Вопрос 3. Процессы в холодильных машинах

Для искусственного охлаждения газов применяют следующие холодильные машины: паро- и газокомпрессионные, абсорбцион­ные, пароводяные, эжекторные и термоэлектрические.

В холодильных машинах продукты могут охлаждаться непос­редственно хладагентом либо при помощи промежуточных хладоносителей, которые отводят теплоту от объектов охлаждения, на­ходящихся вне холодильной машины, и отдают ее хладагенту.

При использовании хладоносителей испаритель холодильной машины размещают в емкости, заполненной хладоносителем-рассолом. В результате испарения хладагента рассол охлаждается до заданной температуры и насосом подается в общий трубопровод, из которого насосом распределяется по охлаждающим элементам холодильника. Отработанный рассол собирается в общий трубо­провод и вновь поступает на охлаждение в емкость.

Для охлаждения до температур не ниже —15 °С используют ра­створ хлорида натрия.

Парокомпрессионные машины.Принцип действия этих машин основан на сжатии хладагента компрессором и конденсации сжа­того газа.

В холодильных машинах, работающих с аммиаком и хладонами, не требуется создавать высокие давления. В отличие от аммиака хладоны не имеют раздражающего носоглотку запаха и взрывобезопасны. Такие машины применяют для охлаждения до —80 °С.

Схема парокомпрессионной машины представлена на рис. 4. Она состоит из компрессора Км, конденсатора, дросселирующего вентиля В, испарителя И. Хладагент, циркулирующий в машине (рис.5), сжимается компрессором до рабочего давления по адиа­бате 1—2 до состояния насыщения и конденсируется при темпера­туре Т в конденсаторе (линия 2—3), который охлаждается водой. Вода при этом отводит от хладагента теплоту Q= Q₀ + L. После пе­реохлаждения (линия 3—3') образовавшаяся жидкость поступает в дросселирующий вентиль, где дросселируется по изоэнтальпе (3—4 или У—4, если отсутствует переохлаждение) и испаряется затем в испарителе при температуре Т₀ (линия 4—1) за счет теплоты Q₀, от­нимаемой от охлаждаемого объекта. Переохлаждение хладагента способствует увеличению отводимой теплоты Q₀.

Рис.4. Схема парокомпрессионной холодильной машины:

Км — компрессор; К— конденсатор; В— дросселирующий вентиль; И— испаритель (состояние хладагента в точках 1...4 отображе­но на рис. 5 и рис. 6)

Выше был описан процесс со сжатием в компрессоре влажного пара, но в большинстве случаев холодильные машины работают со сжатием сухого пара (рис.6). Процесс адиабатического сжатия пара в компрессоре отражается линией 1—2. Затем следуют охлаж­дение перегретого пара до состояния насыщения по изобаре 2—2', конденсация при температуре Т по изотерме 7—3', переохлажде­ние З'—З, дросселирование по изоэнтальпе 3—4 и испарение по изотерме 4—1.

Рис.5. Цикл паракомпрессионной холодильной машины со сжатием влажного газа в компрессоре

 

Рис.6. Цикл паракомпрессионной холодильной машины со сжатием сухого пара

Из сопоставления приведенных циклов работы парокомпрессионных машин следует, что термодинамический цикл с влажным паром ближе к циклу Карно и холодильный коэффициент для него выше. Однако при сжатии влажного пара в компрессоре воз­никает опасность гидравлического удара и снижается коэффици­ент подачи компрессора, что делает такой цикл менее выгодным по сравнению с циклом сжатия сухого пара. Коэффициент подачи компрессора, зависящий от степени сжатия р/р₀, определяют на основании экспериментальных данных.

Удельную холодопроизводительность (кДж/кг) можно опреде­лить из рис. 6:

 

(12)

 

а массовый расход циркулирующего в холодильной машине хлад­агента (кг/с) — по формуле

 

(13)

 

Холодильный коэффициент

Рис.7. Схема газокомпрессионной холодильной машины:

 

точкам на диаграмме Т-s (см.рис.2)

 

Рис.8. Цикл газокомпрессионной холодильной машины

 

Рис.9. Схема абсорбционной холодильной машины:

 

охлаждается водой в холодильнике от температуры Т₂ до Т₃ по изобаре 2—3, охлажденный воздух расширяется адиабатически в детандере, при этом его температура снижается до Т₄. Из детанде­ра воздух поступает в теплообменник, в котором отнимает на низ­шем температурном уровне теплоту при постоянном давлении по изобаре 4—1. Эти машины характеризуются повышенным расхо­дом энергии, их применяют только для создания температур ниже-100 °С.

Абсорбционные холодильные машины.В этих машинах хладаген­том служит водоаммиачный раствор. Их применяют для охлажде­ния до —60 °С.

Машина состоит из кипятильника 1, который обогревается во­дяным паром, конденсатора 2, охлаждаемого водой, дросселирую­щих вентилей 3, 8, испарителя 4, абсорбера 5, теплообменника 7 и насоса 6 (рис.9). В кипятильнике из водоаммиачного раствора при нагревании выделяется большая часть газообразного аммиака, который под избыточным давлением поступает в конденсатор, где охлаждается водой и конденсируется при высокой температуре Т. При конденсации аммиак отдает теплоту Q охлаждающей воде. Сжиженный аммиак дросселируется в дросселирующем вентиле 3 (при этом его давление снижается) и испаряется в испарителе 4, отнимая теплоту от охлаждаемой среды на низком уровне Т₀. Пос­ле испарителя газообразный аммиак поступает в абсорбер, охлаж­дается и абсорбируется водой. Полученный высококонцентриро­ванный раствор подается насосом в теплообменник, где нагрева­ется, и затем в кипятильник. Неиспарившаяся часть аммиака (20 %) подается в теплообменник и затем через дроссельный вен­тиль поступает на орошение в абсорбер. В результате абсорбции газообразного аммиака, поступающего из испарителя, вновь полу­чают концентрированный водоаммиачный раствор, поступающий в кипятильник, и процесс повторяется. В абсорбционной холо­дильной машине функции компрессора выполняет термокомп­рессор, который состоит из кипятильника, абсорбера и теплооб­менника.

Количество циркулирующего в машине водоаммиачного ра­створа можно определить из уравнений материального баланса термокомпрессора:

 

(15)

 

(16)

 

 

 

Пароводяные эжекторные холодильные машины.Здесь хладагент сжимается в паровом эжекторе, а пар конденсируется в конденсато­рах смешения с водой или в поверхностных конденсаторах. Хладо-носителем здесь служат рассол или чистая вода. При помощи рас­солов продукт охлаждается до —15 °С, а с помощью воды — до 5 °С.

Схема пароводяной эжекторной холодильной машины приве­дена на рис. 10. Водяной пар высокого давления, поступающий в эжектор 2, отсасывает пар из испарителя 1. В результате этого давление в испарителе снижается до 250...500 Па и циркулирую­щий рассол охлаждается до -10...+15 "С. Охлажденный рассол от­качивается насосом 5 и направляется на охлаждение объектов. Во­дяной пар из эжектора поступает в конденсатор смешения 3, где конденсируется и отводится в виде конденсата мокровоздушным насосом 4.

У пароводяных эжекторных холодильных машин, работающих на воде, высокий холодильный коэффициент благодаря неболь­шой разности температурных уровней. Такие машины просты, на­дежны, компактны и удобны в эксплуатации.

 

Рис.10. Схема пароводяной эжекторной холодильной машины:

1-испаритель; 2-эжектор; 3-конденсатор смешения; 4,5-насосы