5.2.6. Схеми та цикли триступеневих холодильних машин

У випадку, коли необхідно температури охолодного середовища нижче -50°С використовують триступеневі холодильні машини. Вони не такі поширені, як двоступеневі і використовуються, основним чином, у хімічній та фармацевтичній промисловості, а також у лабораторних установках. Принципова схема триступеневої холодильної машини з повним проміжним охолодженням, яка працює на аміаку, наведена на рис.5.29.

Рідкий холодильний агент після конденсатора дроселюється послідовно у РВ1, РВ2 та РВ3 (процеси 8-9, 10-11, 12-13) після чого потрапляє у випарник В де кипить відбираючи теплоту від охолодного середовища при тиску р₀ (процес 13-1). Після кожного процесу дроселювання робоча речовина потрапляє у проміжні посудини ПП1 та ПП2, де розділяється на насичену рідину та пару.

З випарника пара відсмоктується компресором першого ступеня КМ1, стискається в ньому (процес 1-2) та подається під рівень рідкого агента у проміжну посудину ПП2, проходячи через який охолоджується до стану 3. Охолодження відбувається за рахунок теплообміну з рідким холодильним агентом, який знаходиться у проміжній посудині.

Рідина кипить, а пара, яка при цьому утворюється, та охолоджена пара з випарника, засмоктуються компресором другого ступеня КМ2 стискаються (процес 3-4) та охолодившись водою у проміжному теплообміннику ПТО (процес 4-5) поступають під рівень рідкого холодильного агента у ПП1, де проходять такі ж процеси, як і у ПП2. Після стискання у компресорі (процес 6-7) холодильний агент направляється у конденсатор, де охолоджується, конденсується та переохолоджується віддаючи теплоту навколишньому середовищу. У конденсаторі підтримується тиск р_к , а проміжних посудинах p_m1 та p_m2 відповідно.

Залежно від умов проведення циклу, застосовуваної робочої речовини, типу компресорів проміжне охолодження може бути неповним, а на всмоктування компресорів може поступати перегріта пара.

Рис.5.29. Схема та цикл триступеневої холодильної машини

Температури конденсації та кипіння визначають як і у попередніх випадках, а тиски у проміжних посудинах з умови рівності відношення тисків у ступенях стискання:

, (5.118)

звідки , . (5.119)

Витрата робочої речовини у компресорі першого ступеня КМ1

. (5.120)

Витрату у КМ2 та КМ3 знаходять з теплових балансів проміжних посудин

ПП1 , (5.121)

ПП2 , (5.122)

звідки , (5.123)

. (5.124)

Подальший розрахунок проводять аналогічно розрахунку двоступеневої холодильної машини з двократним дроселюванням.

Холодильний коефіцієнт циклу

,(5.125)

звідки

. (5.126)

Триступенева холодильна машина для отримання твердої вуглекислоти. Робочою речовиною такої холодильної машини є вуглекислий газ – СО₂. Особливсть циклу полягає у тому, що частина робочої речовини перетворюється у тверде тіло і виводиться з машини, а холодильгий ефект (сублімація, яка супроводжується поглинанням теплоти) здійнюється за її межами. Фактично цикл є розірваним, тому іноді його називають “квазіциклом” (несправжнім циклом).

Здійснити такий цикл можливо, дякуючи властивостям вуглекислоти, потрійна точка для якої має параметри: р=0,53МПа, Т=216,6К. При вищій температурі вуглекислота може бути рідкою або пароподібною, при нижчій – пароподібною або твердою. Тому здійснюючи дроселювання рідкої вуглекислоти до атмосферного тиску від тиску 0,53МПа отримують тверду вуглекислоту у вигляді снігу та велику кількість її пари.

Схема холодильної машини зображена на рис.5.30. Припустимо, що з конденсатора КД виходить 1 кг вуглекислоти. Тоді після дроселювання у РВ1 (процес 9-10) утвориться х₁₀ кг пари станом 11, яка відділиться від рідкої вуглекислоти у ПП1 і буде засмоктана компресором КМ3. Рідка вуглекислота (стан 12), яка залишиться у кількості (1-х₁₀) кг, повторно дроселюється у РВ2 (процес 12-13). У проміжній посудині ПП2 відбудеться відділення пари (стан 14), яка при цьому утвориться у кількості (1-х₁₀)х₁₃ кг та рідини (стан 15) – (1-х₁₀)(1-х₁₃) кг. Пара відсмоктується компресором КМ2, а рідина ще раз дроселюється у РВ3 (процес 15-16) до атмосферного тиску та потрапляє у сепаратор С, де відбувається відділення твердої вуглекислоти у кількості (1-х₁₀)(1-х₁₃)(1-х₁₆) кг від пари, яка залишається у кількості (1-х₁₀)(1-х₁₃)х₁₆ кг. Тверда вуглекислота періодично видаляється із сепаратора, а пара (стан 17) засмоктується компресором КМ1.

Для поповнення холодильної машини робочою речовиною, на всмоктування компресора необхідно подавати газоподібну вуглекилоту у кількості рівній видаленій з циклу – (1-х₁₀)(1-х₁₃)(1-х₁₆) кг. Джерелом вуглекислого газу можуть бути димові чи технологічні гази з великим вмістом СО₂, які перед потраплянням у машину проходять спеціальне очищення.

Кількість газу, яка засмоктується компресором першого ступеня КМ1

. (5.127)

Стан пари (точка 1) на всмоктуванні визначається за рівнянням змішування

, (5.128)

Рис.5.30.Схема та цикл триступеневої холодильної машини

для отримання твердої вуглекислоти

звідки , або . (5.129)

Після стискання у КМ1 (процес 1-2) та охолодження водою у проміжному теплообміннику ПТО1 (процес 2-3) пара змішується із парою, яка прямує із ПП2.

Кількість газу, яка засмоктується компресором другого ступеня КМ2

. (5.130)

Стан пари після змішування (точка4) визначають скориставшись рівнянням змішування

, (5.131)

звідки , або . (5.132)

Після стискання у КМ2 (процес 4-5) та охолодження водою у проміжному теплообміннику ПТО2 (процес 5-6) пара змішується із парою, яка прямує із ПП1, всмоктується до компресора КМ3, де стискається (процес 7-8) та нагнітається у конденсатор. Кількість цієї пари – 1 кг. Стан пари (точка 7) знаходять з рівняння змішування:

, або . (5.133)

Оскільки у розглянутому циклі безпосередньо не відбувається відведення теплоти від охолодного середовища (процес відбувається в інший час та в іншому місці) оцінювати ефективності циклу за допомогою холодильного коефіцієнта є недосить коректним. Як правило, для порівняння між собою розривних циклів, призначення яких отримання твердої вуглекислоти, порівнюють затрачену роботи на отримання 1 кг твердої вуглекислоти:

. (5.134)

Для розглянутого циклу, циклом зразком (з мінімальною затратою роботи) буде цикл а-0-18-17. Кількість теплоти, які підводиться до навколишнього середовища у такому циклі –q= пл.а-0-b-с = Т_нс(s₀-s_b), а кількість теплоти, яка відбирається у охолодного середовища q₀= пл.а-0-18-17-с = h₀-h₁₈. Мінімальна робота циклу зразка , тоді

. (5.135)

Коефіцінт оборотності циклу .

З метою зменшення капітальних затрат, пов’язаних з високим тиском конденсації вуглекислого газу, використовують каскадні холодильні машини (розглядаються далі). У них вуглекислота використовується лише у нижній гілці каскаду, яка працює за одноступеневим розімкнутим циклом (тиск конденсації дещо вище 0,528МПа). Верхня гілка каскаду предсталяє собою двоступеневу холодильну машину, яка працює за одним з циклів розглянутих вище, а робоча речовина циклу аміак чи фреон.

Останнім часом запропоновані методи отримання твердої вуглекислоти з використанням газових холодильних машин.