Science.tatsel.tu - Молекулярно-кинетическая теория  
  Испарение и
конденсация
Пленочное
кипение
Сверхтекучий
гелий
События и
мероприятия
Библиотека  


Испарение и конденсацияПленочное кипениеСверхтекучий гелийСобытия и мероприятияБиблиотека• История холода• Разделение газовых смесей БольцманиадаХейке Камерлинг-ОннесКриогениус


Бродянский В.М. От твердой воды до жидкого гелия (история холода)

Эволюция паровых холодильных машин

Второй научный комментарий. Прежде чем перейти к дальнейшему изложению истории паровых холодильных машин, полезно взглянуть на их эволюцию с общих позиций.

На рис. 3.11 показаны пять схем, характеризующих узловые точки движения по этому пути, занявшему почти целое столетие. Началось все, как известно, с испарения воды под вакуумом, создаваемым при откачке пара насосом; при этом вода превращалась в лед. Затем стало ясно, что лучше испарять легкокипящую жидкость (например, эфир); тогда для получения низкой температуры не нужен столь глубокий вакуум. Поэтому и насос, откачивающий пар, будет проще. Лед в этом случае может получаться в специальном металлическом сосуде без откачки его паров. Тепло от воды будет при этом передаваться через стенку сосуда, вокруг которой кипит охлаждающая жидкость.

Пять этапов развития парокомпрессионньпс холодильных установок
3.11. Пять этапов развития парокомпрессионньпс холодильных установок: а - испарение жидкости (воды) под вакуумом, создаваемым насосом, откачивающим пар в атмосферу. Жидкость охлаждается и может быть превращена в лед; б - то же, но лед образуется в специальном сосуде (при этом можно применять для испарения другую жидкость); е - то же, но более удобная конструкция; г - откачанный пар не выпускается в атмосферу, а конденсируется при теплообмене с холодной водой и через дроссель возвращается в испаритель (введено принципиальное изменение); д - то же, но холод используется не в испарителе для получения льда, а для поддержания низкой температуры в холодильной камере. В испарителе охлаждается рассол, прокачиваемый через холодильную камеру.


Затем исчез и колпак воздушного насоса; установка при. вяла уже полупроизводственный вид. В сосуде, образованном двумя сферическими поверхностями, кипит под вакуумом легкокипящая жидкость, а в верхней чаше получается лед, который легко удалить и использовать.

Однако и такой вариант не очень хорош. Ведь пары легкокипящей жидкости теряются при откачке и уходят в атмосферу. Появилась гениальная по простоте мысль: сконденсировать их и снова использовать. Для этого после насоса (теперь он превратился в компрессор - машину, которая не только отсасывает, но и нагнетает) устанавливается конденсатор. Эта теплообменный аппарат, к тому времени хорошо известный по существу, такой же конденсатор, как и в паровых машинах. Разница состояла только в том, что в них конденсатор устанавливается после цилиндра машины, в котором пар расширяется до низкого давления, а в холодильной установке, наоборот, после машины, в которой пар сжимается до высокого давления. Это обстоятельство показывает, что паровая холодильная машина - по существу, паровая машина "наоборот". Дальше возникает вопрос - как наилучшим образом вернуть полученную жидкость в испаритель, чтобы снова получить там холод при ее кипении. Ведь в конденсаторе повышенное давление pk созданное компрессором, а в испарителе низкое pи, созданное им же. Вот на основе этого и появился дроссельный клапан (или вентиль), в котором жидкость дросселируется, охлаждаясь; при этом ее давление снижается, и она поступает в испаритель. Процесс замкнулся: получился цикл. Он полностью соответствует по идее обратному циклу Карно (см. гл. 2). Все отличия связаны лишь с тем, что там работает газ, а здесь пар и жидкость. [ Поэтому, строго говоря, более правильно было бы говорить не "паровая компрессионная холодильная установка", а "парожидкостная...", но слишком длинно.]

Последнее усовершенствование связано с устранением необходимости получения льда. Вместо воды в испарителе охлаждают хладоноситель - жидкость, не замерзающую при низкой температуре (например, рассол). Эту жидкость насосом прокачивают через охлаждаемое помещение (камеру), которое может находиться и на значительном расстоянии от холодильной машины. Все дальнейшие усовершенствования ведутся и будут вестись на базе цикла (или циклов) и его обязательных элементов: компрессора, конденсатора, дросселя и испарителя.

Назначение каждого из них очевидно и не нуждается в комментариях. Следует только напомнить, что дроссель в пара жидкостном цикле играет ту же роль, что и детандер в газовом; он обеспечивает внутреннее охлаждение, т.е. необходимое понижение температуры рабочего тела без какого-либо постороннего отвода тепла. Этот эффект (как и в газовом цикле) обеспечивается за счет "срабатывания" разности давлений pк и ри, которые создает компрессор.

Какими же должны быть эти давления? Все зависит от двух факторов. Первый из них - это температуры в испарителе Ти и конденсаторе Тк. Значение Ти определяется температурой того объекта, который нужно охладить. Если, например, мясо нужно поддерживать при температуре -10°С (263K), то Ти должно быть на несколько градусов ниже, например -15°С (258K). Иначе ничего не получится - ведь то, чем охлаждают, должно быть обязательно холоднее, чем то, что охлаждают.

Аналогично в конденсаторе, где тепло отводится в окружающую среду, температура Тк должна быть несколько выше, чем в охлаждающей воде или воздухе. Что касается давлений рк и ри, то они при данных Тк и Ти зависят от природы того вещества, которое используется в качестве рабочего тела холодильной машины. Второй фактор связан с тем, что для каждого вещества существует зависимость температуры испарения (и соответственно конденсации) от давления.

На рис. 3,12 показана такая зависимость для четырех веществ: этилового эфира (С2Н5)2О, метилового эфира (СН3)2О, сернистого ангидрида (диоксид серы) SO2 и аммиака NН3.

Зависимость температуры перехода пара в жидкость и обратно
Рис. 3.12. Зависимость температуры перехода пара в жидкость и обратно от давления для четырех рабочих тел парокомпрессионных холодильных установок.


Из графика видно, что при использовании этилового эфира давление в конденсаторе при температурах Тк и Ти, приведенных выше, будет меньше атмосферного pо.с.

Это при малейших неплотностях может привести к подсосу воздуха в систему и нарушению ее работы (не говоря уже о возможности взрыва смеси эфира с воздухом). Поэтому одной из задач создателей холодильных машин было устранение этой опасности. Тут было два пути. Первый - замена используемого этилового эфира на такое рабочее тело, которое имело бы большее давление при тех же (или близких) температурных условиях (отсюда переход к (СН3)2O, SO2 или в дальнейшем к NH3). Второй - чисто конструктивный - обеспечение герметичности. При этом трудности были связаны, главным образом, с конструкцией уплотнений в подвижных элементах компрессора.

Не менее важной заботой конструкторов было регулирование машины. Удобнее всего это было делать, меняя размер сечения для прохода рабочего тела через дроссель, в зависимоcти от необходимых холодопроизводительности и температуры Ти. Наконец, часто возникали ситуации, когда нужно было обеспечить охлаждение одного или нескольких помещений или объектов, находящихся на значительном расстоянии от холодильной машины. Тащить туда испаритель вместе с хладагентом было, естественно, нежелательно. Поэтому была придумана схема с циркуляцией хладоносителя (например, рассола), не замерзавшего при низкой температуре. Рассол охлаждался в испарителе, а затем циркулировал между установкой и потребителями (см. рис. 3.11).

Решением всех этих задач и занимались создатели новых холодильных машин.


Следующая страница: Решение технических задач в создании холодильных машин


    • Главная   • Библиотека   • История холода   • Эволюция паровых холодильных машин  

  Испарение и конденсация Пленочное кипение Сверхтекучий гелий События и мероприятия
Библиотека Больцманиада Камерлинг-Оннес Криогениус
 
  © Science.Tatsel.ru 2006-2017.
Молекулярно-кинетическая теория. Научные публикации.
Испарение и конденсация. Плёночное кипение. Сверхтекучий гелий.
о проекте
условия использования
контакты
карта сайта