3.1. ГАЗОВЫЕ И ВИХРЕВЫЕ ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ
Холодильной машиной называют комплект оборудования, необходимый для осуществления холодильного цикла.
В зависимости от вида физического процесса, в результате которого получают холод, холодильные машины подразделяют на следующие типы: использующие процесс расширения воздуха (газовые, вихревые); использующие фазовый переход рабочего тела из жидкого в газообразное состояние (компрессионные паровые, абсорбционные, сорбционные, пароэжекторные).
В зависимости от вида потребляемой энергии различают холодильные машины на механической энергии (компрессионные паровые, газовые), теплоиспользующие (пароэжекторные, абсорбционные и сорбционные).
К холодильным машинам можно также отнести воздушные детандерные, использующие процесс расширения воздуха с производством внешней работы, и безмашинные термоэлектрические, потребляющие непосредственно электроэнергию на основе эффекта Пельтье. Холодильные машины подразделяют и по другим типам.
В газовых холодильных машинах холодильными агентами являются газообразные вещества, агрегатное состояние которых не изменяется при совершении цикла, в основном воздух; поэтому их называют воздушными холодильными машинами.
Первые воздушные холодильные машины появились 100 лет назад. Однако тогда они не получили широкого распространения и были вытеснены с рынка парокомпрессионными, так как удельная массовая холодопроизводительность воздуха значительно меньше, чем кипящего холодильного агента в цикле паровой холодильной машины. При использовании воздушных холодильных машин требуется большая массовая подача холодильного агента, поэтому только по мере развития газотурбинной и особенно турбореактивной техники удалось создать воздушные турбохолодильные машины, близкие по экономичности в области относительно низких температур (от -80 до -120°С) к парокомпрессионным. Функциональная схема и идеальный цикл воздушной холодильной машины в S–T-диаграмме изображены на рис. 9.
Рис. 9. Функциональная схема воздушной холодильной машины и цикл ее работы:
а – схема машины; б – диаграмма работы машины
Воздух в компрессоре адиабатически сжимается от давления Р1 до Р2 (процесс 1–2), нагреваясь при этом от температуры T1 равной температуре охлаждаемого тела Т0, до Т2. Далее воздух охлаждается в теплообменнике Т0 от температуры Т2 до Т3 (процесс 2–3), равной температуре охлаждающей среды Тос, отдавая поглощенную теплоту внешней среде, например воде. После этого воздух адиабатически расширяется в детандере Д от давления Р2 до Р1 (процесс 3–4), совершая полезную работу, и поступает в охлаждаемый объект 0б, где нагревается от температуры Т4 до T1 (процесс 4–1), отводя теплоту от охлаждаемого тела, например воздуха. Из охлаждаемого объекта воздух поступает в компрессор, и цикл повторяется.
Если допустить, что воздух является идеальным газом, т.е. Ср = const, и представить для адиабатических процессов сжатия и расширения воздуха отношение температур в виде
T2/T1 = Т3/Т4 = (Р2/Р1)(n – 1) / n, (26)
где n – показатель адиабаты, холодильный коэффициент цикла:
ε=Т1 /(Т2-Т1) = Т4 /(Т3-Т4). (27)
Коэффициент обратимости цикла
h = ε/ε обр, (28)
где ε обр – холодильный коэффициент обратимого цикла Карно.
Цикл воздушной холодильной машины имеет большие необратимые потери, поэтому термодинамически он целесообразен, если машина осуществляет комбинированный цикл, охлаждая и нагревая одновременно.
В воздушных холодильных машинах типа ТХМ, разработанных в нашей стране, охлаждение происходит благодаря расширению воздуха в расширительной машине – детандере с производством внешней полезной работы. Такие машины имеют холодопроизводительность 30–60 кВт и более и используются для быстрого замораживания эндокринного сырья (желез внутренней секреции, направляемых на медицинские цели), некоторых видов продуктов растительного происхождения (плодов, овощей, ягод), кулинарных изделий.
Машины вихревого типа представляют собой цилиндрическую трубу, разделенную диафрагмой на холодную и горячую части.
С термодинамической точки зрения процессы, протекающие в вихревой трубе, сводятся к тому, что слои воздуха, вращающиеся вблизи оси, отдают кинетическую энергию остальной (периферийной) массе воздуха и при этом охлаждаются. Другая же часть воздуха воспринимает эту энергию и нагревается в результате трения, на преодоление которого затрачивается значительная часть кинетической энергии.
Термодинамическое совершенство воздушных холодильных машин вихревого типа не превышает нескольких процентов и зависит от использования теплоты потока воздуха, выходящего из горячей части вихревой трубы. Если эта теплота утилизируется, то общая эффективность повышается. Вихревые трубы просты в изготовлении и эксплуатации, компактны и высоконадежны. Однако область их использования ограничена вследствие низкой экономичности термодинамических процессов.
3.2. КОМПРЕССИОННЫЕ ПАРОВЫЕ ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ
Подавляющее большинство действующих холодильных машин – парокомпрессионные, которые в зависимости от типа используемого компрессора подразделяют на поршневые, центробежные, винтовые и ротационные. Для обеспечения требуемых температур кипения и конденсации рабочего тела используют одноступенчатые, многоступенчатые и каскадные компрессионные паровые холодильные машины.
Функциональные схемы паровой одноступенчатой холодильной машины с детандером и дросселем и их циклы, а также принципиальная схема многоступенчатых парокомпрессионных машин и их цикл были рассмотрены выше. Также было дано описание Циклов в парокомпрессионных холодильных машинах.
Для реализации цикла в комплект компрессионной паровой холодильной машины входят компрессор, конденсатор, испаритель, теплообменник, приборы автоматики, пускозащитная электроаппаратура, монтажные трубопроводы и другие элементы.
Наиболее широко распространены компрессионные паровые холодильные машины с поршневыми компрессорами, обладающие наиболее высокими по сравнению с машинами других типов энергетическими коэффициентами, способностью работать при более высоком отношении давлений конденсации и кипения. Однако они менее надежны, чем машины с центробежными и винтовыми компрессорами. Это машины средней холодопроизводительности. Их используют в рассольных системах охлаждения, но можно применять и в системе непосредственного охлаждения, как и машины малой холодопроизводительности.
Холодильные машины с центробежными компрессорами имеют низкую энергетическую эффективность при небольшой холодопроизводительности (менее 700 кВт), поэтому используются при повышенной холодопроизводительности.
Холодильные машины с винтовыми маслозаполненными компрессорами высоконадежны, имеют удовлетворительные энергетические показатели при производительности, превосходящей верхний предел эффективности холодильных машин с поршневыми компрессорами. Несмотря на основной недостаток – наличие металлоемкой масляной системы, холодильные машины с винтовыми компрессорами получили большое распространение.
Холодильные машины с ротационными пластинчатыми компрессорами отличаются простотой устройства, изготовления и эксплуатации, большей уравновешенностью, чем
поршневые, так как в них нет деталей, совершающих возвратно-поступательное движение, нечувствительностью компрессора к гидравлическим ударам. Однако они имеют недостатки: значительные потери на трение, повышенный шум. При холодопроизводительности от нескольких сот ватт до нескольких киловатт сравнимы с показателями холодильных машин с поршневыми компрессорами.
3.3. АБСОРБЦИОННЫЕ И СОРБЦИОННЫЕ ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ
Абсорбционные и сорбционные холодильные машины отличаются от компрессионных тем, что в них отвод теплоты от охлаждаемого объекта к окружающей среде осуществляется путем затраты внешней энергии в виде теплоты, а не работы.
В абсорбционных холодильных машинах циркулирует рабочее тело, представляющее собой бинарный раствор веществ, имеющих различные нормальные температуры кипения. Низкокипящее вещество выполняет роль холодильного агента, а высококипящее – абсорбента (поглотителя).
Бинарные растворы, используемые наиболее широко, – это аммиак – вода и вода – бромид лития. Причем аммиак в первом растворе и вода во втором являются холодильными агентами. Водоаммиачные машины используют для получения относительно низких температур (до -70°С), а бромистолитиевые – для более высоких. Теплоиспользующие абсорбционные холодильные машины перспективны с точки зрения экономии топливно-энергетических ресурсов, поскольку позволяют использовать вторичные ресурсы (отходящие газы, отработанный пар, горячую воду), теплоту ТЭЦ в неотопительный период. С точки зрения экологии также есть положительные моменты: эти машины позволяют избежать применения в качестве хладагентов хлорфторуглеводородов, отрицательно воздействующих на озоновый слой атмосферы, а также выбросов машинного масла в окружающую среду.
Однако абсорбционные холодильные машины работают при температуре греющего источника 70–180 °С (чаще 155–180 °С), поэтому диапазон температур до 70 °С не реализуется и соответственно теплота часто просто сбрасывается в атмосферу. В этом диапазоне могут работать сорбционные холодильные машины, к которым подводится теплота низкого уровня температур, а запасы тепловой энергии в указанном температурном диапазоне огромны.
В сорбционных холодильных машинах используют рабочие смеси, обладающие эффектом не только сорбции, но и полной взаимной растворимости компонентов. Сорбционные холодильные машины (СХМ) не имеют конкурентов в выработке холода от теплоты низкого потенциала, начиная с температуры, превышающей всего на 10–15 °С температуру среды, охлаждающей конденсатор. Рабочими веществами таких машин могут быть ацетон (50 %) и пропанбутановая смесь техническая зимняя (50 %), а также водные растворы роданида аммония и др. С помощью СХМ возможно получение холода на уровне -30 °С при тепловом коэффициенте от 5 до 10 % и выше.
Область применения СХМ – бытовые холодильники и кондиционеры, автомобильный транспорт, выбрасывающий в окружающую среду большое количество теплоты на уровне температур выше 70 °С.
В бытовых холодильниках и кондиционерах может быть использована энергия солнечного излучения, полученная с помощью солнечных коллекторов. СХМ, установленные на холодильниках агропромышленного комплекса и торговли, позволяют дополнительно вырабатывать холод за счет использования теплоты перегрева паров хладагента и теплоты охлаждающего масла винтовых компрессоров. Холодопроизводительность СХМ составляет порядка 1 кВт.
3.4. ПАРОЭЖЕКТОРНЫЕ ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ
Пароэжекторные холодильные машины относятся к группе теплоиспользующих. В них осуществляются одновременно два цикла: прямой (силовой), в котором теплота
превращается в механическую работу, и обратный (холодильный), в котором эта механическая работа используется для получения холода. В качестве рабочих тел в пароэжекторных холодильных машинах могут быть использованы вода, аммиак и хладоны. Однако практически применяют чаще всего пароводяные эжекторные холодильные машины, в которых рабочим телом и одновременно хладоносителем служит вода.
Пароводяные эжекторные холодильные машины работают при температуре кипения выше 0°С. В них охлаждают воду для установок кондиционирования воздуха и производственно-технологических нужд. Холодильный цикл протекает при давлении ниже атмосферного, температура кипения рабочей воды обычно 2–15 °С, что соответствует остаточному давлению в испарителе 700–1700 Па. Показатель μ современных пароэжекторных холодильных машин в зависимости от условий работы и конструкции составляет 0,14–0,18.
Машины обычно выполняют в виде агрегатов, включающих теплообменные аппараты, эжекторы и внутримашинный трубопровод с запорной, регулирующей и защитной арматурами. Агрегатированные пароэжекторные холодильные машины имеют холодопроизводительность от 200 до 2000 кВт.
