6. Холодильныемашины, использующиепроцессрасширениягаза

Холодильныемашины,использующиепроцессырасширениягаза,от-личаютсябольшимразнообразиемсхем,конструкцийиобратныхтермодина-мическихциклов,совершаемыхрабочимтелом.Вбольшинствеслучаеввтакихмашинахрабочеетело,совершаяцикл,непретерпеваетфазовыхпревращений.Такиемашиныназываютсягазовымихолодильнымимашинами(ГХМ).Вза-висимостиотцелевогоназначенияГХМделятсянамашиныдляохлажденияпотребителяхолодаиожижительные.ЦельработыожижительныхГХМ-конденсациярабочеготела,какправило,низкотемпературногогаза(азота,кис-лорода,гелияидр.).Частотакиемашиныработаютвсоставегазоразделитель-ныхустановок,гденизкотемпературныегазовыесмесиразделяютсяметодомректификации.

Газовая холодильнаямашина,использующая процессизоэнтропногорасширения газа.

Изоэнтропноерасширениегазадостаточноширокоиспользуетсявраз-личныхтипахГХМ.Здесьвкачествепримерарассматриваетсямашина,рабо-тающаяпоциклуЛоренца.

Вгазовойхолодильноймашинепроисходятследующиепроцессы:1-2–изоэнтропноерасширениегазаврасширительноймашинеРМ_S;

2-3–изобарныйнагревгазавтеплообменникехолодногоисточникаТХИсот-

боромтелаотхолодногоисточника(отпотребителяхолода)–холодопроизво-дящийпроцесс;

3-4–изоэнтропноесжатиегазавкомпрессореКМ_S;

4-1–изобарноеохлаждениегазавтеплообменникегорячегоисточникаТГИсотводомтеплагорячемуисточнику.

а) ^qг

ГИ

б) _{T 4}

1

_РМS 2

ХИ

ТГИ

lрмq_x

ТХИ

lкм4

КМ_S

3

1

3

р₁

_р2 2

^a б _S

Рис.2.31. Схемаицикл газовойхолодильноймашины,работающейпоциклуЛоренца.

Удельная холодопроизводительность холодильной машиныопределяется

q_x C_pT3 T₂

i₃ i_2;

играфическиизображается(рис. 2.31б)площадкойа23б.

ВкачестверабочеготелавГХМ,работающихпоциклуЛоренца,обыч-ноприменяютвоздух.Вкачествегорячегоисточникавэтомслучаевыступаетокружающаяатмосфера,котораяодновременноберетнасебяфункциитепло-обменникагорячегоисточника.ТогдаТГИвГХМнеустанавливаетсяисхемамашиныитермодинамическийциклполучаютсяразомкнутыми.

ТакиеГХМназываютсявоздушнымихолодильнымимашинамииис-пользуютсядляполученияхолодастемпературнымуровнем-70…-120ºС.

Газовая холодильнаямашина,использующая процессдросселирования.

Дросселированиегазаижидкостиширокоиспользуетсявразличныхтипаххолодильныхмашин.ВсхемахГХМтакжеиспользуетсяпроцессдроссе-лированиягаза.Здесьвкачествепримерарассматриваетсямашина,работаю-щаяпоциклуЛинде.

Вгазовойхолодильноймашинепроисходятследующиепроцессы:1-2–изоэнтальпныйпроцессдросселирования;

2-3–кипениерабочеготелавтеплообменникехолодногоисточникаТХИ

сотборомтеплаq_{хот потребителя}холода;

3-4–изобарныйнагревврекуперативномтеплообменникеРТО;4-5–изоэнтропноесжатиевкомпрессорноймашинеКМ_S;

5-6–изобарноеохлаждениевтеплообменникегорячегоисточникаТГИсотво-домтеплаq_г;

6-1–изобарноеохлаждениевРТО.

а)

ГИ

6

4

РТО

q_г

ТГИ

б)

Т

lкм5

5

^Тг^=То.с. _{6 4}

₁ 3

ДР

2 _qx

ХИ

ТХИ

КМ_S

Т_х

р₁

р₃

₁ кр.т

₂ 3

S

Рис.2.32. Схемаицикл газовойхолодильноймашины,работающейпоциклуЛинде.

Холодильнаямашина,работающаяпоциклуЛинде,являетсяожижи-тельнойГХМ.Наизображенияхцикловожижительныххолодильныхмашинпроцессы4-5и5-6обычнозаменяютизотермическимсжатием4-6визотерми-ческомкомпрессоре.Вэтомслучаенасхемахвместоизоэнтропногокомпрес-сораКМ_SитеплообменникагорячегоисточникаТГИизображаетсяизотерми-ческийкомпрессор.Вкачествегорячегоисточниказдесь,какправило,высту-паетокружающаясредастемпературойТ_о.с.

ДаннаяГХМбылаизобретенаииспользованав1895г.КарломЛинде

дляполученияжидкоговоздуха.Причемвпервыенизкотемпературныегазы,входящиевсоставвоздуха,здесьсжижалисьпромышленнымспособом.Ма-шинаработаласледующимобразом.Воздухсисходнойтемпературойокружа-ющейсреды,очищенныйотводяногопараиуглекислоты,сжималсявком-прессоредодавления100…200бар,азатемохлажденныйдоисходнойтемпе-ратурыпоступалпрямымпотокомвРТО.ДалеевоздухдросселировалсявдроссельномвентилеДР(см.пунктирнуюлиниюнарис.2.32б)иеготемпера-тураснижаласьнижетемпературыокружающейсреды.ОхлажденныйтакимобразомвоздухвновьнаправлялсявРТО,ноужеобратнымпотоком.Междупрямымиобратнымпотокамипроисходиттеплообмен,иследующаяпорциявоздуха,идущаяпрямымпотоком,поступаетнадроссельныйвентильужепритемпературенижетемпературыокружающейсреды.Такимобразом,воздух,циркулируявтакойсхеме,будетпостепенноснижатьсвоютемпературупереддроссельнымвентилемдотехпор,покаонанестанетнижеТ_кринепроизойдетегосжижение.

ПосколькуцельюработыданнойГХМявляетсянеполучениехолодо-производительностиq_х,аполучениепродукта–сжиженноговоздуха,товре-альнойустановкеотсутствуеттеплообменникхолодногоисточникаТХИ,апро-стопроизводитсяотборчастисжиженноговоздуха(около5%)послепрохож-дениявентиляДР.Большихвеличинпотокаотбираемогопродуктаm_пвданнойсхемедостичьнеудается,таккакотборуменьшаетвеличинуобратногопотокаидущеговРТО.Теплотапарообразованияотобранногопродуктаравнахолодо-производительностиq_хГХМ.Вместоотобранногопотоканавсасываниивком-прессордобавляетсятакойжеповеличинепотокновойпорциивоздуха,состо-яниекоторогохарактеризуетсяточкой4(рис.2.32б).

Процессы1-6и3-4междусобойсвязанытепловымбалансомрекупера-тивноготеплообменникаm(i_1–i₆)=(m–m_п)·(i_3–i₄),гдеm–величинапрямогопотокавоздуха.

Газовая холодильнаямашина,использующаяпроцессвыхлопа.

Использованиепроцессарасширениягазавыхлопомдлядостиженияохлаждающегоэффектаначалосьв1959году,когдаДжиффордиМак-Магонпредложилиоригинальнуюохлаждающуюсистему,котораяполучиланазваниехолодильнаямашинаДжиффорда–Мак-Магона.Схемаициклтакоймашиныпредставленынарис.2.33.

ОднимизэлементовсхемыГХМявляетсярабочийцилиндрРЦ,внутрикотороговозвратно-поступательноперемещаетсяпоршеньтолкатель.Движе-ниетолкателяобеспечиваетсямеханическизасчеткривошипно-шатунногоме-ханизма (каквданномслучае)илизасчетгазовогозолотниковогомеханизма.Врабочемцилиндреимеютсядвеполости– теплаяАихолоднаяБ.

а)

КМ_Т

l

КЛ2Р2

q_г

КЛ1

Р1

б)

Т

ВМТ

^Тг^=То.с.

2

ΔТг ⁴

3 ₁

р₂

РТО

ТХИ

q_x

А

^РЦ 5

_Тх 7

НМТ ₆

Б

а б

р₁

ΔТх

S

Рис.2.33. Схемаицикл газовойхолодильноймашины,

Джиффорда–Мак-Магона.

Придвижениитолкательнесовершаетработыинепроизводитсжатиягаза,атолькопереталкиваетегоизоднойполостивдругуючерезэлементысхемы.

ХолодильнаямашинаДжиффорда–Мак-Магонатакжеимеетдваре-сивера:высокогодавления(р₂)–РВ1инизкогодавления(р₁)–РВ2,объемко-торыхзначительнопревышаетобъемполостейРЦ.ПерепаддавлениямеждуресиверамиобеспечиваетсяизотермическимкомпрессоромКМ_Т.НавыходеизресиверовустановленыклапаныКЛ1иКЛ2,открытиеизакрытиекоторыхпроизводитсяпринудительно.

Придостижениитолкателемнижнеймертвойточки(НМТ)открываетсяклапанКЛ1игазизресивераРВ1направляетсявтеплуюполостьА.Идетпро-цесс,обратныйпроцессувыхлопа,которыйназываетсявпуском.Давлениевполостивырастаетотр_1дор₂.Процессвпуска1-2изображенусловно(пунк-тирнаялиния),таккаконидетспеременноймассойвещества.ПриобратномходетолкателягазизполостиАпередавливаетсячерезрегенеративныйтепло-обменникРТОитеплообменникхолодногоисточникаТХИвхолоднуюпо-лостьБ.ВРТОпроисходитизобарноеохлаждениегазаприконтактесхолод-нойнасадкойтеплообменника–процесс2-5.Приохлаждениигазаегообъемуменьшается,поэтомувпроцессепередавливанияклапанКЛ1остаетсяоткры-

тымиизресивераРВ1поступаетдополнительнаяпорциягаза.ВрезультатесмещениягазаизРЦ(т.2)иизресивераРВ1(т.3)вРТОпоступаетсмесьвсо-стоянииточка4.

РегенеративныйтеплообменникРТОпредставляетсобойемкость,за-полненнуюнасадкой,напримергофрированнойалюминиевойлентой.Насадкадолжнаиметьзначительнуютепловуюемкостьималоегазодинамическоесо-противлениедляпроходящихчерезнеепотоковгаза.

Придостижениитолкателемверхнеймертвойточки(ВМТ)–закрывает-сяклапанКЛ1иоткрываетсяклапанКЛ2.НачинаетсяпроцессвыхлопагазаизполостиБвресиверРВ2.Выхлоп,процесс5-6,также,какивпуск,изображенусловно.ВрезультатевыхлопатемпературагазаснижаетсядоминимальногоуровняТ_х.ХолодныйгазизполостиБпривыхлопеипридвижениитолкателяотверхнеймертвойточкивнизпоследовательнопроходиттеплообменникхо-лодногоисточникаТХИ,гдеизобарнонагревается(процесс6-7)сподводомтеплаq_xотпотребителяхолодаирегенеративныйтеплообменникРТО(процесс7-1),гдетакжеизобарнонагревается,приэтомгазохлаждаетнасадку.Частьга-задалеепоступаетвресиверРВ2идалеенасжатиевкомпрессорКМт,ачастьпоступаетврабочийцилиндрназаполнениеполостиА.Придостижениитол-кателемнижнеймертвойточкипроисходитпереключениеклапановициклза-вершается.

МашинаДжиффорда–Мак-Магонаможетработатьтольковтомслу-чае,еслиразностьтемпературпрямогоиобратногопотоканахолодномигоря-чемконцеРТОположительна,тоестькогдаΔТ_х>0иΔТ_г>0.Однакоэтоусло-виевыполняетсяневсегда.Объяснениеэтомуможнонайтиизтепловогобалан-саРТО

i_4-i₅₌i_1-i_8или

c_рх·(Т_4–Т₅)=с_рг·(Т_1–Т₇).

Теплоемкостьхолодногогазавсегдавыше,чемгорячегос_рх>с_рг,чтоиобеспечиваетвозможностьполученияхолодопроизводительностивмашине

Джиффорда–Мак-Магона.

ВкачестверабочеготелавГХМприменяютсянизкотемпературныега-зы,главнымобразом,гелий.Экспериментальнодоказано,чтовданнойодно-ступенчатойхолодильноймашинеможнополучатьтемпературыдо35К,авдвухступенчатойсхемедо7К.

Газовая холодильнаямашина, использующаяпроцессвихревогорасширения газа.

ГХМ,использующиевихревое(эффектРанка–Хилша)расширениега-за,частоиспользуютсяприналичиивкачествеисточникаэнергиисжатоговоз-духаизпромышленныхпневматическихсетей.Естественно,чтовоздухвтакихмашинахявляетсярабочимтелом.Схемаициклхолодильноймашинысвихре-вымрасширениемгаза представленынарис.2.34.

Воздухизатмосферы(точка1)притемпературеокружающейсредыТ_о.с

иатмосферномдавленииравномр₁,поступаетнасжатиевизотермический

компрессорКМт,гдесжимаетсядодавленияр_{2(процесс}1-2).Приэтомгоряче-муисточнику(окружающейсреде)отводитсятеплоq_г.Затемонпоступаетвре-куперативныйтеплообменникРТО,гдеизобарноохлаждается(процесс2-3).ОхлажденныйвоздухнаправляетсяввихревуютрубуВТ.Вовходномпатрубкеиулиткевихревойтрубыпроисходитускорениеирасширениевоздушного

а)

1

КМ_Т

q_г

8

Э

₇ в _д

б)

Т

^Тг^=То.с.

6 ₈

р_г

б

р

(1-µ)

₂ г

2 _{1 д}

_l 2

РТО

6

б

г

6 ^р1

3 ^ра

а

_р17

в

р_дрх

ΔТ_г

гор.

ВТ

хол.

4

_а 5

³ ТХИ

q_x

Т_{х µ} ⁴

5

q_х/µ

S

Рис.2.34. Схемаицикл газовойхолодильноймашины,использующейвихревоерасширениегаза.

потока(процесс3-а).Далеепотокделитсянахолодныйигорячийпотоки,каж-дыйизкоторыхвыводитсяизвихревойтрубычерезсвойпатрубок.Приэтомна1кгвходящегопотокавоздухаобразуетсяµкгхолодногопотокаи(1-µ)кгго-рячегопотока.

Горячийпоток,образовавшийприразделении,(точкаб),сжимается

(процессб-6)ввыводномпатрубкевихревойкамеры,которыйвыполняетсяввидедиффузорасугломраскрытияпримерно3,5ºинаправляетсявэжекторЭхолодильноймашины.

Холодныйпотокрасширяетсядополнительно(процесса-4)иеготемпе-ратураснижаетсядонаиболеенизкойтемпературыТ_х.ЭтодополнительноерасширениеобеспечиваетсяработойэжектораЭ.ХолодныйпотокнаправляетсявтеплообменникхолодногоисточникаТХИ,гдеизобарнонагревается(процесс

5. ),отбираятепловойпотокq_хотпотребителяхолода.ДалеехолодныйпотокнаправляетсявэжекторЭ.

Величинаq_х=µ·(i_5-i₄),называемаяхолодопроизводительностьювихре-войхолодильноймашины,нарис.2.34бграфическипредставленазаштрихо-ваннойплощадкой,умноженнойнавеличинуµ.

ВэжектореЭгорячийпотокиграетрольактивногопотока,ахолодный-

рольпассивногопотока.Горячийпотокпоступаетвконфузорэжектора,гдеегоскоростьвырастает,адавлениеснижаетсядоуровнянижеатмосферногодавле-

ния(процесс6-г).Внаиболееузкомсеченииэжекторакгорячемупотокупод-сасываетсяхолодный.Привходевэжекторпроисходитувеличениескоростихолодногопотокаиегодавлениепадает(процесс7-в)довеличиныдавления

горячегопотокар_д.Происходитсмешениепотоковвэжектореисмесьприобретаетсостояниеточкид.Далеевоздухпоступаетвдиффузорэжектора,гдеегоскоростьснижается,воздухсжимаетсядоатмо-

m_x

_t1*

1. сферногодавления(процессд-8)ивыбра-сывается в атмосферу. Вихревая холо-

дильнаямашинамоглабыработатьибезэжектора,однакоегоприменениеувели-чиваетстепеньрасширенияхолодногопо-токаиэнергетическуюэффективность

2. ^цикла.

Данная схема и цикл являются

разомкнутыми.Этосвязаностем,чтовоз-дух,совершающийпроцессыцикла,здесь

3. выбрасываетсяватмосферу,анаегоместо

изатмосферыпоступаетсвежаяпорция

^* воздуха.Атмосфера,такимобразом,беретнасебярольтеплообменникагорячегоис-

4. ^{5точника,}вкоторомпризамкнутомцикледолженбылбыпроисходитьпроцессизо-барногоохлаждения8-1.

^m На рис. 2.35 представлена кон-

Рис.2.35. Конструкциявихревой

холодильнойкамерыВХК2.

струкциявихревойхолодильнойкамерыВХК2,работакоторойосуществляетсяпоизложеннойвышесхемеициклу.

ВХК2предназначенадляработыотпромышленнойпневмосетисдав-лением0,6…0,8МПа.

РольтеплообменникахолодногоисточникаТХИздесьиграетхолодиль-наякамерапоз.1,вкоторойрасполагаютсяохлаждаемыетела.Температурав

холодильнойкамереможетдостигатьдо-30ºС.Врекуперативныйтеплообмен-никРТОпоз.3воздухизпневмосетипоступаетвмежтрубноепространствопотрубе5.ВихреваятрубаВТпоз.2выполненапопротивоточнойсхеме.Выхлопвоздухачерезэжекторпоз.4,осуществляетсявнижнюючастьВХК2вспеци-

альнуюкамеру,сцельюсниженияскоростивыходящегопотокаиуровняшума.Камераснабженатепловойизоляциейикрышкойдлясменыохлаждаемыхтел.