Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Модуль № 4
Теплообменные процессы
Лекция № 22
Охлаждение и замораживание
Литература:
План лекции:
Контрольные вопросы:
ВОПРОС 1. Охлаждение до низких положительных температур.
Охлаждение — процесс понижения температуры материалов путем отвода от них теплоты.
Для охлаждения газов, паров и жидкостей до 15...20 °С в пище вой технологии используют воду и воздух. Для охлаждения про дуктов до низких температур используют низкотемпературные хладагенты — холодильные рассолы, хладоны (фреоны), аммиак, диоксид углерода и др.
В этом разделе рассмотрим охлаждение до обыкновенных тем ператур.
Охлаждение водой осуществляют в теплообменниках, в которых теплоносители разделены стенкой либо обмениваются теплотой при смешивании. Например, газы охлаждают разбрызгиванием в них воды.
Для охлаждения применяют обычную воду температурой 15...25 °С либо артезианскую температурой 8... 12 °С. С целью эко номии свежей воды часто для охлаждения используют оборотную воду, охлажденную путем ее испарения в градирнях. Температура оборотной воды летом достигает 30 °С.
Массовый расход воды на охлаждение W (кг/ч) определяют из теплового баланса
(1)
откуда
(2)
Охлаждение льдом применяют для понижения температуры не которых продуктов, например мороженого, до температуры, близ кой к нулю. Лед, отдавая теплоту, нагревается до О °С и плавится, отнимая теплоту от охлаждаемого продукта. Для определения про должительности охлаждения используют экспериментальные дан ные.
При непосредственном охлаждении (например, жидкости льдом) со льдом вносится холод
(3)
(4)
Примем конечную температуру охлаждаемой жидкости и воды, образовавшейся при таянии льда, tк. Тогда тепловой баланс можно записать так:
(5)
где св – удельная теплоемкость воды, кДж / (кг К)
Отсюда расход льда
(6)
Искусственное охлаждение воздухом применяют для охлажде ния воды в градирнях, в которых охлаждаемая вода стекает сверху вниз навстречу подаваемому снизу воздуху. При этом охлаждение происходит не только благодаря теплообмену, но в значительной степени в результате испарения части жидкости.
ВОПРОС 2. Процессы охлаждения до отрицательных температур.
Для охлаждения и замораживания пищевых продуктов при температурах от +3 до —18 °С используют холодильники и моро зильники, в которых процесс осуществляется холодильными ма шинами.
Для получения холода в холодильных машинах применяют об ратный круговой термодинамический цикл, состоящий из про цессов сжатия газа, конденсации и испарения.
Согласно второму закону термодинамики охлаждение до тем ператур ниже температуры окружающей среды, которое связано с переносом теплоты с низшего температурного уровня на высший, возможно только при затрате энергии. Такой перенос теплоты осуществляется по обратному циклу Карно.
Энергетический баланс прямого цикла Карно выражается урав нением
(7)
согласно которому при переходе теплоты с более высокого темпе ратурного уровня Т на более низкий Т0 совершается работа L и на низком температурном уровне сохраняется теплота Q0.
Рис.1. Обратный цикл Карно
Рассмотрим обратный цикл Карно (рис.1). Газообразное рабочее тело температурой Т0 адиабатически сжимается с затратой работы, нагреваясь при этом до температуры Т. Этот процесс изображается вертикальной лини ей 1—2. После сжатия газ изотер мически конденсируется при тем пературе Т (линия 2—3), отдавая теплоту Q, а затем образовавшаяся жидкость адиабатически расширя ется. При расширении жидкость охлаждается до температуры То (линия 3—4), производя при этом полезную работу, после чего испа ряется при температуре Т0 (линия 4—1) при пониженном давлении, отнимая теплоту Q0 от ох лаждаемого объекта.
Полезная работа газа согласно уравнению (10):
Количества теплоты Q и Q0 можно выразить через энтропии рабочего тела до и после конденсации s1 и s2 согласно рис. 1, т.е. :
(8)
(9)
Холодильный коэффициент
(10)
Показывает, какое количество теплоты Q0 можно перенести с низшего температурного уровня Т0 на высший т за счет единицы затраченной работы L. Теплота Q0 называется холодопроизводительностью холодильной машины.
На рис. 2 приведены диаграммы состояния газа в коор динатах T—s. Линии жидкости и пара сходятся в точке Ткр, кото рая является критической температурой. В области b—ТКР—а, ле жащей левее кривой, находится жидкость. Область b— Ткр—а, ле жащая под кривой, является областью сосуществования пара и жидкости, а область b— Ткр—а выше и правее кривой соответствует состоянию газа или перегретого пара.
Одним из основных процессов для охлаждения продуктов до низких температур является дросселирование, которое заключается в снижении давления и температуры газа при прохождении его через суженное отверстие — дроссель. При расширении газов до более низкого давления после дросселя без совершения внешней работы и без теплообмена с внешней средой внутренняя энергия расходуется на преодоление внутреннего трения между молекула ми, что и приводит к понижению температуры газа.
Снижение температуры газа приблизительно пропорционально перепаду давления до дросселя и после него (рис. 3).
При дросселировании газа энтальпия остается постоянной, по этому процесс называют охлаждением при изоэнтальпическом расширении газа.
Рис.2. Т-s-диаграмма для воздуха
Различают дифференциальный и интегральный дроссельные эффекты (эффект Джоуля-Томсона)
Интегральный дроссельный эффект соответствует изменению давления газа от р1 до р2 и выражается уравнением
Рис.3. Схема дроссельного устройства
(11)
или
Для реальных газов дроссельный эффект может быть положитель ным—охлаждение газа, отрицательным — нагревание газа и рав няться нулю. Для идеальных газов дроссельный эффект равен нулю.
Охлаждение при адиабатическом расширении газа происходит с совершением внешней работы.
Температура газа после расширения
Требования, предъявляемые к хладагентам. К хладагентам предъяв ляют следующие требования: экологические — негорючесть, неток сичность, озонобезопасность; термодинамические — высокая холодо-производительность, низкая температура кипения при атмосферном давлении, невысокое давление конденсации, высокий коэффициент теплопроводности, низкие плотность и вязкость, взаимозаменяе мость; эксплуатационные—доступные цены, недефицитность.
В каждом отдельном случае выбирают хладагент с учетом конк ретных условий работы холодильной машины.
В холодильных машинах используют аммиак, хладагенты R12, R22, R11, озонобезопасные хладагенты.
Цифры в обозначениях хладагентов расшифровываются в зави симости от химической формулы. Первая цифра (1) указывает на метановый ряд, цифра (2) соответствует числу атомов фтора в со единении. Этановому ряду соответствует цифра 11.
Вопрос 3. Процессы в холодильных машинах
Для искусственного охлаждения газов применяют следующие холодильные машины: паро- и газокомпрессионные, абсорбцион ные, пароводяные, эжекторные и термоэлектрические.
В холодильных машинах продукты могут охлаждаться непос редственно хладагентом либо при помощи промежуточных хладоносителей, которые отводят теплоту от объектов охлаждения, на ходящихся вне холодильной машины, и отдают ее хладагенту.
При использовании хладоносителей испаритель холодильной машины размещают в емкости, заполненной хладоносителем-рассолом. В результате испарения хладагента рассол охлаждается до заданной температуры и насосом подается в общий трубопровод, из которого насосом распределяется по охлаждающим элементам холодильника. Отработанный рассол собирается в общий трубо провод и вновь поступает на охлаждение в емкость.
Для охлаждения до температур не ниже —15 °С используют ра створ хлорида натрия.
Парокомпрессионные машины. Принцип действия этих машин основан на сжатии хладагента компрессором и конденсации сжа того газа.
В холодильных машинах, работающих с аммиаком и хладонами, не требуется создавать высокие давления. В отличие от аммиака хладоны не имеют раздражающего носоглотку запаха и взрывобезопасны. Такие машины применяют для охлаждения до —80 °С.
Схема парокомпрессионной машины представлена на рис. 4. Она состоит из компрессора Км, конденсатора, дросселирующего вентиля В, испарителя И. Хладагент, циркулирующий в машине (рис.5), сжимается компрессором до рабочего давления по адиа бате 1—2 до состояния насыщения и конденсируется при темпера туре Т в конденсаторе (линия 2—3), который охлаждается водой. Вода при этом отводит от хладагента теплоту Q= Q0 + L. После пе реохлаждения (линия 3—3') образовавшаяся жидкость поступает в дросселирующий вентиль, где дросселируется по изоэнтальпе (3—4 или У—4, если отсутствует переохлаждение) и испаряется затем в испарителе при температуре Т0 (линия 4—1) за счет теплоты Q0, от нимаемой от охлаждаемого объекта. Переохлаждение хладагента способствует увеличению отводимой теплоты Q0.
Рис.4. Схема парокомпрессионной холодильной машины:
Км — компрессор; К— конденсатор; В— дросселирующий вентиль; И— испаритель (состояние хладагента в точках 1...4 отображе но на рис. 5 и рис. 6)
Выше был описан процесс со сжатием в компрессоре влажного пара, но в большинстве случаев холодильные машины работают со сжатием сухого пара (рис.6). Процесс адиабатического сжатия пара в компрессоре отражается линией 1—2. Затем следуют охлаж дение перегретого пара до состояния насыщения по изобаре 2—2', конденсация при температуре Т по изотерме 7—3', переохлажде ние З'—З, дросселирование по изоэнтальпе 3—4 и испарение по изотерме 4—1.
Рис.5. Цикл паракомпрессионной холодильной машины со сжатием влажного газа в компрессоре
Рис.6. Цикл паракомпрессионной холодильной машины со сжатием сухого пара
Из сопоставления приведенных циклов работы парокомпрессионных машин следует, что термодинамический цикл с влажным паром ближе к циклу Карно и холодильный коэффициент для него выше. Однако при сжатии влажного пара в компрессоре воз никает опасность гидравлического удара и снижается коэффици ент подачи компрессора, что делает такой цикл менее выгодным по сравнению с циклом сжатия сухого пара. Коэффициент подачи компрессора, зависящий от степени сжатия р/р0, определяют на основании экспериментальных данных.
Удельную холодопроизводительность (кДж/кг) можно опреде лить из рис. 6:
(12)
а массовый расход циркулирующего в холодильной машине хлад агента (кг/с) — по формуле
(13)
Холодильный коэффициент
Рис.7. Схема газокомпрессионной холодильной машины:
точкам на диаграмме Т-s (см.рис.2)
Рис.8. Цикл газокомпрессионной холодильной машины
Рис.9. Схема абсорбционной холодильной машины:
охлаждается водой в холодильнике от температуры Т2 до Т3 по изобаре 2—3, охлажденный воздух расширяется адиабатически в детандере, при этом его температура снижается до Т4. Из детанде ра воздух поступает в теплообменник, в котором отнимает на низ шем температурном уровне теплоту при постоянном давлении по изобаре 4—1. Эти машины характеризуются повышенным расхо дом энергии, их применяют только для создания температур ниже-100 °С.
Абсорбционные холодильные машины. В этих машинах хладаген том служит водоаммиачный раствор. Их применяют для охлажде ния до —60 °С.
Машина состоит из кипятильника 1, который обогревается во дяным паром, конденсатора 2, охлаждаемого водой, дросселирую щих вентилей 3, 8, испарителя 4, абсорбера 5, теплообменника 7 и насоса 6 (рис.9). В кипятильнике из водоаммиачного раствора при нагревании выделяется большая часть газообразного аммиака, который под избыточным давлением поступает в конденсатор, где охлаждается водой и конденсируется при высокой температуре Т. При конденсации аммиак отдает теплоту Q охлаждающей воде. Сжиженный аммиак дросселируется в дросселирующем вентиле 3 (при этом его давление снижается) и испаряется в испарителе 4, отнимая теплоту от охлаждаемой среды на низком уровне Т0. Пос ле испарителя газообразный аммиак поступает в абсорбер, охлаж дается и абсорбируется водой. Полученный высококонцентриро ванный раствор подается насосом в теплообменник, где нагрева ется, и затем в кипятильник. Неиспарившаяся часть аммиака (20 %) подается в теплообменник и затем через дроссельный вен тиль поступает на орошение в абсорбер. В результате абсорбции газообразного аммиака, поступающего из испарителя, вновь полу чают концентрированный водоаммиачный раствор, поступающий в кипятильник, и процесс повторяется. В абсорбционной холо дильной машине функции компрессора выполняет термокомп рессор, который состоит из кипятильника, абсорбера и теплооб менника.
Количество циркулирующего в машине водоаммиачного ра створа можно определить из уравнений материального баланса термокомпрессора:
(15)
(16)
Пароводяные эжекторные холодильные машины. Здесь хладагент сжимается в паровом эжекторе, а пар конденсируется в конденсато рах смешения с водой или в поверхностных конденсаторах. Хладо-носителем здесь служат рассол или чистая вода. При помощи рас солов продукт охлаждается до —15 °С, а с помощью воды — до 5 °С.
Схема пароводяной эжекторной холодильной машины приве дена на рис. 10. Водяной пар высокого давления, поступающий в эжектор 2, отсасывает пар из испарителя 1. В результате этого давление в испарителе снижается до 250...500 Па и циркулирую щий рассол охлаждается до -10...+15 "С. Охлажденный рассол от качивается насосом 5 и направляется на охлаждение объектов. Во дяной пар из эжектора поступает в конденсатор смешения 3, где конденсируется и отводится в виде конденсата мокровоздушным насосом 4.
У пароводяных эжекторных холодильных машин, работающих на воде, высокий холодильный коэффициент благодаря неболь шой разности температурных уровней. Такие машины просты, на дежны, компактны и удобны в эксплуатации.
Рис.10. Схема пароводяной эжекторной холодильной машины:
1-испаритель; 2-эжектор; 3-конденсатор смешения; 4,5-насосы
PAGE 11
Газокомпрессионные холодильные машины. В этих машинах (рис. 7) хладагентом служит воздух. В рабочем цикле машины (рис. 8) воздух не конденсируется и не испаряется. Он засасы вается турбокомпрессором и сжимается по адиабате 1—2. Затем
Охлаждение воздухом проводят естественным и искусственным способами. При естественном охлаждении горячий продукт ох лаждается в результате потерь теплоты в окружающее простран ство. Наиболее эффективно естественное охлаждение в зимнее время при низкой температуре воздуха.
С охлаждаемой жидкостью вносится теплота в количестве