XIX. ХОЛОДИЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ

1. Искусственное охлаждение

1.1. Общие сведения

1.2. Абсорбционные холодильные машины

1.3. Пароводяные эжекторные холодильные машины

ИСКУССТВЕННОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ

Общие сведения

Ряд процессов химической технологии проводят при температурах, значительно более низких, чем те, которые можно получить, используя в качестве охлаждающих агентов воздух, воду и лед.

К числу процессов, осуществляемых при искусственном охлаждении, относятся некоторые процессы абсорбции, процессы кристаллизации, разделения газов, сублимационной сушки и др. Искусственное охлажде­ние также широко применяется в различных других областях народного хозяйства, например для хранения пищевых продуктов, замораживания грунтов, кондиционирования воздуха и т.д. Большое значение приобре­тают холодильные процессы в металлургии, электротехнике, электронике, ядерной, ракетной, вакуумной и других отраслях техники.

В связи с совершенствованием процесса получения холода и резкого снижения его стоимости за последнее время сфера использования холода значительно расширилась. Современные химические комбинаты потреб­ляют большие количества холода, достигающие приблизительно 20-63 Гдж/ч (5-15 Гкал/ч).

Искусственное охлаждение всегда связано с переносом тепла от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой. Такой перенос, согласно второму закону термодинамики, требует затраты энер­гии. Поэтому введение энергии в систему является необходимым условием получения холода.

Способы производства искусственного холода в значительной степени определяются требуемой температурой охлаждения и масштабом уста­новки.

Условно различают:

1) умеренное охлаждение (диапазон температур от комнатных до -100 °С);

2) глубокое охлажде­ние (до температур ниже -100 °С).

В свою очередь, получение температур ниже -100 °С условно класси­фицируется следующим образом:

а) техника глубокого охлаждения (от -100 до -218 °С);

б) криогенная техника (от 40 до 0.3 °К);

в) техника ультранизких температур (до 0.00002 °К).

Способы получения температур выше 2 °К нашли техническое применение. Получение более низких темпе­ратур относится к сфере лабораторной техники.

Использование температур, соответствующих глубокому охлаждению, позволяет разделять газовые смеси путем их частичного или полного сжижения и получать многие технически важные газы, например азот, кислород и другие газы (при разделении воздуха), водород из коксового газа, этилен из газов крекинга нефти и т.д. Эти газы широко используются в различных отраслях промышленности. Так, современная холодильная техника обеспечивает значительную интенсификацию доменных процессов черной металлургии путем широкого внедрения в них кислорода. Весьма перспективно применение дешевого кислорода для интенсификации мно­гих химико-технологических процессов (производство минеральных кис­лот и др.).

Основные положения. В холодильных установках перенос тепла от среды с более низкой температурой к среде с более высокой температурой осуществляется с помощью рабочего тела, называемого холодильным агентом или хладоагентом.

К веществам, применяемым в качестве хладоагентов, предъявляются следующие требования:

- высокая критическая температура, обеспечивающая возможность конденсации паров хладоагента в конденсаторе с помощью естественных охлаждающих агентов (вода, воздух);

- большая теплота испарения для того, чтобы уменьшить расход холодильного агента, необходимый для достижения заданной холодопроизводительности;

- возможно меньший удельный объем паров холодильного агента при давлении и температуре испарения, что обусловливает уменьшение размеров холодильной машины;

- давление испарений должно быть несколько выше атмосферного ввиду того, что легче предотвратить утечку холодильного агента, чем подсос воздуха (подсос воздуха ухудшает теплопередачу в конденсаторе и испарителе, повышает рабочее давление и вносит в систему водяные пары, которые могут замерзать в испарителе и приводить к образованию химически активных соединений);

- желательно умеренное давление пара при температуре конденсации во избежание усложнения конструкции и удорожания аппаратов и трубопроводов.

В настоящее время наиболее распространенными холодильными агентами являются аммиак и фреоны. Значительно реже используются двуокись углерода и особенно редко – сернистый ангидрид и хлористый метил. Для получения температур ниже –70 ^оС применяют пропан, этан и этилен.

Фреоны представляют собой фторхлорпроизводные метана и некоторых других предельных углеводородов.

Оборудование компрессионных установок. В состав установок входят компрессоры и теплообменные аппараты различных типов.

Компрессоры. В компрессионных холодильных установках используются компрессоры следующих основных типов: поршневые, ротационные, турбокомпрессоры и винтовые, причем особенно распространены поршневые. Для установок большой и средней производи­тельности обычно применяют горизонтальные одноступенчатые компрес­соры двойного действия, в том числе компрессоры наиболее компактных конструкций — оппозитные, а также вертикальные много­цилиндровые бескрейцкопфные компрессоры с V-образным расположением цилиндров. Современные фреоновые компрессоры малой производительности также являются бескрейцкопфными. Для устранения утечки холодильного агента они выполняются герметичными, с электро­двигателем, встроенным внутрь корпуса.

Для достижения более высоких степеней сжатия наряду с многосту­пенчатыми компрессорами используют также одноступенчатые компрес­соры, объединенные в многоступенчатый агрегат. Так, например, в каче­стве ступени низкого давления применяют специальный поджимающий компрессор (так называемый бустер-компрессор) с увеличенным диаметром цилиндра, а в качестве ступени высокого давления — одноступенчатый компрессор. Двухступенчатые компрессоры получают все большее рас­пространение. Наиболее часто применяются двух- и трехступенчатые тур­бокомпрессоры, которые используются главным образом в установках большой холодопроизводительности.

Теплообменные аппараты. Применяемые в холодильных установках конденсаторы по способу отвода тепла делятся на:

1) проточные, в кото­рых тепло отводится водой;

2) оросительно-испарительные, в которых тепло отводится водой, испаряющейся в воздух;

3) конденсаторы воздуш­ного охлаждения.

Для холодильных установок большой и средней про­изводительности обычно используют проточные конденсаторы, представ­ляющие собой горизонтальные и вертикальные кожухотрубчатые и гори­зонтальные змеевиковые теплообменники, в которых змеевики заключены в кожух (кожухозмеевиковые). Реже применяют элементные теплообменники. Конденсаторы воздушного охлаждения используются главным образом в холодильных установках малой холодо­производительности. В качестве испарителей наиболее часто применяют теплообменники погружного типа и кожухотрубчатые (вертикальные и горизонтальные) многоходовые по охлаждаемой жидкости,