Теоретические положения по вопросам, рассматриваемым в работе

Для охлаждения и хранения скоропортящихся пищевых продуктов при низких температурах используются методы, базирующиеся на различных физических процессах – плавлении, сублимации, испарении (кипении) легкокипящих веществ, а также вихревом и термоэлектрическом эффектах. В соответствии со вторым законом термодинамики перенос теплоты от холодного тела к более горячему может осуществляться путем организации обратного термодинамического цикла. Наиболее энергетически совершенным циклом в заданном интервале температур является обратный обратимый (идеальный) цикл Карно. Этот цикл может быть осуществлён в двухфазной области состояния реального газа^*) с учетом особенностей осуществления фазовых переходов: жидкость–пар и пар–жидкость. Теоретический цикл и принципиальная схема такой холодильной установки приведены на рис.1. Рефрижерация — это процесс снижения и поддержания температуры воздуха в помещении (трюме) ниже температуры окружающей среды. Для снижения температуры в грузовых трюмах и в провизионных кладовых при рефрижерации применяют систему охлаждения, работа которой обеспечивается холодильной машиной.

*) В качестве рабочих тел парокомпрессорных холодильных установок используются, так называемые, легкокипящие вещества: вещества нормальная температура кипения которых ниже 0^◦С. Такие вещества в холодильной технике называются холодильными агентами или хладагентами

При рефрижерации внутренняя энергия охлаждаемого груза и теплота, проникающая в охлаждаемое помещение, передаются рабочему телу холодильной установки (хладагенту), имеющему температуру ниже температуры воздуха в помещении. В результате этого хладагент кипит. Образующиеся пары всасываются и сжимаются компрессором с целью повышения их температуры выше температуры окружающей среды (забортной воды). При тепловом взаимодействии сжатых паров хладагента с окружающей средой происходит их охлаждение и конденсация, сопровождающиеся отдачей теплоты окружающей среде. Отдаваемая теплота равна сумме теплоты, отбираемой от охлаждаемого груза, и теплоты, эквивалентной работе, затрачиваемой на сжатие пара в компрессоре.

Рис. 1. Принципиальная схема парокомпрессорной холодильной установки

Испаритель; 2 - термочувствительный баллон; 3 - компрессор; 4 - маслоотделитель; 5 - конденсатор; 6 - осушитель; 7 - трубопровод для отвода масла из маслоотделителя в картер компрессора; 8 - регулирующий вентиль (соленоидный вентиль); 9 - терморегулирующий вентиль.

Другими словами, в простейших холодильных установках передача теплоты, отбираемой от охлаждаемых объектов, осуществляется дважды: сначала в испарителе, где холодильный агент, имеющий температуру ниже охлаждаемой среды, отбирает теплоту (внутреннюю энергию) от неё, а затем в конденсаторе, где холодильный агент отдаёт теплоту окружающей среде, охлаждаясь и конденсируясь. В наиболее распространенных схемах морских рефрижераторных установок (рис. 1) используется парокомпрессорный холодильный цикл. В компрессоре в результате сжатия пара хладагента повышаются его давление и температура. Сжатый горячий пар нагнетается в конденсатор, где в зависимости от условий применения установки, охлаждается воздухом или водой. Этот процесс осуществляется при постоянном давлении до полной конденсации пара. Жидкий холодильный агент, собирающийся в нижней части конденсатора либо в специальном линейном ресивере, под действием разности давлений Δр = р_к – р_и направляется по трубопроводу к регулирующим вентилям (секущему, соленоидному и терморегулирующему), которые регулируют подачу жидкого хладагента в испаритель и понижают его температуру. Воздух из охлаждаемого помещения либо наружный воздух, либо их смесь продувается через испаритель (воздухоохладитель), отдаёт теплоту, охлаждается. За счет этой теплоты происходит кипение хладагента. Подача хладагента в испаритель должна быть отрегулирована так, чтобы весь жидкий хладагент, поступающий в испаритель, выкипал полностью, а образовавшийся пар слегка перегревался перед тем, как он снова поступит при низком давлении в компрессор для последующего сжатия.

Таким образом, теплота, передаваемая от воздуха помещения к хладагенту в испарителе, переносится хладагентом по системе до тех пор, пока не достигнет конденсатора, где она передаётся наружному воздуху или воде. В установках, в которых применяется конденсаторы с воздушным охлаждением, например, в провизионных холодильных установках, для интенсификации теплопередачи, часто применяется обдув трубок конденсатора воздухом. Конденсаторы с водяным охлаждением прокачиваются пресной или забортной водой. Пресная вода применяется в тех случаях, когда в машинном отделении СЭУ имеются и другие механизмы, и теплообменные аппараты, охлаждаемые пресной водой. При этом пресная вода охлаждается забортной водой в центральном охладителе. Однако из-за более высокой температуры пресной воды, поступающей при этом в конденсатор, давление конденсации пара хладагента будет в этом случае несколько выше, чем при охлаждении конденсатора непосредственно забортной водой. Это значит, что работа, потребляемая компрессором, будет больше, а холодильный коэффициент меньше.

Рис.2. Термодинамический цикл простейшей холодильной установки

На судах в основном используются парокомпрессорные холодильные установки, теоретический цикл которых состоит из следующих термодинамических процессов:

— обратимого адиабатного процесса сжатия пара, образующегося в испарителе, компрессором до давления конденсации р_к, величина которого зависит от температуры окружающей среды (забортной воды): р_к=f(t_к), а t_к=t_з/в+(5...8)⁰С (рис.2, процесс 1-2);

— изобарного процесса отвода теплоты в окружающую среду; при этом различают охлаждение пара (снятие перегрева) – процесс 2-3 и его конденсацию при р_к = idem (процесс 3-4);

— необратимого процесса дросселирования хладагента (перетекание хладагента через большое местное сопротивление без выполнения внешней работы) от давления конденсации р_к до давления испарения (кипения) р_и; величина последнего зависит от температуры испарения t_и. Температура испарения t_и хладагента зависит от температуры, которую необходимо поддерживать в охлаждаемом помещении (t_тр) и принятой системы охлаждения (СОХ): t_и=f(t_тр, СОХ).

Обычно различают и используют в зависимости от того, чем руководствуются при проектировании холодильной установки, четыре системы охлаждения:

– непосредственная система охлаждения (НСО) — t_и = t_тр – (8...10)⁰С

(хладагент подаётся непосредственно в приборы охлаждения);

– система охлаждения хладоносителем (рассолом) (СОР) — (в приборы охлаждения подаётся рассол, охлаждаемый в испарителе): t_и=t_тр– (10...12)⁰С;

– воздушно-непосредственная система охлаждения (ВНСО) (в воздухоохладитель, устанавливаемый возле охлаждаемого помещения (в выгородке), подаётся хладагент, кипящий в трубках и тем самым охлаждающий воздух, продуваемый вентилятором между трубками) — t_и = t_тр – (12...14)⁰С

– воздушно-рассольная (комбинированная) система охлаждения (ВРСО) (в воздухоохладитель подаётся рассол, охлаждаемый в испарителе) — t_и = t_тр – (14...16)⁰С

— наконец, замыкает теоретический холодильный цикл изобарный процесс кипения хладагента в испарителе (процесс 5-1).

Теплота, необходимая для испарения хладагента, отбирается из замкнутого (изолированного) помещения и от груза, находящегося в этом помещении. Для осуществления перечисленных процессов, а также обеспечения работоспособности и эффективности холодильной установки в её состав входят следующие основные механизмы и устройства:

– компрессоры

– конденсаторы

– дроссельные устройства

– испарители (воздухоохладители)

– вспомогательные элементы: ресиверы, фильтры, осушители, клапаны (секущие, терморегулирующие, соленоидные), охладители и отделители пара, жидкости и масла, термостаты, прессостаты.