55 °С. Для уменьшения коррозирующего действия рассолов на металлические части оборудования в них добавляют пассиваторы: силикат натрия, хромовую соль, фосфорные кислоты.  
 
Этиленгликоль в зависимости от концентрации в воде может иметь температуру замерзания от 0 °С (вода) до -67,2 °С при концентрации 70% по объему.  
 
Твердые хладоносители - это эвтектический лед, образующийся при криогидратной температуре, представляющий собой смесь льда и соли и имеющий постоянную температуру плавления.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2 Классификация

Различают естественные и искусственные холодильные  агенты. Кестественным хладагентам относятся: аммиак (R717), воздух (R729), вода (R718), углекислота (R744) и др., к искусственным — хладоны (смеси различных фреонов).

Фреоны  — углеводороды (СН₄, С₂Н₆, С₃Н₈ и С₄Н₁₀), в которых водород полностью или частично заменен фтором и хлором (в отдельных случаях бромом). Международным стандартом принято краткое обозначение всех холодильных агентов, состоящее из символа R (Refrigerant — хладагент) и определяющей цифры. Например, фреон-12 имеет обозначение R12. Поэтому на сегодня все фреоны принято обозначать в международной символике, отсюда и их название — хладоны.

По термодинамическим  свойствам наилучшим природным  холодильным агентом считается  аммиак. Поэтому в настоящее время  на крупных холодильных установках с умеренно низкими температурами (-15...-25°С) наиболее распространен аммиак. В малых и средних холодильных  машинах и установках используют хладон-12 и хладон-22. Ограниченное применение находят такие хладагенты, как  хладон-13, хладон-500, хладон-502.

Аммиак (NH₃) — бесцветный газ, с резким удушливым запахом, в небольших концентрациях вреден для человека. Температура кипения аммиака при атмосферном давлении — -33,4°С, температура замерзания — -77,7°С, предельно допустимая концентрация аммиака в воздухе — 0,02 мг/л. При больших концентрациях он вызывает сильные раздражения слизистой оболочки глаз и дыхательных путей. Сильное отравление вызывает головокружение, ослабление пульса, отек легких, судороги, потерю сознания, а пребывание человека в течение более 30 мин в помещении с концентрацией аммиака 0,5 — 1% может привести к смертельному исходу. При отравлении аммиаком активизируется туберкулез, возможны параличи и глухота. Жидкий аммиак вызывает тяжелые ожоги. Особенно опасно попадание в глаза даже одной капли аммиака. Помимо возможного прободения роговицы, хрусталика и стекловидного тела ожог глаз аммиаком зачастую приводит к полной слепоте.

Аммиак  горит при содержании в воздухе  около 11 — 14%, а при конденсации 16—28% смесь аммиака с воздухом становится взрывоопасной. В присутствии влаги  аммиак разрушает медь, цинк, бронзу и другие сплавы меди, за исключением  фосфористой бронзы. На черные металлы  и алюминий он не действует. В воде аммиак хорошо растворяется, в масле  — плохо.

Аммиак  не оказывает отрицательного действия на пищевые продукты при кратковременном  воздействии: они очень быстро абсорбируют  его из воздуха, но в последующем  при попадании продуктов в  атмосферу чистого воздуха аммиак быстро улетучивается. Отрицательное  влияние на качество продуктов аммиак оказывает при повышении концентрации в течение достаточно продолжительного времени — тогда происходит биологическая  смерть таких продуктов, как плоды, овощи, яйца. На мясо и рыбу пары аммиака  влияют также отрицательно, ухудшая  их качество, что проявляется в  изменении запаха, а после приготовления  блюд из таких продуктов их консистенция значительно отличается от блюд, приготовленных из продуктов, не подвергшихся действию аммиака, а именно: мясо становится твердым, бульон имеет коричневый цвет и несвойственный ему запах. И  все же необходимо подчеркнуть еще  раз, что, несмотря на отмеченные недостатки, по термодинамическим свойствам  аммиак является одним из лучших холодильных  агентов, поскольку обладает высокой  объемной холодопроизводительностью, высокой теплотой испарения.

Сильный запах аммиака позволяет обнаружить даже незначительную его концентрацию в воздухе, не превышающую допустимой нормы. Места утечек аммиака определяют с помощью индикаторной бумаги: при  наличии аммиака в воздухе  бумага должна покраснеть. Аммиак имеет  низкую стоимость. Аммиачные баллоны  окрашены в желтый цвет.

Хладон-12 (R12) в нормальных условиях представляет собой бесцветный газ со слабым запахом, который ощущается при концентрации в воздухе более 20%. Температура кипения при атмосферном давлении — -29,8°С, температура замерзания — -155°С. При концентрациях в воздухе этого хладагента более 30% наступает удушье из-за высокой плотности, которая препятствует поступлению свежего воздуха. Хладон-12 при соприкосновении с нагретыми поверхностями или при воздействии открытого пламени при температуре выше 330°С разлагается, образуя ядовитые вещества: фтористый и хлористый водород, оксид углерода и фосген. Продукты разложения не имеют запаха и цвета, что увеличивает опасность отравления.

С точки  зрения надежности хладон-12 является идеальным  холодильным агентом для среднетемпературных  малых холодильных машин.

Хладон-12 хорошо растворяется в масле; в воде он не растворяется. УтечкиR12 обнаруживают с помощью галоидной лампы, обмыливанием и электронным течеискателем.

Хладон-22 (R22) в нормальных условиях представляет собой бесцветный газ со слабым запахом хлороформа, температура кипения — -40,8°С, температура конденсации — не выше 50°С. R22 не горит, не взрывоопасен, но более вреден для человека, чем R12. Применяется для более низких температур кипения по сравнению с R12. R22 хорошо растворяет масло.

Хладон-22 имеет более высокие значения коэффициентов теплоотдачи при  кипении и конденсации, чем хладон-12, что позволяет интенсифицировать  работу теплообменных аппаратов, несколько  уменьшить их габаритные размеры  и сократить массу. Объемная холодопроизводительность R22 на 60% выше, чем у R12. Хладон широко применяется в одноступенчатых холодильных установках в диапазоне -15...-40°С, в двухступенчатых холодильных установках до температуры -90°С.

Хладон- 13(R13) используют в сверхнизкотемпературных системах, как правило, в нижней ветви каскадных машин, не горюч, не взрывоопасен, практически безвреден для человека. Температура кипения при атмосферном давлении — -81,5°С, температура конденсации — не выше -10°С. Имеет ограниченную растворимость в масле. Хладон-13 используют для получения температуры кипения -70...-10 °С.

Наряду  с чистыми фреонами широко применяют  и их смеси: азеотропные и неазеотропные.

Азеотропными называются смеси, состоящие из двух и более компонентов (хладонов), которые кипят и конденсируются при постоянной температуре как однородные вещества.

Неазеотропные смеси характеризуются разделением равновесных концентраций компонентов в жидкой и газовой фазах. Кипение и конденсация неазеотропных смесей происходит при переменных температурах. Неазеотропные смеси применяют для увеличения холодопроизводительности, снижения температур конца сжатия, расширения диапазона применения по температурам кипения и конденсации.

Хладон-500 (R500). Хладон является смесью R152 (26,2%) и R12 (73,8%). Для компрессора с одним рабочим объемом цилиндров данная смесь обеспечивает на 20% больше холодопроизводительности, чем R12. Давление кипения хладо-на-500 — 0,137 МПа при -15°С; давление конденсации — 0,779 МПа при 30°С. Температура кипения при атмосферном давлении равна -33°С, а скрытая теплота парообразования — 189,87 кДж/кг при -15°С.

R500 используют в торговом и промышленном холодильном оборудовании и только в машинах с поршневыми компрессорами.

R500 довольно хорошо растворяется в масле и плохо — в воде. В связи с этим из этого агента рекомендуется удалять влагу с помощью осушителей.

Хладон-502 (R502) — азеотропная смесь хладона-22 (48,8%) и хладона-115 (51,2%). Температура кипения при атмосферном давлении -45,6°С. По объемной холодопроизводительности и другим свойствам он близок к хладону-33. Его можно применять до температуры конденсации 60°С. Используется в средне- и низкотемпературных машинах, бытовых холодильниках, регенеративных циклах холодильных установок. Хладон-502 имеет следующие преимущества по сравнению с хладоном-22: более стабилен и менее токсичен; увеличивает холодопроизводительность в низкотемпературном герметичном компрессоре на 10—30%.

Неазеотропные смеси широко применяются в герметичных компрессорах, их использование позволяет повысить надежность работы холодильного агрегата и снизить энергопотребление. Примером неазеотропной смеси может служить смесь хладагентов R502 и R113 в соотношении соответственно 85 и 15%.

Особенностью  хладонов является их малая токсичность, негорючесть, взрывобезопасность, достаточно высокая термостойкость и химическая нейтральность. Однако следует помнить, что в присутствии открытого  пламени хладоны разлагаются  с образованием ядовитых веществ. Поэтому  курить и пользоваться открытым пламенем в холодильных камерах категорически  запрещается. Следует также иметь  в виду, что в системах с герметичными компрессорами при сгорании электродвигателя могут образовываться токсичные  вещества, поэтому разгерметизацию  такой системы надо проводить  с определенными мерами предосторожности.

Озонобезопасные хладагенты. Защита окружающей среды от вредного воздействия различных машин и оборудования, в том числе и от работы холодильного оборудования, является весьма актуальной проблемой для всего человечества. Производимые в любой стране домашние холодильники неизбежно когда-то выходят из строя и это ведет к их разгерметизации и попаданию хладагента в окружающую среду. Как было установлено учеными, хладоны, попадая в окружающий воздух, вступают в химическую реакцию с озоновым слоем атмосферы и вызывают его разрушение. Это чревато для людей и всего живого на планете самыми серьезными последствиями. Поэтому в 1987 г. в Монреале представителями многих стран были приняты меры по ограничению производства веществ, разрушающих озоновый слой. Озоноразрушающая способность хладонов определяется наличием атомов хлора в молекуле и оценивается потенциалом разрушения озона ODP (OzonDepletion Potential) и потенциалом "парникового эффекта" GWP (GlobalWarming Potential) относительно СО₂. В своих исследованиях американские ученые показали механизм разрушения озонового слоя. Так как хладагенты значительно тяжелее воздуха, то, казалось бы, они не должны попадать в стратосферу. Однако хладон, попадая в атмосферу, взаимодействует с влагой и подвергается воздействию искровых разрядов (молний). Это приводит к гидролизу и пиролизу хладона с отщеплением атомов хлора. Атом хлора активно включается в процесс разрушения озона. Одна молекула хлора способна разрушить до ста тысяч молекул озона.

По степени  озоноразрушающей активности хладагенты делят на две группы:

• * хладагенты с высокой озоноразрушающей активностью (ODP>=1,0);
• * хладагенты с низкой озоноразрушающей активностью (ODP<0,1).

К первой группе относятся хладоны R11, R12, R13, R113, R114, R115, R500,R501 и др. Молекулярная формула каждого из хладонов не содержит атомов водорода (за исключением азеотропных смесей), поэтому их гидролиз и высокотемпературный пиролиз протекают с образованием свободных атомов хлора.

Ко второй группе относятся менее озонобезопасные хладоны R21, R22, R23,R30, R40, R123, R124, R140_a, R160 и др. Молекулы каждого из названных хладонов содержат атом водорода и поэтому при гидролизе и пиролизе молекул хладонов в первую очередь образуется соляная кислота НС1, и в редких случаях при определенных условиях может выделиться несколько молекул свободного хлора. Этим и объясняется их низкая озонобезопасность.

Хладоны, не содержащие атомов хлора, являются полностью озонобезопасными. К ним относятся R116, R125, R143, R113_а, R152_a, R290,R600 и др.

В Российской Федерации к 2020 г. все холодильное  оборудование должно работать на озонобезопасных хладонах. В этих целях должны быть разработаны новые холодильные машины, налажена новая технология выпуска как самих хладонов, так и холодильных масел, адсорбентов, новых материалов, приборов автоматики и контроля. 
 
 
 
 
 

3 Требования, предъявляемые  к холодильному  агенту

Термодинамические.

К ним  относятся температура и давление испарения, температура и давление конденсации, теплота испарения, удельная холодопроизводительность, температура замерзания. 
Температура испарения (кипения) хладагента в рабочем режиме должна быть по возможности такой, чтобы давление в испарителе превышало атмосферное. Это позволяет избежать вакуума в аппаратах и связанного с ним проникновения воздуха в систему, ухудшающего работу холодильной машины. 
Температура конденсации должна быть такой, чтобы давление конденсации не превышало 10÷20 кгс/см², так как более высокое давление требует более громоздкой аппаратуры. 
Теплота испарения хладагента и определяемая ею холодопроизводительность должна быть как можно большей. Чем больше теплота парообразования (холодопроизводительность) 1 кг хладагента, тем меньше хладагента должно циркулировать в системе. 
Холодопроизводительность единицы объема хладагента тоже должна быть как можно большей. Чем она выше, тем меньшие размеры имеют машины и аппаратура холодильной установки и тем меньше затраты энергии на циркуляцию хладагента. 
Хладагенты должны иметь низкую температуру замерзания. 
 Физико-химические. К ним относятся: плотность, вязкость, коэффициент теплопроводности, химическая стойкость при контакте с металлами, смазочными маслами, влагой, воздухом. 
Желательно, чтобы плотность и вязкость хладагентов были небольшими, это уменьшает расходы энергии на их циркуляцию. Они должны быть устойчивы к растворению маслами. Это уменьшает унос масла из компрессоров и способствует лучшей сохранности смазки. 
Хладагенты не должны вызывать коррозию материалов, из которых изготовлены аппараты холодильных установок, хорошо растворять влагу во избежание ее вымерзания на стороне испарения и обладать достаточной химической стойкостью. 
 Физиологические. Хладагенты должны быть безвредными для обслуживающего персонала, легко обнаруживаться при утечках, не портить продукцию тех производств, где они применяются. 
 Экономические. Хладагенты должны быть доступны и дешевы.

Заключение

Развитие  холодильной техники привело  к необходимости специализации  холодильных агентов по типам  компрессорных машин, зонам температур кипения (высокотемпературные, умеренного холода, низкотемпературные), числу  ступеней, (одно- и двухступенчатые, каскадные). 
Одним из наиболее распространенных холодильных агентов является аммиак. Однако в современных холодильных машинах все большее применение находят фреоны — холодильные агенты, получаемые из метана, этана и пропана путем замещения атомов водорода на атомы фтора и хлора. 
Крупные холодильные установки химической и нефтеперерабатывающей промышленности являются потребителями большого количества холодильных агентов, поэтому в качестве хладагентов выгодно использовать продукты, вырабатываемые на данном предприятии или используемые на нем в виде исходного сырья. Так на азотно-туковых заводах, получающих и перерабатывающих сотни тысяч тонн аммиака, фреоны, несмотря на свои положительные свойства, не могут с ним конкурировать. 
На заводах синтетического каучука, нефтеперерабатывающих заводах и заводах тяжелого органического синтеза вырабатывается или потребляется большое количество углеводородов: этана, этилена, пропилена, бутана, пропана, каждый из которых может быть использован в качестве холодильного агента. 
В отдельных случаях имеется возможность использования хладагента с разомкнутым циклом: однократно используется холодильный эффект от испарения аммиака, идущего на производство азотной кислоты, пропилена в производстве эпихлоргидрина, этилена, испаряемого перед подачей на производство полиэтилена.