5.2.7. Схеми та цикли каскадних холодильних машин

Використання багатоступеневих холодильних машин для отримання температур нижчих -60°С наштовхується на ряд труднощів. Проблема пов’язана з теплофізичними та термодинамічними властивостями застосовуваних холодильних агентів.

Використання низькотемпературних робочих речовин, які мають необхідну температуру кипіння за нормального тиску, призводить до того, що тиск конденсації перевищує допустимий для обладнання, яке випускається серійно машин (2,25МПа). Для таких агентів тиск конденсації близький до критичного, а це спричиняє значні необоротні втрати пов’язані з дроселюванням і необхідно ускладнювати схему машини для їхнього скорочення. Окрім того, високі тиски конденсації потребують спеціального теплообмінного та компресорного обладнання. Все це значно збільшує капітальні витрати на холодильну машину.

Використання середньотемпературних робочих речовин, які мають допустимий тиск конденсації, призводить до того, що у випарнику встановлюється глибокий вакуум при якому пара робочої речовини має великий питомий об’єм. Це призводить до необхідності використання великих компресорів першого ступеня і, відповідно, збільшуються капітальні витрати. Зниження тиску всмоктування також спричиняє значні втрати в клапанах компресорів від дроселювання, які, разом із втратами на тертя, стають співрозмірними до затраченої на стискання роботи.

Виходом із цієї ситуації було б використання у нижніх ступенях машини робочих речовин високого тиску (низькотемпературних) – R13, R14, R503, етану, СО₂ та ін., а у верхніх – середнього тиску (середньо температурних) – в основному R22 та йому подібних. Така схема реалізована у каскадних холодильних машинах.

Ступені такої машини представляють собою окремі холодильні машини із своєю робочою речовиною, у яких здійснюється одно чи двоступеневий холодильний цикл. Ці машини називають гілками каскаду – нижньою чи верхньою. Теплота з нижньої гілки передається у верхню через поверхню теплообміну спільного для обох машин апарату. Цей апарат, який для нижнього ступеня машини слугує конденсатором, а для верхньої – випарником, отримав назву випарника-конденсатора.

Найпростіша каскадна холодильна машина. Схема та цикл такої холодильної машини зображено на рис.5.31.

Холодильний агент високого тиску, який використано у нижній гілці каскаду, наприклад R13, кипить у випарнику В (процес 4-1), відбираючи теплоту від охолодного середовища. Пара з випарника відсмоктується компресором КМ1, стискається (процес 2-3) та нагнітається до випарника-конденсатора В-К, де охолоджується та конденсується (процес 3-4), віддаючи теплоту холодильному агенту середнього тиску (наприклад R22), який при цьому випаровується (процес 8-5). Після випарника-конденсатора рідкий R13 дроселюється у регулювальному вентилі РВ1 (процес 3-4), та надходить до випарника, а пара R22 засмоктується компресором КМ2, стискається (процес 5-6) та нагнітається до конденсатора КД, де охолоджується та конденсується віддаючи теплоту навколишньому середовищу (процес 6-7). Рідкий R22 дроселюється у РВ2 та поступає у випарник-конденсатор. Таким чином, робоча речовина високого тиску здійснює цикл 1-2-3-4, а середнього – 5-6-7-8.

Щоб запобігти значному зростанню тиску у нижній гілці каскаду у випадку коли машина не працює (тиск насичення R13 при температурі 25°С становить 3,62МПа), в схему машини перед КМ1 включають розширювальну посудину РП. Об’єм посудини розраховано таким чином, щоб у випадку зупинки, тиск не перевищив розрахункового граничного значення.

Рис.5.31. Схема та цикл найпростішої каскадної холодильної машини

Порівнюючи ефективність каскадних та двоступеневих холодильних машин слід зазначити, що якби у гілках каскаду циркулювала однакова робоча речовина, а різниця температур у випарнику-конденсаторі , то така каскадна холодильна машина була б термодинамічно рівноцінною двоступеневій. У випадку, коли є різниця температур (за звичайне 5-10°С), холодильний коефіцієнт каскадної машини менший двоступеневої, через необоротні втрати процесу теплообміну.

Дійсні каскадні холодильні машини, як правило, вигідніші двоступеневих. Це пов’язано з перевагами робочих речовин високого тиску, які використовуються у нижніх гілках каскаду:

а) Теоретична об’ємна продуктивність компресора V_h нижньої гілки значно менша ніж у компресора першого ступеня, через менший питомий об’єм пари робочої речовини. Потужність, яка витрачається на подолання тертя у компресорі (потужність тертя) може бути знайдена за формулою , де р_тр- тиск тертя, МПа (дослідна величина). Очевидно, що потужність тертя компресора каскадної машини буде менша потужності тертя компресора першого ступеня, пропорційно зменшенню питомого об’єму.

б) При більших значеннях тисків всмоктування пари у компресор відносні втрати потужності у клапанах компресорів значно менші (тиск всмоктування при температурі -80°С для R13 – 0,112МПа, R22 – 0,0105МПа.

в) Відношення тисків однакового діапазону температур, наприклад t_m=-40°С та t₀=-80°С, становить для R13 – 0,617/0,112=5,5, а для R22 – 1,076/0,0105=10,2. Так як значення тисків у каскадних машин більші, а відношення тисків менші, то об’ємні та енергетичні показники компресорів нижньої гілки будуть вищими ніж у компресорів нижнього ступеня багатоступеневої машини.

Слід зазначити, що використання в обох гілках реальної каскадної машини одного холодильного агента, що часто спостерігається в умовах сучасної промисловості через вартість низькотемпературних агентів, призводить до втрат переваг такої машини перед ступеневою. Вона буде поступатися не лише холодильним коефіцієнтом, але й холодопродуктивністю. Наприклад при холодопродуктивності машини 10кВт (температурний діапазон роботи нижньої гілки каскаду t_к=-28°С та t₀=-80°С), необхідна продуктивність компресора нижньої гілки при роботі на R13 становить 0,0137м³/с, а при роботі на R22 – 0,088м³/с. Таким чином, використавши у нижній гілці машини R22 замість R13, продуктивність машини буде зменшено у 6,4 рази. Щоб компенсувати таке зменшення продуктивності підвищують температуру кипіння у випарнику.

Використовуючи в каскадних холодильних машинах робочих речовин високого тиску можна отримати більш низькі температури, ніж у двоступеневих холодильних машинах. Так у двоступеневій холодильній машині при температурі конденсації 25°С, яка працює на R22 граничною вважається температура -80°С. При цьому . Для каскадної машини, яка працює на R13 та R22, при такому ж відношенні тисків у гілках каскаду та різниці температур у випарнику-конденсаторі 5К, досягається температура -88°С. Області можливого використання каскадних холодильних машин з різними робочими речовинами наведено в табл.5.1.

Таблиця 5.1.

Тип машини	Область можливого застосування		Область вигідного застосування
	,°С	,°С	,°С	,°С
Двоступенева на R22	-80	Не обмежена	-45	-25
Каскадна: один ступінь на R13 та один на R22	-95	-40	-85	-40
Каскадна: два ступеня на R13 та один на R22	-110	-80	-100	-80
Каскадна: один ступінь на R14, один на R13 та один на R22	-140	-100	-135	-100

Схема та цикл реальної каскадної холодильної машини з температурою кипіння

-70…-90°С наведено на рис.5.32. У нижній гілці машини використовується R13, а у верхній R22. Суха насичена пара після випарника В (стан 8) поступає у регенеративний теплообмінник РТО1 де нагрівається до температури -50…-30°С (процес 8-9) рідким холодильним агентом, який прямує з випарника-конденсатора до регулювального вентиля РВ1. Регенеративний теплообмінник дозволяє скоротити необоротні втрати процесу дроселювання. Після РТО1 рідина, яка охолодилася (процес 5-6), дроселюється (процес 6-7) та поступає у випарник, де кипить (процес 7-8), відбираючи теплоту від охолодного середовища. Пара після РТО1 перегрівається до температури -15…0°С у теплообміннику ТО1 (процес 9-10) гарячою парою, яка прямує з компресора КМ1 до випарника-конденсатора. Таке перегрівання збільшує роботу компресора, однак дозволяє зменшити теплове навантаження випарника-конденсатора і, як наслідок, зменшити його розміри чи знизити температури кипіння та конденсації . Крім того, таке перегрівання дозволяє покращити показники та умови роботи компресора. ТО1 доцільно встановлювати у схему, якщо встановити водяний охолодник ТО2, у якому після компресора буде охолоджуватися пара (процес 2-3). Без водяного теплообмінника значно зросте теплове навантаження на випарник-конденсатор через зростання роботи стискання у компресорі (процес 1-2) сильно перегрітої пари.

У верхній гілці використовується холодильний агент R22. Вона представляє собою одноступеневу регенеративну холодильну машину, характер та протікання процесів якої розглянуто нами раніше. Для захисту нижньої гілки від перевищення допустимого тиску у непрацюючій машині встановлено розширювальну посудину.

Рис.5.32. Схема та цикл реальної каскадної холодильної машини

Тепловий розрахунок гілок каскаду складається з розрахунку машин нижньої та верхньої гілок, які є одно чи двоступеневими холодильними машинами, порядок розрахунку яких розглянуто нами раніше. Однак, для розрахунку, необхідно визначити температури кипіння та конденсації холодильних агентів у випарнику-конденсаторі. Відповідні температури, К, можна знайти за формулами:

; (5.136)

, (5.137)

де - прийнята різниця температур у випарнику конденсаторі; - середня температура циклу каскадної машини, К; , - температури конденсації та кипіння у верхній гілці каскаду, К; , - температури конденсації та кипіння у нижній гілці каскаду, К.

Теплове навантаження випарника-конденсатора за відомого значення холодопродуктивності машини Q₀, кВт,

, (5.138)

де – робота компресора нижньої гілки, кВт, – питома холодопродуктивність нижньої гілки каскаду, кДж/кг; – масова витрата холодильного агента у нижній гілці, кг/с; – питома робота, яка витрачається у компресорі нижньої гілки, кДж/кг.

Останнім часом для отримання помірно низьких температур (до -45°) набувають поширення каскадні холодильні машини, в нижній гілці каскаду яких використовують СО₂, а у верхній аміак, R22 чи озонобезпечні фреони. Таке рішення продиктоване вимогами відмовитись від озононебезпечних робочих речовин.