Питання для самоконтрою
1. Фактори, які є причиною переходу до багатоступінчастого стиску.
2. Цикли двоступінчастих холодильних машин.
Лекція 15 цикли каскадних холодильних машин
Для одержання низьких температур ( t0 < - 70 0C ) кипіння холодо- агенту застосовують каскадний цикл, з послідовним включенням двох або більше холодильних машин. У цьому випадку випарник кожної наступної установки є конденсатором попередньої. Використовувати багатоступінчасті холодильні машини для одержання низьких температур недоцільно, навіть неможливо, по причині глибокого вакууму й можливості затвердіння робочого тіла при заданій температурі кипіння. Крім цього, у агентів високого тиску низькі критичні температури, що утрудняє процес конденсації холодоагента. Оскільки холодильні цикли низького й високого ступіня відбуваються окремо, у каскадній машині можна застосовувати різні робочі речовини: у нижньому каскаді застосовують холодильний агент із низькою температурою затвердіння, у верхньому – холодильні агенти, які звичайно використовують в одноступінчастих машинах.
15.1 Найпростіша каскадна холодильна машина.
Схема й цикл такої холодильної машини показані на рис. 15.1. Машина складається із двох одноступінчастих машин, які називаються нижньою й верхньою віткою каскаду. У нижній вітці каскаду використовується робоча речовина високого тиску, що, одержуючи теплоту у випарнику VІІ від джерела низької температури, кипить (процес 4-1), пара стискується в компресорі І (процес 1-2), охолоджується й конденсується в конденсаторі-випарнику V (процес 2-3), а потім дроселюється в дросельному вентилі VІ (процес 3-4). Теплота конденсації робочої речовини нижньої вітки каскаду відбирається робочою речовиною холодильної машини верхньої вітки каскаду - як правило, ця робоча речовина середнього тиску, що кипить у конденсаторі-випарнику. Пара робочої речовини верхньої вітки каскаду стискується компресором ІІ (процес 5-6), потім робоча речовина верхньої вітки каскаду направляється в конденсатор ІІІ (процес 6-7), дроселюється в дросельному вентилі ІV (процес 7-8) і надходить у конденсатор-випарник. Таким чином, рабоча речовина в машині нижньої вітки каскаду робить цикл І-2-3-4, а в машині верхньої вітки каскаду – цикл 5-6-7-8, і ці машини поєднуються конденсатором-випарником.
III
7 6
T 6
IV II
8
V 7 2
5 3
3 2
8 5
3 2
VI I
4 1
4 4 1 1
VII VIII S
Рис. 15.1. Схема і цикл найпростішої каскадної холодильної машини.
Як правило, робочою речовиною нижньої вітки каскаду є R13, тому під час стоянки машини, коли температура усіх її частин зрівнюється з температурою навколишнього середовища, значно підвищується тиск у всіх елементах машини (при 25 0С тиск насичених пар R13 становить 3,62 мПа).
Для запобігання від надмірного підвищення тиску в холодильній машині нижньої вітки каскаду до системи підключають розширювальну посудину VІІІ, розраховану так, щоб при зупинці машини тиск у всіх елементах машини не перевищував розрахункового граничного значення.
Порівнюючи ефективність каскадних і двоступінчастих холодильних машин, слід зазначити, що якби в обох вітках каскаду циркулювала та сама робоча речовина, а перепад температур становив би Тн - Т0в = 0 (це можливо тільки при нескінченно великій поверхні теплообміну конденсатора-випарника), то така каскадная машина була б термодинамічно рівноцінна двоступінчастой.
При наявності кінцевої різниці температур у конденсаторі-випарнику (звичайно 5-10 °С) холодильний коефіцієнт каскадної машини завжди нижче, ніж двоступінчастої, тому що процес теплообміну в цьому випадку приводить до необоротних втрат.