15.2 Реальна каскадна холодильна машина.

Ця машина призначена для роботи при температурах кипіння від -70 до -90 °С. Пара робочої речовини виходить із випарника VІ в стані 8 і надходить у теплообмінник ІV, де перегрівається до температури -50 ÷ -30 °С (процес 8-9) за рахунок більш теплої рідини, що йде з конденсатора-випарника VІІ. Подальший перегрів пари до стану 1 (до температури -15÷0°С) відбувається в теплообміннику ІІІ за рахунок гарячої пари, що йде з компресора нижньої вітки каскаду. Цей перегрів веде до збільшення роботи компресора, але, з іншого боку, відбувається зменшення теплового потоку на конденсатор-випарник, що веде до деякого зниження Т₀^в й Т_к^н. Застосування теплообмінника ІІІ має сенс лише в тому випадку, якщо встановлено теплообмінник ІІ, що охолоджується водою. У противному випадку збільшується тепловий потік на конденсатор-випарник через збільшення роботи стиску при усмоктуванні більш перегрітої пари.

Перегрів пари робочої речовини в теплообміннику ІІІ поліпшує температурний режим роботи компресора, тому що усмоктування в компресор пари з низькою температурою може привести до температурних деформацій деталей компресора.

Доцільність теплообмінника ІV пояснюється тим, що в цьому теплообміннику за рахунок холодної пари охолоджується рідка робоча речовина перед дросельним вентилем, а це збільшує питому холодопродуктивність і скорочує необоротні втрати циклу. Правда, при наявності такого теплообмінника виникають деякі експлуатаційні труднощі, наприклад, скипання рідини від зіткнення з теплою парою, що йде з випарника в період пуску. Однак це явище істотно не збільшує періоди пуску.

Таким чином, виключити теплообмінник ІV зі схеми недоцільно. У верхній вітки каскаду застосовується хладон R22. Цей каскад являє собою одноступінчасту холодильну мешину з регенеративним теплообмінником. Для того щоб у період остановки тиск у машині нижньої вітки каскаду надмірно не підвищувався, у схемі передбачена розширювальна посудина XІІ.

Для кожного каскаду може бути використаний найбільш сприятливий для даного рівня температур випару й конденсації хладоагент із умови забезпечення економічної й надійної роботи установки. Холодоагенти можна підібрати таким чином, щоб у випарнику кожного щабля каскаду тиск Р₀ небагато перевищував 0,1 мПа, що виключить підсмоктування повітря в систему, а критична температура агента Т_кр значно перевищувала температуру конденсації, що знизить необоротні втрати в процесах стиску й дроселювання.

IX

13 12

VIII P

13

11 14 13 P_k^в; Т_к^в 12

X 10

14 Р₀^в; Т₀^в

15 10 11

XI VII

15 10 i

5 4 P

3

9 1 3 6 5 Р_к^н; Т_к^н 4 3 2 IV III II

9 8

Р₀^н; Т₀^н

5 6 2 7 8 9● 1

I

V VI S

7 8 1 XII

Рис. 15.2. Цикл і схема реальної каскадної холодильної машини.

Наприклад, в однокаскадній холодильній установці для одержання температури випару t₀ = - 100 °С можна застосувати як хлодоагент для нижнього ступіня каскаду етілен С₂Н₄ , у якого t_s = -104 °С і t_kp = 9,5°С, а для верхнього ступіня каскаду фреон R12, у якого t_s = - 30 °С і t_kp =112 °С.

У якості хладоагента для нижнього каскаду звичайно застосовують фреон R13, R14, R23, етан, етілен, діфторутілен і ін.

Верхній каскаду працює на аміаку, фреоні R12, R22, R115 і ін.

Основна перевага каскадних установок у порівнянні з багато- ступінчастими компресійними полягає в можливості роботи в більших інтервалах температур. Ці інтервали для компресійних установок, що працюють на одному хладоагенте у всіх ступінях, обмежені інтервалом між критичною й нормальною температурами t_kp - t_s, що для переважної більшості холодоагентів не перевищує 80-40 °С.

За допомогою каскадних установок можна здійснювати теплопідйом, значно перевищуючий цей інтервал.

Разом з тим використання каскадних установок обмежено зниженням їхньої ефективності при низьких Т₀, за рахунок виникнення додаткових втрат енергії.

Перша із цих втрат пов'язана з необоротністю теплообміну між ступенями каскаду, що виникають у випарнику-конденсаторі. Чим більше каскадів і чим нижче температури, при яких відбувається теплообмін, тим більше за інших рівних умов ці втрати.

Друга втрата визначається зниженням ККД компресорів нижніх ступенів каскаду при роботі в умовах низьких температур. У цих умовах тепло, яке виділяється при стиску, не відводиться назовні, а навпроти, тепло з навколишнього середовища проникає в компресор.

Як видно з рис. 15.2, схема каскадної холодильної машини складніше, ніж розглянуті раніше схеми двоступінчастих машин. Складність схеми й наявність конденсатора-випарника є недостатком каскадних холодильних машин: з одного боку, конденсатор-випарник значно збільшує вартість машини, а з іншої, як ми вже відзначали раніше, через наявність необоротності в процесі теплообміну знижується коефіцієнт оборотності циклу, тобто ростуть експлуатаційні витрати. Тепловий розрахунок каскадної холодильної машини складається з розрахунків машин нижньої й верхньої вітки каскаду, тобто це розрахунок одне- або двоступінчастих машин, які вже розглядалися раніше.