3. Газовые холодильные машины

Холодильные машины, весь термодинамический цикл кото­рых совершается в области сильно перегретого пара - газа, называются газовыми холодильными машинами (ГХМ).

По принципу получения низких температур ГХМ делятся на два типа:

1) ГХМ, в которых эффект охлаждения получается вследствие расширения газа в специальных расширительных машинах - детандерах с отдачей внешней полезной работы;

2) ГХМ, в которых эффект охлаждения получается в вихре­вых трубах без отдачи полезной работы.

Независимо от того, в каком устройстве достигается эффект охлаждения, ГХМ могут работать по нерегенеративному или регенеративному циклу. ГХМ, рабочим веществом которых является воздух, называют воздушными холодильными машина­ми (ВХМ). Воздух невзрывоопасен, гигиеничен, может подаваться прямо в охлаждаемое помещение; только на воздухе можно практически осуществлять циклы с тепломассообменом, что позволяет обойтись без водяного теплообменника, снизить металлоемкость машины и сделать ее более простой в эксплуатации, а при необходимости и транспортабельной.

При умеренно низких температурах газа работа, получаемая при его расширении в детандере, может составлять значитель­ную часть его работы, затрачиваемой в компрессоре. Поэтому в ГХМ первого типа работа детандера передается компрессору и используется для сжатия газа, что позволяет уменьшить ра­боту, необходимую для привода ГХМ, и повысить ее энергети­ческую эффективность.

В ГХМ второго типа кинетическая энергия, получаемая при расширении газа, в сложном газодинамическом процессе, проходящем в вихревой трубе, переходит в теплоту и затрачивается на нагрев той части газа, которая отводится в виде теплого потока. Кроме того, в вихревой трубе до низкой температуры охлаждается обычно не более 50-70 % от полного массового расхода газа, поэтому эффективность ГХМ с вихревыми трубами значительно ниже, чем ГХМ с детандерами. Охлаждение с помощью вихревого эффекта энергетически невыгодно. Тем не менее ГХМ второго типа компактны, просты в изготовлении, надежны в эксплуатации и относительно дешевы, поэтому их применение оправданно только в машинах специального назначения или в тех случаях, когда они работают периодически в течение коротких промежутков времени.

Теоретическими циклами ГХМ принято считать циклы, все процессы которых внутренне обратимы, а разность температур между источником и газом при выходе из теплообменных аппаратов равна нулю. Это означает, что движение газа в элементах машин происходит без необратимых потерь на трение и вихреобразование. Следовательно, процессы сжатия и расширения являются изоэнтропными, а процессы охлаждения в аппаратах изобарными.

Теоретический цикл нерегенеративной ГХМ с детандером. ГХМ состоит из следующих элементов (рис. 3.1, а): компрессора А, промежуточного холодильника Б, детандера В, теплообменного аппарата Г и двигателя Д. Цикл этой ГХМ совершается в такой последовательности (рис. 3.1, б). Газ поступает в компрессор с температурой Т₁ давлением р₁ и сжимается в процессе 1-2 до давления р₂. При этом его температура повышается до Т₂. Затем газ поступает в промежуточный холодильник, где от него отводится теплота, и он охлаждается до температуры Т₃. Далее газ направляется в детандер, где в процессе расширения 3-4 его температура снижается до Т₄, а давление до р₄ (в теоретическом цикле р₃ = р₂ и р₄ = р₁). После этого холодный газ поступает в теплообменный аппарат, где к нему подводится теплота от источника низкой температуры в процессе 4-1. Температура газа повышается до Т₁, и он снова направляется на всасывание компрессора.

Площадь под процессом 4-1 эквивалентна удельной холодопроизводительности цикла:

q₀ = h₁ – h₄ = c_p(T₁ – T₄), (3.1)

а площадь под процессом 2-3 эквивалентна количеству теплоты, отводимой от газа в промежуточном холодильнике:

q = h₂ – h₃ = c_p(T₂ – T₃). (3.2)

Рис. 3.1. Схема (а) и цикл (б) газовой холодильной машины

Работа, затрачиваемая в цикле, определяется из теплового баланса и представляет собой разность работ компрессора и де­тандера:

l = q - q₀ = (h₂ – h₁) - (h₃ – h₄) = l_k - l_Д, (3.3)

где l_к - работа компрессора, l_к = h₂ – h₁; l_Д - работа детандера, l_д = h₃ – h₄.

Работа компрессора всегда больше работы детандера, поэтому недостающая работа подводится к ГХМ извне от приводного дви­гателя.

Массовый расход газа, циркулирующего в ГХМ, определяют из заданной холодопроизводительности:

(3.4)

Холодильный коэффициент цикла определяют следующим образом:

(3.5)

Теплоемкость газа с_р в первом приближении можно считать постоянной, тогда

Для изоэнтропных процессов 1-2 и 3-4, проходящих между одними и теми же давлениями р₁ и р₂, справедливы соотношения:

Т₂/Т₁ = Т₃/Т₄; Т₂/Т₃ = Т₁/Т₄; Т₂/Т₃ - 1 = Т₁/Т₄ - 1; (Т₂ - Т₃)/Т₃ = (Т₁ - Т₄)/Т₄,

с учетом которых холодильный коэффициент цикла можно записать в следующем виде:

(3.6)

Коэффициент обратимости определяют как отношение холо­дильного коэффициента цикла к холодильному коэффициенту обратимого цикла:

. (3.7)

Коэффициент обратимости будет зависеть от характера изменения температур источников низкой и высокой температуры, с которыми ГХМ обменивается теплотой в процессе работы. Рассматриваются три возможных случая.

В первом случае теплоту необходимо отводить от источника с постоянной температурой Т_инт = const в окружающую среду с Т_o.с = const. Обратимым циклом будет цикл 1'-2'-3-4', а работа обратимого цикла будет эквивалентна его площади. Из рис. 3.1, б видно, что площадь 1-2-3-2'-1'-4'-4-1 будет эквивалентна той дополнительной работе, которую приходится затрачивать в ГХМ при ее работе на источники с постоянной температурой. Коэффициент обратимости цикла ГХМ будет значительно меньше единицы. Ясно, что применять ГХМ для таких условий охлаждения энергетически невыгодно.

Во втором случае источник низкой температуры имеет переменную температуру, изменяющуюся от Т₁ до Т₄, водяные эквиваленты газа Gс_p, выходящего из детандера и теплоносителя, одинаковы, а обмен теплотой осуществляется в противотоке. Источником высокой температуры по-прежнему является окружающая среда, т.е. Т_o.с = const. В этом случае обратимым будет цикл 1-2"-3-4, так как процесс теплообмена 4-1 будет проходить при бесконечно малой разности температур между газом и теплоносителем. Дополнительная работа будет эквивалентна площади 2"-2-3 и значительно меньше, чем в первом случае, а коэффициент обратимости возрастет, но по-прежнему будет меньше единицы.

В третьем случае источник высокой температуры имеет переменную температуру, изменяющуюся от Т₃ до Т₂, водяные эквиваленты газа и теплоносителя одинаковы, обмен теплотой происходит в противотоке. Источник низкой температуры остается таким же, как и во втором случае. Обратимый цикл при работе ГХМ на такие источники совпадет с циклом 1-2-3-4, а коэффициент обратимости будет равен единице.

Проведенное сопоставление показывает, что заключение о целесообразности применения ГХМ в том или ином случае может быть сделано только на основании тщательного анализа ее показателей при работе на конкретные источники с известными тепловыми характеристиками.

Теоретические циклы регенеративных ГХМ с детандером. Замкнутый цикл. Регенеративная ГХМ отличается от нерегенеративной наличием регенератора Е (рис. 3.2, а), в котором «прямой» поток газа, выходящий из промежуточного холодильника Б, дополнительно охлаждается перед входом в детандер в процессе 3-4. Отвод теплоты от «прямого» потока происходит в регенераторе за счет подогрева в процессе 6-1 «обратного» потока (рис. 3.2, б), выходящего из теплообменного аппарата Г. Как видно из рис. 3.2, б, подобрав соответствующим образом глубину регенерации, можно получить низкие температуры Т₅ и Т₆, не увеличивая отношения давлений в компрессоре.

Работа регенеративного цикла

l = q – q₀ = (h₂ – h₃) - (h₆ – h₅) = l_k – l_д = (h₂ – h₁) - (h₄ – h₅). (3.8)

Рис. 3.2. Схема (а) и цикл (б) регенеративной газовой холодильной машины

Необходимо заметить, что для цикла, совершаемого в реальном газе, у ко­торого линии h = const не совпадают с изотермами, h₁ ≠ h₃ и h₄ ≠ h₆, хотя выражение (3.8) остается справедливым.

Холодильный коэффициент регенеративного цикла

(3.9)

Если рабочее вещество - идеальный газ, у которого с_р = сonst, то

(3.10)

Холодильный коэффициент теоретического регенеративного цикла 1-2-3-4-5-6 численно равен холодильному коэффициенту теоретического нерегенеративного цикла 6-2'-3'-5, изобра­женного на рис. 3.2 штриховой линией. Видно, что для получе­ния тех же температур Т₅ и Т₆ отношение давлений в компрессоре ГХМ, работающей по нерегенеративному циклу, должно быть намного выше. Это вызывает увеличение массы и размеров нерегенеративной ГХМ.

Учет влияния потерь, возникающих в детандере и компрессо­ре, показывает, что регенеративная ГХМ является энергетически более выгодной.

При одинаковых значениях изоэнтропного КПД процесс расширения газа в детандере регенеративной ГХМ завершится в точке 5', а нерегенеративной - в точке 4' (рис. 3.2, б), поэтому удельная холодопроизводительность регенеративной ГХМ будет выше:

Разомкнутые циклы. Если рабочим веществом ГХМ является воздух, то отвод теплоты в окружающую среду можно осуществлять путем тепло- и массообмена. При этом отпадает необходимость в промежуточном холодильнике.

Разомкнутый цикл с тепломассобменом предложен Н.Н. Кошкиным. В схеме такой ГХМ отсутствует промежуточный холодильник (рис. 3.3, а). Воздух поступает в компрессор А непосредственно из атмосферы, сжимается в процессе 1-2 (рис. 3.3, б) и, пройдя через клапанную коробку Ж₁, сразу попадает в регенератор Е₁, в котором охлаждается в процессе 2-3, отдавая теплоту насадке регенератора, сначала до температуры Т_о.с, а затем до Т₃. Из регенератора, пройдя клапанную коробку Ж₂, воздух попадает в детандер В, где расширяется, совершая внешнюю полезную работу, и охлаждается до температуры Т₄. После этого воздух направляется в теплообменный аппарат Г, где отводит теплоту от охлаждаемого источника, нагреваясь при этом до температуры Т₅, затем поток воздуха через клапанную коробку Ж₂ попадает в регенератор Е₂, где охлаждает насадку, отнимая от нее теплоту, а сам нагревается до температуры Т₆ = Т₂ > Т_о.с. После регенератора воздух проходит клапанную коробку Ж₁ и выбрасывается в атмосферу, где, смешиваясь с окружающим воздухом, охлаждается в процессе тепломассообмена до температуры Т_о.с.

Особенностью работы ГХМ с тепломассообменом является непрерывное всасывание в компрессор атмосферного воздуха, который всегда содержит влагу. При охлаждении в регенераторе влага сначала выпадает в виде жидкости, а затем при t < 0 ºС в виде кристаллов льда, которые оседают на поверхности регенератора. Поэтому в таких ГХМ всегда применяется пара (или другое четное число) регенеративных теплообменников, содержащих теплоемкую насадку, выполняемую обычно из гофрированной алюминиевой ленты. Регенераторы работают попеременно. Сначала «прямой» поток воздуха, выходящего из компрессора, охлаждается в регенераторе Е₁, на поверхности насадки которого выпадают жидкость и кристаллы льда. В этом время «обратный» поток воздуха при более низком давлении р₁ нагре­вается в регенераторе Е₂. Известно, что чем меньше давление влажного воздуха, тем больше его влагосодержание при одной и той же температуре и относительной влажности. Вследствие этого «обратный» поток воздуха выносит всю влагу из регенератора Е₂ и полностью его осушает. Через определенный период, обычно не превышающий 1-2 мин, заслонки в обеих клапанных коробках автоматически поворачиваются на 90° и устанавливаются в положение, указанное на рис. 3.3, а штриховой линией. После этого «прямой» поток воздуха из компрессора пойдет че­рез охлажденный и осушенный регенератор Е₂, а «обратный» - через регенератор Е₁, и весь цикл повторится.

Рис. 3.3. Схема (а) и цикл (б) регенеративной газовой холодильной машины

с тепломассообменом (по Н.Н. Кошкину)

Разомкнутый вакуумный цикл с тепломассообменом, предложенный В.С. Мартыновским и М.Г. Дубинским, отличается от цикла Н.Н. Кошкина последовательностью работы элементов схемы. Здесь компрессор А является последним элементом схемы (рис. 3.4, а), его назначение - создавать разрежение за детандером В, а давление на выходе из компрессора равно атмосферному (в теоретическом цикле). Атмосферный воздух прохо­дит клапанную коробку Ж₁ и поступает сразу в регенератор Е₁, где охлаждается в процессе 1-2 сразу до низшей температуры цикла Т₂. После этого холодный воздух направляется в теплообменный аппарат Г, где он отводит теплоту от охлаждаемого источника, нагреваясь до температуры Т₃, а далее - в детандер В. Так как компрессор непрерывно поддерживает при выходе из детандера пониженное давление р₄ < р₃ = р_атм, то воздух, расширясь в детандере, совершает внешнюю работу, а сам при этом охлаждается до температуры Т₄. Затем, пройдя клапанную коробку Ж₂, этот «обратный» поток холодного воздуха проходит регенератор Е₂, где отводит теплоту от насадки и выносит влагу, находящуюся на ее поверхности. Температура «обратного» потока воздуха повышается до Т₅; пройдя клапанную коробку Ж₁, воздух поступает в компрессор А, где сжимается до атмосферного давления р₆ = р_атм и выбрасывается в атмосферу. Так как давление «обратного» потока воздуха ниже атмосферного, такой цикл называют вакуумным.

Рис. 3.4. Схема (а) и цикл (б) регенеративной газовой холодильной машины

с тепломассообменом (по В.С. Мартыновскому и М.Г. Дубинскому)