Смесь паров сжимается в ЦВД, перегретые пары охлаждаются и переходят в жидкое состояние в конденсаторе С. Затем жидкость переохлаждается в конденсаторе С и дросселируется. Проходя через промежуточный сосуд, жидкость разделяется на два потока: идет в испаритель промежуточного давления и через регулирующий вентиль или клапан в испаритель НД. Образовавшиеся из этих потоков пары хладагента после промежуточного сосуда засасываются в ЦВД.
Многоступенчатое сжатие может быть осуществлено системой отдельно работающих холодильных машин – каскадом. В каскадных схемах испаритель высшей ступени служит одновременно конденсатором низшей ступени. В нижней ветви каскада, как правило, используется рабочее тело с очень низкой температурой замерзания, а в верхних ветвях – с более высокой.
2. Холодильные агенты и промежуточные хладоносители
2.1 Требования, предъявляемые к холодильным агентам
Как ранее отмечалось, рабочие тела холодильных машин носят название холодильных агентов или хладагентов. Для осуществления рабочего процесса в холодильной машине может быть использована любая жидкость, при испарении которой от охлаждаемой среды можно отвести необходимое количество тепла с понижением температуры до заданных пределов. Однако от того, какой хладагент применен в холодильной установке, зависят конструкция ее машин и теплообменной аппаратуры, вес, габариты и др.
Практически в качестве хладагентов применяются вещества, имеющие сравнительно низкую температуру кипения.
Требования, предъявляемые к хладагентам, можно свести в четыре группы:
1. термодинамические. К ним относятся температура и давление испарения, температура и давление конденсации, теплота испарения, удельная холодопроизводительность, температура замерзания.
Температура испарения 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 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 размере имеют машины и аппаратура холодильной установки и тем меньше затраты энергии на циркуляцию хладагента.
2. физико-химические. К ним относятся: плотность, вязкость, коэффициент теплопроводности, химическая стойкость при контакте с металлами, влагой.
Желательно, чтобы плотность и вязкость хладагентов были небольшими, это уменьшает расходы энергии на их циркуляцию. Они должны быть устойчивыми 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.
3. Физиологические. Хладагенты должны быть безвредными для обслуживающего персонала, легко обнаруживаться при утечках, не портить продукцию тех производств, где они применяются.
4. экономические. Хладагенты должны быть доступны и дешевы.
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.
2.2 Свойства важнейших холодильных агентов
Аммиак. Получается синтетическим путем из водорода и азота воздуха. Относится к сжиженным газам. По термодинамическим свойствам, дешевизне и доступности является одним из лучших хладагентов.
Давление испарения аммиака в диапазоне рабочих температур от -40 до 0 С колеблется от 0,8 до 4,4 кгс/см2, а давление конденсации не превышает 13-14 кгс/см2.
Холодопроизводительность 1 м3 паров аммиака выше, чем у других хладагентов. С понижением температуры кипения объемная холодопроизводительность аммиака падает.
Основной недостаток аммиака – высокая токсичность. При любых концентрациях он вызывает сильное раздражение дыхательных путей, глаз, пищевода.
Аммиак коррозирует цветные металлы: цинк, медь и ее сплавы, поэтому в аммиачных холодильных станциях запрещается применять изделия из этих материалов. Масло в аммиаке почти не растворяется, зато в одном объеме воды можно растворить более 1000 объемов аммиака.
Благодаря резкому запаху можно легко определить даже незначительные утечки аммиака. Места утечки определяют индикаторами: бумажкой, пропитанной фенолфталеином, или тканью, пропитанной фенолротом.
Для определения содержания аммиака в воздухе рабочих помещений холодильных станций используют переносные универсальные газоанализаторы типа УГ-2, показывающие содержание аммиака, начиная с 30 мг/м3 воздуха.
Транспортируют аммиак в баллонах и железнодорожных цисцирнах.
Фреон-12 – дифтордихлорметан получил, благодаря своей безопасности и относительной безвредности, широкое распространение. Следует, однако, помнить, что в отличии от аммиачных паров, пары фреона тяжелее воздуха и при утечках скапливаются в нижних зонах рабочих помещений, которые должны быть оборудованы вытяжной вентиляцией.
Фреон-12 не имеет специфического запаха, поэтому для обнаружения его утечек применяют галоидные горелки. При утечке фреона пламя приобретает зеленоватый цвет. Иногда для обнаружения утечек устанавливают автоматические газоанализаторы, которые отбирают контрольные пробы воздуха.
При температуре 400 С и выше фреоны разлагаются с образованием фтористого и хлористого водорода и частично фосгена – крайне ядовитого вещества, поэтому курение и пользование открытым огнем в помещении запрещается.
Меньше чем у аммиака давление конденсации позволяет изготовить поршневые компрессоры на фреоне-12 с диаметром цилиндра в 1,3 раза большим, чем у аммиачных. Температура перегрева паров на нагнетании у фреона-12 не превышает 70 С, поэтому компрессоры иногда не снабжают охлаждающими рубашками.
Вода во фреоне не растворяется. Поэтому перед заправкой фреона в холодильные машины их тщательно сушат. Влага, попавшая в систему с фреоном, будем замерзать в испарителях и регулирующих вентилях.
Фреоны отличаются крайней летучестью, они проникают даже через поры обыкновенного чугуна. Уплотнение фреоновых систем и высокое качество соединений фреоновых установок – основная задача эксплуатационного и монтажного персонала.
Фреон-22 – дифтормонохлорметан находит распространение в установках с температурами кипения -60 – 80 С, в которых применение аммиака невозможно. Он наиболее перспективен и как заменитель аммиака в зоне температур от 0 до -60 С, потому что по своим термодинамическим свойствам не уступает аммиаку.
Этилен применяется в качестве хладагента в турбокомпрессорных агрегатах для получения температур до -100 С. Температура конденсации этилена при атмосферном давлении – 103,6 С. Температура замерзания – 169 С. В воде этилен почти не растворим. Горюч, с воздухом образует взрывоопасные смеси. Этилен является сырьем для получения многих химических продуктов: полиэтилена, дихлорэтана, этилового спирта, поэтому его применяют в виде хладагента, как правило, там, где он вырабатывается.
Пропан получается из попутных газов, выделяемых при добыче нефти. В отличие от этилена, являющегося непредельным углеводородом, склонным к полимеризации, пропан плохо вступает в химические реакции. Применяется в качестве хладагента в установках по получению этилена и пропилена, на заводах синтетического каучука и др. В связи с большей, чем у этилена, транспортабельностью может применяться как хладагент в любых местах.
Применяется в турбоагрегатах для достижения температур до -50 С.
В табл. 1 Приложения приведены некоторые свойства важнейших холодильных агентов, в табл. 2 – давление насыщенных паров аммиака, фреона-12, фреона-22 и фреона-142 при различных температурах, в табл. 3 – объемная холодопроизводительность аммиака и фреона-12.
2.3 Промежуточные хладоносители
В холодильной технике промежуточные хладоносители применяют в случаях, когда охлаждение непосредственным испарением хладагента по различным причинам нежелательно.
Хладоносители должны иметь низкую температуру замерзания, малые вязкость и плотность, высокую теплоемкость, быть недорогими, безвредными и безопасными, не коррозировать металлы. Почти всем этим требованиям удовлетворяет вода.
Охлажденная вода в огромных количествах применяется на многих промышленных предприятиях. В зимний период машины, предназначенные для охлаждения воды, останавливают, а в систему подают прямоточную холодную воду. Однако высокая температура замерзания ограничивает область ее применения.
Наибольшее распространение в качестве хладоносителей получили растворы хлористого натрия и хлористого кальция, называемые рассолами. Недостатком рассолов является их коррозионное воздействие на металлы, которое резко усиливается при контакте рассола с воздухом.