6.2. Теоретичні цикли регенеративних гхм із детандером

6.2.1. Замкнутий цикл

Схема та цикл регенеративної ГХМ зображено на рис.6.2. Машина відрізняється від попередньої наявністю регенеративного теплообмінника РТО, у якому “прямий” потік газу, що виходить із проміжного холодильника ПХ, додатково охолоджується перед розширенням у детандері Д (процес 3-4). Відведення теплоти від “прямого” потоку відбувається в РТО за рахунок підігрівання “зворотного” потоку (процесі 6-1), що прямує з теплообмінника ТО у компресор КМ. Як видно з рисунка, підібравши відповідним чином глибину регенерації, можна одержати низькі температури Т₅ і Т₆, не збільшуючи відношення тисків у компресорі.

Рис.6.2. Схема та цикл регенеративної газової холодильної машини

Питома робота регенеративного циклу, кДж/кг,

. (6.7)

Зазначимо, що для циклу, у якому використовується реальний газ, для якого лінії h=const не збігаються з ізотермами – та . Однак, не дивлячись на це, вираз залишається справедливим.

Холодильний коефіцієнт регенеративного циклу

. (6.8)

Якщо робоча речовина – ідеальний газ, у якого с_р=const, то

. (6.9)

Холодильний коефіцієнт теоретичного регенеративного циклу 1-2-3-4-5-6 чисельно дорівнює холодильному коефіцієнту теоретичного нерегенеративного циклу 6-2’-3’-5, зображеного на рис.6.2. штриховою лінією. Видно, що для одержання тих же температур Т₅ і Т₆, відношення тисків у компресорі ГХМ, яка працює за нерегенеративним циклом, повинно бути набагато більшим. Це викликає збільшення маси і розмірів ГХМ і, як наслідок, капітальних затрат.

Врахування впливу втрат, що виникають у детандері і компресорі, показує, що регенеративна ГХМ є енергетично вигіднішою. При однакових значеннях ізоентропного коефіцієнта корисної дії процес розширення газу в детандері регенеративної ГХМ завершиться в точці 5', а – у точці 4', тому питома холодопродуктивність регенеративної ГХМ буде значно вищою

. (6.10)

6.2.2. Розімкнуті цикли

Якщо робочою речовиною ГХМ є повітря, то відведення теплоти в навколишнє середовище можна здійснювати шляхом тепломасообміну. При цьому відпадає необхідність у проміжному холодильнику.

Розімкнутий цикл із тепломасообміном запропонував М.М.Кошкін. У схемі такої ГХМ відсутній проміжний холодильник ПХ (рис.6.3). Повітря надходить у компресор КМ безпосередньо з атмосфери, стискається (процес 1-2) і, пройшовши через клапанну коробку КК1, відразу потрапляє в рекуперативний теплообмінник РТО1, у якому охолоджується (процес 2-3), віддаючи теплоту насадці рекуператора, спочатку до температури Т_нс, а потім до Т₃. З РТО, пройшовши клапанну коробку КК2, повітря потрапляє в детандер Д, де розширюється (процес 3-4), виконуючи корисну роботу. Процес розширення супроводжується охолодженням до температури T₄. Після цього повітря направляється в теплообмінний апарат ТО, де нагрівається до температури Т₅ (процес 4-5) відбираючи теплоту від охолодного середовища. Потім повітря через клапанну коробку КК2 потрапляє в рекуперативний теплообмінник РТО2, де охолоджує насадку до температури Т₅, віднімаючи від неї теплоту, а сам нагрівається до температури Т₆=T₂>Т_нс. Вийшовши з РТО2 повітря проходить клапанну коробку КК1 і викидається в атмосферу, де, змішуючись з навколишнім повітрям, охолоджується в процесі тепломасообміну до температури Т_нс.

Рис.6.3. Схема та цикл повітряної холодильної машини з тепломасообміном М.М.Кошкіна

Особливістю роботи ГХМ із тепломасообміном є безперервне всмоктування в компресор атмосферного повітря, що завжди містить вологу. Під час охолодження в рекуператорі ця волога спочатку випадає у вигляді рідини, а потім при t<0°С – у вигляді кристалів льоду, що осідають на його поверхні. Канали рекуператора, по яких рухається вологе повітря, що охолоджується, через кілька хвилин роботи будуть забиті льодом, і машина зупиниться. Тому в таких ГХМ завжди застосовуються пару (чи інше парне число) рекуперативних теплообмінників, що містять теплоємну насадку, виконану, за звичайне, з гофрованої алюмінієвої стрічки. Регенератори працюють поперемінно. Спочатку “прямий” потік повітря, що виходить з компресора, охолоджується в рекуператорі РТО1, на поверхні насадки якого випадає рідина і кристали льоду. У цей час “зворотний” потік повітря при більш низькому тиску p₁ нагрівається в РТО2. Відомо, що чим менше тиск вологого повітря, тим більше його вологовміст при одній і тій же температурі і відносній вологості. Внаслідок цього “зворотний” потік повітря виносить усю вологу з РТО2 і цілком його осушує. Через визначений період, що звичайно не перевищує 1-2 хв, заслінки в обох клапанних коробках автоматично повертаються на 90° і встановлюються в положення, зазначене на рис.6.3. штриховою лінією. Після цього “прямий” потік повітря з компресора піде через охолоджений і осушений РТО2, а “зворотний” – через РТО1, і весь цикл повториться.

Розімкнутий вакуумний цикл із тепломасообміном, запропонований В.С.Мартиновським і М.Г.Дубинским, відрізняється від циклу М.М.Кошкіна послідовністю роботи елементів схеми. Тут компресор КМ є останнім елементом схеми (рис.6.4). Його призначення – створювати розрідження за детандером Д, а тиск на виході з компресора дорівнює атмосферному (у теоретичному циклі). Атмосферне повітря проходить клапанну коробку КК1 і надходить відразу в рекуперативний теплообмінник РТО1, де охолоджується відразу до найнижчої температури циклу Т₂ (процес 1-2). Після цього холодне повітря направляється в теплообмінний апарат ТО, де відбирає теплоту від охолодного середовища, а далі – у детандер Д. Так як компресор безупинно підтримує при виході з детандера знижений тиск р₄<p₃=р_атм то повітря, розширюючись в детандері, виконує зовнішню роботу, а саме

Рис.6.4. Схема та цикл ПХМ з тепломасообміном В.С.Мартиновського і М.Г.Дубинського

при цьому охолоджується до температури Т₄. Потім, пройшовши клапанну коробку КК2, цей “зворотний” потік холодного повітря проходить РТО2, де відбирає теплоту від насадки і виносить вологу, що знаходиться на її поверхні. Температура зворотного потоку повітря при цьому підвищується до Т₅, а насадки знижується до Т₄. Пройшовши клапанну коробку КК1, повітря надходить у компресор КМ, де стискується до атмосферного тиску р₆=р_атм і викидається в атмосферу. Оскільки тиск “зворотного” потоку повітря нижче атмосферного, то цикл називають вакуумним.