Принцип работы воздушных и паровых холодильных машин

Воздух как хладагент привлекал в себе внимание давно, с тех пор как только начали создаваться первые холодильные машины.

В воздушных машинах используют эффект резкого снижения температуры при расширении сжатого газа с отдачей работы. Машина, конструкция которой основана на этом принципе, называется детандером. Если направить сжатый воздух в цилиндр поршневого детандера, то поршень начнет перемещаться, вращая коленчатый вал, т. е. производить работу. Температура выходящего в атмосферу воздуха снизится с 20 до --90 °С.

Теплоемкость воздуха весьма низкая. Поэтому для отвода значительных теплопритоков надо пропускать через холодильную машину большое количество воздуха. Это приводит к тому, что поршневые машины становятся очень громоздкими. Выгоднее применять турбодетандеры и турбокомпрессоры. В турбодетандере сжатый газ подается на лопатки рабочего колеса (турбины), вращая его с большой скоростью (до 5000 оборотов в секунду).

Коэффициенты теплоотдачи воздуха малы, что заставляет использовать громоздкие теплообменные аппараты. Однако в отличие от других хладагентов отработавший воздух можно просто выбрасывать в атмосферу (работать по разомкнутому циклу), что позволяет обойтись без конденсаторов и испарителей.

Рассмотрим схему воздушной холодильной машины с теплообменником: рис.5. Центробежный компрессор КМ забирает воздух из атмосферы (точка 1) и сжимает его до давления 0,3--0,4 МПа; при этом воздух нагревается до 130--160 °С (точка 2). В охладителе ОХ воздух охлаждается водой до 30 °С и поступает в теплообменник ТО, где охлаждается примерно еще на 50--60 9 холодным воздухом, идущим из камеры. В турбодетандере воздух расширяется, объем его увеличивается в 3--4 раза), отдавая свою энергию турбине, соединенной общим валом с компрессором. Затрата мощности в электродвигателе компрессора на эту величину будет меньше. Температура воздуха при расширении в детандере снижается от - 20 °С до - 50/-70 °С. В камере охлажденный воздух отбирает теплоту от продуктов и, нагревшись примерно на 10 °С, поступает в теплообменник, где охлаждает воздух высокого давления и при 10--15 °С выбрасывается в атмосферу. Повышая давление в компрессоре до 0,5--0,6 МПа, можно подавать в камеру воздух, температура которого -80/-100°С.

Использование вакуумного цикла позволяет обойтись без водяного охладителя (воздух при 130--160 °С выбрасывается в атмосферу). Кроме того, в этой схеме вместо теплообменника установлены два регенератора. Эти аппараты более просты и компактны, чем поверхностные теплообменники.

Регенератор имеет внутри наполнитель, например металлические гофрированные или бугорчатые ленты, свернутые в диски. Воздух из атмосферы (точка 3) через переключающийся клапан 1ПК попадает в левый регенератор 1РГ (предварительно охлажденный) и, охладившись в нем до -70/-80 °С, через клапан ЗПК поступает в камеру. Отобрав теплоту от камеры, воздух нагревается на 10--20 °С (процесс 4--5) и поступает в турбодетандер ДТ. Здесь он расширяется от атмосферного давления до 50 кПа, охлаждаясь при этом с --50 до --84 °С, и поступает в регенератор 2РГ, чтобы охладить его и подготовить к работе (процесс 6--1). Затем воздух сжимается компрессором до атмосферного давления (1--2) и горячий выбрасывается наружу. Когда правый регенератор достаточно охладится, клапаны (1ПК--4ПК) переключаются, и воздух из атмосферы начинает поступать в правый регенератор, а холодный воздух из турбодетандера -- в левый (на схеме показано пунктиром).

Схема установки для получения жидкого воздуха: рис. 7, которую разработал академик П. Л. Капица, аналогична схеме воздушной машины с теплообменником. В отличие от предыдущей схемы здесь воздух, поступающий из детандера, охлаждает не камеру, а сжатый воздух, который после теплообменника ТО (точка 4) поступает в межтрубное пространство конденсатора. Температура воздуха, расширившегося в детандере с 0,6 до 0,1 МПа, составляет -180/-190 °С. Проходя вверх по трубкам конденсатора, холодный воздух низкого давления отбирает скрытую теплоту парообразования от воздуха высокого давления, который конденсируется при --173 °С (точка 8).

С температурой около --175о (точка 6) воздух низкого давления охлаждает в теплообменнике ТО сжатый воздух и выходит в атмосферу (точка 7). А жидкий воздух, поступающий из межтрубного пространства конденсатора, дросселируется в вентиле 1РВ до атмосферного давления (процесс 8--9) и через вентиль 2РВ сливается в сосуд Дьюара СД. Этот сосуд имеет двойные стенки, между которыми создается глубокий вакуум. Незначительный теплоприток позволяет длительное время сохранять в таком сосуде жидкий воздух. Испарение его очень мало. При дросселировании в вентиле 1РВ частично образуется пар, температура которого --194 °С (температура кипения при атмосферном давлении). Этот пар также поступает на охлаждение воздуха высокого давления.

Много интересных схем получения глубокого холода разработал крупный советский ученый С. Я. Герш.

К машинам с разомкнутым циклом относятся и машины для получения сухого льда: рис 7. Диоксид углерода С02 последовательно (в три ступени) сжимается компрессорами до 6--7 МПа и, охлаждаясь водой в конденсаторе, превращается в жидкость. При дросселировании этой жидкости до атмосферного давления образуется пар и твердый диоксид углерода («сухой лед»). Пар отсасывается компрессором первой ступени, а лед спрессовывают в блоки, вынимают из льдогенератора и отправляют в хранилища сухого льда.

Использование жидкого воздуха или сухого льда для охлаждения особенно выгодно там, где требуется эпизодическое охлаждение (при медицинских операциях, при испытании отдельных приборов и т. д.).

4. Воздушные холодильные машины нового поколения

Воздушные холодильные машины нового поколения предназначены для одновременного прямого получения в установке холодного и теплого воздушного потоков. Экологически безопасны. Удовлетворяют всем требованиям Монреальского и Киотского протоколов по защите окружающей среды: рис.8.

Эффективны для применения в морозильных аппаратах в пищевой (в том числе, при производстве мороженого) и рыбной промышленности, при низкотемпературной очистке вредных газообразных выбросов, охлаждении попутного и природного газа, в системах кондиционирования и теплоснабжения взрыво- и пожароопасных помещений, в криомедицине.

Рис.8. Воздушные холодильные машины нового поколения

Воздушная холодильная машина (ВХМ) представляет собой малоразмерную воздушную турбину, установленную на одном валу с тормозной газодувкой. За счет расширения воздуха в турбине происходит его охлаждение. Через систему трубопроводов холодный воздух подается потребителю. Газодувка обеспечивает забор атмосферного воздуха, его сжатие, нагрев и подачу.

Ротор турбины вращается на газовых подшипниках, применение которых полностью исключает загрязнение окружающей среды продуктами смазки.

Машина функционирует от пневмосети, воздух в которой осушен до точки росы -40⁰С и очищен от твердых частиц размером более15 мкм. Рабочее давление пневмосети - 4 атм.

Основные отличительные черты ВХМ по сравнению с традиционно используемыми системами охлаждения на основе парокомпрессионных установок и жидкого азота:

§ хладагент и хладоноситель - одна и та же среда - экологически безопасный атмосферный воздух

§ процесс охлаждения осуществляется при непосредственном контакте объекта с хладагентом

§ широкий диапазон получаемых температур: 0... -180^ОС

§ одновременное получение холодного и теплого потока воздуха

§ возможность реализации гибкого режима процесса охлаждения, в том числе высокоскоростного, что обеспечивает высокое качество замораживаемых продуктов

§ малые массогабаритные характеристики

§ удобство и надежность в эксплуатации, возможность длительного функционирования в непрерывном режиме

§ взрыво- и пожаробезопасность

§ не требует применения смазки и масла

Применение ВХМ по сравнению с парокомпрессионными установками становится экономически эффективным при охлаждении воздуха ниже -35^ОС.

На базе ВХМ Т-17/8 и Т-34/8 созданы турбоохлаждающие станции ТОС-17, ТОС-34.

Станции предназначены для комплектации скороморозильных аппаратов туннельного типа, используемых при шоковой заморозке рыбы производительностью 200 и 400 кг/час. Станции снабжены рекуперативными теплообменниками, запорной и регулирующей арматурой, фильтрами, контрольно-измерительными приборами.

5. Паровые холодильные машины

Паровые холодильные машины: рис.9 являются наиболее распространенным типом холодильных машин. Они применяются для получения искусственного холода в широком интервале температур: от 278 К (одноступенчатые холодильные машины) до 113 К

Рис.9. Паровая холодильная машина

Холодопроизводительность паровых холодильных машин охватывает диапазон от нескольких сот Ватт до нескольких тысяч кВатт. Главной отличительной особенностью паровых холодильных машин является то, что рабочее вещество в процессе совершения обратного кругового цикла меняет свое фазовое состояние и может находиться в состоянии насыщенной или «переохлажденной» жидкости, сухого, насыщенного, перегретого или влажного пара. Основными элементами паровой холодильной машины являются: компрессор, конденсатор, испаритель и устройство для расширения рабочего вещества. Для сжатия рабочего вещества в паровых холодильных машинах применяются различные типы компрессоров: поршневые, винтовые, центробежные, осевые и ротационные.

В качестве конденсатора и испарителя могут применяться теплообменные аппараты различного типа. Выбор цикла паровой холодильной машины зависит, прежде всего, от температуры источника низкой температуры и от температуры окружающей среды. Существенное влияние на цикл имеют тип компрессора и теплообменных аппаратов, рабочее вещество и схема холодильной машины.

6. Принцип работы паровой компрессорной холодильной машины

Насыщенный пар низкокипящей жидкости с давлением Р1, температурой Т1, степенью сухости Х1 всасывается компрессором Км адиабатно сжимается: рис.10. При сжатии давление и температура хладагента возрастают, пар перегревается. Из компрессора перегретый пар с давлением Р2 и температурой Т2 поступает в теплообменник Т, в котором теплота q1 самопроизвольно передаётся какому-либо теплоносителю.

Рис.10 Схема работы паровой компрессорной холодильной машины

Процесс отвода тепла идёт при постоянном давлении Р2, при этом температура уменьшается до температуры насыщения Тн, а пар изменяет состояние до степени сухости Х = 0. После теплообменника в дроссельном устройстве снижается температура хладагента до значения, меньшего температуры охлаждаемого тела. Давление рабочего тела дроссельным устройством снижается до давления Р4, что приводит к фазовому переходу хладагента: он начинает испарятся с увеличением степени сухости. Поскольку газообразная часть хладагента имеет температуру ниже его температуры инверсии, то при дросселирование температура пара снижается до Т4. Далее парожидкостная смесь поступает в испаритель И. В испарителе к хладагенту при постоянном давлении Р4 = Р1 подводится тепло q2 от охлаждаемого тела. Температура хладагента не изменяется (происходит фазовый переход - выкипает жидкая фаза во влажном паре) до состояния, когда степень сухости пара достигнет значения Х = 1. Образовавшийся пар вновь засасывается компрессором и цикл повторяется.

КПД паровой машины составляет примерно 45 %

Заключение

Мы выяснили, что потери энергии в компрессоре и детандере обуславливают низкую действительную экономичность воздушных холодильных установок. Основным достоинством воздушной холодильной машины является безвредность и доступность холодильного агента. А при применение быстроходных и турбодетандеров (расширителей) воздушные холодильные машины обретают компактность и небольшую массу.

Т.к. в паровой холодильной машине процессы испарения и конденсации хладагента происходят не только при постоянном давление, но и при постоянной температуре, паровые холодильные установки имеют более высокий, чем воздушные, холодильный коэффициент. Так же можно сказать, что т.к. теплоемкость паров значительно выше теплоемкости воздуха, то паровые холодильные установки имеют большую удельную холодопроизводительность и меньшие габаритные размеры. Однако, паровая холодильная машина так же имеет ряд недостатков, основными из которых являются возможность возникновения гидравлического удара в компрессоре и значительный теплообмен влажного пара со стенками компрессора и трубопроводов.

Литература

1. В.Д. Карминский Техническая термодинамика и теплотехника. 2005. - 7 с.

2. В.Г. Ерохин, М.Г. Маханько Основы термодинамики и теплотехники. 2008. - 10 с.

3. А.А. Гуржский Теплотехника. 2003. - 14 с.

4. А.В. Быков Холодильная техника. 1985. - 17с.

Размещено на Allbest.ru