2.4. Воздушные и газовые холодильные машины

Воздушные холодильные машины оказались весьма перспективными при температурах ниже минус 80⁰С. В диапазоне температур -70…-120⁰С воздух можно использовать только как газ, поскольку его критическая температура равна минус 140,7⁰С.

Простейшая схема воздушной холодильной машины приведена на рис.2.6. Воздух сжимается в компрессоре КМ, охлаждается в охладителе ОХ до температуры окружающей среды и затем расширяется в детандере Д с отдачей внешней работы компрессору.

С низкой температурой воздух поступает в холодильную камеру К, охлаждает находящиеся в ней тела и нагретый снова поступает в компрессор (замкнутая схема).

По разомкнутой схеме работают воздушные холодильные машины с избыточным давлением (холодильная машина Кошкина Н.Н.) и с разрежением в камере (холодильные машины ТХМ).

На рис.2.7 приведена схема воздушной холодильной машины с избыточным давлением, в которой турбокомпрессор 6 сжимает атмосферный воздух до избыточного давления 0,2…0,3 МПа и направляет его в левый регенератор 5. Регенератор имеет насадку, способную аккумулировать тепло при прохождении через нее воздуха. Насадка регенератора может быть выполнена из колец Рашига, из металлических гофрированных, или бугорчатых лент собранных в диски.

Соприкасаясь с холодной насадкой регенератора сжатый воздух охлаждается до температуры, которая на 3…5⁰С выше температуры на выходе из охлаждаемого объекта. После регенератора воздух расширяется в турбодетандере 2 с тормозом 3 до давления чуть выше атмосферного, охлаждаясь при этом еще на 40…50⁰С, и поступает в холодильную камеру 1.

Воздух нагревается в камере и затем охлаждает правый регенератор и отепленный выбрасывается наружу. Когда правый регенератор охладится до требуемой температуры клапаны 4 и 8 переключаются и воздух из турбокомпрессора станет поступать в правый регенератор, а из камеры в левый (показано пунктиром). Вместо турбокомпрессора в этой схеме можно использовать воздух из сети сжатого воздуха. Низшая температура, получаемая в холодильной машине Кошкина Н.Н., составляет минус 100⁰С.

На рис.2.8 приведена разомкнутая схема ТХМ с разрежением в камере. Атмосферный воздух через левый клапан 7 поступает в левый регенератор 6, охлаждается в нем (например, до минус 80⁰С) и через нижний левый клапан 8 направляется в холодильную камеру 5. Охладив камеру, воздух нагревается примерно на 30⁰С и с избыточным давлением поступает в турбодетандер 4. Здесь он расширяется с атмосферного давления до 0,05МПа (абс), охлаждаясь при этом с -50⁰ до -84⁰С, и, поступая в правый регенератор, охлаждает его, подготавливая к работе. Затем воздух сжимается компрессором до давления чуть больше атмосферного и выбрасывается наружу. Когда правый регенератор достаточно охладится. Клапаны 7 и 8 переключаются, и воздух из атмосферы начнет поступать в правый регенератор, а холодный воздух из турбодетандера – в левый.

Холодильная газовая машина Стирлинга работает по регенеративному циклу, состоящему из 2-х изотерм и 2-х изохор (рис. 2.9, а и б). Благодаря отводу тепла по изотерме 3-4, а не по изобаре 3′-4 (рис. 2.9, а) необратимые потери сокращаются на величину, соответствующую площади 3-3′-4. Аналогично снижены потери и при отдаче тепла по изотерме 1-2 источнику с высокой температурой.

Рис.2.9. Схема и идеализированный цикл холодильной машины Стирлинга

Теоретически этот цикл имеет такой же холодильный коэффициент, как и цикл Карно для тех же температурных источников.

Схема (рис. 2.9, г) позволяет осуществить такой идеализированный цикл. При переходе из состояния 1 в состояние 2 в цилиндре двигается только правый поршень. Газ сжимается с давления Р₁ до давления Р₂, а тепло сжатия отводится охлаждающей водой с температурой Т в холодильнике компрессора.

Процесс сжатия, близкий к изотермическому, достигнут благодаря тому, что охладитель с развитой поверхностью находится непосредственно в полости сжатия, и тепло отводится в процессе сжатия.

В процессе 2 – 3 оба поршня двигаются влево с одинаковой скоростью. газ перемещается из полости А компрессора в полость Б детандера, и соприкасаясь с холодной насадкой регенератора, охлаждается до температуры холодного источника Т₀. Удельный объем его υ₂ при этом не изменился.

В процессе 3 – 4 влево двигается только поршень детандера. Полость Б увеличивается и газ расширяется (с отдачей внешней работы) с давления Р₃ до давления Р₄. Однако температура газа Т₀ не снижается, так как в процессе расширения он отводит от охлаждаемой среды, проходящей через рубашку детандера, тепло q₀. В процессе 4 – 1 (переход от нижнего рисунка к верхнему) оба поршня с одинаковой скоростью движутся вправо, и газ перемещается из полости Б в полость А, и круговой процесс замкнутого цикла повторяется.

Холодильный коэффициент машины

такой же, как и в цикле Карно. Следовательно, данный цикл наиболее эффективен для источников с постоянными температурами.