Пароэжекторные холодильные машины (ПЭХМ)

Рабочим телом для таких машин могут служить некоторые фреоны и их смеси, аммиак и другие вещества, отвечающие требованиям, предъявляемым к холодильным агентам. Но чаще всего в промышленных условиях такие холодильные машины работают на воде для нужд кондиционирования воздуха. При этом для достижения необходимых температур кипения воды (7...15 °С) в испарителях таких машин приходится поддерживать очень низкое давление насыщения водяных паров (0,005...0,010 бар).

Практически реализовать такие условия удаётся в цикле вакуум-водяной ПЭХМ на базе пароструйного компрессора (эжектора). Принципиальная схема и цикл такой машины представлены на рис. 8.1.

Рис. 8.1. Принципиальная схема вакуум-водяной пароэжекторной холодильной машины и её теоретический цикл

Активный пар состояния 1, образовавшийся в генераторе Г при подводе теплоты в прямом цикле, поступает в эжектор Э. Проходя через сопло (суживающуюся часть) эжектора, он расширяется и изменяет свое состояние на 2. В сопле потенциальная энергия пара преобразуется в кинетическую энергию струи, которая, вытекая с большой скоростью, эжектирует пассивный пар состояния 9 из испарителя И. После смешения пара состояний 2 и 9 в камере смешения эжектора получается пар состояния 3, который, проходя диффузор эжектора, сжимается в нём (3–4) и поступает в конденсатор Кн в состоянии 4. В конденсаторе пар конденсируется (процесс 4–5), отдавая теплоту окружающей среде (воде). Часть конденсата состояния 5 в количестве, равном массовой подаче пассивного пара, поступает через дроссельный вентиль ДВ в испаритель (процесс 5–8), где кипит (процесс 8–9), отводя теплоту от промежуточного хладоносителя (воды), а влажный пар состояния 9 отводится в камеру смешения диффузора. Другая часть конденсата в количестве, равном массовой подаче активного пара, нагнетается насосом Н в генератор (процесс 5–6), нагревается (процесс 6–7), выпаривается (процесс 7–1) и насыщенный пар (точка 1) направляется в эжектор Э. Далее процессы в ПЭХМ повторяются.

Из рассмотренного выше следует, что в эжекторе соединяются процессы прямого и обратного циклов: работа прямого цикла получается в сопле (процесс 1–2), подводится к обратному циклу в камере смешения (процесс 2–3–9) и тратится в обратном цикле в диффузоре на сжатие (процесс 3–4). В пароэжекторной холодильной машине осуществляются прямой 1–11–5–6–7–1 и обратный 9– 10–5–8–9 циклы.

Для термодинамического анализа работы ПЭХМ необходимо знать соотношение массовых расходов активного М и пассивного М ₀ пара. Принимая, что для отвода 1 кг пассивного пара из испарителя расходуется a _т активного пара, получим коэффициент расхода (кратность циркуляции) активного пара

. (8.1)

Считая, что работа прямого цикла

без потерь подводится в обратном цикле

,

и, принимая во внимание, что M × l = M ₀ × l ₀, получим

. (8.2)

Тепловой баланс пароэжекторной холодильной машины в удельных величинах будет иметь вид

, (8.3)

где q = (1 + a _m) (i ₄ – i ₅) – отведенная теплота в конденсаторе;

q ₀ = i ₉ – i ₈ – удельная массовая холодопроизводительность;

q_г = a _m (i ₁ – i ₆) – подведенная теплота в генераторе;

q_н = a _m (i ₆ – i ₅) – тепловой эквивалент работы насоса.

Термический кпд прямого цикла:

. (8.4)

Холодильный коэффициент обратного цикла:

. (8.5)

Термодинамическая эффективность работы машины может быть оценена тепловым коэффициентом, равным отношению теплоты, отведенной в обратном цикле, к теплоте, подведенной в прямом цикле:

, (8.6)

т.е. тепловой коэффициент цикла ПЭХМ равен произведению величин термического КПД прямого цикла и холодильного коэффициента обратного цикла.

Основным элементом рассмотренной схемы несомненно является пароструйный компрессор (эжектор) Э – удивительно простое, но малоэффективное устройство. Процессы смешивания потоков пара также, как и процессы трения струи о металлическую поверхность в эжекторе, сопровождаются существенными необратимыми потерями в потоке. По этой причине коэффициент полезного действия эжектора невысок. Основными элементами аппарата (рис. 8.2) являются приемная камера 1, сопло 2, камера смешения 3–4 и диффузор 5.

Рис. 8.2. Принципиальная схема пароструйного компрессора  

Поступающий к соплу активный пар имеет скорость W. В сопле пар расширяется, при этом скорость пара в выходном сечении сопла возрастает от W до W ₁ (скорость W ₁ для водяного пара обычно свыше 1000 м/с). Холодный (пассивный) пар при незначительной по сравнению со скоростью рабочего пара скорости W_o увлекается последним из приемной камеры в камеру смешения, где оба потока смешиваются. К смешивающимся потокам можно применить закон сохранения количества движения – сумма количества движения смешиваемых потоков активного и холодного паров на входе равна количеству движения потока смеси в конце процесса смешивания.

К недостаткам рассмотренного цикла ПЭХМ, работающей на воде, следует отнести:

– низкую термодинамическую эффективность;

– наличие вакуума в аппаратах и, как следствие, – огромные их размеры и проблемы с герметизацией при эксплуатации;

– невозможность получения в испарителе температур, ниже 0 °С.

Над устранением этих недостатков работали многие ученые, в том числе и учёные кафедры ТХТ ОНАПТ.

Так, профессор О.Г. Бурдо с сотрудниками получили патент на биагентную ПЭХМ, которая частично избавлена от двух из трёх перечисленных недостатков, указанных выше. Заправив ПЭХМ бинарной смесью воды и этилового спирта, авторы реализовали идею двойной конденсации агента в ПЭХМ (рис. 8.3).

		К1
	К		К2

Рис. 8.3. Принципиальная схема биагентной ПЭХМ с двойной конденсацией агента

Схема работает аналогично предыдущей с той лишь разницей, что в конденсатор К1 поступает не чистый водяной пар, а его смесь с более летучими парами этилового спирта. Соприкасаясь с холодными трубками конденсатора К1, первыми будут конденсироваться пары воды, а оставшиеся пары этилового спирта уйдут в конденсатор К2 и сконденсируются там при более низкой температуре (но при том же давлении!).

Далее менее летучая вода из конденсатора К1 насосом Н будет подана в генератор для производства активного потока водяного пара, а конденсат из конденсатора К2 (преимущественно этиловый спирт!), после дросселирования в РВ1, попадёт в испаритель И, где будет кипеть, вырабатывая холод при той же низкой температуре t ₀, но при гораздо большем давлении, например, при t ₀ = плюс 10 °С давление в испарителе при кипении воды будет 0,0087 кПа, а при кипении этилового спирта – уже 0,03 кПа.

Естественно, что соответственно уменьшится удельный объём пара и, как следствие, – габаритные размеры испарителя. Кроме того, в такой ПЭХМ можно получать и отрицательные температуры в испарителе (например, этиловый спирт будет кипеть при t ₀» минус 3 °С, если поддерживать давление в испарителе» 0,013 кПа).

Важно отметить, что в рассматриваемых схемах ПЭХМ электрическая энергия используется только в незначительных количествах для привода насоса Н. Если бы не этот момент, то ПЭХМ получили бы по сравнению с компрессорными холодильными машинами важное эксплуатационное преимущество – независимость от стационарного электроснабжения.

Упомянутая выше группа учёных кафедры ТХТ ОНАПТ и в этом вопросе сказала своё весомое слово: ими было запатентовано несколько технических решений по созданию автономных схем ПЭХМ. Было предложено использовать капиллярные, мембранные, струйные, термопрессоры и другие устройства для обеспечения постоянной подачи конденсата в генератор ПЭХМ, не используя при этом электрической энергии.

Особый интерес представляет схема ПЭХМ с использованием струйного насоса для подачи конденсата в генератор установки (рис. 8.4).

	СН

Рис. 8.4. Принципиальная схема ПЭХМ со струйным насосом

Здесь часть пара, полученного в генераторе Г, отбирается на привод струйного насоса СН. Однако эта часть, как правило, невелика, поскольку работа насоса всегда существенно меньше работы компрессора.

Такая конструкция не содержит движущихся элементов и по этой причине обладает повышенной надёжностью и долговечностью. Вероятно, благодаря этим качествам ПЭХМ со струйным насосом использовалась конструкторами при разработке космического комплекса “Мир”. В этих разработках принимали участие и учёные ОНАПТ.

Дата добавления: 2014-01-04