Льдосоляное охлаждение позволяет получить более низкие температуры по сравнению с охлаждением чистым льдом. Этот способ основан на использовании льда в смеси с солями. При этом одновременно и параллельно происходят процессы растворения соли с образованием рассола и плавления льда с образованием воды и дальнейшим растворением соли. На плавление льда и растворение соли затрачивается теплота смеси, вследствие чего температура ее понижается.
Наиболее низкая температура смеси достигается в криогидратной точке, в которой находятся в термодинамическом равновесии все три фазы: рассол (раствор), соль и лед.
Криогидратной точке соответствует эвтектическая концентрация соли. Такая смесь называется эвтектиком. При льдосоляном охлаждении чаще всего используют смесь дробленого льда и хлорида натрия. Криогидратной точке такой смеси соответствует температура −21,2°С при концентрации соли в растворе 23,1%. При использовании хлорида кальция с содержанием соли в растворе 29,9% можно получить температуру плавления −55°С.
Льдосоляной смесью можно охлаждать путем непосредственного контакта и используя в качестве промежуточного теплоносителя воздух, как это принято и при охлаждении водным льдом. Кроме того, применяют способ охлаждения рассолом, образующимся при таянии смеси и циркулирующим через охлаждающую батарею.
В установке рассольного охлаждения с насосной циркуляцией лед периодически загружают в генератор холода. Сверху лед орошается рассолом, прошедшим охлаждающую батарею, где его температура повышается на 2-3°С. В нижнюю часть генератора холода стекает охлажденный рассол с более низкой из-за таяния льда концентрацией соли. Для поддержания концентрации рассола часть теплого рассола после охлаждающей батареи подается в бачок с солью — концентратор, из которого более насыщенный рассол перетекает в генератор холода. Концентратор периодически пополняют солью.
В нижней части генератора холода расположен вентиль, через который удаляется использованный (теплый) раствор перед новой загрузкой установки льдом и солью. Разность температур рассола в охлаждающей батарее и воздуха в охлаждаемом объеме составляет 6-8°С. Существуют и установки без насоса, где циркуляция возникает самопроизвольно из-за разности объемных масс рассола, которая является следствием изменения его концентрации при таянии льда.
Наиболее простым способом охлаждения является охлаждение водным льдом. Используют как естественный лед, получаемый при низких температурах окружающего воздуха, так и искусственный водный лед, изготовляемый с помощью холодильных машин. Достоинствами устройств для ледяного охлаждения являются: простота конструкции, низкая стоимость и отсутствие затрат на электроэнергию.
При температуре таяния льда 0°С температура воздуха в охлаждаемых устройствах поддерживается обычно около 6°С. Такая температура достаточна для охлаждения и кратковременного хранения пива, вод, соков и прочих напитков, хранения некоторых овощей и зелени.
Ледяное охлаждение осуществляется тремя способами: непосредственным охлаждением, с использованием воды в качестве промежуточного теплоносителя и с использованием воздуха в качестве промежуточного теплоносителя. При непосредственном охлаждении водным льдом охлаждаемый объект находится с ним в прямом контакте. Используют обычно дробленый мелкокусковой лед, который помещают вокруг охлаждаемого объекта, можно также пересыпать объект льдом (при хранении некоторых овощей и зелени). При охлаждении с использованием воды в качестве промежуточного теплоносителя лед служит для получения ледяной воды, которая подается в теплообменник для охлаждения ею объекта. Вода, циркулируя от охлаждаемого объекта ко льду и обратно, может контактировать непосредственно со льдом или через стенки теплообменника змеевикового либо пластинчатого типа. Последний способ охлаждения применяют в молочной промышленности.
Охлаждение с использованием в качестве промежуточного теплоносителя воздуха может осуществляться с естественным и механическим перемещением воздуха. Теплота от охлаждаемого объекта отводится воздухом, который передает ее при контакте со льдом. При естественной циркуляции воздуха лед может располагаться в емкостях-карманах, имеющих щели или гофрированные ограждения для увеличения поверхности теплообмена.
В случае принудительной циркуляции воздуха, создаваемой вентилятором, воздух прогоняется через слой дробленого льда, что увеличивает коэффициент теплоотдачи по сравнению с естественной циркуляцией. Этот способ используют, когда при высокой относительной влажности воздуха (95%) необходимо получить температуру от 5°С и выше. Заготавливают естественный лед из водоемов, где он намерзает в зимний период, а также путем послойного намораживания его на горизонтальных площадках во время морозов, используя для этого специальные установки с форсунками для мелкокапельного разбрызгивания воды.
Искусственный водный лед получают с помощью льдогенераторов. В льдогенераторе трубчатого типа лед образуется внутри труб вертикального кожухотрубного испарителя, в межтрубном пространстве которого кипит жидкий аммиак. Вода поступает в трубы испарителя сверху через водораспределительное устройство, в которое она подается насосом из бака, смонтированного под кожухом аппарата. В отверстия труб вставляют насадки, благодаря которым вода, поступающая в трубы, закручивается и пленкой стекает по их внутренней поверхности, частично замерзая. Незамерзшая вода собирается в бак, откуда опять подается в водораспределительное устройство. Благодаря непрерывной циркуляции из воды удаляется воздух, поэтому лед получается прозрачным. Когда стенки ледяных цилиндриков достигают толщины 4-5 мм, намораживание прекращают, насос останавливают, испаритель отключают от всасывающей стороны машины и соединяют с ее нагнетательной стороной, в результате чего в испаритель поступают горячие пары аммиака при давлении конденсации. Эти пары вытесняют из испарителя жидкий аммиак в ресивер (сборник аммиака), прогревают стенки труб, намороженный лед отделяется от стенок и под действием силы тяжести сползает вниз. При выходе из труб ледяные цилиндрики попадают под вращающийся нож, который разрезает их на части определенной высоты. Готовый лед падает в бункер и дальше по льдоскату выводится из льдогенератора. Существуют также льдогенераторы блочного, чешуйчатого и снежного льда. Лед в них намерзает в формочках, на поверхности барабанов или в полости, за стенками которых кипит аммиак.
Вспомогательное оборудование холодильных машин и установок
Вспомогательное оборудование холодильных машин и установок
К вспомогательному оборудованию относятся отделители жидкости, маслоотделители, промежуточные сосуды и ресиверы. Они обеспечивают стабильность и безопасность работы холодильных установок. Отделители жидкости предназначены для улавливания капель жидкости, которые содержатся в парожидкостной смеси холодильного агента, поступающего из испарителей. Тем самым они защищают компрессор от опасного режима работы при попадании в цилиндр жидкости вместе с паром холодильного агента, обеспечивают сухой ход компрессора, приближая тем самым режим холодильной машины к расчетному. Капли жидкости осаждаются в этих аппаратах вследствие резкого уменьшения скорости и изменения направления движения потока парожидкостной смеси на 90°, 180°.
Отделители жидкости устанавливают только на панельных испарителях и в некоторых системах охлаждения фруктохранилищ. При использовании охлаждающих систем с принудительной циркуляцией холодильного агента жидкость отделяется в циркуляционном ресивере.
Маслоотделители предназначены для отделения масла, уносимого холодильным агентом из компрессора. Масло увлекается агентом, как в виде капель, так и в парообразном состоянии. Уменьшение масляной пленки приводит к повышению эффективности теплообменных аппаратов.
Маслоотделители подразделяются на промывные и инерционные.
В промывных маслоотделителях пар проходит через слой жидкого холодильного агента. При этом он охлаждается в результате испарения части жидкости и освобождается от масла. Степень отделения от масла составляет 85-90%.
В инерционных маслоотделителях происходит инерционное отделение масляных капель в результате резкого изменения скорости и направления потока, а также действия центробежной силы. Степень отделения масла в таких маслоотделителях доходит до 80%. Маслоотделитель представляет собой сварной вертикальный сосуд, заполненный до определенного уровня жидким аммиаком, через который проходят пары аммиака. Очистившись от масла, пары аммиака выводятся из сосуда. Обозначения промывных отделителей: 50 ОММ-300 ОММ (О — отделитель, М — масло, М — модернизированный, цифры перед буквами означают диаметр условного прохода входного и выходного патрубков).
Промежуточные сосуды используют в аммиачных холодильных установках двухступенчатого сжатия для полного промежуточного охлаждения паров холодильного агента, поступающего из компрессора ступени низкого давления, и для переохлаждения жидкого аммиака в змеевике аппарата перед регулирующим вентилем. Охлаждение паров хладагента осуществляется путем барботирования их через слой жидкого аммиака. Промежуточный сосуд типа ПСз (П — промежуточный, С — сосуд, з — змеевиковый). Он представляет собой вертикальный сосуд со встроенной теплопередающей поверхностью, выполненной в виде змеевика, который укреплен на днище сосуда. Сосуд заполняется жидким аммиаком так, чтобы змеевик был полностью погружен в него. Промежуточный сосуд отделяет также масло после ступени низкого давления. Для периодического слива масла в промежуточном сосуде предусмотрен трубопровод с вентилем.
Ресиверы представляют собой герметичные цилиндрические сосуды, которые служат емкостью для жидкого холодильного агента. Различают линейные, дренажные, циркуляционные и защитные ресиверы. По конструкции они бывают вертикальные и горизонтальные.
Линейные ресиверы предназначены для компенсации различия в заполнении испарительного оборудования жидкостью при изменении тепловой нагрузки. Они освобождают конденсатор от жидкости и создают равномерный поток жидкого агента к регулирующему вентилю. Линейный ресивер устанавливают между конденсатором и регулирующим вентилем. Постоянно поддерживаемый уровень жидкого холодильного агента является гидравлическим затвором, который препятствует перетеканию пара высокого давления в испаритель. Линейный ресивер является хорошим сборником воздуха и масла.
Дренажные ресиверы служат для слива жидкого холодильного агента из аппаратов и трубопроводов холодильной установки при эксплуатации и ремонте. Циркуляционные ресиверы используют в насосно-циркуляционных схемах питания испарительных систем жидким холодильным агентом. Они являются резервуаром, постоянно содержащим жидкий холодильный агент в количестве, обеспечивающем непрерывную работу циркуляционного насоса, подающего жидкость в испарители. Ресиверы устанавливают на стороне низкого давления ниже отметки, на которой размещается все оборудование испарительной системы. Это обеспечивает свободный слив жидкости из испарителей и отделителей жидкости.
Защитные ресиверы вместе с отделителем жидкости, который устанавливают на всасывающем трубопроводе между испарителями и компрессором, служат для защиты компрессоров от гидравлических ударов. Применяют их в безнасосных системах питания испарителей жидким холодильным агентом. Горизонтальные ресиверы типа РД (Р — ресивер, Д — дренажный). Ресиверы РД используют как линейные, дренажные, циркуляционные и защитные. Ресиверы РДВ (В — вертикальный) — как циркуляционные и защитные.
Насосы холодильных установок предназначены для циркуляции охлаждающей воды в оборотных системах водоснабжения, промежуточного хладоносителя (рассол или ледяная вода), а также жидкого аммиака в насосно-циркуляционных системах. Для жидкого аммиака применяют специальные аммиачные бессальниковые насосы. Переохладители в аммиачных машинах не всегда обязательны. В виде отдельного аппарата их применяют только на больших холодильных установках и особенно на тех, которые снабжены оросительными конденсаторами.
Теплообменники для хладоновых машин всегда необходимы. Они нужны не только для переохлаждения жидкого холодильного агента, но и для перегрева парообразного хладона, поступающего из испарителя в компрессор.
Теплообменник представляет собой стальной сварной кожух в виде отрезка трубы с приваренными к ее торцам сферическими донышками. Внутри трубы (кожуха) помещен змеевик из медной трубки. Концы змеевика выведены из кожуха через отверстия в донышках. Жидкий хладон проходит через теплообменник внутри змеевика, а парообразный — в кожухе, омывая наружную поверхность змеевика. Движение жидкости и пара осуществляется противотоком.
В малых холодильных машинах, применяемых для бытовых холодильников, функцию теплообменника выполняют спаянные между собой на некотором участке трубки: капиллярная, по которой жидкий хладон направляется к испарителю, и отсасывающая, по которой проходит в противоположном направлении холодильный пар из испарителя к компрессору.
Взаимодействие холодильных агентов со смазочными маслами.
Взаимодействие холодильных агентов со смазочными маслами
Холодильные агенты и смазочные минеральные масла обладают взаимной растворимостью, зависящей от физических свойств холодильного агента, температуры и давления. При работе холодильной машины образуется смесь холодильного агента и смазочного минерального масла. Такая смесь выполняет одновременно функции и рабочего вещества и смазывающей жидкости. По степени растворимости холодильные агенты разделяются на две основные группы — с неограниченной и ограниченной растворимостью. Неограниченно растворяется в минеральном масле фреон-12. Некоторое ограничение растворимости имеет фреон-22 в области низких температур, где смесь разделяется на два слоя. В зоне низких температур на поверхности жидкости и стенках аппарата образуется более вязкий слой, который затрудняет теплообмен с кипящей жидкостью и выход паров из жидкости.
Во фреоновых холодильных машинах количество циркулирующего масла составляет 10—15% от количества циркулирующего фреона. При лучшем отделении масла от всасываемого пара в компрессоре количество его в циркулирующем фреоне, уменьшается. Аммиак в минеральном масле растворяется незначительно. Например, при температуре от 0 до 40° С и давлении (1—3)- 105Па растворимость его 0,25—0,80%. Взаимная растворимость холодильного агента с маслом отрицательно влияет на работу холодильной машины по следующим причинам:
снижается холодопроизводительность во фреоновых холодильных машинах;
ухудшается смазка трущихся деталей компрессора вследствие уменьшения вязкости масла;
снижается интенсивность теплоотдачи в конденсаторе и испарителе, кроме того, в аммиачных низкотемпературных машинах масло может оседать на теплопередающей поверхности испарителя и застывать;
на стороне низкого давления из масла могут выпадать парафины.
Взаимодействие холодильных агентов с водой. Свободная вода, циркулируя с холодильным агентом, вызывает коррозию металла. Во фреоновых холодильных машинах вода может замерзнуть в дроссельном отверстии терморегулирующего вентиля или капиллярной трубке и явиться причиной неисправности в работе или остановки машины. Разные холодильные агенты взаимодействуют с водой неодинаково. Фреон-12 в воде практически не растворяется.
Растворимость воды в жидком фреоне-12 составляет 0,00.1% при —70°С и 0,006% при 0°С. По техническим условиям во фреоне-12 общего назначения допускается содержание воды не более 0,0025%. В сухом фреоне-12, предназначенном для использования в машинах бытовых холодильников и приборах автоматики, допускается не более 0,0006% воды. Растворимость воды во фреоне-22 выше, чем во фреоне-12. Например, при температуре —20°С растворимость его составляет 0,24% и при 0° С —0,48%.
По техническим условиям в жидком фреоне-22 допускается содержание растворенной воды не более 0,0025%. Аммиак растворяется в воде интенсивно, в больших пропорциях, образуя водо-аммиачный раствор. Это свойство аммиака используется для удаления его остатков из аппаратов или коммуникаций через воду. В целях предотвращения коррозии металлов содержание воды в жидком аммиаке не должно превышать 0,2%.
В ряду многих видов хладоносителей, применяемых сегодня в промышленности, Экосол занимает особое место не только потому, что этот антифриз входит в группу слаботоксичных веществ наряду с водными растворами пропиленгликоля, но главным образом практически полным отсутствием коррозионного воздействия на чёрные и цветные металлы и их сплавы. Это качество становится особенно важным в связи с применением в холодильной технике эффективных по теплообмену пластинчато-ребристых теплообменников, выполняемых из тонколистового алюминия методом пайки.
Помимо отсутствия коррозионного действия на применяемые конструкционные материалы, экосолы показали высокие эксплуатационные качества, в частности, длительный срок службы сальниковые устройств центробежных насосов. Последнее объяснимо, поскольку Экосол имеет смазывающие свойства и он не является солевым веществом. В известных публикациях по свойствам Экосола [1, 2, 3] подробно описаны базовые марки антифриза «40» и «60» (цифра обозначает температурный предел, при котором антифриз сохраняется в жидкой фазе). Было отмечено, что предпочтительный температурный диапазон использования таких марок Экосола в холодильных установках лежит выше −20°С из-за резкого увеличения вязкости с понижением температуры.
Гораздо меньше сведений в литературе по Экосолам марок «20» и «30». Исследования вязкостных свойств слабоконцентрированных Экосолов показали возможность их использования не только в системах кондиционирования воздуха, но и в среднетемпературных холодильных установках. Как и для базовых марок, Экосолы «20» и «30» изготовлены на основе раствора этилкарбитола в воде с добавлением целого ряда присадок, обеспечивающих противокоррозионные свойства и стабильность раствора.
На рис.1 даны показатели вязкостных свойств Экосолов «20» и «30» в зависимости от температуры. Для сопоставления на рисунке нанесены аналогичные показатели для ряда известных хладоносителей: водного раствора хлорида кальция, пропиленгликоля.
Как следует из рисунка, вязкость слабоконцентрированного Экосола 20 сопоставима в соответствующем температурном диапазоне с вязкостью водного раствора хлорида кальция. Существенным здесь является то обстоятельство, что по условиям коррозии хлорид кальция не может быть применен в пластинчато-ребристых теплообменниках, выполненных из тонкого листа из алюминиевого сплава. Для более низкого диапазона температур сравнение вязкостей Экосола 30 и пропиленгликоля с температурой замерзания t3 = −23°С показывает на более высокую вязкость последнего в среднем на 15÷20%.
Хорошую совместимость всего ряда экосолов с алюминием и его сплавами доказали испытания, проведённые в лаборатории ЗАО «Химсинтез» г. Красноармейска. В то же время, в литературных источниках есть прямые указания на совместимость аммиака с алюминием и его сплавами [4]. Поэтому имеется возможность создания установок кондиционирования воздуха и холодильных машин с пластинчато-ребристыми теплообменниками и использованием аммиака в качестве хладагента с заправкой 0,15…0,20 кг аммиака на 1 кВт холодильной мощности. Такие установки имеют высокую степень безопасности и могут эксплуатироваться в современных торговых центрах, гостиницах, на промышленных объектах.
Рис. 1. Динамическая вязкость μ различных хладоносителей в зависимости от температуры
Теплоёмкость экосолов в зависимости от температуры
Температура, °С
Теплоемкость, кДж/(кг·°С)
Экосол 60
Экосол 40
Экосол 20
+20
3,60
3,70
4,03
-10
3,51
3,58
3,94
-20
3,45
3,53
3,85
Отметим в заключение, что теплофизические свойства рассматриваемых марок экосолов «20» и «30» имеют лучшие показатели по сравнению с марками «40» и «60». Так, слабоконцентрированные растворы карбитола содержат больше воды. В среднем по расчётным оценкам теплоёмкость экосолов «20» и «30» на 12÷15% выше по сравнению с Экосолом 40.
Список литературы.
1. Маринюк Б. Т., Баранник В. П. Экологически безопасные хладоносители. Особенности применения, свойства // Холодильная техника. 2004. № 3. С. 12-13. 2. Баранник В. П., Маринюк Б. Т. Хладоносители нового поколения // Холодильная техника. 2003. № 1.С. 14-15. 3. Маринюк Б. Т. Вакуумно-испарительные холодильные установки, теплообменники и газификаторы техники низких температур. М.: Энергоатомиздат, 2003. 4. Богданов С. Н., Иванов О. П., Куприянова А. В. Холодильная техника. Свойства веществ. Справочник. Л.: Машиностроение, 1976.
Льдосоляное охлаждение позволяет получить более низкие температуры по сравнению с охлаждением чистым льдом. Этот способ основан на использовании льда в смеси с солями. При этом одновременно и параллельно происходят процессы растворения соли с образованием рассола и плавления льда с образованием воды и дальнейшим растворением соли. На плавление льда и растворение соли затрачивается 
Наиболее простым способом охлаждения является охлаждение водным льдом. Используют как естественный лед, получаемый при низких температурах окружающего воздуха, так и искусственный водный лед, изготовляемый с помощью холодильных машин. Достоинствами устройств для ледяного охлаждения являются: простота конструкции, низкая стоимость и отсутствие затрат на электроэнергию.
Холодильные агенты и смазочные минеральные масла обладают взаимной растворимостью, зависящей от физических свойств холодильного агента, температуры и давления. При работе холодильной машины образуется смесь холодильного агента и смазочного минерального масла. Такая смесь выполняет одновременно функции и рабочего вещества и смазывающей жидкости. По степени растворимости холодильные агенты разделяются на две основные группы — с неограниченной и ограниченной растворимостью. Неограниченно растворяется в минеральном масле фреон-12. Некоторое ограничение растворимости имеет фреон-22 в области низких температур, где смесь разделяется на два слоя. В зоне низких температур на поверхности жидкости и стенках аппарата образуется более вязкий слой, который затрудняет теплообмен с кипящей жидкостью и выход паров из жидкости. 