Холодильные циклы и схемы установок

В промышленности нашли применение три типа холодильных машин: компрессионные, абсорбционные и пароэжекторные. Кроме того, для условий малой холодопроизводительности при наличии сжатого воздуха в ряде случаев применяются вихревые трубы, использующие эффект Ранка-Хильша.

Холодильные машины

Компрессоры компрессионных холодильных машин разделяют на следующие типы: а) поршневые с прямолинейно-возвратным движением поршня; б) центробежные или турбокомпрессоры; в) ротационные с вращающимся или катящимся поршнем.

Самыми распространенными и достигшими в конструктивном отношении высокой степени совершенства и экономичности являются холодильные машины с поршневыми компрессорами, которые различаются: а) по холодильному агенту (NH₃, Ф-12, Ф-22, СО₂ и др.); б) по числу ступеней сжатия (одноступенчатые, двухступенчатые; в) по числу цилиндров (одноцилиндровые, двухцилиндровые); г) по расположению осей цилиндра (горизонтальные, вертикальные).

Турбокомпрессоры при работе с общепринятыми хладоагентами успешно конкурируют с поршневыми только при больших холодопроизводительностях, при которых они обладают достаточно высоким к.п.д., и при низких температурах испарения (от -30 до -100^оС

В абсорбционных холодильных машинах в качестве рабочих веществ используют растворы, состоящие из двух компонентов с резко различными температурами кипения при одинаковом давлении. Собственно хладоагентом является компонент с низкой температурой кипения. Второй компонент со значительно более высокой температурой кипения называется абсорбентом. Чаще всего в качестве хладоагента применяют аммиак, а в качестве абсорбента – воду, которая обладает свойством поглощать или абсорбировать значительные объемы паров аммиака.

В пароэжекторных холодильных машинах для производства холода и поддержания температуры охлаждаемых объектов ниже температуры окружающей среды используется испарение жидкостей. Как и во всех паровых холодильных машинах, в пароэжекторной машине хладагент (рабочее тело) совершает замкнутый цикл: испаряется в испарителе, отнимая тепло от охлаждаемого тела, и затем вновь переходит в жидкое состояние.

Различают замкнутые и разомкнутые циклы холодильных установок. В замкнутых циклах один и тот же хладагент непрерывно циркулирует в системе. В разомкнутую систему охлаждения рабочее вещество подается извне и непрерывно или периодически расходуется на месте потребления.

В химической и пищевой промышленности применяют главным образом замкнутые холодильные циклы.

Парокомпрессионные циклы. Схема парокомпрессионного холодильного цикла с передачей холода потребителю с помощью рассольной системы и графическое изображение цикла в p-i координатах приведены на рис. 2-33.

Рис. 2-33. Схема (а) и диаграмма p-i (б) парокомпрессионного

холодильного цикла:

К – компрессор; К₀ – конденсатор; ДВ – вентиль; И – испаритель;

РН – рассольный насос; ХК – холодильная камера

Цикл осуществляется в системе, состоящей из компрессора К, конденсатора К₀, дроссельного вентиля ДВ, испарителя И, рассольного насоса РН и потребителя холода – холодильной камеры ХК. Система работает следующим образом: пары хладагента с параметрами р₁, Т₁, забираются компрессором К, сжимаются до состояния, характеризуемого точкой 2 (см. рис.2-33,б), охлаждаются (линия 2-2¢), а затем конденсируются (линия 2¢-3¢) и переохлаждаются (линия 3¢-3) в конденсаторе К₀. Переохлажденная жидкость дросселируется до давления р₄ = р₁ (линия 3-4), а затем испаряется в испарителе И (линия 4-1).

В цикле холодильной машины отводится тепло q_o (линия 4-1) от охлаждаемого тела или среды при низкой температуре кипения хладагента. Затем воде или воздуху передается тепло q₁ (линия 2-3) путем охлаждения и конденсации паров хладагента при более высоком давлении и температуре. Для осуществления такой передачи затрачивается работа L, которая превращается в тепло и передается окружающей среде как одна из составляющих q₁.

Уравнение второго начала термодинамики применительно к холодильной машине имеет вид:

q₁ = q_o + L.

Для 1 кг циркулирующего хладагента могут быть записаны следующие основные соотношения.

Работа, затрачиваемая в компрессоре (процесс 1-2), L = i₂ – i₁ кДж/кг.

Холодопроизводительность (процесс 4-1), q_o = i₁ – i₄ кДж/кг.

Тепло, передаваемое в окружающую среду (процесс 2-3), q₁ = i₂ – i₃ кДж/кг.

Холодильный коэффициент (количество холода, полученного в цикле при затрате единицы энергии)

.

Холодильный коэффициент – это важнейшая энергетическая характеристика холодильной машины. Величина e резко уменьшается с понижением температуры в холодильной камере, а также зависит (в меньшей степени) от свойств применяемого хладагента. Для типовых парокомпрессионных машин при температуре кипения хладагента в испарителе 250 К e» 3,5, а при температуре 230 К e» 1,8¸1,9.

Возможно применение двухступенчатого сжатия с межступенчатым охлаждением газа (на диаграмме p-i процессу соответствует линия 1-1^¢-0-2^²).

Возможно также последовательное включение нескольких компрессионных холодильных циклов; при этом испаряющийся хладагент цикла умеренного охлаждения конденсирует хладагент низкотемпературного цикла. Такая схема, предложенная Питке, термодинимически весьма эффективная, носит название каскадной. Для получения холода на температурном уровне 70 К необходимо последовательное включение четырех каскадов с такими температурными уровнями: 240-235 К; 170-165 К; 105-100 К; 72-68 К. Недостаток схемы – сложность и высокие капиталовложения. Установки такого типа применяют только при очень больших холодопроизводительностях, например, при испытании холодом комплексных космических, авиационных и транспортных объектов.

Принципиальная схема двухпоточного каскадного холодильного цикла, в котором используют в качестве хладагента первого каскада пропан, а второго – этан, включающего две холодильных камеры на температурных уровнях 240 и 190К, дана на рис. 2-34. Диаграмма p-i процессов, происходящих в цикле, приведена на рис. 2-35.

Этановый каскад цикла (см. рис. 2-13) включает компрессоры КЭ1 и КЭ2, межступенчатый и концевой холодильники МХЭ и КХЭ, конденсатор-испаритель КИ, сборник жидкости СЖЭ, регенеративные теплообменники РТ1, РТ2, дроссельный вентиль ДВЭ, испаритель ИЭ.

Рис. 2-34. Схема двухпоточного каскадного холодильного цикла

Пропановый каскад включает компрессоры КП1 и КП2, межступенчатый холодильник МХП, концевой холодильник КХП, сборник жидкости СЖП, дроссельные вентили ДВП1 и ДВП2, испаритель ИП и конденсатор-испаритель КИ.

Рис. 2-35. Диаграммы процессов двухпоточного каскадного

холодильного цикла для: а – пропана; б – этана

В испарителях этанового ИЭ и пропанового ИП циклов охлаждаются жидкие теплоносители, которые затем насосами Н1 и Н2 подаются в холодильные камеры ХК1 и ХК2 для охлаждения изделий.

Холодильный коэффициент каскадного парокомпрессионного цикла на температурном уровне 170-200 К составляет 0,6-0,85.

Дата добавления: 2014-01-04