ЕЛЕКТРОТЕХНОЛОГІЯ

Електронний посібник

ГОЛОВНА	ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ	АНОТАЦІЯ
ДОДАТКИ	СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ	УКЛАДАЧІ

1. ЕЛЕКТРОТЕРМІЯ

1.6. Електричні холодильні машини і теплові насоси

1.6.1 Холодильні машини

1.6.2 Термоелектричні холодильники

1.6.3 Електротеплові насоси

1.6.4 Побутові холодильники

1.6.1. Холодильні машини

Одним з ефективних способів консервації і зберігання сільськогосподарських продуктів є їх охолодження. Охолоджують молоко, м'ясо, свіжу рибу, масло, овочі, ягоди під час короткочасного зберігання, а під час тривалого зберігання заморожують у спеціальних холодильних камерах. Для одержання холоду застосовують холодильні машини.

поддерживается вашим браузером.

Повітро-охолоджувач

Пристрій, що здійснює перенесення теплоти від середовища з нижчою температурою до середовища з вищою температурою, називають трансформаторами теплоти. Залежно від цілей процесу один і той же трансформатор теплоти може охолоджувати робоче середовище, працюючи як холодильна машина, або нагрівати робоче середовище, працюючи як тепловий насос, або одночасно охолоджувати одне робоче середовище і нагрівати інше (комбінований режим). Останній режим найефективніший в енергетичному і економічному відношеннях.

Згідно з законами термодинаміки, перенесення теплоти від середовища з нижчою температурою до середовища з вищою температурою можливий під час споживання трансформатором теплоти зовнішньої енергії (електричної, механічної та ін.).

Трансформатори теплоти можуть бути компресійними (механічними), абсорбційними (термохімічними), напівпровідниковими (термоелектричними). Найбільше розповсюдження мають компресійні трансформатори частоти, а найдосконаліші і перспективніші – термоелектричні.

Так, для охолодження і зберігання молока на фермах використовують холодильні установки УВТ-10, АВ-30, МВТ-14, МВТ-20, резервуари-охолоджувачі молока ТОМ-2А, ТО-2, ТОВ-1, РПО-1,6, РПО-2,5 та ін.

Технічні характеристики холодильних установок

Таблиця 1.6.1.

Показники	УВТ-10	АВ-30	МВТ-14	МВТ-20
Холодопродуктивність за температури на виході з випарника 2 ^оС, кВт	9,0	39,0	14,6	20,4
Витрати води, м^3/год	1,2	9,0	6,0	6,0
Встановлена потужність, кВт	6,5	18,0	6,5	9,4

Для охолодження і зберігання овочів та фруктів у сховищах використовують фреонові холодильні установки ХМФ-16 та ХМФ-32. Всі ці установки мають компресійні електрохолодильні машини.

поддерживается вашим браузером.

Охолодження в картоплесховищі

Принципіальну схему роботи компресійної холодильної машини зображено на рис. 1.6.1. Компресор 1 відсмоктує з випарника 4 вологу пару газоподібного фреону, стискає її і нагнітає в конденсатор 2. У конденсаторі газоподібний фреон охолоджується і перетворюється на рідину. Під тиском рідкий фреон протікає через терморегулювальний вентиль 3, дроселюється, тобто різко знижує свій тиск, і надходить у випарник 4. Внаслідок зниження тиску фреон випаровується (закипає) і відбирає теплоту від води, яка оточує випарник. Холодна вода подається насосом в охолоджувач. З випарника газоподібний фреон знову засмоктується компресором і далі його рух повторюється.

Рис 1.6.1. Принципіальна схема роботи компресійної холодильної машини:

1 – компресор; 2 – конденсатор; 3 – терморегулювальний вентиль;

4 – випарник; 5 – насос (вентилятор).

У холодильних машинах найчастіше використовують холодильний агент R12 (фреон -12) – діфтордіхлорметан СF₂Cl₂ з температурою кипіння (-29,7 ^оС) і холодильний агент R17 – аміак NH₃ з температурою кипіння – (-33,4 ^оС).

Основними параметрами холодильних машин є холодопродуктивність P_х і холодильний коефіцієнт e.

Холодопродуктивність, кДж год^-1 (холодильна потужність, кВт) – це кількість теплоти, яку холодильна машина може відібрати від охолоджуваного середовища за одиницю часу.

,

де К – коефіцієнт запасу, К=1,2;

Q_Х – кількість теплоти, що відбирається від охолоджуваного середовища за проміжок часу Т (год), кДж;

т – маса охолоджуваного середовища, кг;

С – питома теплоємність охолоджуваного середовища, кДж/(кг×^оС);

q₁ і q₂ – початкова і кінцева температура, ^оС.

Холодильний коефіцієнт є величиною безрозмірною – це відношення холодопродуктивності до затраченої компресором роботи за одиницю часу.

де W – енергія, яка споживається електродвигуном компресора за час Т, кДж;

h_К – ККД компресора (0,6 – 0,7);

h_Д – ККД електродвигуна.

1.6.2. Термоелектричні холодильники

У термоелектричних холодильниках трансформатором теплоти є термоелектрична батарея, яка складається із великої кількості послідовно з’єднаних напівпровідників термоелементів з електронною (n) і дірчатою (р) провідністю (рис.1.6.4).

Рис.1.6.4. Принципіальна схема термоелектричного трансформатора теплоти

В основі роботи термоелектричних трансформаторів теплоти лежить явище Пельтьє. Під час пропускання постійного електричного струму від додатного р елемента до від’ємного n в місці їх контакту (спаю) відбувається виділення теплоти, а під час зворотного напряму струму – поглинання. Таким чином, у термоелектричній батареї чергуються гарячі спаї, в яких виділяється – верхній температурний рівень і холодні спаї, поглинаючі теплоту, – нижній температурний рівень.

Фізична суть явищ термоелектричного охолодження і нагрівання полягає в наступному. В місці спаю двох різнорідних провідників виникає внутрішня (контактна) різниця потенціалів, обумовлена різною роботою виходу електронів.

Під час пропускання струму по колу термоелементів в одному контакті, де напрям потоку електронів співпадає із контактною різницею потенціалів, кінетична енергія електронів зростає і спай нагрівається (р – n перехід). В іншому спаї контактна різниця потенціалів гальмує електрони (їм необхідно подолати енергетичний бар’єр, для чого потрібна енергія) і спай охолоджується (n – р перехід). Під час зміни напряму протікання струму положення змінюється на зворотне.

Теплота, що виділяється гарячими спаями або поглинається холодними, носить назву теплоти Пельтьє і визначається за формулою

де П – коефіцієнт Пельтьє, В;

І – сила струму в колі термоелементів, А.

Коефіцієнт Пельтьє

де a₁, a₂ – коефіцієнти термо-єлєктрорушійної сили віток термоелемента, В/^оК;

Т – температура відповідного спаю, ^оК.

Помістивши холодні спаї в холодильну камеру, а гарячі – зовні, отримаємо термоелектричний холодильник.

У практиці тваринництва застосовують невеликі за потужністю переносні термоелектричні холодильники, які живляться від сухих елементів і призначені для швидкого охолодження і зберігання біологічних об’єктів у селекційній роботі і ветеринарії.

Термоелектричні теплові насоси особливо перспективно застосовувати як кондиціонери. Легкий перехід від охолодження на нагрів і, відповідно, висока гнучкість у порівнянні із звичайними системами дають значні переваги термоелектричним кондиціонерам.

ПЕРЕВАГОЮ елемента Пельтьє є невеликі розміри, відсутність будь-яких рухомих частин, а також газів і рідин. При зміні напрямку струму можливо як охолодження, так і нагрівання.

НЕДОЛІКОМ елемента Пельтьє є дуже низький коефіцієнт корисної дії, що веде до великої споживаної потужності для досягнення помітної різниці температур.

1.6.3. Електротеплові насоси

У сільському господарстві часто виникає потреба – одні продукти нагрівати, а інші охолоджувати. «Перекачувати» теплоту від одних продуктів до інших з невеликою витратою електричної енергії можуть компресійні теплові насоси. Ці насоси працюють за оберненим термодинамічним циклом подібно до холодильних машин (рис. 1.6.1). Компресор подає газоподібний фреон з температурою +80 – +90 °С у конденсатортеплообмінник, де фреон, віддаючи тепло воді, охолоджується і перетворюється на рідину. Далі фреон надходить у випарник, занурений у розсіл.

Під час випаровування фреон охолоджує розсіл. Холодний розсіл насосом подається в охолоджувач молока. Із випарника газоподібний фреон знову надходить у компресор, і далі його рух повторюється.

Економічність роботи теплових насосіїв характеризують коефіцієнтом перетворення енергії

,

де Q_Х – холодопродуктивність установки, кДж × год^-1;

Q_Т – теплопродуктивність установки, кДж × год^-1;

W – спожита тепловим насосом енергія, кДж × год^-1.

Формула вірна для цикла, коли доводиться одні продукти охолоджувати, а інші нагрівати. Якщо тепловий насос використовують тільки для охолодження або нагрівання (наприклад, у систем створення штучного мікроклімату), то коефіцієнт перетворення енергії визначають за формулою;

Величина коефіцієнта К_ПЕ знаходиться в межах 2,5 – 5. Отже, на одиницю затраченої енергії можна одержати 2,5 – 5 одиниці теплоти. При цьому енергія не створюється, а передається від одного середовища іншому.

Випускаються компресійні фреонові теплові насоси НТ-25, НТ-40, НТ-80 тепловою потужністю від 11,6 до 128 кВт, термоелектричні ТН-1,5, ТН-3, ТН-5, ТН-7,5 теплопродуктивністю від 2,9 до 14,5 кВт.

1.6.4. Побутові холодильники

За принципом дії побутові холодильники поділяються на компресійні, абсорбційні і термоелектричні. Компресійні і абсорбційні холодильники живляться від електромережі напругою 127 і 220 В і використовуються в домашніх умовах. Термоелектричні холодильники виготовляються у вигляді переносних, живляться від джерел постійного струму напругою 12 або 24 В і називаються автомобільними.

Холодильники класифікують за:

ü призначенням – на холодильники і морозильники (М);

ü способом отримання холоду – на компресійні (К), абсорбційні (А) і термоелектричні (ТЕ);

ü способом встановлення – на вбудовані наземні у вигляді шафи (Ш), вбудовані наземні у вигляді стола (С), вбудовані настінні (Н), блочно-вбудовані (Б), переносні (П);

ü ступенем комфортності – на холодильники звичайні і підвищеної (П) комфортності;

ü кількістю камер – на однокамерні і двокамерні (Д);

ü загальним об’ємом холодильної камери у кубічних дециметрах.

Компресійні холодильники

Холодоагентом у компресійних холодильниках є хладон-12 (дифтордихлорметан). Пара хладону компресором (рис. 1.6.5.) відсмоктується з випарника через трубку. Стиснена компресором пара по напірній трубці подається у конденсатор. Там вона віддає тепло у навколишнє середовище, внаслідок чого зріджується.

Рис.1.6.5. Схема роботи компресорного холодильника

Рідкий хладон із конденсатора надходить у фільтр-осушник, а з нього через капілярну трубку – у випарник. Капілярна трубка створює необхідний для роботи агрегату перепад тиску від 600 – 1050 кПа в конденсаторі до 98 кПа у випарнику.

Під час низького тиску рідкий холодоагент кипить, відбираючи теплоту від стінок випарника і повітря холодильної камери. З випарника пара хладону через всмоктувальну трубку знову засмоктується компресором і далі його рух повторюється. Компресор приводиться в рух електродвигуном.

поддерживается вашим браузером.

Принцип роботи з компресором

Абсорбційні холодильники

Побутові холодильники абсорбційного типу призначені для короткочасного зберігання харчових продуктів, які швидко псуються та вироблення харчового льоду.

Особливістю абсорбційних холодильників є відсутність рухомих частин, завдяки чому збільшена їх довговічність і відсутній шум. Але вони споживають більше електроенергії, ніж компресійні холодильники. Продуктивність абсорбційних холодильників значно нижча за компресійні, тому процес охолодження в них проходить значно повільніше.

В абсорбційних холодильниках відбувається процес поглинання (абсорбції) рідким або твердим поглиначом пари холодоагенту, що утворюється у випарнику. Холодоагентом є аміак, а поглиначом-вода. При цьому утворюється водно-аміачний розчин.

Агрегат заповнюється водно-аміачним розчином і воднем під тиском 1,47 – 1,96 МПа. Водень створює протитиск парові аміаку в конденсаторі.

Холодильний агрегат працює так: концентрований водно-аміачний розчин з початковою концентрацією близько 35 % підігрівається нагрівником 14 (рис. 1.6.6) у термосифоні генератора до температури 165 – 175 ^оС. Парорідинна суміш, що утворилася під час кипіння розчину, піднімається по термосифону вгору. Після виходу з термосифона суміш розділяється: водно-аміачна пара спрямовується до паровідвідної трубки, а слабкий водно-аміачний розчин через трубку і теплообмінник і надходить у верхню частину абсорбера. Водно-аміачна пара з трубки проходить через регенератор і дефлегматор у конденсатор. У регенераторі відбувається підвищення концентрації аміаку завдяки охолодженню пари концентрованим розчином. Остаточне очищення пари аміаку від домішок води відбувається внаслідок охолодження суміші у дефлегматорі. При цьому флегма (концентрований розчин аміаку) по трубці повертається до генератора, а очищена пара аміаку охолоджується і зріджується в конденсаторі.

Охолоджений рідкий аміак надходить у випарник, де відбувається його випаровування, що супроводжується поглинанням тепла з холодильної камери.

Між випарником і абсорбером циркулює водень у суміші з аміаком під великим тиском. У випарнику аміачна пара змішується з бідною водно-аміачною сумішшю і через регеративний газовий теплообмінник опускається до збірника розчину. Туди ж через теплообмінник надходить і частина рідкого аміаку, що не випарувалася. Опускаючись по трубках абсорбера, слабкий аміачний розчин, що надійшов по трубці, абсорбує пару аміаку з багатої водно-аміачної суміші та у вигляді концентрованого розчину нагромаджується у збірнику розчину.

Питома вага водно-аміачної суміші, збідненої внаслідок абсорбції, значно зменшується. Суміш виштовхується з абсорбера вгору в регеративний теплообмінник, де охолоджується насиченою водно аміачною сумішшю що надходить з випарника. Охолоджена, бідна водно-аміачна суміш знову надходить у випарник.

Концентрований водно-аміачний розчин із збірника надходить у теплообмінник розчинів, де підігрівається слабким водно-аміачним розчином, що повертається з генератора по трубці. Нагрітий насичений водно-аміачний розчин піднімається у термосифон і процес повторюється.

Акумулятор водню збирає водень та газоподібний аміак і стабілізує роботу холодильного агрегату під час підвищення температури довкілля.

Рис. 1.6.6. Холодильний агрегат абсорбційного холодильника

Питання для самоперевірки

1. Що таке трансформатори теплоти і де вони застосовуються?

2. Як поділяються трансформатори теплоти за принципом дії?

3. Який принцип дії компресорної холодильної машини?

4. Які холодильні агенти використовуються в холодильних машинах?

5. Що таке холодопродуктивність і холодильний коефіцієнт?

6. У чому полягає явище Пельтьє?

7. Який принцип дії термоелектричного трансформатора теплоти?

8. Який принцип дії електротеплових насосів?

9. Як визначити коефіцієнт перетворення енергії теплового насоса?

10. Які є типи теплових насосів?

Попередня тема

На початок

Наступна тема