Система производства и распределения искусственного холода

Система производства и распределения искусственного холода Под искусственным холодом понимают холод, выработанный с помощью машин. Современные рефрижераторные установки позволяют отводить теплоту при любых температурах вплоть до близких к абсолютному нулю и в таких количествах, которые обеспечат нужды народного хозяйства и научных исследований. Холод до 120 К (умеренный холод), получаемый в холодильных установках, используется в самых различных целях: 1) в сельском хозяйстве и пищевой промышленности при заготовке и переработке скоропортящегося сырья, в производстве и хранении продуктов, а также при сублимационной сушке; 2) в торговой сети, на предприятиях общепита, в быту для хранения и транспортирования пищевых продуктов; 3) на производстве и в быту для кондиционирования воздуха производственных, общественных и жилых помещений, то есть для поддержания условий, обеспечивающих требования технического прогресса и благоприятно сказывающиеся на самочувствии людей; 4) в технике водоснабжения для опреснения морской и засоленной воды; 5) на железнодорожном и автотранспорте при перевозке скоропортящихся продуктов; 6) в морском и речном флоте для замораживания и хранения рыбы и морских животных; 7) в медицинской, биологической и фармацевтической отраслях промышленности при производстве и хранении биологических продуктов, а также при изготовлении лекарств, содержащих летучие вещества; 8) при производстве искусственного волокна и пластмасс для поддержания заданной температуры процесса; 9) в парфюмерной промышленности для хранения цветов и ароматических веществ; 10) в горной промышленности при проходке шахт и при строительстве плотин, подземных сооружений и туннелей для замораживания водоносных грунтов и плывунов; 11) на спортивных сооружениях для создания искусственных катков. Во многих отраслях науки и промышленности применяют более низкие температуры (ниже 120 К). Они обеспечиваются установками глубокого холода или криогенными установками, в том числе: 1) в металлургии для интенсификации процессов сталеплавления, а также выплавки чугуна, ферросплавов и цветных металлов посредством обогащения дутья кислородом, получаемом при низкотемпературной ректификации воздуха; в металлургии также используется технический кислород (газообразный и жидкий) и другие продукты ректификации воздуха, в частности аргон для удаления примесей и плавки в инертной среде; 2) в машиностроении для получения путем низкотемпературной ректификации кислорода и инертных газов, необходимых для резки и сварки металлов; обработка сталей холодом увеличивает их твердость и износостойкость; низкие температуры используются также при добавлении вязких материалов и для создания натяга при сопряжении деталей; 3) в химической промышленности при разделении газовых смесей, в частности воздуха, для получения кислорода и азота, для извлечения дейтерия из технического водорода; криотемпературы используются также для конденсации паров, осушения газов, разделения сложных растворов, кристаллизации солей, регулирования направления и скорости химических реакций, хранения низкокипящих жидкостей; 4) в газовой промышленности для разделения газовых смесей, в частности выделения гелия, а также для получения, хранения и транспортирования охлажденных и ожиженных природных и других газов; 5) в авиации и космонавтике для получения топлива (жидкий водород) и окислителей (жидкий кислород), а также для обеспечения кислородом людей, работающих на большой высоте и в космосе; 6) в энергетике для создания различных устройств (накопителей, генераторов, электродвигателей, ЛЭП) с использованием криорезистивности (пониженного электрического сопротивления при низких температурах и сверхпроводимости); 7) в радио и электротехнике для поддержания при низких температурах (криостатирование) электронных приборов, элементов радиосистем, а также некоторых элементов счетных машин; 8) в медицине для хирургического лечения различных заболеваний при низких температурах – криомедицина; 9) в НИИ и лабораториях для поддержания низкой температуры исследуемых тел, создания глубокого вакуума (вплоть до космического), изготовления приборов и установок для физических исследований. Классификация холодильных машин. Холодильные машины и тепловые насосы являются машинами, в которых реализуются обратные термодинамические циклы. В результате чего осуществляется перенос энергии (теплоты) от менее нагретых тел к более нагретым. С помощью холодильной машины теплоту отводят от тел, имеющих температуру ниже температуры окружающей среды, производя, таким образом, искусственное охлаждение. С помощью теплового насоса теплоту, отведенную от тел, имеющих температуру близкую к температуре окружающей среды, используют для отопления и горячего водоснабжения. Термодинамические циклы холодильных машин и тепловых насосов во многом сходны, отличаются главным образом температурными уровнями источников теплоты. Конструкции этих машин также близки. Признаки классификации: 1. В зависимости от вида физического процесса, в результате которого получают холод, холодильные машины разделяют на следующие типы: ◦ использующие фазовый переход рабочего тела из жидкого в газообразное состояние (парокомпрессионные, эжекторные, абсорбционные холодильные машины); ◦ использующие процесс расширения воздуха с производством внешней работы (воздушные, детандерные холодильные машины); ◦ использующие процесс расширения воздуха без производства внешней работы (воздушные, вихревые); ◦ использующие эффект Пельтье (термоэлектрические); 2. В зависимости от вида используемой энергии: ◦ холодильные машины, использующие механическую энергию (компрессионные); ◦ теплоиспользующие холодильные машины (эжекторные, абсорбционные, компрессионные с приводом от турбины); ◦ использующие непосредственно электроэнергию; 3. В зависимости от холодопроизводительности холодильные машины подразделяют на 3 группы: ◦ малые, производительностью до 15 кВт; ◦ средние, производительностью 15 – 120 кВт; ◦ крупные производительностью более 120 кВт; 4. В зависимости от температурного уровня, с которого осуществляется отвод теплоты, холодильные машины подразделяют: ◦ низкотемпературные (теплота отводится при температурах ниже -30 0С); ◦ среднетемпературные ( -30 ÷ -10 0С); ◦ высокотемпературные ( -10 ÷ 20 0С); 5. В зависимости от схемы и вида термодинамического цикла различают: ◦ одноступенчатые; ◦ двухступенчатые; ◦ многоступенчатые; ◦ каскадные; 6. В зависимости от назначения: ◦ универсальные; ◦ специальные; 7. В зависимости от используемого рабочего тела: ◦ аммиачные; ◦ хладоновые; ◦ пропановые; ◦ этановые; ◦ воздушные; ◦ водоаммиачные; ◦ бромистолитиевые. Подавляющие большинство действующих холодильных машин представляют собой парокомпрессионные холодильные машины, которые в зависимости от типа используемого компрессора подразделяются на поршневые, роторные (ротационные): пластинчатые и катящимся ротором, винтовые и центробежные. Области применения холодильных машин Наиболее широко распространены парокомпрессионные холодильные машины с поршневыми компрессорами, способные работать при более высоком, чем у других, отношении давлений конденсации и кипения. Эти машины в определенной области производительностей обладают наиболее высокими энергетическими коэффициентами, однако, имеют повышенный уровень вибрации и меньшую надежность по сравнению с машинами с центробежными винтовыми компрессорами. Холодильные машины с центробежными компрессорами имеют малую металлоемкость, малые габаритные размеры, хорошо уравновешены, надежны, производительность этих машин сравнительно эффективна и просто регулируется, к недостаткам относят низкую энергетическую эффективность при небольших холодопроизводительностях (менее 700 кВт). Холодильные машины с винтовыми маслозаполненными компрессорами имеют высокую надежность, удовлетворительные энергетические показатели. Но особенность состоит в том, что они имеют неизменную внутреннюю степень повышения давления, которая не зависит от отношения давлений в конденсаторе и испарителе холодильной машины, что приводит к потерям при работе в нерасчетных режимах. Недостатком является наличие металлоемкой масляной системы. Холодильные машины с роторными пластинчатыми компрессорами характеризуются простотой устройства, изготовления и эксплуатации, полной уравновешенностью, нечувствительностью компрессора к гидравлическим ударам. Они также как и холодильные машины с винтовыми компрессорами имеют незначительную степень повышения давления газов в компрессоре. К недостаткам относят значительные потери энергии на трение и повышенный шум. Холодильные машины с роторными компрессорами с катящимся ротором в своем диапазоне холодопроизводительностей имеют показатели, сравнимые с показателями холодильных машин с поршневыми компрессорами. Абсорбционные холодильные машины просты по устройству, надежны и удобны в эксплуатации, малошумны. Их отличают сравнительно небольшие капитальные затраты и способность работать, используя поглощенную тепловую энергию низкого потенциала. Недостатком их являются громоздкость, низкие энергетические коэффициенты. Эжекторные холодильные машины имеют те же преимущества, что и абсорбционные, кроме малошумности, но применять их можно лишь при наличии значительных количеств водяного пара. Пароэжекторные машины используют для получения положительных температур. Их недостатки: большие необратимые потери энергии и как следствие малая энергетическая эффективность. Воздушные детандерные холодильные машины удобны в эксплуатации, безопасны, компактны, однако, они имеют невысокие энергетические коэффициенты при температурах выше –80 оС и при небольших (менее 10 кВт) холодопроизводительностях. Термоэлектрические холодильные машины просты по устройству, удобны и безопасны в работе, малошумны, но имеют высокие первоначальные затраты, сравнительно малую энергетическую эффективность. Определение эффективности применения того или иного типа холодильной машины в конкретных условиях эксплуатации представляет собой сложную задачу, так как требует учета многих факторов (холодопроизводительность, температурные уровни источников теплоты, стоимость производства и эксплуатации холодильной машины, требования к массе и габаритам, к виброаккустическим характеристикам, к надежности и т. д.). В настоящее время не существует методики выбора типа холодильной машины, учитывающей все существующие факторы. Наиболее эффективными являются метод определения оптимальных областей применения холодильных машин различных типов, основанный на сравнении приведенных затрат на производство определенного количества холода в сопоставимых случаях. Рабочие вещества паровых холодильных машин и хладоносителей Под рабочим телом или хладагентом понимают физическое тело, с помощью которого совершается холодильный цикл. От характеристики хладагента зависят конструкция холодильной машины и расход энергии, поэтому при выборе рабочего тела учитывают его термодинамические, электрофизические, электрохимические свойства. Холодильные агенты при давлении 0,1 МПа имеют низкую температуру кипения. В настоящее время распространенными рабочими телами являются вода, аммиак, хладоны и воздух. Воду применяют главным образом в установках кондиционирования воздуха в качестве хладоносителя с температурой выше нуля. Воду как хладагент используют в установках абсорбционного и эжекторного типов. Аммиак применяют в поршневых компрессионных и абсорбционных установках при температуре кипения выше –70 оС. Достоинства аммиака как хладоносителя: – малый удельный объем при температурах испарения основной области его использования; – большая теплота парообразования; – незначительная растворимость в масле; – не оказывает коррозирующего действия на сталь. Недостатки аммиака как хладоносителя: – ядовитость; – горючесть; – взрывоопасность при концентрациях в воздухе 16–26,8%; – в присутствии воды разъедает цинк, медь, бронзу и другие медные сплавы кроме фосфорной бронзы. Значительное применение находят хладоны (фреоны) – галогенопроизводные предельных углеводородов. Все они химически инертны, мало или невзрывоопасны. Их получают на базе насыщенных углеводородов СnH2n+2, заменяя атомы водорода атомами фтора, хлора, брома. Сокращенное обозначение хладона строится по формуле R–N, где R – символ, обозначающий хладагент; N – номер хладона. Для хладонов номер N расшифровывают в следующем порядке: первая цифра в двухзначном номере или первые две цифры в трехзначном номере обозначают тот насыщенный углеводород, на базе которого получен хладон. Установлены следующие цифры: 1 – СH4, 11 – С2H6, 21 – С3H8, 31 – С4H10. Справа пишут число атомов фтора (и хлора) в хладоне, например, СF2Cl2 – R–12, С3F4Cl4 – R–214, СCl4 – R–10. При наличии в хладоне незамещенных атомов водорода число их добавляют к числу десятков номера, например, СНFCl2 – R–21, СНF2Cl – R–22. При наличии в хладоне атомов брома после основного номера пишут букву В, а за ней число атомов брома, например, СF2Br2 – R–12B2. В обозначении смесей хладагентов указывают названия составляющих и их массовые доли, например, смесь, состоящую из 90% хладона R–22 и 10% R–12 обозначают . Для других холодильных агентов номера присваиваются, например, аммиак R–717, углекислый газ R–44. Теплофизические, физико-химические и физиологические свойства хладагентов К теплофизическим свойствам относят динамическую вязкость μ, теплопроводность λ, плотность ρ и т. д. Как и теплота парообразования r они влияют на коэффициент теплоотдачи при кипении и конденсации. Большим значениям λ, ρ, r и малой вязкости μ соответствуют большие значения коэффициентов теплоотдачи. Вязкость и плотность влияют на гидравлическое сопротивление при циркуляции хладагента в системе. С ростом их значений сопротивление повышается. Количество циркулирующего в системе хладагента зависит от теплоты парообразования r и снижается с ее ростом. К физико-химическим свойствам относят растворимость в смазочных маслах и воде, инертность к металлам, взрывоопасность и воспламеняемость. По характеру взаимодействия с маслом все хладагенты можно разделить на две группы: хладагенты с ограниченной растворимостью в масле и хладагенты с неограниченной растворимостью. Это означает, что при ограниченной растворимости в жидкой фазе смеси наблюдается два слоя, из которых в одном преобладает масло, а в другом хладагент. При неограниченной растворимости в жидкой фазе не наблюдается расслоения. Эта классификация условна, так как при определенных условиях неограниченная растворимость может переходить в ограниченную. К первой группе относят аммиак, углекислоту, близко подходят хладоны R–13, R–14, R–115. Хладоны R–22 и R–114 имеют пределы растворимости при низких температурах, то есть составляют промежуточную группу. Все другие хладоны (R–11, R–12, R–13, R–21, R–40) обладают неограниченной растворимостью, то есть относятся ко второй группе. Поэтому если кипит не чистый хладагент, а смесь его с маслом, то для получения той же температуры кипения, что и в случае чистого вещества, приходится поддерживать более низкое давление кипения и, следовательно, затрачивать излишнюю работу на сжатие пара. Кроме того, масло-хладоновая смесь имеет большую вязкость, сто снижает коэффициент теплоотдачи. Растворимость хладагентов в воде имеет важное значение для нормальной работы холодильной машины. Аммиак неограниченно растворяет воду. Присутствие небольшого количества воды в нем заметно не нарушает работу холодильной машины. Хладоны почти не растворяют воду, например, R–12 способен растворить при 0 оС всего 0,006% воды по отношению к своей массе. Избыточная влага в хладоне при прохождении через дроссельное устройство (t<0 оС) выделяется в лед и «запаивает» дроссельное отверстие, поэтому в холодильных машинах, работающих на хладонах, предусматривают специальные осушительные устройства. Взаимодействие хладагентов с металлами также зависит от содержания в них влаги. Хладоны дают с влагой галогенные кислоты, при которых возможны гидролиз хладона и коррозия металлов. В герметичных и бессальниковых компрессорах хладагенты соприкасаются с обмотками электродвигателей, и поэтому во избежание их разрушения хладагент должен обладать достаточным электрическим сопротивлением. Хладагент должен быть невзрывоопасным и невоспламеняющимся в смеси с воздухом и парами масла. Хладоны R–11, R–12, R–13, R–22 невзрывоопасны. По физиологическим свойствам хладагенты не должны быть ядовиты. Аммиак вызывает раздражение глаз и верхних дыхательных путей. Допускаемая концентрация его в воздухе – не более 0,02 г/м3. Хладоны с большим содержанием атомов фтора или полностью фторированные (R–13, R–113) практически безвредны для человека. Область применения хладагентов Такие хладагенты как аммиак, хладоны R–12 и R–22 используют в компрессионных холодильных машинах для получения температур кипения до(–30 оС) – (–40 оС) без вакуума в системе охлаждения. Хладагент R–12 применяют в одноступенчатых холодильных машинах с температурой конденсации менее 75 оС при температуре кипения выше –30 оС в домашних холодильниках, кондиционерах. Для тропических условий R–12 можно использовать в верхней ступени каскадных холодильных машин (при этом в нижней ступени используют R–22, R–502, R–12В1). Хладагент R–22 применяют для машин с поршневыми и винтовыми компрессорами одно и двухступенчатого сжатия, а также в бытовых холодильных машинах. Диапазон температур кипения от +10оС до -70оС при температурах конденсации не выше 50оС. Одноступенчатое сжатие рекомендуется применять в диапазоне температур до -35оС. Для улучшения растворимости и циркуляции масла вместо R–22 используют смесь R–22 и R–12, а также азеотропную смесь R–502. Хладагент R–502 применяют, главным образом, в низкотемпературных одноступенчатых холодильных машинах при температурах конденсации до 50оС и температурах кипения до -45оС. наиболее эффективно R–502 использовать в бессальниковых и герметичных компрессорах низкотемпературных машин. По сравнению с холодильными машинами, работающими на R–22, у машин, работающих на R–502, выше холодопроизводительность, ниже расход электроэнергии и более низкая температура в конце сжатия хладагента в компрессоре. Под азеотропной смесью (R–500, R–502, R–503) понимают нераздельнокипящую однородную (гомогенную) смесь, перегоняющуюся без разделения на фракции (компоненты) и без изменения температуры кипения. Их применяют сравнительно редко: в бытовых кондиционерах с повышенной температурой конденсации (тропические условия). Неазеотропные смеси характеризуются различием равновесных концентраций компонентов в жидкой и газовой фазах, перегоняются они с разделением на компоненты. Кипение и конденсация неазеотропных смесей происходит при переменных температурах. Неазеотропные смеси используют для увеличения холодопроизводительности, снижения температур конца сжатия и обмоток встроенного электродвигателя компрессора, улучшения условий циркуляции масла в системе, расширения диапазона применения по температурам кипения и конденсации, обеспечения желаемого сочетания холодопроизводительности с уровнями давлений, устранения вакуумных режимов. При этом энергетическая эффективность достигается за счет высокой степени регенерации теплоты в цикле, повышения КПД компрессора и снижения степени сжатия. Для практического использования перспективными являются следующие смеси: - для высокотемпературных холодильных машин , , ; - для среднетемпературных холодильных машин , , , ; - для низкотемпературных холодильных машин , , . Хладоносители Хладоносители подразделяются на жидкие и твердые. К жидким относятся водные растворы солей – рассолы, и однокомпонентные вещества, замерзающие при низких температурах – этиленгликоль, кремнийорганическая жидкость, хладон R-30. К твердым хладоносителям относят эвтектический лед, образующийся при криогидратной температуре, представляющий собой смесь льда и соли и имеющий постоянную температуру плавления. В холодильной технике применяют водные растворы солей NaCl, MgCl2, CaCl2, которые не замерзают при относительно низких отрицательных температурах, причем температура замерзания их до известного предела (до состояния криогидратной точки) зависит от концентрации рассола. Криогидратная точка определяет концентрацию и температуру рассола, при которой он замерзает в виде однородной смеси обоих компонентов. Область рационального применения хладоносителя определяется его криогидратной точкой. Для раствора NaCl tкр=-21,2оС, для раствора MgCl2 tкр=-33,6оС, для раствора СаCl2 tкр=-55оС. Рассолы во взаимодействии с кислородом воздуха и металлом вызывают усиленную коррозию оборудования. Для уменьшения коррозирующего действия рассолов в них добавляют пассиваторы: силикаты натрия, хромовую соль, фосфорные кислоты. Системы охлаждения со стороны промежуточного хладоносителя выполняют большей частью закрытыми (замкнутыми), где рассол не соприкасается с воздухом. Для уменьшения потерь на трение, увеличения подачи насосов и пропускной способности трубопроводов иногда в рассолы добавляют высокомолекулярные соединения (полимеры) в количестве 0,03-0,07%. Такие полимеры называют поверхностно-активными веществами ПАВ. В качестве промежуточных хладоносителей используют этиленгликоль и хладоны. Этиленгликоль является бесцветной жидкостью, не обладающей запахом, температура кипения которой при атмосферном давлении 197,2оС. В зависимости от концентрации этиленгликоля в воде можно подобрать хладоноситель с температурой замерзания от 0 оС до -67,2 оС. Таблица . Температуры замерзания водных растворов этиленгликоля Концентрация раствора, % по объему 10 20 30 40 45 50 55 60 70 Температура начала замерзания, оС -3,7 -8,9 -16 -25,3 -31,1 -37,2 -43 -51 -67,2 Для устранения коррозии в раствор добавляют 3-этанол-аминофосфат. Хладон R–30 является хорошим хладоносителем благодаря низкой температуре замерзания и малой вязкости. Его используют для температур до -40 оС. Хладон R–11 применяют при температурах (-90) – (-100) оС. Обратный цикл Карно Назначение обратного цикла Карно – перенос теплоты от холодного тела к более нагретому при минимальной затрате механической работы. Цикл Карно – идеальный. В природе осуществить его нельзя. Однако, изучают цикл Карно, т.к. он является самым экономичным. Он является как бы мерилом экономичности действительных циклов. Обратный цикл Карно нельзя осуществить по следующим причинам: 1) в цикле происходит теплообмен при равенстве температур источника и рабочего тела; 2) изотермические процессы в природе неосуществимы, а их в цикле два; 3) источники теплоты имеют бесконечно большую емкость, т.е. это такие тела, которые отдают теплоту, но температура их не изменяется. Рисунок Принципиальная схема и процесс работы идеального компрессионного трансформатора тепла. В процессе 4 – 1 к рабочему телу подводится теплота. Площадь а–4–1–в показывает количество теплоты, которое отнято от источника теплоты с низкой температурой и перешло к телу с высокой температурой и называется удельной массовой холодопроизводительностью q0. Влажный пар рабочего агента поступает из испарителя в компрессор в состоянии 1 при температуре Т0, которой соответствует давление насыщения р0. В компрессоре пары рабочего агента сжимаются до состояния сухого насыщенного пара 2. В процессе 1 – 2 сжатия температура хладагента повышается до Тк, которой соответствует давление насыщения рк. Сжатый пар поступает в конденсатор, где в результате отвода тепла qк рабочий агент переходит из состояния сухого насыщенного пара 2 в состояние жидкости 3. Площадь а–3–2–в показывает какое количество теплоты отдало рабочее тело источнику с высокой температурой. Из конденсатора жидкий холодильный агент поступает в детандер. В процессе расширения в детандере давление рабочего тела снижается от рк до р0, а температура от Тк до Т0. влажный пар в состоянии 4 поступает в испаритель. Площадь 1–2–3–4 показывает количество механической работы в тепловых единицах, которое потребляется, чтобы передать теплоту от источника с низкой температурой к источнику с высокой температурой Al. Тепловой баланс для обратного цикла Карно qк= q0+ Al, то есть количество теплоты, отданное источнику с высокой температурой, равно количеству теплоты, воспринятому от источника с низкой температурой, в сумме с затраченной механической работой, выраженной в тепловых единицах. Экономичность холодильного цикла характеризуется холодильным коэффициентом. Чем больше значение холодильного коэффициента, тем выгоднее цикл. Холодильный коэффициент показывает, какое количество теплоты может быть перенесено от источника теплоты с низкой температурой к источнику с высокой температурой при затрате единицы механической работы, выраженной в тепловых единицах . Для ОЦК: Отсюда видно, что: 1) значение εк не зависит от свойств рабочего тела, а только от температур; 2) чем ниже температура Т0, тем ниже экономичность; 3) чем выше Тк, тем ниже холодильный коэффициент, следовательно на конденсатор холодильной машины необходимо подавать воду с возможно низкой температурой; 4) понижение Т0 больше снижает холодильный коэффициент, чем такое же увеличение Тк. Цикл реальной одноступенчатой парокомпрессионной холодильной машины. Цикл реальной ХМ отличается от теоретического цикла. 1) В действительной ХМ вместо расширительного цилиндра устанавливается дроссельный или регулирующий вентиль. Причины: • в расширительный цилиндр поступает жидкость, объем которой мал, поэтому размеры расширительного цилиндра должны быть весьма малы, следовательно, конструктивно расширительный цилиндр часто трудно выполнить; • в РЦ получаем энергию во вне, но имеются механические потери, величина которых сопоставима с величиной получаемой энергии; • регулирующий вентиль значительно упрощает регулировку машины. Введение регулирующего вентиля ведет к появлению дроссельных потерь при этом уменьшается удельная массовая холодопроизводительность на площадь а–4–4/–с, а затраченная работа на осуществление цикла увеличивается на эту же площадь. Таким образом, площадь а–4–4/–с выражает двойные потери: потери холодопроизводительности и потери работы. Рисунок 2) Введение переохлаждения рабочего тела. Для уменьшения дроссельных потерь после конденсатора производят охлаждение рабочего тела до более низкой температуры, чем температура конденсации. Это охлаждение происходит при постоянном давлении конденсации. Рисунок Переохлаждение (процесс 3-3’) увеличивает холодопроизводительность, т.к. в испаритель поступает более влажный пар. Охлаждение жидкого рабочего тела после конденсатора очень выгодно для тех рабочих тел, у которых нижняя пограничная кривая имеет пологий характер. 3) Переход на сухой ход. В действительном цикле в компрессор засасывается не влажный, а сухой пар. Для этого в установку включают специальный аппарат - отделитель жидкости. Отделитель жидкости работает на принципе изменения направления движения потока и уменьшения скорости (0,8 м/с после 15 м/с в трубопроводе). Переход на сухой ход ведет к повышению холодопроизводительности, но одновременно увеличиваются и затраты теплоты. Переход с сухому ходу по сравнению с влажным теоретически невыгоден, так как затраты работы получаются больше. Однако в действительных условиях холодильные машины работают на сухом ходе и даже на перегретом, так как получается большая производительность компрессора, и избегают возможности гидравлических ударов. Цикл действительной одноступенчатой парокомпрессионной ХМ Рисунок 1-2 – сжатие в одноступенчатом компрессоре 2-2’-3 – процесс в конденсаторе 2-2’ – сбив перегрева 2’-3 – конденсация 3-3’ – переохлаждение жидкого хладагента 3’-4 – дросселирование 4-1 – испарение. Работа на перегретом паре ведет увеличению удельной холодопроизводительности, но одновременно возрастают работы на сжатие. Регенеративный цикл В хладоновых холодильных машинах применяют регенеративные циклы, т.е. предполагается использование теплообменника для охлаждения жидкого рабочего тела и перегрева парообразного перед компрессором. Целесообразность применения регенеративного цикла определяется свойствами хладагента, температурами охлаждающего тела и окружающей среды. Рисунок Многоступенчатая парокомпрессионная холодильная машина Одноступенчатые ПКХМ целесообразно применять при отношениях рабочих давлений , т.е. при температурах кипения -20 оС и конденсации 30 оС. При больших значениях отношения давлений значительно снижается холодопроизводительность холодильной машины и вместо одноступенчатых следует использовать двух-, трехступенчатые и каскадные машины. Необходимость удовлетворения условиям прочности элементов компрессора. Расчетное условие на прочность показывает, что разность (рк-р0) для компрессоров не должна превышать величины 1,7 МПа. Переход к многоступенчатым холодильным машинам обусловлен тем, что при больших значениях температура пара в конце сжатия в одноступенчатой машине высока. Это вызывает потерю смазочных свойств масла, его самовозгорание, повышенный износ деталей компрессора. В технике получения умеренного холода применяют двух- и трехступенчатое сжатие. В таких машинах температура паров хладагента в конце сжатия в первой ступени компрессора превышает температуру окружающей среды. В этом случае используют прямоточное охлаждение перегретого пара в водяном межступенчатом холодильнике. В циклах многоступенчатого сжатия кроме водяного применяют и промежуточное охлаждение холодильным агентом, что позволяет увеличить холодильный коэффициент. Многократное дросселирование хладагента с промежуточным отбором пара приводит к снижению энергетических потерь. Существенной особенностью многоступенчатых холодильных циклов является снижение объемных и энергетических потерь компрессора. В многоступенчатой холодильной машине хладагент сжимается до давления конденсации последовательно в двух или трех ступенях с промежуточным охлаждением частично сжатых паров. На каждой ступени отношение давления нагнетания к давлению всасывания меньше, чем отношение давлений для полного цикла данной машины. Схемы многоступенчатых машин могут быть различны. В схемах с многократным дросселированием промежуточное охлаждение между ступенями сжатия может быть полным и неполным. Рисунок Схема двухступенчатой ПКХМ с однократным дросселированием: а) с неполным промежуточным охлаждением, б) с полным промежуточным охлаждением. При полном промежуточном охлаждении состояние рабочего тела перед всасыванием в компрессор более высокой ступени соответствует состоянию сухого насыщенного пара. неполное промежуточное охлаждение осуществляется водой. Полное промежуточное охлаждение достигается снижением температуры пара после водяного холодильника промежуточной ступени кипящим хладагентом, поступающим после первого дросселирования. Каскадные холодильные машины В ряде случаев для получения очень низких температур применение одного рабочего тела оказывается невозможным из-за больших размеров машин, давления кипения, близкого к глубокому вакууму, затвердевании агента при низкой температуре кипения в испарителе. В этих случаях применяют холодильные машины, в каждой ступени которых циркулирует свое рабочее тело. В таком цикле с различными рабочими телами испаритель каждой следующей ступени является конденсатором предыдущей. Такие холодильные машины называются каскадными. Для получения очень низких температур в нижнем и верхнем каскадах используют различные хладагенты, при этом для верхнего каскада целесообразна двухступенчатая машина. Абсорбционные холодильные машины Работа абсорбционной холодильной машины отличается от компрессионных тем, что отвод теплоты от охлаждаемого тела к окружающей среде осуществляется путем затраты внешней энергии в виде теплоты, а не механической работы. В качестве рабочего тела здесь применяют растворы, как правило, они состоят из двух компонентов – бинарные растворы. Бинарный раствор состоит их двух компонентов имеющих различные нормальные температуры кипения. Низкокипящее вещество является хладагентом, а высококипящее – абсорбентом (поглотителем). Наиболее распространенными бинарными растворами являются NH3 – H2O и H2O – LiBr. В первой паре хладагентом является NH3, а абсорбентом H2O. Во второй паре хладагентом является H2O, а абсорбентом LiBr. Требования, предъявляемые к абсорбентам: 1) он должен хорошо растворять пары хладагента; 2) температура кипения абсорбента должна быть значительно выше температуры кипения хладагента при том же давлении; 3) бинарный раствор должен быть не ядовит, не горюч, не взрывоопасен, не должен вызывать коррозию металла. Концентрация бинарного раствора , где М1 и М2 – массы компонентов. Параметры бинарных растворов задаются в следующих диаграммах: ξ–t, ξ–p, ξ–h, ξ–S, t–p. Свойства бинарного раствора отражаются следующими положениями: 1) температура кипения бинарного раствора при данном давлении величина непостоянная, а зависит от концентрации раствора; 2) раствор слабой концентрации при низкой температуре обладает свойством поглощать пары хладагента, при этом выделяется теплота абсорбции; 3) так как при постоянном давлении температуры кипения хладагента и абсорбента разные, то в процессе кипения из раствора более интенсивно выделяется хладагент, чем абсорбент. В связи с этим концентрация паровой фазы по агенту всегда будет выше при данной температуре и данном давлении, чем концентрация жидкой фазы. Это соответствует закону Коновалова: из раствора всегда выделяется большее количество того компонента, который имеет более низкую температуру кипения. Функциональная схема простейшей абсорбционной ХМ В испарителе к хладагенту подводится теплота Q0, в результате хладагент кипит при температуре Т0 и давлении р0. Образовавшийся пар хладагента поступает в абсорбер и поглощается абсорбентом. Процесс абсорбции сопровождается выделением теплоты Qаб, которая отводится к окружающей среде при температуре tо.с. Из абсорбера раствор подается насосом в генератор Г, где давление рг выше. В генераторе хладагент выкипает из раствора при температуре Тг и давлении рг вследствие подвода теплоты из вне Qг. Пар хладагента поступает в конденсатор, где конденсируется при температуре tк и давлении рк. В результате отвода теплоты Qк жидкий хладагент из конденсатора через детандер (расширительный цилиндр) Д1 поступает в испаритель, абсорбент через детандер Д2 поступает в абсорбер. Таким образом, в абсорбционной машине, как и в парокомпрессионной низкая температура получается в результате кипения хладагента, поступающего в испаритель через детандер из конденсатора. Однако здесь хладагент подается из испарителя в конденсатор посредством абсорбции и выпаривания, а для осуществления последнего требуется подвод внешней теплоты. Идеализация рассмотренной абсорбционной холодильной машины состоит в следующем: 1) в генераторе раствор полностью разделяется на хладагент и абсорбент; 2) в генераторе, конденсаторе, испарителе и абсорбере процессы осуществляются при постоянной температуре без внешних и внутренних потерь от необратимости; 3) работа, подводимая к насосу, подающему раствор в генератор, равна работе, отводимой от детандеров, так как объемные подачи веществ и разности давлений равны. Тепловой баланс такой ХМ определяется уравнением: Q0+Qг=Qk+Qаб Эффективность действия такой абсорбционной холодильной машины определяется тепловым коэффициентом: . Абсорбционную холодильную машину можно рассматривать как систему, в которой совершаются прямой и обратный циклы. В прямом цикле в результате переноса теплоты от источника с высокой температурой Тг к окружающей среде производится работа, а в обратном цикле эта работа затрачивается на перенос теплоты от источника с низкой температурой Т0 к окружающей среде. Эффективность прямого цикла оценивается термическим коэффициентом: . Эффективность обратного цикла – холодильным коэффициентом: , тогда тепловой коэффициент будет равен . Термодинамическая эффективность работы абсорбционной холодильной машины ниже, чем компрессионной. Отличия схемы реальной абсорбционной холодильной машины от идеальной Схема реальной абсорбционной холодильной машины включает дроссельные вентили вместо детандеров, регенеративный теплообменник, ректификационную колонну, встроенную в генератор, а иногда и дефлегматор. Замена детандеров регулирующими вентилями вызвана теми же причинами, что и в парокомпрессионных холодильных машинах, а именно полезная работа детандера незначительна, а в эксплуатации вентили проще. Введение в состав абсорбционной холодильной машины теплообменника для нагревания крепкого и охлаждения слабого растворов позволяет уменьшить необратимые потери в прямом совмещенном цикле. Так крепкий раствор поступит в генератор с более высокой температурой и, следовательно, затраты теплоты в нем уменьшатся. Слабый же раствор поступит а абсорбер с более низкой температурой, поэтому количество теплоты, которое необходимо отвести из абсорбера, уменьшится. Ректификатор и дефлегматор увеличивают концентрацию пара хладагента, выходящего из генератора, что повышает эффективность обратного цикла. В ректификационной колонне пар хладагента и крепкий раствор контактируют, проходя через насадку. В результате тепломассобмена концентрация пара увеличивается. Далее пар поступает в дефлегматор, где в результате охлаждения водой его концентрация еще возрастает, а образовавшийся конденсат (флегма) стекает обратно в генератор. Работа реальной абсорбционной холодильной машины сопровождается потерями из-за необратимости процессов теплообмена, трения при движении сред, дросселирования хладагента и абсорбента, работы, подведенной к насосу. Поэтому мерой термодинамического совершенства конкретной абсорбционной холодильной машины является отношение действительного теплового коэффициента к тепловому коэффициенту идеальной машины . Рабочие процессы, протекающие в абсорбционных водоаммиачной и бромисто-литиевой холодильных машинах, аналогичны, но есть ряд конструктивных особенностей, связанных с различием свойств хладагентов и абсорбентов. Например, в бромисто-литиевых абсорбционных холодильных машинах нет ректификатора, т.к. нормальные температуры кипения хладагента и абсорбента существенно отличаются, а процессы в аппаратах совершаются при давлении ниже атмосферного. Различны и области их применения. Водоаммиачные машины используют для получения относительно низких температур (до -70оС), а бромисто-литиевые для более высоких. Область применения абсорбционных холодильных машин определяется наличием дешевых, достаточно высокопотенциальных источников теплоты: отходящий газ с котельных, отработавший пар ТЭЦ, горячая вода, являющаяся побочным продуктом основного производства на предприятиях нефтехимической, пищевой и других отраслей. В связи с тем, что экономия топливно-энергетических ресурсов приобретает все более актуальное значение, область применения абсорбционных холодильных машин расширяется. Функциональная схема реальной абсорбционной холодильной машины Рисунок Две верхние пограничные кривые показывают состояние сухого насыщенного пара над кипящим жидким раствором при двух давлениях: рк – давление в генераторе и конденсаторе и р0 – давление в испарителе и абсорбере. Две нижние пограничные кривые показывают состояние кипящей жидкости при тех же давлениях. Между верхними и нижними пограничными кривыми находится область влажного пара при давлениях соответственно рк и р0. Равновесие между кипящей жидкостью и сухим насыщенным паром при любом давлении определяется изотермой, соединяющей соответствующие точки на пограничных кривых, относящихся к этому давлению. Такой изотермой является прямая 1 – 8, соединяющая точки 1 (сухой насыщенный пар) и 8 (кипящая жидкость), относящиеся к одному и тому же давлению и имеющие одинаковую температуру. Установка работает следующим образом. К ректификационной колоне подводится из абсорбера крепкий раствор с давлением рк (точка 15). Этот раствор в колонне вступает в тепломассообмен с противоточно движущимся паром. В результате концентрация легкокипящего компонента в паре повышается, а в растворе снижается. Раствор из крепкого превращается в слабый. Генератор, ректификационная колонна и дефлегматор обычно компонуются вместе так, чтобы было обеспечено естественное движение пара вверх, а флегмы и крепкого раствора вниз. Изменение состояния пара в дефлегматоре изображено кривой 1 – 2. После дефлегматора пар поступает в конденсатор, где в результате внешнего отвода теплоты превращается в жидкость 2 – 3. После конденсатора жидкий хладагент дополнительно охлаждается парообразным рабочим телом из испарителя 3 – 4. Такое охлаждение возможно, потому что температура пара t6 ниже температуры рабочего тела после конденсатора t3. В состоянии 4 охлажденный жидкий хладагент поступает в дроссельный вентиль, при прохождении через который его энтальпия и концентрация не изменяются, поэтому точки 4 и 5 на ξ–h диаграмме совпадают. однако, в состоянии 4 рабочее тело представляет собой жидкость, так как точка 4 находится ниже кривой кипящей жидкости при давлении рк, а в состоянии 5 рабочее тело представляет смесь пара и жидкости, так как точка 5 находится выше кривой кипящей жидкости при давлении р0. После дроссельного вентиля рабочее тело поступает в испаритель, где в результате подвода теплоты извне оно превращается в сухой насыщенный пар5 – 6. В состоянии 6 рабочий пар поступает в охладитель, где перегревается за счет теплоты, подведенной от жидкого хладагента 6 – 7. В состоянии 7 пар поступает в абсорбер. В абсорбере пары смешиваются со слабым раствором состояния 11. При адиабатном смешении пара и жидкого раствора состояние смеси на ξ–h диаграмме определяется как точка пересечения прямой, соединяющей исходное состояние пара и раствора, с ординатой, соответствующей концентрации полученной смеси (точка 12). Смесь представляет собой влажный пар. Для превращения влажного пара в жидкий крепкий раствор из абсорбера отводится теплота 12 – 13. Крепкий раствор состояния 13 подается насосом через теплообменник в ректификационную колонну. Процесс подогрева крепкого раствора изображается отрезком 14 – 15. Противотоком к крепкому раствору через теплообменник проходит слабый раствор и охлаждается 9 – 10. Пароэжекторные холодильные машины Работа пароэжекторных холодильных машин, как и абсорбционных, осуществляется в результате подвода теплоты от внешнего источника. хладагент совершает совмещенные прямой и обратный циклы. Чаще всего им является вода, но можно использовать аммиак и хладоны. Рисунок Функциональная схема водяной пароэжекторной холодильной машины Хладагент циркулирует в холодильной машине с помощью эжектора. Активный пар (состояние 1), образовавшийся в генераторе при подводе теплоты в прямом цикле, поступает в эжектор. Проходя через сопло эжектора, активный пар расширяется (состояние 2). В сопле потенциальная энергия пара преобразуется в кинетическую энергию струи, которая, вытекая с большой скоростью, эжектирует пассивный пар состояния 9 из испарителя. После смешения пара состояний 2 и 9 в камере смешения эжектора получается пар состояния 3. Этот пар, проходя диффузор эжектора, где его кинетическая энергия преобразуется в потенциальную, поступает в конденсатор (состояние 4). Процесс сжатия смеси пара в диффузоре можно рассматривать как два процесса: сжатие активного пара (процесс 2 – 11) и сжатие пассивного пара (процесс 9 – 10). В конденсаторе пар конденсируется 4 – 5, отдавая теплоту окружающей среде. Часть конденсата состояния 5 в количестве, равном массовой доле пассивного пара, поступает через дроссельный вентиль в испаритель 5 – 8, где кипит 8 – 9, отводя теплоту от охлаждаемой среды. Пар в состоянии 9 отводится в камеру смешения диффузора. Другая часть конденсата в количестве, равном массовой подаче активного пара нагнетается насосом в генератор 5 – 6, нагревается 6 – 7, и образовавшийся в результате кипения 7 – 1 пар направляется в эжектор. В эжекторе соединяются процессы прямого и обратного циклов, а именно: работа прямого цикла получается в сопле 1 – 2, подводится к обратному циклу в камере смешения 2 – 3 – 9 и тратится в обратном цикле в диффузоре 3 – 4. Таким образом, в пароэжекторной холодильной машине осуществляется прямой цикл 1 – 11 – 5 – 6 – 7 – 1 и обратный цикл 9 – 10 – 5 – 8 – 9. Для термодинамического анализа пароэжекторной холодильной машины необходимо знать соотношение массовых подач активного М и пассивного М0 пара. Принимая, что для отвода 1 кг пассивного пара из испарителя расходуется ат активного пара, получим коэффициент расхода или кратность циркуляции . Работа прямого цикла l=(h1-h11)-(h6-h5) Она без потерь подводится в обратном цикле l0=h10-h9 Тогда ат·l=l0 Тепловой баланс пароэжекторной холодильной машины имеет вид qк= q0+ qг+ qн где qк – теплота, отведенная в конденсаторе, qк=(1+ ат)·(h6-h5); q0 – теплота, подведенная в испарителе, q0= (h9-h8); qг – теплота, подведенная в генераторе, q0= ат·(h1-h6); qн – тепловой эквивалент работы насоса, qн= ат·(h6-h5). Термический коэффициент прямого цикла Холодильный коэффициент обратного цикла Термодинамическая эффективность работы пароэжекторной холодильной машины оценивается тепловым коэффициентом, равным отношению теплоты, отведенной в обратном цикле, к теплоте, подведенной в прямом цикле Следовательно, термодинамическая эффективность работы пароэжекторной холодильной машины не может быть выше эффективности работы машины, осуществляющей только холодильный цикл при прочих равных условиях. Пароэжекторные холодильные машины применяют преимущественно на предприятиях для охлаждения воды до температуры 5 – 15 оС, для кондиционирования воздуха. В генераторах таких машин используются дешевые источники высокопотенциальной теплоты. Эти машины просты по конструкции, надежны и безопасны. Холодильные установки Комплекс машин, аппаратов и приборов и иногда инженерных сооружений, предназначенных для получения искусственного холода, называется холодильной установкой. Схема холодильной установки – упрощенное изображение действующей или проектируемой установки, в которой отражено не только наличие машин, аппаратов и приборов, но и способ включения, т.е. их взаимосвязь. К схемам предъявляются следующие требования: 1) схема должна быть простой для простоты обслуживания; 2) схема должна быть достаточно гибкой, т.е. позволять производить переключения без нарушения работы всей схемы; 3) схема должна иметь достаточное количество КИП для возможности контроля за режимом; 4) схема должна быть безопасной в обслуживании, т.е. следует предусмотреть специальные защитные устройства от аварийных режимов; 5) схема должна быть удобной в обслуживании; 6) схема должна быть доступной для автоматизации. Вспомогательное оборудование холодильной установки Вспомогательные аппараты (отделители жидкости, маслоотделители, маслосборники, промежуточные сосуды, ресиверы) обеспечивают стабильность и безопасность работы холодильной установки. Маслоотделители являются буферной емкостью, сглаживающей пульсацию потока паров хладагента в нагнетательном трубопроводе непосредственно за компрессором. Основная задача маслоотделителей – повышение эффективности теплообменных аппаратов в результате уменьшения масляной пленки. По принципу действия маслоотделители подразделяются на промывные и инерционные. В промывных пар проходит через слой жидкого хладагента, охлаждается в результате испарения части жидкости и освобождается от масла. Степень отделения масла составляет 85 – 90%. В маслоотделителях инерционного типа происходит инерционное отделение масляных капель в результате резкого изменения скорости и направления потока, а также действия центробежных сил. Степень отделения масла до 80%. Маслоотделители барботажные Для хладагента аммиака применяют типовые маслоотделители марки ОММ 50-300 (отделитель масла модернизированный, 50, 300 – диаметры условного прохода входного и выходного патрубков). Вместимость 0,05 – 3,67 м3. Эффективное отделение масла в ОММ достигается за счет барботирования паров аммиака через слой жидкого аммиака, при этом происходит охлаждение паров с одновременным осаждением паров масла. Конструктивно ОММ представляют собой сварные вертикальные цилиндрические аппараты. Внутри корпуса на вводном штуцере расположены решетчатые конические отбойники, в которых дополнительно отделяется масло и капли хладагента. В начальный период работы ОММ улавливают до 95 – 97% масла. По мере накопления масла эффективность работы снижается, поэтому необходимо своевременно сливать из них масло. Хороший эффект маслоотделения получается, если перед барботажным маслоотделителем установить маслоотделитель такого же типа без подачи в него жидкости или такой же маслоотделитель с тангенциальным подводом паров аммиака. Выделившееся смазочное масло оседает внизу аппарата и через спускной вентиль удаляется в маслосборник. Маслоотделители с тангенциальным вводом паров Такие маслоотделители применяются в установках, где в качестве хладагента используются пропан, пропилен, этан и этилен. Для повышения эффективности этих маслоотделителей пары хладагента предварительно охлаждают с помощью воды. В маслоотделителях этого типа патрубок ввода паров изогнут под углом 45о к вертикальной оси в двух плоскостях, благодаря чему пар движется по спирали, прижимаясь к внутренней поверхности корпуса. В результате изменения направления пара и резкого уменьшения скорости капли масла, ударяясь о стенки корпуса, соединяются в более крупные капли. На выходе паров из маслоотделителя предусматривают слой из колец Рашига. Маслоотделители центробежные или циклонные Эффективность таких маслоотделителей достигает 90%. Пары хладагента поступают в маслоотделитель тангенциально и, двигаясь по спирали, получают вращательное движение. Под действием центробежной силы капли масла отбрасываются к внутренней поверхности корпуса и оседают на ней, образуя медленно стекающую пленку. При выходе из спирали пар делает резкий поворот и через центральный патрубок выходит из маслоотделителя. Чтобы уровень отделившегося масла оставался спокойным, он защищается от движущегося пара перегородкой. Маслоотделители с водяным охлаждением Применяются в установках, где в качестве хладагента используются хладоны R–12 и R–22. Охлаждение обеспечивается водой, проходящей внутри змеевика, расположенного в маслоотделителе. При охлаждении происходит конденсация парообразного масла. Охлаждение пара рекомендуется проводить до температуры, превышающей на 10 – 20 оС температуру конденсации хладагента. Для улавливания уносимых паром мельчайших частиц масла предусматривают отбойный слой из керамических колец. Пары хладагента как и в других маслоотделителях изменяют направление движения. Масло из маслоотделителя выводится в картер компрессора с помощью поплавкового дроссельного вентиля, работа которого контролируется выносным мерным стеклом. Маслоотделители с водяным охлаждением весьма эффективны. Маслосборники Маслосборники служат для сбора масла из аппаратов холодильной установки, а также для отпаривания хладагента из отработавшего масла перед отправкой его на регенерацию. Масло из аппаратов выводится в маслосборник периодически. Перед выводом масла давление в маслосборнике понижают, соединяя его со стороной низкого давления компрессора через отделитель жидкости. При меньшем давлении снижается растворимость аммиака в масле. Растворимость парообразных хладагентов в масле снижается и с повышением температуры, поэтому целесообразно подогревать (отпаривать) масло в маслосборнике. Отпаривание хладагента из масла проводится подогревом водяным паром или горячей водой. Серийно выпускаются маслосборники: 150 СМ, 300 СМ, 500 СМ. Они представляют вертикальные цилиндрические пустотелые аппараты диаметром 150, 300, 500 мм. Освобождение масла от хладагента осуществляется за счет отсоса паров хладагента основным или вспомогательным компрессором. Для холодильных установок химической, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленностей применяют горизонтальные маслосборники со змеевиком, расположенным снаружи аппарата. Применение маслосборников позволяет уменьшить потери агента и повысить безопасность работы. Ресиверы Ресиверы представляют собой герметичные цилиндрические сосуды, служащие емкостью для жидкого хладагента. В зависимости от функций, выполняемых ими в холодильной установке, ресиверы различают по конструкции и по назначению. По назначению ресиверы могут быть линейными, дренажными, циркуляционными, защитными, По конструкции - вертикальными и горизонтальными. Линейные ресиверы служат для компенсации различия в степени заполнения испарительного оборудования жидкостью при изменении тепловой нагрузки, освобождают конденсатор от жидкости и создают равномерный поток жидкости к регулирующему вентилю. Линейные ресиверы являются хорошими сборниками воздуха и масла. Их устанавливают между конденсатором и регулирующим вентилем. Постоянно поддерживаемый уровень жидкого хладагента служит гидравлическим затвором, препятствующим перетеканию в испаритель пара высокого давления. Дренажные ресиверы служат для слива жидкого хладагента из аппаратов и трубопроводов холодильной установки при эксплуатации и ремонте. Циркуляционные ресиверы применяют в насосно-циркуляционных схемах питания испарительных систем жидким хладагентом. Они служат резервуаром, в котором постоянно содержится жидкий хладагент в количестве, обеспечивающем непрерывную работу циркуляционного насоса, подающего жидкость в испаритель. Ресиверы устанавливают на стороне низкого давления ниже отметки, на которой размещено все оборудование испарительной системы. Этим обеспечивается свободный слив жидкости из испарителей и отделителей жидкости. Защитные ресиверы вместе с отделителем жидкости, устанавливаемым на всасывающем трубопроводе между испарителем и компрессором, служат для защиты компрессоров от гидравлических ударов. Их применяют в безнасосных системах питания испарителей жидким хладагентом и устанавливают на стороне низкого давления ниже отметки, на которой находится оборудование испарителей. Отделители жидкости Отделители жидкости предназначены для улавливания капель жидкости, содержащихся в парожидкостной смеси хладагента, отсасываемого из приборов охлаждения или испарителей. Они защищают компрессор от опасного режима работы, который является следствием попадания в цилиндр жидкости вместе с паром хладагента. Отделитель жидкости обеспечивает сухой ход компрессора, приближая этим режим холодильной машины к расчетному. Капли жидкости в этих аппаратах осаждаются в результате резкого снижения скорости и изменения направления движения потока парожидкостной смеси на 90о или 180о. Подбирают отделитель жидкости для аммиачных холодильных установок исходя из условия, что скорость пара в испарителе должна быть не более 0,5 м/с. Для хладагентов с плотностью выше, чем плотность аммиака, может быть принята и большая скорость. Для крупных аммиачных холодильных установок применяют отделители жидкости ОЖ 350, ОЖ 400, в корпус которых введен змеевик. Через змеевик циркулирует теплый жидкий хладагент, направляемый из конденсатора к регулирующему вентилю. Диаметр аппаратов от 400 до 2600 мм, вместимость 0,18 – 22 м3. В зависимости от соотношения диаметров паровых трубопроводов и корпусов отделителей скорость пара в них уменьшается в 16-42 раза. В случаях использования охладительных систем с принудительной циркуляцией хладагента жидкость отделяется в циркуляционном ресивере (отделитель жидкости не устанавливают). Отделители жидкости испытывают на прочность и плотность водой и воздухом. Все отделители покрываются тепловой изоляцией. Промежуточные сосуды Промежуточные сосуды применяют в холодильных установках двухступенчатого сжатия для полного промежуточного охлаждения паров хладагента, поступающего из компрессора ступени низкого давления и для переохлаждения жидкого хладагента в змеевике аппарата перед регулирующим вентилем. Пары хладагента охлаждаются при их барботировании через слой жидкого хладагента. Промежуточный сосуд представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат. В том случае, если в него встраивается теплопередающая поверхность в виде змеевика, в марку добавляется буква з (ПСз). змеевик крепится на днище сосуда. При работе сосуд заполняют жидким хладагентом так, чтобы змеевик оказался полностью погруженным в жидкость. Промежуточный сосуд является аппаратом эффективного отделения масла после ступени низкого давления, поэтому предусматривается трубопровод для периодического слива масла из него. Промышленное разделение воздуха На установках по промышленному разделению воздуха получают кислород, азот и другие газы. Атмосферный воздух содержит в химически несвязанном состоянии кислород (20,95%), азот (78%), аргон (0,93%), а также неон, криптон, ксенон, гелий, водород, озон, углекислый газ. Разделение воздуха основывается на различных температурах кипения составляющих элементов жидкого воздуха. Процесс разделения жидкого воздуха осуществляется в специальных аппаратах – ректификационных колоннах. Для получения жидкого воздуха его необходимо очистить от механических примесей, осушить, очистить от СО2 и охладить до очень низких температур методами криогенной техники. Глубокое охлаждение (криотехника) применяется также для разделения других газовых смесей (коксовый газ, природный газ, крекинг-газ, газы пиролиза нефти). В технике глубокого охлаждения для получения низких температур в основном применяют два метода: дросселирование и адиабатное расширение с производством технической работы. Подготовка воздуха к промышленному разделению В атмосферном воздухе содержатся водяной пар, механические примеси, газообразные продукты промышленных выбросов: СО, Н2S, NO2, ацетилен и др. 1. Очистка воздуха от механических примесей Очистка воздуха от механических примесей осуществляется в фильтрах, устройство которых зависит от количества воздуха. При небольших расходах воздуха (до 2000 м3/ч) очистка производится в фильтрах, где в качестве фильтрующего элемента применены кассеты из колец Рашига, смачиваемых маслом. Скорость воздуха, отнесённая к свободному сечению фильтра, принимается от 0,3 м3/с до 0,5 м3/с. При работе фильтров вне помещения следует применять низкотемпературное масло. При расходах воздуха более 2000 м3/ч могут быть параллельно установлены несколько фильтров. При больших расходах используют самоочищающиеся фильтры непрерывного действия. Однако использование масляных фильтров способствует загрязнению воздуха, который далее поступает на всас турбокомпрессора. В последнее время для очистки воздуха применяются сухие фильтры с пористыми насадками и электрофильтры. 2. Сушка воздуха. Для осушки воздуха используется два способа: ◦ адсорбционная осушка; ◦ осушка вымораживанием. В кислородном производстве в качестве адсорбентов применяют селикогель, активный глинозем, активную окись алюминия или цеолиты. Адсорбционный узел осушки состоит из фильтра влагоотделителя для улавливания капельной влаги после компремирования (сжатия) воздуха, адсорбера, фильтра для улавливания пыли и системы регенерации адсорбента. Регенерация, т.е. восстановление адсорбента, осуществляется нагретым до 280 0С азотом. Окончание регенерации определяется по температуре азота на выходе из узла осушки. При осушке путём вымораживания воздух после компрессора проходит через два теплообменника рекуперативного типа. В первом теплообменнике, ожижителе, воздух охлаждается до +5 0С, при этом удаляется основная часть водяного пара. Во втором теплообменнике, вымораживателе, воздух охлаждается до - 40 0С. Влага, выделившаяся в теплообменниках, отводится с помощью влагоотделителя. Для непрерывной работы осушителя необходим третий теплообменник вымораживатель, который во время работы второго теплообменника освобождается от улавленной влаги. Для этого теплообменник нагревают и влагу от таяния льда удаляют с помощью продувки. Все три теплообменника монтируются в одном блоке. Для охлаждения воздуха используются продукты разделения воздуха, поступающие из колонны. Способ осушки воздуха путем вымораживания влаги в установках среднего и высокого давления ограничен сложностью системы обвязки оборудования. 3. Очистка воздуха от СО2. При работе воздухоразделительных аппаратов содержащийся в воздухе СО2 при низких температурах может переходить в твердое состояние, минуя жидкое, что мешает нормальной работе оборудования (ледяные пробки). Для очистки воздуха от СО2 существует несколько способов: ◦ химический, который основан на поглощении СО2 водным раствором едкого натра NаОН. Аппараты, основанные на данном способе очистки, работают под избыточным давлением до 1,8 МПа и включаются между ступенями сжатия компрессора. В качестве таких аппаратов могут использоваться вертикальные декарбонизаторы и скрубберы, работа которых сводится к пропусканию воздуха через насадку из колец Рашига, смачиваемую циркулирующим раствором щёлочи. Недостатками такого метода являются громоздкость оборудования, сложность эксплуатации, большой расход едкого натра. ◦ адсорбционный, являющийся более прогрессивным. В качестве адсорбентов могут быть использованы силикагель, активированный уголь или синтетические цеолиты. При работе с силикагелем или активированным углем воздух предварительно осушается и охлаждается до температуры ниже –135 0С. Регенерация адсорбентов осуществляется продуктами разделения воздуха при температуре +20 0С. Данный способ проще химического, способствует одновременному удалению из воздуха аммиака. Однако при очистке воздуха высокого давления адсорберы и арматура должны обладать повышенным запасом прочности, что приводит к перерасходу металла на их изготовление. Этот недостаток устраняется при использовании в качестве адсорбентов синтетических цеолитов. Процесс в этом случае ведется при температуре +20 0С, поэтому отпадает необходимость предварительного охлаждения воздуха, одновременно воздух очищается от влаги и СО2. Для охлаждения воздуха и нагревания продуктов разделения воздуха обычно используются трубчатые теплообменные аппараты, которые должны надежно работать в условиях большой разницы давлений и температур. материалами для изготовления таких аппаратов служат медь, алюминий, латунь. Основные требования к теплообменным аппаратам: - коррозионная устойчивость материалов; - сохранение ударной вязкости металлов при низкой температуре (до -195оС); - малое гидравлическое сопротивление (не более 20-30 кПа); - небольшие габаритные размеры. С целью снижения сопротивления теплообменного аппарата и интенсификации теплообмена в низкотемпературных аппаратах широко применяются регенераторы. Они позволяют в единице объема разместить большую поверхность теплообмена и уменьшить массу материала для изготовления теплообменника в 15 раз по сравнению с трубчатым теплообменником. В качестве материалов для насадок регенераторов применяются гофрированные алюминиевые ленты или твердые частицы (насыпная насадка) с размерами 5-10 мм. Материалом для насыпной насадки может служить базальт, морская галька, кварц. При применении насыпной насадки размеры регенераторов увеличиваются. При работе регенераторов в качестве теплообменных аппаратов в них одновременно осуществляются процессы осушки воздуха и удаления из него СО2. Во время движения сжатого воздуха влага и СО2 откладываются на поверхности насадки, а во время обратного движения продуктов разделения воздуха удаляются из регенератора, что обеспечивает продолжительную их работу. Машины для промышленного разделения воздуха Для промышленного разделения воздуха применяют воздушные компрессоры, детандеры, насосы сжиженных газов, специальные компрессоры. Воздушные компрессоры служат для компремирования воздуха. При необходимости получения высокого давления воздуха (16-20 МПа) применяется схема многоступенчатого сжатия с промежуточным охлаждением воздуха перед подачей его в каждую последнюю ступень компрессора. Детандеры предназначены для охлаждения воздуха за счет его адиабатного расширения с получением внешней работы. Они подразделяются на поршневые т турбодетандеры. Поршневые детандеры применяют на установках небольшой производительности среднего и высокого давления воздуха, а турбодетандеры в установках большой производительности и невысокого начального давления. Внешнюю работу, получаемую в детандерах во время адиабатного расширения воздуха, используют для выработки электроэнергии. Поршневые детандеры бывают среднего и высокого давления. Начальная температура воздуха для детандера среднего давления составляет от (-60оС) до (-110оС), для детандера высокого давления от (-50оС) до +20оС. Конечная температура расширения соответственно равна (-170оС) и (-130оС). Конечное давление газа составляет 0,6…0,65 МПа при начальном давлении 16-20 МПа для детандера высокого давления и 1,5-7 МПа для детандера среднего давления. В турбодетандерах, которые работают при более низких температурах, чем поршневые, адиабатное расширение газа используется для вращения рабочего колеса, а во внешнюю работу преобразуется часть энергии потока сжатого газа. Так как в них отсутствует возвратно-поступательное движение, они более просты и надежны в эксплуатации, чес поршневые. Основным недостатком турбодетандеров является увеличение частоты вращения вала при снятии с него тормозной нагрузки (выход из строя генератора, обрыв клиноременной передачи). С целью предотвращения этого явления, которое может привести к механическому повреждению компрессора, предусматриваются устройства для немедленного прекращения подачи газа. Признаками разноса детандеров являются резкое повышение частоты вращения и появление вибрации. Насосы в кислородном производстве применяют для забора жидкого кислорода из цистерн и подачи его в газификаторы для последующей газификации, для отбора жидкого кислорода из ректификационной колонны и подачи его в теплообменный аппарат, для перекачивания кислорода из одной колонны в другую. В теплообменном аппарате используется холод жидкого кислорода и осуществляется превращение его в газообразную фракцию высокого давления. Насосы для перекачивания жидкости из одной колонны в другую работают по центробежному принципу. Для них характерны высокая подача и малый напор. Насосы жидкого кислорода имеют высокое давление нагнетания до 20 МПа и малую подачу до 0,15 м3/ч. При перекачивании жидкостей из ректификационной колонны, где жидкость находится при температуре кипения, необходимо ее предварительно охлаждать с помощью газообразного азота, отбираемого из ректификационной колонны. В противном случае при попадании в насос жидкость будет испаряться, что отрицательно влияет на работу насоса. Низкая температура перекачиваемой жидкости обусловливает необходимость создания хорошей теплоизоляции, что достигается за счет пропускания газообразного азота через охлаждающую рубашку цилиндра. В насосах не должны применяться смазочные материалы, присутствовать трущиеся поверхности на органической основе, что может привести к возгоранию или взрыву. С целью уплотнения плунжера применяются графитовые сальники или лабиринтовые уплотнения. Для наполнения баллонов сжатым кислородом, для транспортировки сжатого кислорода по трубопроводам и подачи газообразного кислорода в реципиенты (емкости для покрытия пиковых нагрузок) применяются кислородные компрессоры. Они подразделяются на поршневые и турбокомпрессоры. Поршневые применяют для наполнения транспортных баллонов, так как давление в них достигает 15-17 МПа. В остальных случаях при конечном давлении до 2 МПа применяют как поршневые, так и турбокомпрессоры. Турбокомпрессоры имеют большую производительность, проще по конструкции и надежны в эксплуатации. Для смазки поршневых компрессоров в газообразный кислород на всасе подают воду или специальную эмульсию, либо применяют поршневые кольца из антифрикционных материалов. При подаче воды в качестве смазки уменьшается число ступеней сжатия, а температура кислорода в конце сжатия составляет 130оС. Давление во всасывающем патрубке компрессора должно быть выше атмосферного, чтобы предотвратить подсос воздуха из окружающей среды. Недостатком поршневых компрессоров с применением воды или эмульсии в качестве смазки является загрязнение кислорода, что исключается при применении турбокомпрессоров. В турбокомпрессорах подшипники вала смазываются маслом, а корпус компрессора охлаждается водой. Схемы кислородных установок Установки для получения газообразного кислорода можно разделить по производительности на установки малой производительности (до 250 м3/ч), средней производительности (250…3600 м3/ч), высокой производительности (более 3600 м3/ч). По составу получаемого продукта различают установки, в которых получают кислород концентрации 99,2-99,5% и концентрации 95-98%. В некоторых установках одновременно с кислородом или воздухом, обогащенным кислородом, получают азот высокой концентрации. Промышленные установки в зависимости от их назначения имеют разнообразные технологические схемы, однако, общий принцип их работы остается одинаковым. Основным элементом схем установок промышленного разделения воздуха является разделительная (ректификационная) колонна однократной или двукратной ректификации. Принципиальная схема колонны однократной ректификации Разделяемая смесь в виде жидкости, пара или смеси поступает в среднюю часть колонны. В нижней части колонны, где перед началом работы разделяемая смесь находится в виде жидкости, расположен трубчатый испаритель. За счет подвода теплоты в испаритель стекающая сверху по тарелкам жидкость испаряется. Пары жидкости поднимаются вверх по колонне и попадают в конденсатор, в котором осуществляется отвод теплоты. Образующаяся при конденсации жидкость стекает по тарелкам вниз, контактируя при этом с восходящим потоком паров. Таким образом, в колонне осуществляется непрерывное противоточное движение паров и жидкости. В испарителе в начале работы в первую очередь испаряется легкокипящая жидкость (сжиженный азот), а жидкость, остающаяся в испарителе, насыщается тяжелокипящим компонентом (сжиженный кислород). Температура кипения в испарителе при этом повышается и начинается испарение тяжелокипящей жидкости. В конденсаторе пары конденсируются, и конденсат стекает вниз по колонне, насыщаясь при этом тяжелокипящим кислородом. Температура конденсации паров снижается за счет обогащения их азотом. Таким образом, из верхней части может быть отобран либо газообразный азот, либо жидкий азот, а из нижней части газообразный или жидкий кислород. Колонна однократной ректификации позволяет получить чистый кислород, а также азот, разбавленный 7-10% кислорода. Расчет себестоимости получения кислорода Себестоимость получения кислорода зависит от затрат на производство кислорода и его транспортировку. Полная себестоимость кислорода складывается S=S1+S2+S3+S4+S5, где S1 – энергетические затраты, руб/м3; S2 – амортизационные отчисления, руб/м3; S3 –зарплата обслуживающего персонала с начислениями, руб/м3; S4 – цеховые затраты, руб/м3; S5 – общезаводские затраты, руб/м3; Энергетические затраты определяются , где D1, D2, D3 – удельные стоимости электроэнергии, руб/(кВт.ч), пара, руб/т, воды, руб/т; N – расход электроэнергии за рассчитываемый интервал времени, кВт.ч; Gп – расход пара за рассчитываемый интервал времени, т; Gв – расход воды за рассчитываемый интервал времени, м3; V – количество полученного кислорода за рассчитываемый интервал времени, м3. Амортизационные отчисления где Н1 – норма амортизации зданий и сооружений, %/год; Н2 – норма амортизации оборудования, %/год; К1 – капитальные затраты на здания и сооружения, руб; К1 – капитальные затраты на оборудование с учетом стоимости монтажа, руб; Зарплата обслуживающего персонала с начислениями , где З – фонд зарплаты с начислениями обслуживающего персонала за расчетный период. Цеховые затраты где ЗЦ – цеховые затраты, определяемые суммированием зарплаты обслуживающего персонала с начислениями, затрат на текущий ремонт зданий и оборудования, затрат на мероприятия по охране труда, руб. Общезаводские затраты S5 принимаются в размере 10% от суммы всех прочих затрат. При сравнении себестоимости получения кислорода на различных объектах необходимо учитывать соответствие тарифов на электроэнергию, пар и воду, а также параметров кислорода на выходе из установки. При различной конечной концентрации кислорода величину S1 необходимо умножить на коэффициент пересчета где е1, е2 – относительные эксэргии кислорода соответствующих концентраций, для кислорода с концентрацией 99% е=0,82, для кислорода с концентрацией 95% е=0,94. Техника безопасности в кислородном хозяйстве В среде кислорода все реакции окисления протекают намного интенсивнее. При соприкосновении кислорода с органическими соединениями при высоких давлениях и температурах может произойти взрыв. Плотность кислорода при нормальных условиях больше плотности воздуха, поэтому газообразный кислород при его утечке собирается внизу. При работе с газообразным кислородом необходимо соблюдать следующие требования: 1) все поверхности предметов, расположенных в близи мест наличия кислорода должны быть тщательно очищены от жиров и масла с помощью специальных растворителей. Растворители являются токсичными соединениями и также требуют специальных мер предосторожности. 2) при работе с открытым огнем (электросварка, газосварка) в местах возможного присутствия газообразного кислорода необходимо предварительно отобрать пробу окружающей атмосферы и провести анализ на содержание в ней кислорода. 3) при проведении внутренних ремонтных работ различных емкостей, а также трубопроводов с применением открытого огня или масел необходимо производить предварительную продувку системы азотом или воздухом. 4) в помещениях, где возможно присутствие кислорода, электропроводку необходимо монтировать во взрывобезопасном исполнении. 5) во время проведения ремонтных работ оборудования и кислородопроводов следует пользоваться инструментами, которые исключают возможность искрообразования. 6) после нахождения в местах наличия кислорода одежду, обтирочные и другие материалы необходимо проветрить, так как накопившийся в них кислород может привести к возгоранию при наличии открытого огня. Весьма эффективным является хранение кислорода в сжиженном состоянии, так как отпадает необходимость в сосудах высокого давления, а их объем примерно в 850 раз меньше, чем объем сосудов для хранения газообразного кислорода. Однако, с жидким кислородом необходимо обращаться особенно осторожно. Из-за подвода теплоты от окружающей среды происходит испарение кислорода и давление в емкости повышается. Для предупреждения разрыва емкости необходимо предусмотреть свободный выход газообразного кислорода или снабдить емкость предохранительным клапаном. Стандартные емкости рассчитаны на хранение 8, 30, 80 и более тонн жидкого кислорода. Хранилища кислорода могут быть подземными и надземными. Если их емкость менее 1000 тонн, то их можно располагать непосредственно у стен здания с внешней стороны. На случай аварии должен быть предусмотрен сток жидкости в специальные лотки, а затем в сборники. При попадании жидкого кислорода на кожу человека происходит обморожение тканей, что приводит к тяжелым повреждениям. Поэтому необходимо избегать соприкосновения с холодными частями кислородных установок. Шланги, по которым транспортируется жидкий кислород, следует продувать, чтобы предотвратить повышение в них давления от испарения кислорода. Снижение содержания кислорода в воздухе до 18% представляет опасность для человека, а снижение до 15-16% приводит к потере сознания. Следовательно, при выполнении ремонтных работ в среде, содержащей менее 18% кислорода необходимо пользоваться изолирующим противогазом, то есть применять автономные системы дыхания. На промышленных предприятиях необходимо учитывать утечки газов от других производств, которые при попадании в кислородные установки могут привести к взрыву. Для предотвращения этого явления применяют забор и анализ воздуха на значительном расстоянии от предприятия.