4.2. Газовые и вихревые холодильные машины.
Холодильной машиной называют комплект оборудования, необходимый для осуществ-ления холодильного цикла.
зависимости от вида физического процесса, в результате которого получают холод, холодильные машины подразделяют на следующие типы: использующие процесс рас-ширения воздуха (газовые, вихревые); использующие фазовый переход рабочего тела из жидкого в газообразное состояние (компрессионные паровые, абсорбционные, сорб-ционные, пароэжекторные).
зависимости от вида потребляемой энергии различают холодильные машины на ме-ханической энергии (компрессионные паровые, газовые), теплоиспользующие (паро-эжекторные, абсорбционные и сорбционные).
К холодильным машинам можно также отнести воздушные детандерные, использую-щие процесс расширения воздуха с производством внешней работы, и безмашинные термоэлектрические, потребляющие непосредственно электроэнергию на основе эф-фекта Пельтье. Холодильные машины подразделяют и по другим типам.
газовых холодильных машинах холодильными агентами являются газообразные веще-ства, агрегатное состояние которых не изменяется при совершении цикла, в основном воздух; поэтому их называют воздушными холодильными машинами.
Первые воздушные холодильные машины появились 100 лет назад. Однако тогда они не получили широкого распространения и были вытеснены с рынка парокомпрессион-ными, так как удельная массовая холодопроизводительность воздуха значительно мень-ше, чем кипящего холодильного агента в цикле паровой холодильной машины. При ис-пользовании воздушных холодильных машин требуется большая массовая подача хо-лодильного агента, поэтому только по мере развития газотурбинной и особенно тур-бореактивной техники удалось создать воздушные турбохолодильные машины, близкие по экономичности в области относительно низких температур (от -80 до -120°С) к па-рокомпрессионным. Функциональная схема и идеальный цикл воздушной холодильной машины в S—T-диаграмме изображены на рис. 1.
Воздух в компрессоре адиабатически сжимается от давления Р1 до Р2 (процесс 1—2), нагреваясь при этом от температуры T1 равной температуре охлаждаемого тела То, до Т2. Далее воздух охлаждается в теплообменнике ТО от температуры Т2 до Т3 (процесс
2—3),
Рис. 4.1. Функциональная схема воздушной холодильной машины и цикл ее работы:
— схема машины; б — диаграмма работы машины
28
равной температуре охлаждающей среды Тос, отдавая поглощенную теплоту внешней среде, например воде. После этого воздух адиабатически расширяется в детандере Д от давления Р2 до Р1 ( процесс 3—4), совершая полезную работу, и поступает в охлаждае-мый объект Об, где нагревается от температуры Т4 до T1 (процесс 4—1), отводя теплоту от охлаждаемого тела, например воздуха. Из охлаждаемого объекта воздух поступает в компрессор, и цикл повторяется.
Если допустить, что воздух является идеальным газом, т.е. Ср = const, и представить для адиабатических процессов сжатия и расширения воздуха отношение температур в виде
T2 / T1 = Т3/Т4 = (Р2/Р1)(n – 1) / n, |
(4.1) |
где п — показатель адиабаты, холодильный коэффициент цикла: |
|
ε=Т1 / (Т2 - Т1) = Т4 / (Т3-Т4). |
(4.2) |
Коэффициент обратимости цикла |
|
h = ε / ε обр, |
(4.3) |
где ε обр — холодильный коэффициент обратимого цикла Карно. |
|
Цикл воздушной холодильной машины имеет большие необратимые потери, поэтому термодинамически он целесообразен, если машина осуществляет комбинированный цикл, охлаждая и нагревая одновременно.
воздушных холодильных машинах типа ТХМ, разработанных в нашей стране, охла-ждение происходит благодаря расширению воздуха в расширительной машине — де-тандере с производством внешней полезной работы. Такие машины имеют холодопро-изводительность 30 — 60 кВт и более и используются для быстрого замораживания эн-докринного сырья (желез внутренней секреции, направляемых на медицинские цели), некоторых видов продуктов растительного происхождения (плодов, овощей, ягод), ку-линарных изделий.
Машины вихревого типа представляют собой цилиндрическую трубу, разделенную диафрагмой на холодную и горячую части.
С термодинамической точки зрения процессы, протекающие в вихревой трубе, сводят-ся к тому, что слои воздуха, вращающиеся вблизи оси, отдают кинетическую энергию остальной (периферийной) массе воздуха и при этом охлаждаются. Другая же часть воздуха воспринимает эту энергию и нагревается в результате трения, на преодоление которого затрачивается значительная часть кинетической энергии.
Термодинамическое совершенство воздушных холодильных машин вихревого типа не превышает нескольких процентов и зависит от использования теплоты потока воздуха, выходящего из горячей части вихревой трубы. Если эта теплота утилизируется, то об-щая эффективность повышается. Вихревые трубы просты в изготовлении и эксплуата-ции, компактны и высоконадежны. Однако область их использования ограничена вследствие низкой экономичности термодинамических процессов.