Хладотранспорт / 02-Студентам Хладотранспорт и доставка-2013-2 / 01-Учебник / 2-Главы 4-6-У

вихревые и турбохолодильные. В настоящее время на хладотранспорте не применяются.

Термоэлектрические холодильные машины

Термоэлектрическое охлаждение основано на использовании эффекта Пельтье: при пропускании постоянного тока через термоэлемент, состоящий из двух разнородных полупроводников, соединённых медной пластиной, один из спаев охлаждается, а другой нагревается. Это показано на рисунке 4.12.

Рисунок 4.12 – Термоэлектрическая батарея:

1 – полупроводник с высокими термоэлектрическими свойствами; 2 – медная пластина

Чтобы холодный спай постоянно имел низкую температуру, от теплого спая требуется непрерывно отводить теплоту. Здесь перенос тепла внутри термоэлемента выполняется электрическим током, а вне его – конвекцией охлаждающей среды. Если поменять полярность источника тока, то направление теплового потока изменится на противоположное.

Термоэлектрическое охлаждение просто и удобно, но маломощно и неэкономично. Оно применяется в космической технике, для кондиционирования воздуха в пассажирских вагонах и жилых зданиях. Использование его на хладотранспорте возможно и эффективно при создании грузовых вагонов с усиленной теплоизоляцией типа сэндвич, термоэлектрическими

83

батареями, аккумулятором и подвагонным генератором для подзарядки аккумулятора. Преимущества такого способа получения холода: бесшумность, надежность, автономность и реверсивность работы оборудования.

Всистеме железнодорожного транспорта на подвижном составе применяют в основном паровые компрессионные холодильные машины, а в стационарных складах – ещё и турбохолодильные, и сорбционные, и струйные.

Другие холодильные машины

Существуют и перспективны для использования на транспорте способы машинного производства холода, которые основаны на магнитокалорическом и электрокалорическом эффектах. Эти эффекты заключаются в изменении температуры соответственно магнетиков и диэлектриков при изменении напряжённости внешнего магнитного или электрического поля.

4.4Термодинамические основы работы холодильных машин

4.4.1Теоретический цикл Карно в идеальной паровой компрессионной холодильной машине

Вкомпрессионных холодильных машинах хладагент совершает круго-

вые необратимые процессы (циклы). На осуществление холодильных цик-

лов затрачивается внешняя энергия. Такие циклы называют обратными, в отличие от прямых циклов энергетических двигателей, предназначенных для производства работы за счёт внешней энергии.

Идеальным обратным холодильным циклом является теоретический цикл Карно. В нём принято, что процессы протекают в области влажного пара хладагента при постоянных температурах охлаждаемой и окружающей сред и идеальном теплообмене между ними и хладагентом. Теоретический цикл Карно может быть реализован только идеальной паровой компрессионной холодильной машиной. Принципиальная схема этой машины из четырёх основных элементов (испарителя, компрессора, конденсатора и расширителя) показана на рисунке 4.13, а термодинамические процессы цикла Карно – на Т, s-диаграмме согласно рисунку 4.14.

Цикл осуществляется в области влажного пара между пограничными кривыми кипения (соответствует влажному насыщенному пару, когда его

сухость =0) и конденсации (соответствует сухому насыщенному пару, его

84

сухость =1). Он представлен двумя адиабатами (1–2) и (3–4) и двумя изо- термами-изобарами (4–1) и (2–3).

Рисунок 4.13 – Принципиальная схема идеальной одноступенчатой паровой компрессионной холодильной машины:

1,2,3, 4 – точки характеризующие термодинамические процессы теоретического цикла Карно в элементах идеальной холодильной машины по Т, s –диаграмме

Рисунок 4.14 – Т, s-диаграмма теоретического цикла Карно

85

Изотермический процесс 4–1 (он же изобарный) протекает в испарителе машины, являясь основным. Здесь к хладагенту подводится тепло от охлаждаемой среды qо. Хладагент при давлении ро и температуре То кипит и переходит из состояния жидкости в состояние насыщенного пара. Количество теплоты qо, принятое хладагентом в испарителе, называется массовой теоретической холодопроизводительностью и определяется площадью прямоугольника (4–1–s1,2–s3,4).

Адиабатические процессы сжатия (1–2) в компрессоре и расширения

(3–4) в расширителе (детандере) происходят без теплообмена с внешней средой, т. е. при постоянной энтропии s, а температура хладагента Т соответственно повышается и понижается. На это затрачивается механическая работа l, определяемая областью прямоугольника (1–2–3–4).

Сжатые до давления рк пары хладагента конденсируются в конденса-

торе машины при температуре Тк по изобаре (2–3), одновременно являющейся изотермой, и переходят из состояния насыщенного пара в жидкость, которая после адиабатического расширения (3–4) кипит по изобаре-изо- терме (4–1) и снова переходит в состояние насыщенного пара.

При расширении давление хладагента понижается до Ро, а температу-

ра – до То. Работа, затраченная на реализацию обратного цикла Карно, превратилась в теплоту, которая передалась хладагенту. Поэтому от хладаген-

та в окружающую среду передаётся теплота qк, которую называют нагрузкой на конденсатор:

Выражение (4.16) характеризует тепловой баланс теоретического цик-

ла.

Холодильный коэффициент , определяемый отношением массовой теоретической холодопроизводительности qо к затраченной удельной ме-

ханической энергии l, у цикла Карно имеет наивысшее значение:

86

Очевидно, что определяется величинами Тк и То. Он возрастает при увеличении То или уменьшении Тк, т. е. при уменьшении затрачиваемой механической работы.

Теоретический цикл Карно в области влажного пара является наиболее экономичным. Однако идеальную паровую холодильную машину трудно осуществить из-за конструктивных сложностей реализации расширителя и потерь при всасывании влажного пара. Поэтому схему, близкую к циклу Карно, применяют только в газовых компрессионных холодильных машинах, где нет отмеченных проблем.

Рассмотренная здесь идеальная паровая компрессионная холодильная машина имеет одну ступень сжатия хладагента. Поэтому её называют од-

ноступенчатой.

4.4.2 Реальная одноступенчатая паровая компрессионная холодильная машина

Вэтой холодильной машине вместо расширителя применён терморегулирующий (дросселирующий) вентиль (ТРВ), а процесс адиабатического сжатия хладагента осуществляется в области сухого (чаще перегретого) пара. Принципиальная схема такой холодильной машины показана на рисунке 4.15.

Контур рабочего тела замкнут и герметичен. В нём циркулирует определённое количество хладагента, который в испарителе и конденсаторе изменяет своё агрегатное состояние.

Виспарителе жидкий хладагент кипит за счёт теплоты qо, отводимой

от охлаждаемого груза. При этом его давление pо неизменно вследствие материального баланса процессов образования пара из жидкости и его от-

соса компрессором. Неизменна и температура кипения хладагента tо. Она ниже температуры груза tг на некоторую экономически оправданную ве-

личину, °C: tо=tг– (10...12).

Компрессор засасывает и сжимает пары хладагента до высокого дав-

ления pк, разогревая их за счёт затраты механической энергии l. Он может быть поршневым, лопаточным, винтовым и т. д. Горячий пар отдаёт тепло-

ту q = qо + l во внешнюю среду в конденсаторе, сохраняя в процессе сжи-

жения постоянные значения pк и tк. При этом температура конденсации

87

На диаграмме показаны две пограничные кривые сухости паров хлада-

гента: =0 и =1, которые соответствуют линиям кипения и конденсации паров. Обе пограничные линии вверху диаграммы сходятся в критической точке. Левая пограничная кривая отделяет область влажного пара от области переохлаждённой жидкости, а правая – от области перегретого пара.

Рабочий цикл машины представлен на Т, s и p, i -диаграммах следующими термодинамическими процессами:

–изотермический (он же изобарический) процесс кипения паров хладагента в испарителе (4–1');

–изобарический перегрев паров в испарителе (1'–1);

–адиабатическое сжатие паров хладагента в компрессоре (1–2) — ;

–изобарическое охлаждение перегретых паров хладагента в конденсаторе до температуры конденсации (2–2');

–изотермический (он же изобарический) процесс конденсации паров хладагента в конденсаторе (2'–3');

–изобарическое переохлаждение жидкого хладагента в конденсаторе

(3'–3);

–изоэнтальпный процесс дросселирования жидкого хладагента в ТРВ

(3–4).

В схему одноступенчатой паровой компрессионной холодильной машины могут включаться дополнительные элементы, повышающие надёжность работы основных её узлов:

–перегреватель пара или отделитель жидкости перед компрессором, которые обеспечивают защиту компрессора от эрозионных явлений;

–переохладитель жидкости, исключающий присутствие в потоке пузырьков пара, которые снижают устойчивость рабочего процесса в дросселирующем вентиле;

–ресивер-сосуд для хранения жидкого хладагента при консервации или транспортировке машины;

–фильтр или грязеуловитель, очищающий хладагент от примесей, ухудшающих его термодинамические свойства;

–прессостат-терморегулятор для поддержания нужного давления хладагента в испарителе машины;

–термостаты систем защиты, сигнализации, автоматического регулирования процессов;

–электромагнитные вентили и обратные клапаны на трубопроводах.

90

4.4.3 Реальная двухступенчатая паровая компрессионная холодильная машина

Мощность одноступенчатой холодильной машины позволяет получить температуру в охлаждаемой среде до минус 20°C при максимальных значениях температуры наружного воздуха 35°С. Во многих случаях требуется обеспечивать в грузовых помещениях транспортных и складских рефрижераторных модулях более низкие температуры или эксплуатировать их при очень высоких наружных температурах. К тому же одноступенчатая холодильная машина эффективно работает при отношениях давлений кон-

денсации и кипения хладагента рк/ро 8.

Для получения температур кипения хладагента ниже минус 30°С или для отвода тепла в окружающую среду, имеющую очень высокую темпе-

ратуру, необходимо соответственно понизить ро или повысить рк, т. е. ещё больше увеличить отношение рк/ро. Отмеченное обусловливает примене-

ние многоступенчатых машин. Коэффициент многоступенчатой холо-

дильной машины может достигать более высоких значений за счёт введения охлаждения пара между ступенями, что приводит к снижению его удельного объёма и, следовательно, затрат механической энергии на сжатие.

Двухступенчатое сжатие можно осуществить либо в двух отдельных компрессорах (низкого и высокого давления), либо в одном двухступенчатом компрессоре с цилиндрами низкого и высокого давления. В зависимости от степени охлаждения паров хладагента после первой ступени различают три схемы: с полным (до состояния насыщения) и неполным промежуточным охлаждением, а также без промежуточного охлаждения.

На рисунке 4.18 рассмотрена принципиальная схема работы двухступенчатой холодильной машины с фреоновым хладагентом и полным промежуточным охлаждением. Эта машина получила наибольшее распространение в НХЦ. Она может переключаться в режим одноступенчатого сжатия. Здесь легко выделить две взаимосвязанные (областью промежуточного давления) холодильные машины. В контуре низкого давления 1–2–7–8 пары хладагента из испарителя отсасываются компрессором низкого дав-

ления (КНД) и сжимаются до промежуточного давления pпр. Перегретые пары направляются в промежуточный сосуд (ПС), где конденсируются при прямом контакте (барботаже) с жидким хладагентом, имеющим темпера-

91

туру tпр. Далее при прохождении терморегулирующего вентиля низкой ступени (ТРВН) давление и температура жидкости снижаются до pо и tо, затем в испарителе хладагент кипит, забирая теплоту от охлаждаемого воздуха.

Рисунок 4.18 – Принципиальная схема реальной двухступенчатой паровой компрессионной холодильной машины:

1, 2, 3, 4 – точки, характеризующие термодинамические процессы теоретического цикла Карно в элементах двухступенчатойхолодильной машины на р, i –диаграмме; КНД – компрессор низкого давления; КВД – компрессор высокого давления; И– испаритель; ПС – промежуточный сосуд; К – конденсатор; ТРВН – терморегулирующийвентиль низкой ступени; ТРВВ– то же, высокой ступени; ЗВ1,ЗВ2, ЗВ3, ЗВ4 – запорные вентили для переключения системы

врежим одноступенчатого сжатия

Вконтуре высокого давления 3–4–5–6 роль испарителя выполняет промежуточный сосуд, где сосредоточено некоторое количество жидкого

хладагента, кипящего при давлении pпр за счёт теплоты перегрева паров в контуре 1–2–7–8. В промежуточном сосуде происходит гравитационная сепарация жидкой и газообразной фаз вещества с образованием уровня.

92