7. Пароежекторні холодильні машини

Пароежекторні холодильні машини (ПЕХМ) відносяться до тепловикористовуючих холодильних машин, оскільки для вироблення штучного холоду споживають не механічну, а, в основному, теплову енергію. Для приводу насосів ПЕХМ споживається, також, деяка кількість електричної енергії. Однак, її кількість, у порівнянні з тепловою енергією, є незначною.

У ПЕХМ відбувається одночасно два цикли: прямий, в якому у пароенергетичній установці виробляється робота, та зворотний, в якому ця робота споживається для вироблення штучного холоду. Ці цикли невіддільні один від одного, оскільки мають спільний елемент – паровий ежектор, який для прямого циклу є двигуном, а для зворотного компресором. У ньому робота і виробляється, і споживається. Такі цикли називають суміщеними.

Найбільше поширення отримали ПЕХМ, у яких робоча речовина – вода. Є спроби використати інші холодильні агенти, зокрема фреони, однак широкого вжитку вони не набули.

Використання води пояснюється її дешевизною, доступністю, термодинамічними властивостями та екологічними аспектами. Та особливість, що вода замерзає при 0°С, обумовила галузь застосування ПЕХМ – кондиціонування повітря, де її температура на виході з випарника, як правило, вища 7°С. Низька температура кипіння води потребує підтримування у випарнику машини низького тиску (вакууму), при якому питомий об’єм насиченої пари дуже великий (при 7°С становить 129 м³/кг). Однак використання парового ежектора дозволяє створити відносно компактну машину.

Недолік таких машин – низька енергетична ефективність через значні втрати в ежекторі та необхідність витрачати енергію на підтримування глибокого вакууму в конденсаторі та випарнику.

Враховуючи постійне подорожчання енергетичних ресурсів у світі, використання ПЕХМ стає все більше актуальним, особливо там необхідно мати штучний холод і є надлишок теплової енергії або велика кількість вторинних енергоресурсів (димові гази, вихлопні гази газотурбінних та дизель-генераторних установок, гаряча вода тощо).

7.1.Принцип дії та теоретичний процес пароежекторної холодильної машини

Прямий цикл ПЕХМ здійснюється завдяки пароенергетичній установці, яка складається з парогенератора, ежектора, конденсатора та насоса. Зворотний цикл виконується у холодильній машині до складу якої входять ежектор, конденсатор, регулювальний вентиль та випарник. Схема та теоретичний цикл машини в Т-s діаграмі зображено на рис.7.1.

Рис.7.1. Схема та цикл пароежекторної холодильної машини

Робоча пара з генератора Г, яка утворюється в ньому за рахунок підведення теплоти у кількості q_г, направляється у сопло ежектора Е, де адіабатно розширюється від тиску р_р до тиску р₀ (процес 1-2s). В процесі розширення потенціальна енергія пари перетворюється в кінетичну енергію – швидкість пари зростає. Струмина пари, що виходить із сопла у камеру змішування ежектора, спричиняє зниження тиску навколо сопла. Це зниження тиску призводить до того, що у камеру змішування засмоктується пара з випарника В (стан – 9) – відбувається змішування робочої та холодної пари (процес 2s-3-9). Суміш (стан 3) направляється до дифузора ежектора, де швидкість її знижується, а тиск адіабатно зростає до тиску конденсації р_к (процес 3-4s). Таким чином, за рахунок кінетичної енергії струмини робочої пари відбувається робота стискання суміші робочої та холодної пари.

Стиснута суміш парів надходить до конденсатора КД, де конденсується (процес 4s-5) віддаючи теплоту навколишньому середовищу. Конденсат, який утворюється, поділяється на два потоки: один, у кількості рівній кількості робочої пари, насосом Н1 повертається у генератор (процес 5-6), де нагрівається до температури кипіння (процес 6-7) та випаровується (процес 7-1); другий – дроселюється у РВ1 (процес 5-8) та поступає у випарник. Охолодження води у випарнику відбувається за рахунок її часткового випаровування (процес 8-9) спричиненого різким зниженням тиску. Тиск у випарнику вибирається залежно від температури води, яку необхідно отримати. Для температури кипіння 7°С тиск над поверхнею води у випарнику становить близько 1кПа. За такої температури питома теплота випаровування води – 2480 кДж/кг.

Безперервність процесу випаровування підтримується постійним відсмоктуванням пари у камеру змішування ежектора. Холодна вода з випарника насосом Н2 подається до споживачів холоду СХ, якими за звичайне є теплообмінники чи форсункові камери кондиціонерів (процес 12-13), де нагрівається (процес 13-14). Отеплена вода від споживачів повертається у випарник через РВ2, щоб знизити тиск (процес 14-15), який зростає у насосі. При дроселюванні у РВ2 частина води випаровується (процес 15-9).

Якщо уявити процеси, які протікають в ежекторі окремо для робочої пари (процес 2s-11) і холодної пари (процес 9-10), то прямий цикл буде відображатися процесами 1-11-5-6-7-1, а зворотний – 9-10-5-8. В соплі відбувається перетворення потенціальної енергії в кінетичну – процес 1-2s, передавання енергії з прямого циклу зворотному у камері змішування – процес 2s-3-9, витрата роботи в зворотному циклів – процес 3-4s. Процеси розширення 11-2s від тиску р_к до тиску р₀ з наступним стискання суміші парів (процес 3-4s) від тиску р₀ до тиску р_к по суті виконуються для передавання роботи прямого циклу зворотному. Таким чином, робоча речовина здійснює прямий цикл 1-2s-3-4s-5-6-7-1 та зворотний цикл 9-3-4s-5-8-9.

Якщо прийняти, що через випарник проходить 1кг холодної пари робочої речовини, то через парогенератор пройде а кг робочої пари. Відношення масової витрати робочої пари q_mр до масової витрати холодної пари q_mх називається кратністю циркуляції чи коефіцієнтом питомої витрати пари:

. (7.1)

Якщо прийняти, що робота з прямого до зворотного циклів передається без втрат, для теоретичного циклу ПЕХМ можна записати

, (7.2)

де , - робота прямого та зворотного циклу відповідно.

Тоді кратність циркуляції

. (7.3)

де h- ентальпії у відповідних точках циклу, кДж/кг (знаходять за результатами побудови).

Тепловий баланс машини можна представити так:

. (7.4)

де – відведена у конденсаторі теплота; - питома холодопродуктивність циклу; - теплота підведена у генераторі, - робота насосу.

Якщо розглядати прямий та зворотний цикл окремо, то ефективність роботи прямого циклу оцінюється термічним коефіцієнтом

, (7.5)

а зворотного – холодильним коефіцієнтом

. (7.6)

Для оцінки енергетичної ефективності всієї машини використовують тепловий коефіцієнт , рівний відношенню холодопродуктивності машини до затраченої теплоти

. (7.7)

Підставивши у (7.7) та перемноживши на , отримаємо

. (7.8)

Термодинамічна досконалість циклу пароежекторної холодильної машини оцінюється коефіцієнтом оборотності

. (7.9)

де ,  и _t – тепловий, холодильний і термічний коефіцієнти циклу; _обр, _обр и _обр – ті ж коефіцієнти оборотного циклу;

, , (7.10)

Т₀, Т_нс, Т_h – абсолютні температури охолодної води на виході з випарника, температури навколишнього середовища та температури гарячого джерела, К, відповідно.