Цикл и принципиальная схема регенеративной холодильной машины

В цикле простой холодильной машины на всасывание в компрессор из испарителя поступает холодный пар. Холод этих паров можно использовать, например, для охлаждения жидкости после конденсатора или перед дросселем, что и делается в одноступенчатой регенеративной холодильной машине, принципиальная схема которой приведена на рис. 17.

В схему такой машины дополнительно включён регенеративный противоточный теплообменник (ТО), который присоединяется одним концом к выходу испарителя, а другим – к выходу конденсатора.

Пар из испарителя И сперва направляется в ТО, где он нагревается. Регенеративный теплообменник ТО часто исполняется как витой змеевик, размещенный коаксиально в трубке, по которой пропускается жидкий хладагент. В этом случае пар омывает змеевик, внутри которого течёт жидкий хладагент из конденсатора, и нагревается до состояния т. 1 перед сжатием в компрессоре. Подогреваясь в результате теплообмена, пар забирает теплоту от жидкости, и она переохлаждается.

Рис. 17. Принципиальная схема регенеративной ПКХМ с компрессором, имеющим встроенный электродвигатель

Символом Δq₀ (рис. 18) обозначена величина переохлаждения жидкости в процессе 3→4 и она же показывает, на сколько увеличилась в таком цикле удельная холодопроизводительность q₀ [кДж/кг] по сравнению с простым циклом.

Рис. 18. Цикл регенеративной одноступенчатой холодильной машины

Из ТО пар поступает в компрессор или, если используется герметичная модель компрессора, в кожух встроенного электродвигателя, где он охлаждает обмотку статора и ротор, перегревается и всасывается в цилиндры в состоянии т. 1. Величина подогрева паров зависит от мощности и КПД встроенного электродвигателя. Первоначально она задается в пределах 10–15 °С, а после выбора электродвигателя эта величина уточняется. Если новое значение подогрева паров сильно отличается от первоначального, то расчет повторяется. В остальном расчёт одноступенчатой регенеративной парокомпрессионной холодильной машины аналогичен расчету простой холодильной машины.

Кратко следует сформулировать достоинства и недостатки такого цикла. Подогретый газ перед компрессором становится суше и снижается возможность гидроудара, что особенно важно для поршневых компрессоров. Во-вторых, жидкость перед регулирующим вентилем (РВ) переохлаждается, что положительно сказывается на работе этого элемента. В крупных холодильных установках, когда мало переохлаждение жидкости в конденсаторе, применение дополнительного переохлаждения перед РВ просто необходимо. Но главное, что возрастает, почти без дополнительных затрат мощности, холодопроизводительность цикла. Вся величина дополнительного переохлаждения жидкости (Δq₀) создаётся за счёт утилизации хладопотенциала паров рабочего тела после испарителя. При этом увеличивается удельная холодопроизводительность (q₀) цикла и пропорционально возрастает холодильный коэффициент ε_д.

Масло, которое с парами рабочего тела уходит из компрессора, постепенно накапливается в испарителе, как в самой холодной части ПКХМ, и важно правильно организовать возврат этого масла в картер компрессора. Особенно актуально это для «затопленных» испарителей. Для этого масло, в основном в виде капелек, направляется с потоком паров фреона из испарителя к компрессору. Если всасывающий трубопровод проложен с небольшим уклоном 0,01–0,015 в сторону компрессора, масло возвращается в картер компрессора, что очень важно для его нормальной работы. Но фреоны хорошо растворяются в масле. Если в масле растворено много фреона, то пленка масла на стенке цилиндра может разрушиться, что приведёт к полусухому трению поршней и их износу. Нагрев масла перед смазкой способствует выделению из него фреона.

В регенеративном цикле ПКХМ, по сравнению с базовым циклом, заметно возрастает температура начала сжатия в компрессоре, что приводит к росту температуры нагнетания паров фреона после компрессора. Следствием этого является рост разности температур в начале процесса конденсации (в процессе форконденсации) между парами рабочего тела и внешней средой. При этом возрастают термодинамические потери, связанные с неравновесностью процесса теплообмена. Поэтому, несмотря на все преимущества, присущие регенеративному циклу, окончательный выбор типа цикла делается только после сравнительного анализа его с другими типами циклов в условиях конкретного применения.

Практика показывает, что регенеративный цикл предпочтительней применять для фреоновых холодильных машин, в то время как для аммиачных ПКХМ он применяется редко.