6. Газові холодильні машини

Холодильні машини, термодинамічний цикл яких відбувається в області перегрітої пари – газу, називаються газовими холодильними машинами (ГХМ).

За способом отримання низьких температур ГХМ поділяються на:

• ГХМ, в яких охолодний ефект досягається шляхом розширення газу в спеціальних розширювальних машинах – детандерах з одержанням зовнішньої корисної роботи;

• ГХМ, в яких охолодний ефект одержують у вихрових трубах без отримання корисної роботи.

Незалежно від того, одержують в ГХМ корисну роботу чи ні, вони можуть працювати як за регенеративним так і за не регенеративним циклом. ГХМ робочою речовиною яких є повітря називаються повітряними холодильними машинами (ПХМ). Доступність та властивості повітря роблять їх привабливими для застосування. Вони мають меншу металоємність і більш прості в експлуатації. Крім того охолодне повітря можна подавати безпосередньо в охолодне приміщення.

Робота, одержана в детандерах, при помірно низьких температурах, може складати значну величину від роботи затраченої у компресорі (до 30%). Тому в машини першого типу мають більшу енергетичну ефективність. В ГХМ другого типу кінетична енергія, отримана під час розширення газу у вихровій трубі, в складному термодинамічному процесі переходить в теплоту і витрачається на нагрівання тієї частини газу, яка відводиться у вигляді теплого потоку. Крім того, у вихровій трубі доля холодного потоку, як правило, не перевищує 50-70%, від повної масової витрати газу, тому енергетична ефективність таких машин значно нижча від ГХМ з детандером. Однак такі ГХМ мають ряд позитивних якостей: компактні, прості у виготовленні, надійні в експлуатації і відносно дешеві. Їх використовують у спеціальних випадках, або ж у випадку нерегулярної потреби у холоді протягом коротких проміжків часу.

6.1. Теоретичний цикл нерегенеративної гхм з детандером

Теоретичними циклами ГХМ будемо вважати цикли, всі процеси яких внутрішньо і зовнішньо оборотні, а саме: різниця температур між робочою речовиною і джерелами теплоти на виході з теплообмінників дорівнює нулю; в процесах стискання та розширення відсутні будь-які втрати (процеси ізоентропні); відсутні гідравлічні втрати в елементах машини – процеси теплообміну проходять ізобарно.

Цикл ГХМ відбувається наступним чином. У компресорі КМ газ ізоентропно стискається від тиску р₁ до тиску р₂ (процес 1-2). Стискання супроводжується зростанням температури від температури охолодного середовища Т₁=Т_ос до температури Т₂. Гарячий газ надходить у проміжний холодильник ПХ, де ізобарно (р₂=р₃) охолоджується від температури Т₂ до температури навколишнього середовища Т₃=Т_нс (процес 2-3). Охолоджений газ направляється до детандера Д, у якому ізоентропно розширяється від тиску р₃ до тиску р₄ (процес 3-4). Процес розширення супроводжується зниженням температури від Т₃ до Т₄. (Тиск р₁=р₄ та). Після детандера холодний газ направляється в теплообмінник ТО де відбирає теплоту від охолодного середовища, при цьому його температура ізобарно (р₄=р₁) збільшується від Т₄ до Т₁ і він знову засмоктується компресором.

Схема та цикл такої машини зображені на рис.6.1.

РРис.6.1. Схема та цикл холодильної машини

Питома холодопродуктивність циклу такої машини еквівалентна площі під лінією процесу 4-1 – пл.а-1-4-с, і може бути знайдена за формулою

, кДж/кг. (6.1)

Площа під лінією процесу 2-3 – пл.а-2-3-с, еквівалентна кількості теплоти, що відводиться від газу до навколишнього середовища в проміжному холодильнику

, кДж/кг. (6.2)

Питома робота циклу, визначається з теплового балансу і представляє собою різницю питомої роботи компресора та детандера:

,кДж/кг. (6.3)

де – питома робота витрачена у компресорі, – питома робота отримана у детандері.

Робота детандера завжди менша роботи компресора, тому роботу, якої не вистачає підводять від двигуна.

Масова витрати газу становить за відомої холодопродуктивності машини Q₀, кг/с,

. (6.4)

Холодильний коефіцієнт ГХМ визначають за формулою:

. (6.5)

Прийнявши в першому наближенні, що с_р=const отримаємо:

.

Для ізоентропних процесів 1–2 та 3–4, які проходять в одному і тому ж інтервалі тисків р₁–р₂, справедливі відношення: ; ; ; , з врахуванням яких формула для визначення холодильного коефіцієнту циклу ГХМ набуде вигляду:

. (6.6)

Коефіцієнт оборотності циклу визначають як відношення холодильного коефіцієнту циклу до холодильного коефіцієнту циклу Карно. Він залежить від характеру зміни температур джерел теплоти, з якими ГХМ обмінюється теплотою в процесі роботи. Розглянемо три можливі випадки.

В першому випадку теплоту необхідно відводити від охолодного середовища постійної температури до навколишнього середовища постійної температури. Циклом-зразком (циклом з мінімальною роботою) у цьому випадку буде цикл 1’-2’-3-4’. Як видно з рисунка, додатково витрачена робота у цьому випадку еквівалентна площі 1-2-3-2’-1’-4’-4-1. Коефіцієнт оборотності у цьому випадку значно менший одиниці. Зрозуміло, що використовувати ГХМ в таких умовах неефективно.

В другому випадку охолодне середовище змінює свою температуру від Т₄ до Т₁. Якщо прийняти, що водяні еквіваленти ( ) газу та охолодного середовища однакові, теплообмін здійснюється у протитечії і температура навколишнього середовища постійна, то циклом-зразком буде цикл 1-2”-3-4. Додаткова витрата роботи в цьому випадку еквівалентна площі 2”-2-3 і значно менша, ніж у першому випадку, а коефіцієнт оборотності значно зростає хоча і залишається меншим одиниці.

У третьому не лише охолодне середовище змінює свою температуру від Т₄ до Т₁, але й навколишнє середовище змінює температуру від Т₃ до Т₂. Якщо водяні еквіваленти газу та теплоносія однакові, теплообмін проходить у протитечії, то цикл-зразок в цьому випадку співпадає з циклом ГХМ, а коефіцієнт оборотності дорівнює одиниці.

Наведене порівняння показує, що висновок про можливість використання ГХМ в тому чи іншому випадку може бути зроблено лише на основі ретельного аналізу показників її роботи з використанням джерел теплоти, теплові характеристики яких відомі.