3. Классификация холодильных машин.

Холодильные машины ХМ и тепловые насосы ТН являются машинами, в которых реализуются обратные термодинамические циклы. В результате чего осуществляется перенос энергии, теплоты от менее нагретых тел к более нагретым. С помощью ХМ теплоту отводят от тел, имеющих температуру ниже температуры окружающей среды, производя, таким образом, искусственное охлаждение. С помощью ТН теплоту, отведенную от тел, имеющих температуру близкую к температуре окружающей среды, ее используют для отопления, ГВС.

Термодинамические циклы ХМ и ТН во многом сходны, отличаются главным образом температурами уравнениями источников теплоты. Конструкции этих машин также близки.

Признаки классификации:

1. В зависимости от вида физического процесса, в результате которого получают холод, ХМ различают на следующие типы:

• использующие фазовый переход рабочего тела РТ из жидкого и газообразного состояния (парокомпрессионные, эжекторные, абсорбционные ХМ);

• использующие процесс расширения воздуха с производством внешней работы (воздушные, детандерные ХМ);

• использующие процесс расширения воздуха без производства внешней работы (воздушные, вихревые);

• использующие эффект Пельтье (термоэлектрические);

2. В зависимости от вида используемой энергии:

• ХМ, использующие механическую энергию (компрессионные);

• теплоиспользующие (эжекторные, абсорбционные, компрессионные с приводом от турбины);

• использующие непосредственно электроэнергию;

3. В зависимости от холодопроизводительности ХМ подразделяют на 3 группы:

• малые, до 15 кВт (производительность);

• средние, 15 – 120 кВт;

• крупные >120 кВт;

4. В зависимости от температурного уровня, с которого осуществляется отвод теплоты, ХМ подразделяют:

• низкотемпературные (теплота отводится при температуре ниже -30 ⁰С);

• среднетемпературные ( -30 ÷ -10 ⁰С);

• высокотемпературные ( -30 ÷ -10 ⁰С);

5. В зависимости от схемы и вида термодинамического цикла различают:

• одноступенчатые;

• двухступенчатые;

• многоступенчатые;

• каскадные;

6. В зависимости от назначения:

• универсальные;

• специальные;

7. В зависимости от используемого рабочего тела:

• аммиачные;

• хладоновые;

• пропановые;

• этановые;

• воздушные;

• пароводяные;

• водоаммиачные;

• бромистолитиевые;

• другие;

Подавляющие большинство действующих ХМ представляют собой парокомпрессионные ХМ, которые в зависимости от типа используемого компрессора подразделяются на поршневые, роторные (ротационные): пластинчатые и катящимся ротором, вихревые и центробежные.

4. Работа одноступенчатой парокомпрессорной холодильной машины. Схема парокомпрессорной холодильной установки.

I. Цикл реальной ХМ отличается от теоретического цикла. В действительной ХМ вместо расширительного цилиндра устанавливается дроссельный или регулировочный вентиль. Причины:

1. В расширительный цилиндр поступает жидкость, объем которой мал, поэтому размеры расширительного цилиндра должны быть весьма малы, поэтому конструктивно расширительный цилиндр часто трудно выполнить;

2. В РЦ получаем энергию во вне, то имеются механические потери, величина которых сопоставима с размерами получаемой энергии;

3. Регулировочный вентиль значительно упрощает регулировку машины. Введение регулирующего вентиля ведет к появлению дроссельных потерь. У дроссельных потерь:

   1. уменьшается удельная массовая холодопроизводительность;

   2. затрачиваемая работа на осуществления цикла увеличилась настолько, насколько уменьшается удельная массовая холодопроизводительность;

Таким образом, ХМ несет двойные потери: потери холодопроизводительности и потери работы.

II. Введение переохлаждающегося рабочего тела. Для уменьшения дроссельных потерь после конденсатора производят охлаждение рабочего тела до более низкой температуры, чем температура конденсации. Это охлаждение происходит при постоянном давлении конденсации.

Переохлаждение (3-3’) увеличивает холодопроизводительность, в испаритель поступает более влажный пар. Охлаждение жидкого рабочего тела после конденсатора очень выгодно для тех рабочих тел, у которых нижняя пограничная кривая имеет пологий характер.

III. Переход на сухой ход. В действительном цикле в компрессор засасывается не влажный, а сухой пар. Для этого в установку включают специальный аппарат - отделитель жидкости.

Отделитель жидкости работает на основании изменения направления движения потока изменения скорости (0,8 м/с после 15 м/с в трубопроводе):

1. переход на сухой ход ведет к изменению холодопроизводительности;

2. увеличиваются и затраты теплоты;

3. переход с сухому ходу по сравнению с влажным теоретически невыгоден, так как затраты работы получаются больше. Однако в действительных условиях работы на сухом ходе и даже на перегретом более выгодны, так как получается большая производительность компрессора, и избегают возможности гидравлических ударов.

Цикл действительной одноступенчатой парокомпрессионной ХМ.

t_к=t₀+(5-10) ⁰C NH₃

t_к=t₀+(5-10) ⁰C хладоновые машины.

Зная температуру всаса:

1 – на входе в компрессор

1-2 – сжатие в одноступенчатом компрессоре

2-2’-3 – в конденсаторе

сбив перегрева

3-3’ – в переохладителе

3’-4 – дросселирование.

Работа на перегретом паре ведет увеличению удельной холодопроизводительности, но одновременно возрастают работы на сжатие.

5. Схема простейшей абсорбционной холодильной машины.

Работа АХМ отличается от компрессионных тем, что отвод теплоты от охлаждаемого тела к окружающей среде осуществляется путем затраты внешней энергии в виде теплоты, а не механической работы. В качестве рабочего тела здесь применяют растворы, как правило, они состоят из двух компонентов – бинарные растворы. Бинарный раствор состоит их двух компонентов имеющих различные нормальные температуры кипения. Низкокипящее вещество является хладагентом, а высококипящее – абсорбентом (поглотителем).

Требования к абсорбентам:

1. он должен хорошо растворять пары хладагента;

2. температура кипения абсорбента должна быть значительно выше температуры кипения хладагента при том же давлении;

3. бинарный раствор должен быть не ядовит, не горюч, не взрывоопасен, не должен вызывать коррозию металла.

Функциональная схема простейшей абсорбционной ХМ.

В испарителе к хладагенту подводится теплота Q₀, в резхладагента поступает в абсорбер и поглощается абсорбентом. Процесс абсорбции сопровождается выделением теплоты Q_аб, которая отводится к окружающей среде при температуре t_о.с. Из абсорбера раствор подается насосом в генератор Г, где давление р_г. В генераторе хладагент выкипает из раствора при температуре Т_о.с и давлении р_г вследствие подвода теплоты из вне Q_г. Пар хладагента поступает в конденсатор, где конденсируется при температуре t_к и давлении р_к. В результате отвода теплоты Q_к жидкий хладагент из конденсатора через детандер (расширительный цилиндр) Д₁ поступает в испаритель, абсорбент через детандер Д₂ поступает в абсорбер.

Таким образом, в абсорбционной машине, как и в парокомпрессионной низкая температура получается в результате кипения хладагента, поступающего в испаритель через детандер из конденсатора. Однако здесь хладагент подается из испарителя в конденсатор посредством абсорбции и выпаривания, а для осуществления последнего требуется подвод внешней теплоты. Идеализация рассматриваемой абсорбционной ХМ состоит в следующем:

1. в генераторе раствор полностью разделяется на хладагент и абсорбент;

2. в генераторе, конденсаторе, испарителе и абсорбере процессы осуществляются при постоянной температуре без внешних и внутренних потерь от необратимости;

3. работа, подводимая к насосу, подающему раствор в генератор, равна работе, отводимой от детандеров, так как объемные подачи веществ и разности давлений равны.

Тепловой баланс такой ХМ определяется уравнением:

Q₀+Q_г=Q_k+Q_аб

Эффективность действия такой АХМ определяется тепловым коэффициентом:

.

АХМ можно рассматривать как систему, в которой совершаются прямой и обратный циклы. В прямом в результате переноса теплоты от источника с высокой температурой Т_г с окружающей средой производится работа, а в обратном цикле эта работа затрачивается на перенос теплоты от источника с низкой температурой Т_о к окружающей среде.

Эффективность прямого обратимого цикла оценивается термическим коэффициентом:

.

Эффективность обратного цикла – холодильным коэффициентом:

,

тогда тепловой коэффициент будет равен

.

Термодинамическая эффективность АХМ ниже, чем у компрессионной.