Охлаждение

Охлаждение - процесс понижения температуры материалов путем отвода от них теплоты.

Охлаждение до обыкновенных температур.

Охлаждение водой осуществляется в теплообменниках, в которых теплоносители разделены стенкой либо обмениваются теплотой при смешивании. Например, газы охлаждают разбрызгива­нием в них воды.

Для охлаждения применяется обычная вода температурой 15... 25°С либо артезианская тем­пературой 8...12 °С. С целью экономии свежей воды часто для охлаждения используют оборотную воду, охлажденную за счет ее испарения в градирнях. Оборотная вода имеет температуру, дости­гающую летом 30 °С.

 

Массовый расход воды на охлаждение (в кг/ч) определяется из теплового баланса

где — массовый расход охлаждаемого продукта, кг/ч; ,, — удельные теплоемкости соответственно продукта и воды, кДж/(кг х К); ,— соответственно начальная и конечная температуры продукта, °С; , — соответ­ственно начальная и конечная температуры охлаждающей воды, °С; - потери теплоты в окружающую среду, кДж/ч.

Охлаждение льдом применяют для охлаждения ряда продуктов, например мороженого, до температуры, близкой к нулю. Лед, отдавая теплоту, нагревается до О °С и плавится, отнимая теп­лоту от охлаждаемого продукта. Для определения продолжительности охлаждения используются экспериментальные данные.

При непосредственном охлаждении (например, жидкости льдом) со льдом вносится холод

где — масса льда, кг; — теплота плавления льда, (кДж/кг); принимают г с учетом пере­охлаждения его на 1...3 °С равным 335 кДж/кг.

С охлаждаемой жидкостью вносится теплота в количестве

,

где - масса охлаждаемой жидкости, кг; — удельная теплоемкость жидкости, кДж/ (кгхК); - - начальная температура жидкости, °С.

Примем конечную температуру охлаждаемой жидкости и воды, образовавшейся при таянии льда, . Тогда тепловой баланс можно записать так:

,

где — удельная теплоемкость воды, кДж/(кг х К). Отсюда расход льда

Охлаждение воздухом проводят естественным и искусственным способами. При естествен­ном охлаждении горячий продукт охлаждается за счет потерь теплоты в окружающее пространст­во. Наиболее эффективно естественное охлаждение в зимнее время при низкой температуре возду­ха.

Искусственное охлаждение воздухом применяют для охлаждения воды в градирнях, в кото­рых охлаждаемая вода стекает сверху вниз навстречу подаваемому снизу воздуху. При этом охла­ждение происходит не только за счет теплообмена, но в значительной степени за счет испарения части жидкости.

 

Охлаждение до температур ниже температуры окружающей среды

Для охлаждения, замораживания и хранения пищевых продуктов при температурах ниже температуры окружающей среды (от +4 до -40 °С) используют холодильники. Охлаждение в холо­дильниках осуществляется холодильными машинами.

Для получения холода в холодильных машинах применяют обратный круговой термодина­мический цикл, состоящий из процессов сжатия газа, конденсации и испарения.

Согласно второму закону термодинамики охлаждение до температур ниже температуры ок­ружающей среды, которое связано с переносом теплоты с низшего температурного уровня на выс­ший, возможно только при затрате энергии. Такой перенос теплоты осуществляется по обратному циклу Карно.

Энергетический баланс прямого цикла Карно выражается уравнением

согласно которому при переходе теплоты с более высокого температурного уровня Т на более низкий температурный уровень То совершается работа и на низком температурном уровне сохраняется теплота .

Рис. 1. Обратный цикл Карно: площадь численно равна затраченной работе; площадь — холодопроизводительности

 

Рассмотрим обратный цикл Карно (рис. 1.). Газообразное рабочее тело с температурой То адиабатически сжимается с затратой работы, нагреваясь при этом до температуры Т. Этот процесс изображается вертикальной линией.

После сжатия газ изотермически конденсируется при температуре Т (линия 2-3), отдавая теплоту , а затем образовавшаяся жидкость адиабатически расширяется.

При расширении жидкость охлаждается до температуры То (линия 3—-4), производя при этом полезную работу, после чего испаряется при температуре То (линия 4—1) при пониженном давлении, отнимая теплоту от охлаждаемого объекта.

Полезная работа газа

Количества теплот и можно выразить через энтропии рабочего тела до и после конденсации и согласно рис. 1, т. е.:

;

Подставляя значения и в предыдущее выражение, получим:

Холодильный коэффициент:

показывает, какое количество теплоты и можно перенести с низшего температурного уровня То на высший Т за счет единицы затраченной работы . Теплота до называется холодопроизводительностью холодильной машины.

Для искусственного охлаждения газов применяют следующие холодильные машины: паро-и газо-компрессионные, абсорбционные, пароводяные, эжекторные и термоэлектрические.

В холодильных машинах продукты могут охлаждаться непосредственно хладагентом либо с помощью промежуточных хладоносителей, которые отводят теплоту от объектов охлаждения, на­ходящихся вне холодильной машины, и отдают ее хладагенту.

При использовании хладоносителей испаритель холодильной машины размещают в емко­сти, заполненной хладоносителем-рассолом. В результате испарения хладагента рассол охлаждает­ся до заданной температуры и насосом подается в общий трубопровод, из которого насосом рас­пределяется по охлаждающим элементам холодильника. Отработанный рассол собирается в общий трубопровод и вновь поступает на охлаждение в емкость.

Для охлаждения до температур не ниже -15 °С используется раствор хлорида натрия.

В парогазокомпрессионных холодильных машинах используют аммиак, хладоны (фреоны), диоксид углерода. Принцип действия этих машин основан на сжатии хладагента компрессором и конденсации сжатого газа.

В холодильных машинах, работающих с аммиаком и хладонами, не требуется создавать вы­сокие давления. В отличие от аммиака хладоны не имеют раздражающего носоглотку запаха и взрывобезопасны. Такие машины применяют для охлаждения до -80 °С.

Схема парокомпрессионной машины представлена на рис. 14.4. Она состоит из компрессора Км, конденсатора, дросселирующего вентиля В, испарителя И. Хладагент, циркулирующий в ма­шине (рис.3.), сжимается компрессором до рабочего давления по адиабате 1—2 до состояния на­сыщения и конденсируется при температуре Т в конденсаторе (линия 2—3), который охлаждается водой. Вода при этом отводит от хладагента теплоту . После переохлаждения (линия 3— 3') образовавшаяся жидкость поступает в дросселирующий вентиль, где дросселируется по изоэнтальпе 3—4 (или 3'-4, если отсутствует переохлаждение) и испаряется затем в испарителе при тем­пературе То (линия 4—1) за счет теплоты , отнимаемой от охлаждаемого объекта. Переохлажде­ние хладагента способствует увеличению отводимой теплоты .

Выше был описан процесс со сжатием в компрессоре влажного пара, но в большинстве слу­чаев холодильные машины работают со сжатием сухого пара (рис. 14.6). Процесс адиабатического сжатия пара в компрессоре отражается линией 1 — 2. Затем следуют охла­ждение перегретого пара до состояния насыщения по изобаре 2 — 2' , конденсация при температуре Т по изотерме 2' — 3', переохлаждение 3' — 3, дросселирование по изоэнтальпе 3 — 4 и испарение но изо­терме 4 — 1.

Из сопоставления приведенных циклов работы парокомпрессионных машин следует, что термодинамический цикл с влажным паром ближе к циклу Карно и холодильный коэффициент для него выше. Однако при сжатии влажного пара в компрессоре возникает опасность гидравлического удара и снижается коэффициент подачи компрессора, что делает такой цикл менее выгодным по сравнению с циклом сжатия сухого пара. Коэффициент подачи компрессора, зависящий от степени сжатия , определяют па основании экспе­риментальных данных.

Удельную холодопроизводительность (в кДж/кг) можно опреде­лить из рис. 14.6

(14.25)

а массовый расход циркулирующего в холодильной машине хлад­агента (в кг/с) — по формуле

(14.26)

Холодильный коэффициент

(14.27)

В газокомпрессионных холодильных машинах (рис. 14.7) хлад­агентом служит воздух. В рабочем цикле машины (рис. 14.8) воздух не конденсируется и не испаряется. Воздух засасывается турбоком­прессором и сжимается по адиабате 1—2. Затем охлаждается водой в холодильнике от температуры Т₂ до Т₃ по изобаре 2—3, охлажден­ный воздух расширяется адиабатически в детандере, при этом его температура снижается до Т₄. Из детандера воздух поступает в теп­лообменник, в котором отнимает на низшем температурном уровне теплоту при постоянном давлении по изобаре 4—1. Эти машины характеризуются повышенным расходом энергии и применяются только для создания температур ниже —100 °С.

В абсорбционных холодильных машинах(рис. 14.9) хладагентом служит водоаммиачный раствор. Эти машины применяют для охла­ждения до -60°С

Машина состоит из кипятильника 1, который обогревается водя­ным паром, конденсатора 2, охлаждаемого водой, дросселирующего вентиля 5, испарителя 4, абсорбера 5, теплообменника 7 и насоса б (см. рис. 14.9). В кипятильнике из водоаммичного раствора при на­гревании выделяется большая часть газообразного аммиака, кото­рый' йод избыточным давлением поступает в конденсатор, где охлаж­дается водой и конденсируется при высокой температуре Т. При конденсации аммиак отдает теплоту охлаждающей воде. Сжижен­ный аммиак дросселируется в дросселирующем вентиле 3 (при этом его давление снижается) и испаряется в испарителе 4, отнимая теп­лоту от охлаждаемой среды на низком уровне Т₀. После испа­рителя газообразный аммиак поступает в абсорбер, охлаждается и /абсорбируется водой. Полученный высококонцентрированный рас­твор подастся насосом в теплообменник, где нагревается, и затем в кипятильник. Не испарившаяся часть аммиака в количестве 20 % подается в теплообменник и затем через дроссельный вентиль поступает на орошение в абсорбер. В результате абсорбции газо­образного аммиака, поступающего из испарителя, вновь получают концентрированный водоаммиачный раствор, поступающий в кипя­тильник, и процесс повторяется. В абсорбционной холодильной машине функции компрессора выполняет термокомпрессор, кото­рый состоит из кипятильника, абсорбера и теплообменника.

Количество циркулирующего в машине водоаммиачного рас­твора можно определить из уравнений материального баланса термокомпрсссора:

(14.28)

(14.29)

где , — массовые расходы раствора,,.поступающего соответственно в кипятиль­ник и абсорбер, кг/ч; , — концентрации раствора, поступающего соответственно в кипятильник и абсорбер, мас. %; — массовый расход циркулирующего газообразного аммиака, кг/ч.

Из этих уравнений определяют

;

В пароводяных эжекторных холодильных машинах хладагент сжимается в паровом эжекторе, а пар конденсируется в конденсато­рах смешения с водой или в поверхностных конденсаторах. Хладоносителем здесь служит рассол или чистая вода. С помощью рассо­лов достигается охлаждение до —15 °С, а с помощью воды — до + 5 °С.

Схема пароводяной эжекторной холодильной машины приведена на рис. 14.10. Водяной пар высокого давления, поступающий в эжектор 2, отсасывает пар из испарителя 1. В результате этого дав­ление в испарителе снижается до 250.. .500 Па и циркулирующий рас­сол охлаждается до -10... + 15°С. Охлажденный рассол откачи­вается насосом 5 и направляется на охлаждение объектов. Водяной пар из эжектора поступает в конденсатор смешения 3, где конденси­руется и отводится в виде конденсатора мокровоздушным насосом 4.

Пароводяные эжекторные холодильные машины, работающие на воде, имеют высокий холодильный коэффициент благодаря небольшой разности температурных уровней. Такие машины про­сты, надежны, компактны и удобны в эксплуатации.