IV Рабочие вещества хм.

Общие сведения:

Перенос тепла с более низкого уровня температуры на более высокий, осуществляет рабочее вещество (холодильный агент) циркулирующее обычно в замкнутом контуре ХМ или ТН реализуя обратный термодинамический цикл.

Наиболее распространены хладагенты с нормальной температурой кипения, значительно ниже Т_ос.

Первые ХМ были построены и применены во второй половине XIX в. В то время использовались: диоксид углерода CO₂ c t_s=-78^oC; сернистый ангидрид SO₂ c t_s=-10^oC; хлористый метил CH₃Cl c t_s=-29,7^oC; амиак NH₃ c t_s=-33^oC. Каждый из этих хладагентов имел существенные недостатки, что весьма осложняло эксплуатацию ХМ, т.к. SO₂ и CH₃Cl – весьма токсичны; применение CO₂ – связано с высокими давлениями ХМ; NH₃ – также токсичен и пожароопасен. В 20-х годах XX в. были синтезированы «фреоны», а это есть – хлорфтор замещенные углеводороды, на основе: метана CH₄, этана C₂H₆, пропана C₃H₈.

Фреоны вытеснели первоначально применявшиеся хладагенты, кроме амиака, и позволили поставить производство ХМ на рельсы массового производства.

Фреоны представлялись абсолютно безопасными и в отношении токсичности и в отношении взрывопожароопасности.

В 80-х годах XX в. выяснилось, что хлорсодержащие фреоны обладают потенциалом разрушения азонового слоя, а все остальные синтетические рабочие вещества являются парниковыми газами. Поэтому, в последствии 30 лет идет ревизия применения хладагентов, замена части из них, исходя из экологической безопасности, в частности расширение применения , так называемых, природных рабочих веществ, к которым относятся: амиак NH₃, диоксид углерода CO₂, углеводороды C₂H₆, C₃H₈; воздух и вода как рабочие вещества.

Классификация холодильных агентов:

1. Синтетические, природные. Синтетические – хлорфтор замещенные углеводороды. Природные - амиак CO₂, углеводороды, воздух и вода.

2. Моновещества (МВ) и смеси: зеотропные (ЗС) и азеотропные (АС). Смеси могут быть синтетическими и природными, также многокомпонентными.

3. Нормальная температура кипения и сопряженный с ней уровень давления. Хладагенты по этому признаку делятся:

а) Холодильные агенты высокого давления с нормальной температурой кипения T_s<-50^oC;

б) Хладагенты среднего давления, с -50^oC< T_s<-10^oC;

в) Хладагенты низкого давления T_s>-10^oC.

Если при температуре t=30^oC, то для:

а) р=2…7 МПа;

б) р=0,3…2 МПа;

в) р<0,3 МПа.

Связь температуры и давления хладагента в состоянии насыщения вещества: R23, R134a, R123.

Обозначения холодильных агентов.

Хладагенты обозначаются: 1) названием; 2) химической формулой; 3) стандартным шифром – этот шифр принят как международный стандарт. Шифр включает первую букву R (refregerant) и цифры.

Формулирование шифра хлорфтор замещенных углеводородов (фреонов):

Основа	в основе цифра	р
Метан CH4		4-(m+n)
Этан C2H6		6-(m+n)
Пропан C3H8		8-(m+n)
Бутан

Атомы водорода полностью или частично замещаются хлором или фтором, к основным цифрам добавляется число атомов.

n – число атомов фтора;

m – число незамещенных атомов водорода;

р – число атомов хлора.

CCl₂F₂ – R12.

R13 – метановый ряд, фтор – 3.

R142 – этановый ряд, 3 водорода, 2 фтора.

Лекция 7.

Кривая давления насыщения.

Это связь температуры и давления в паро-жидкостной области диаграммы состояния рабочего вещества на кривых насыщения жидкости Х=0 и сухого насыщенного пара Х=1. В координатах p,t эти линии сливаются и для каждого рабочего вещества она ограничена: внизу тройной точкой, наверху критической точкой, характеризующаяся температурой Т_кр, р_­кр, и Т_f, p_f – является нормальной температурой T_s и p=0,1 МПа.

Иногда зависимость давления от температуры апроксимируют (дают математическое описание) уравнением такого вида

С, В, F, D – индивидуальные константы для каждого рабочего вещества.

Для смесевых хладагентов зеотропных смесей связь температуры и давления на линии Х=0 и на линии Х=1 различают и по этому у этих рабочих веществ будут 2 разные линии насыщения, которые смыкаются в критической точке.

Уравнение состояния.

Термические параметры состяния идеального газа связаны между собой уравнением Клапейрона:

Для реального газа это уравнение недействительно. Для реального газа

z – коэффициент сжимаемости, который характеризует отклонение связи параметров состояния от идеального газа. По существу z выступает как четвертый парметр состояния, который имеет свое значение в любой точке диаграммы состояния.

В настоящее время для описания связи параметров p, T, ρ, z разрабатываются уравнения состояния, которые представляют собой полиномы различной степени. В начальный период разработок таких уравнений они носили имена своих разработчиков. Например Редлиха-Квонга, Боголюбова-Майера, Битти-Бриджмена и др. Эти уравнения были не очень совершенны, имели определенную погрешность. В настоящее время, с использованием вычислительных средств, разрабатываются восокоточные уравнения состояния, не только для термических, но и для калорических параметров состояния. Расчетные, основанные на таких уравнениях, получили широкое распространение в том числе для расчета свойств смесевых хладагентов.

m и n – характерная размерность полиномы;

– вириальный коэффициент;

– индивидуальные const подобранные для конкретного рабочего вещества или группы веществ.

Разрабатываемое уравнение состояния базируется на параметрах состояния в реперных точках, получаемых экспериментальным путем, путем измерения с высокой точностью.

В начальной стадии определения коэффициента сжимаемости z использовали экспериментальные зависимости z от приведенного давления и приведенной температуры.

Обобщающие зависимости рабочих веществ для параметров состояния.

Для огромного количества рабочего вещества, параметры состояния которых существенно различаются, тем не менее существуют некоторые единые общие соотношения параметров.

р_к(Т_к) – давление и температура конденсации;

р_о(Т_о) – давление и температура кипения;

– удельная холодопроизводительность;

– работа цикла, сжатия;

– удельная объемная холодопроизводительность цикла;

- холодоильный коэффициент.

Число Гульдберга:

Число Трутона:

Величина характеризует ширину паро-жидкостной области для данного рабочего вещества.

Из этого вытекает, что рабочие вещества с более высокими значениями

молекул массы будут иметь меньше величину и в фиксированном температурном режиме базового цикла.

Вывод: рабочие вещества у которых больше, у них меньше, следовательно массовый расход будет больше.

В соответствии с формулой (1) при прочих равных условиях, работа сжатия пропорциональна индивидуальной газовой постоянной данного рабочего вещества. Индивидуальная газовая постоянная :

Следовательно, у рабочих веществ с большей молекулярной массой работа цикла будет меньше примерно пропорциональна значению молекулярной массы. Отсюда следует, что холодильный коэффициент , для разных рабочих веществ не может отличаться существенно. И поиск исключительных рабочих веществ с исключительно высоким , для заданных температурных условий работы, бесперспективен.

Для заданных температурных условий (Т_к, Т₀), для разных рабочих веществ существует зависимость таких величин как р_к, р_о, от нормальной температуры кипения Т_s. Все эти величины, кроме , тем более, чем ниже нормальная температура кипения холодильного агента. А величина напротив, тем выше, чем выше Т_s.

Влияние свойств холодильных агентов на конструкцию и эксплуатационные показатели ХМ.

Свойства: р_к; р_о;

k – показатель адиабаты.

р_о: Уровень р_о важен с точки зрения вакуума в системе ХМ, который желательно избежать. Вакуум в системе связан с опасностью подсоса воздуха в систему по имеющимся неплотностям и нарушениям режима работы ХМ.

р_к: Уровень р_к определяет требование к прочности всех элементов на стороне высокого давления ХМ (корпусов, компрессоров, конденсаторов, трубопроводов, арматуры (запорные)). Для выпускаемых компрессоров различными фирмами максимальный р_к ограничивается величиной 2..2,5 МПа. Если для данного рабочего вещества при заданной t_к, давление превышает предельное давление для компрессора (или других элементов), то этот хладагент не может быть использован для этих условий и необходимо применение хладагента с более высокой нормальной температурой кипения.

- определяет нагрузку на механизм движения компрессора, например, разность давления в конце сжатия в цилиндре поршневого компрессора (над поршнем) и давлением под поршнем. В выпускаемых компрессорах различными фирмами устанавливается предельно для данной конструкции , в пределах 1,4…2,3 МПа.

: Уровень (который выше у хладагентов с более высокой t_s) определяет уровень рабочего коэффициента компрессора, а именно КПД и коэффициент подачи: Чем выше , тем ниже эти коэффициенты.

: сравнивает мощность потребляемая компрессором с мощностью при сжатии хладагента по изоэнтропе.

: сравнивает реальный массовый расход, обеспечиваемый компрессором в сравнении с теоретическим, когда весь объем рабочей полости (объем цилиндра) наполняется паром с удельным объемом , в точке начала сжатия.

Обычно стремяться обеспечить работу ХМ с . От косвенно зависит температура пара в конце сжатия. Чем выше , тем выше температура

Предельное значение , с точки зрения температуры в конце сжатия ограничивает применение компрессоров и ХМ по сочетанию температуры кипения и конденсации, например при данной температуре кипения ограничивается максимальная температура конденсации.

Максимальная темепература в конце сжатия допускается в пределах 90…130 ^оС.

: Определяет тербуемую объемную производительность компрессора при заданной холодопроизводительности Q_o.

Действительная объемная холодопроизводительность

Теоретическая объемная холодопроизводительность

Чем выше рабочего вещества, тем меньше объемная производительность компрессора требуется (можно выбрать компрессор меньшего размера). Показатель адиабаты оказывает влияние: на работу цикла (1); на температуру в конце сжатия. Чем выше значение k, тем выше

: Оказывает влияние на величину q₀, . Кроме того определяет уровень скорости звука в потоке рабочего вещества при заданной рабочей температуре, которая в большой степени определяет выбор параметров центробежных компрессоров ХМ.

Зависимость некоторых свойств хладагентов от нормальной температуры кипения.

Условия:

t_o=-15^оС, t_к=30^оС.

ХА	ts, oC	рк, МПа	ро, МПа
R11	23,65	0,129	0,0208	6,19	0,0108	204,3
R12	-29,74	0,758	0,186	4,07	0,5719	1279,2
R717(амиак)	-33,35	1,19	0,241	4,94	0,9485	2168,8
R170(этан)	-88,53	4,8	1,663	2,89	3,137	5000,1
		Растет	Растет	Снижается	Растет	Растет

Влияние теплофизических свойств на интенсивность теплоотдачи при кипении и конденсации холодильного агента.

На теплоотдачу оказывают влияние следующие теплофизические свойства:

- насыщенная жидкость, а - сухой насыщенный пар на правой пограничной кривой.

при кипении растет если растет и если снижается .

при конденсации растет если растет и если снижается .

Лекция 8.

Смесевые хладагенты.

В парокомпрессионных ХМ наряду с моновеществами применяется двух- и многокомпонентные смеси веществ.

Смеси могут состоять из синтетических и природных компонентов.

Подбором состава и концентрацией компонентов можно обеспечить желаемые термодинамические и эксплуатационные параметры для определенных условий работы ХМ.

Смесевые холодильные агенты получили применение в последние 20 лет, в связи с необходимостью замены моновеществ, являющихся парниковыми газами и веществами истощающими азоновый слой.

Смесевые хладагенты относятся к двум группам, в зависимости от процентного состава жидкой фазы и равновесной паровой фазы: если составы жидкой и паровой фазы совпадают, то смесь называется азеотропной (АС), если разные составы – то это зеотропная смесь (ЗС). Это различие отражается на диаграмме фазовых равновесий для данной смеси. Для простоты рассмотрим двух компонентную смесь.

- неизотермичность фазового превращения (в данном случае кипения);

- неизотермичность фазового превращения (в данном случае конденсации).

Для некоторых паравеществ обнаруживается зона концентрации смеси, где процессы фазовых превращений проходят при постоянной температуре и следовательно хладагент (смесевой) ведет себя как моновещество.

Вид термодинамических циклов для зеотропов и азиатропов.

Примечание:

Для МВ и АС в области насыщения между пограничными линиями Х=0 и Х=1. Процессы кипения при постоянном давлении происходят с постоянной температурой (линия p=const и T=const горизонтальны и совпадают).

Для ЗС процессы фазовых превращений при постоянном давлении проходят с переменной температурой: процесс кипения начинается при более низкой температуре Т_1.4 и заканчивается при более высокой температуре Т_о­. Процесс конденсации начинается при более высокой Т – Т_к’’ и заканчивается при более низкой Т – Т_к’. Эти изменения температуры температуры характеризуются неизотермичностью (одновременно эти процессы происходят с переменной концентрацией компонентов в жидкой и парообразной фазах, что видно из диаграммы Т - %).

Для ЗС в области насыщения изотермы и изобары не совпадают и пересекаются.

Что может дать применение смесевого хладагента (в том числе ЗС)?

Снижение давления конденсации р_к; .

Применение АС возможно в выпускаемых или действующих ХМ без изменения конструкции их элементов.

Применение ЗС требует специального исполнения ряда элементов ХМ: прежде всего – испарителей и конденсаторов, для того чтобы избежать последствий от неодинаковой концентрации компонентов в жидкой и парообразной фазах.

Взаимодействие холодильных агентов со смазочными маслами.

В системе ХМ хладагент находится в контакте со смазочным маслом, некоторое количество масла неизбежно уносится из компрессора в систему ХМ вместе с потоком хладагента. Если это масло не вернуть в компрессор , то через некоторое время картер компрессора опустеет, смазка элементов компрессора прекратится и он выйдет из строя.

Для того, чтобы масло из системы безпрепятственно возвращалось в компрессор вместе с потоком всасываемого пара хладагента необходимо, чтобы ХА и применяемое масло были взаимно растворимыми.

В ХМ применяются специальные марки масла, создаваемые только для ХМ, которые обладают целым рядом особых свойств, например низкой температурой застывания, и выбор сорта масла в первую очередь определяется взаимной растворимостью масла с данным хладагентом.

До недавнего прошлого использовались минеральные масла, получаемые из нефти. И они хорошо растворялись с хлорсодержащими хладагентами.

ХФУ (CFI) – минеральные масла проходят;

ГХФУ (HCFC) – некоторые минеральные масла проходят, однако для большинства случаев используются синтетические масла.

ГФУ (HFC) и ФУ (FC) – использование только синтетических масел.

Однако есть практика работы ХМ с маслом нерастворимым с хладагентом, это прежде всего относится к ХМ, работающим на амиаке R717 (NH₃). В амиачных машинах используются минеральные масла. Для возврата масла в компрессор, после компрессора устанавливается маслоотделитель, однако, он не может отделить 100% масла из потока хладагента. Уносимое в систему масло накапливается в теплообменных аппаратах, замасливает теплообменные поверхности. По регламенту обслуживания ХМ периодически останавливаю, удаляют из системы масло, пополняют масло в картер компрессора, т.е. безнадзорная, автоматическая работа системы не обеспечивается.

Взаимная растворимость масла и хладагента, тем не менее, не обеспечивается при любых температурах масла и хладагента. Имеются области температур неограниченной растворимости, а также области, где растворимость обеспечивается лишь при небольшой концентрации масла в хладагенте эти условия растворимости отображаются диаграммой, с координатами концентрация – температура для данной пары хладагент – масло.

Если рабочие температуры, t_k и t_o, оказываются выше области ограниченного растворения масла в хладагенте, то обеспечивается нормальный возврат масла при всех условиях работы.

Температура конденсации во всех случаях должна быть выше t_кр. Если t_o оказывается ниже t_кр, то нормальная циркуляция масла обеспечивается в случае если концентрация масла в т.А выше концентрации масла в потоке хладагента (2…4)%.

Взаимодействие хладагентов с конструкционными материалами.

В основном хладагенты инертны по отношению к металлам, исключение: амиак разрушает металлы содержащие медь.

Некоторые фреоны разрушают алюминевые сплавы содержащие магний более 2%.

Фреоны – хорошие растворители органических соединений (применяются как моющее средство). Поэтому учитываются агрессивные воздействия конкретных ХА на уплотнительные материалы (резина, клеи, герметики, особенно серьезно стоит вопрос о материале изоляции проводов, встроенных в электродвигатель).

Взаимодействие с водой.

Примеси, в том числе вода, в составе хладагента, влияют на его термодинамические и эксплуатационные свойства.

Вода, растворенная в хладагенте, не представляет опасности, с точки зрения ее замерзание в системе. Однако она может создать условия для корозионного воздействия на сталь и ее сплавы (относятся к хлорсодержащим хладагентам).

Растворимость воды в разных хладагентах различна, например, R12 при t=0^oC составляет 30 ppm, а R22 при t=0^oC составляет 500 ppm. Обычно в тех. условиях на хладагенты устанавливается его степень сухости, ограничение воды в нем на уровне 50…100 ppm.

ppm =

Лекция 9.

Химическая стабильность. Взрывопожароопасность.

Синтетические хладагенты при высоких температурах могут разлагаться на несколько элементов, входящих в химическую формулу. При рассмотрении стабильности хладагентов, надо учитывать, что при нормальной эксплуатации ХМ, в них не могут быть температуры выше 150 ^оС.

ХА	Температура разложения
R22	550oC
R12	330-430 oC
R290	460 oC
R717	260 oC

При разложении фреонов наблюдаются следы фазгенов.

Температуры разложения надо учитывать при работе с хладагентом вне ХМ (в процессе обслуживания). Термодинамическая стабильность хладагентов снижается в контакте со смазочными маслами, продукты разложения хладагента снижает служебные свойства масла и срок их службы. Хладагенты в различной степени обладают воспламеняемостью и взрывоопасностью. Наиболее опасными являются углеводороды R290 (пропан), R600 (бутан) и амиак R717. Фреоны малоопасны в этом отношении, их воспламеняемость связана с наличием в молекуле не замещенного водорода. Для взрывоопасных хладагентов устанавливают границы взрывоопасной концентрации паров хладагента в воздухе. Чем ниже уровень этих концентраций, тем более опасен хладагент.

Концентрация в объемных процентах.

R290	2,3…9,5%
R142	10,6…15,1%
R717	16…25%

Токсичность.

Устанавливается путем опытного изучения физиологического воздействия на живые организмы. В результате определяют предельно допустимую концентрацию паров хладагента в воздухе с размерностью называется ПДК – предельно допустимая концентрация.

ПДК

R717	20
R12	300
R123	300
R124	400

У большинства других хладагентов ПДК = 3000.

Потенциалы истощения азонового слоя и глобального потепления.

ODP (Ozone depletion potential) – потенциал истощения азонового слоя.

GWP (Global warning potential) – потенциал глобального потепления.

Молекулы хлорфтор замещенных углеводородов обладают высокой устойчивостью, попадая в атмосферу их молекулы в неизменном виде сохраняются в течении длительного времени (от 1 до 100 лет).

Под действием воздушных потоков в атмосфере они попадают в верхние слои атмосферы и вызывают два негативных последствия:

1. Они образуют экран, действия которого в 1000 раз больше чем у молекулы CO₂, который препятствует отражению тепла с поверхности земли и создает парниковы эффект.

Потенциал GWP ниже для веществ, в молекулах которых присутствует незамещенный водород.

2. Вещества, включающие в молекулу хлор, под действием солнечной радиации наконецразлагаются с выделением атомарного хлора.

О­₂ – кислород.

О₃ – озон.

Активный атом хлора отрывает атом кислорода от молекулы озона и образуется молекула ClO и молекула О₂, затем ClO освобождается от атома кислорода, т.к. в атмосфере присутствует атомарный кислород О и снова разрушает имеющуюся в атмосфере молекулу озона.

В результате такого циклического каталитического процесса один атом хлора разрушает до 10000 молекул озона.

В атмосфере все время происходит процесс О₃ ⇆ О₂ + О’

R12 = CCl₂F₂

CCl₂F₂ → Cl’ + CClF₂

Cl’ + O₃ → ClO + O₂

ClO + O’ → Cl + O₂

В 1996г. было принято международное Венское соглашение по защите озонового слоя, а в 1985г. был принят Монреальский протокол, в котором все синтетические хладагенты были разделены на 3 группы:

CFC – запрещены в производстве и применении;

HCFC – разрешены на ограниченный срок времени (до 2020г.);

HFC и FC – с точки зрения ODP могут применяться неограниченное колличество времени.

В части глобального потепления имеется Киотский протокол, устанавливающий предельные уровни эмиссии в атмосферу парниковых газов: 1 место – СО₂, синтетические хладагенты также входят в число парниковых газов. В соответствии с этим протоколом страны должны отчитываться об объемах эмиссии парниковых газов.

В качестве единицы оценки ODP принят ODP R11. В качестве единицы для оценки GWP принят СО₂.

Принципы выбора и области применения хладагентов.

Общие требования при выборе:

ODP по возможности равной 0;

GWP по возможности равной 0;

Токсичность минимальной;

Отсутствие пожароопасности;

Низкие значения р_к; р_о; .

Специальные требования связаны с конкретной ХМ, в которой хладагент используется: кинематическая зона (температура ОС); уровни температур охлаждения (Т_инт); холодопроизводительность (малая, средняя, большая); тип используемого компрессора (поршневой, винтовой, центробежный и др.); область применения машины (промышленное, предприятие, общественное здание, холодильный транспорт, бытовой прибор).

Очевидно, что выполнение общих требований для любой конкретной ХМ выполнено быть не может, однако стремятся чтобы выбранный хладагент удовлетворял большинству или наиболее важным требованиям. Выбор хладагента всегда является компромисным. Допустимость невыполнения каких либо требовний, особенно связанных с безопасностью эксплуатации ХМ должны быть всесторонне обоснованы.

Важным фактором является также стоимость.

Наибольшее применение фрионов из списка требований.

НД → R123, R600a

СД → R22, R134a, R717, R407c, R410a, R404a.

ВД → R508B, R744 (CO₂).

Хладагенты низкого давления применяются для температур конденсации выше 60^оС, а именно в специальных кондиционерах, работающих в тропических условиях или в тяжелых условиях на промышленных предприятиях, в тепловых насосах для нагрева воды до 80…100^оС, а также в ХМ с центробежным компрессором, когда необходимы низкие значения . Хладагенты высокого давления используются в низкотемпературных, каскадных ХМ, для охлаждения ИНТ до уровня -80…-130^oC. Хладагенты среднего давления используются в подаляющем большинстве выпускаемых ХМ. В диапазоне температур, температура конденсации t_k до 50^оС (63^оС), t_о хладагента до -35^оС при одноступенчатом сжатии и до -60^оС при двухступенчатых схемах.

Диапазон нормальных температур кипения хладагента среднего давления от -10 до -50^оС достаточно широк, поэтому при выборе хладагента для конкретных условий учитывается нормальная температура кипения каждого вещества, которая влияет на параметры ХМ. Применение СО₂ в последние годы также связано с необходимостью отказа от экологически небезопасных хладагентов; он применяется в каскадных ХМ как хладагент высокого давления, но СО₂ применяется также в ХМ и тепловых насосах при отводе тепла конденсации к ОС с температурой 40 и более ^оС. Такие машины работают по сверхкритическому термодинамическому циклу и расчитаны на высокие давления в системе, до 13 МПа.

Циклы и схемы парокомпрессионных ХМ.

В данном разделе рассматриваются теоретические циклы и соответствующие им принципиальные схемы ХМ, которые находят применение в различных конкретных условиях, отличающиеся следующими факторами: уровнем температур Т_инт, Т_ивт(ос), применяемым хладагентом, назначением ХМ. Теоретический цикл отличается от действительного следующими факторами: процесс сжатия принимается проходящим по изоэнтропе, не учитываются потери давления в системе ХМ, не учитываются теплопритоки из окружающей среды к холодным частям машины и отвод тепла в окружающую среду от нагретых частей машины.

При оценке эффективности циклы прнимаются внешне обратимыми, т.е. температура кипения хладагента совпадает с температурой Т_инт, а температура конденсации хладагента совпадает с Т_ивт(ос).

В основу анализа различных термодинамических циклов положено сравнение этих циклов с базовым циклом. Параметры базового цикла обозначаются индексом Т1. Параметры рассматриваемого цикла обозначается индексом Т2. Схема любого рассматриваемого теоретического цикла более сложна, чем схема базового цикла. Это делается для того, чтобы повысить энергетическую эффективность цикла, его холодильный коэффициент, за счет сокращения необратимых потерь, связанных с процессом дросселирования и перегревом пара выше температуры конденсации (см. раздел термодинамические основы). Кроме того схема на реальных ХМ учитывает влияние ряда факторов связанных с использованием конкретного холодильного оборудования, например компрессоры, с их рабочими характеристиками (коэффициент подачи и КПД). Располагая характеристиками теоретического цикла можно приближенно определить ожидаемые характеристики действительного цикла реальной ХМ.

Определение коэффициента обратного базового цикла позволяет первично оценить термодинамическое совершенство данного рабочего вещества.

Оценку термодинамической эффективности рассматриваемых далее циклов Т2 производят путем сравнения характеристик цикла Т2 с характеристиками базового цикла Т1.

Желательно, чтобы >1

Лекция 10

Теоретические циклы с одноступенчатым сжатием хладагента.

Цикл с переохлаждением жидкого хладагента после конденсатора.

ПВ – переохладитель (водяной).

Цикл Т2 1.1 – 2.2 – 2.3 – 2.6 – 2.7 – 1.4

Цикл Т1 (базовый) 1.1 – 2.2 – 2.3 – 2.6 – 2.7 – 1.4’

Данная схема применяется в двух основных случаях: 1) когда кроме источника, охлаждающего конденсатор, например наружный воздух, имеется второй источник с более низкой температурой, напрмер артезианская вода (8…12)^оС, которая позволяет переохладить жидкий хладагент после конденсатора и за счет этого увеличить холодопроизводительность ХМ; 2) система работает как тепловой насос, в конденсаторе нагревается ИВТ для теплоснабжения, нагреваемая среда ИВТ, нагревается на большую разность температур (>10^о), и тогда ИВТ с входной низкой температурой вначале переохлаждает жидкий хладагент ПВ и сам нагревается, а затем нагревается в конденсаторе, отводя теплоту конденсации хладагента.

Расчет параметров.

– работа сжатия.

– холодильный коэффициент.

– прирост холодопроизводительности.

- тепло отводимое в конденсаторе.

- коэффициент преобразования теплового насоса.

Оценка эффективности цикла.

Связь со свойствами хладагента:

– изменение температуры жидкости.

Цикл с переохлаждением жидкости сторонним источником выгоден всегда. Возрастание холодопроизводительности и холодильного коэффициента тем больше, чем больше . в свою очередь (в общем случае) определяется температурой источника на входе в ПВ T_W1.

Возрастание холодопроизводительности и холодильного коэффициента тем больше, чем больше приведенная теплоемкость насыщенной жидкости на левой пограничной кривой () в интервале температур Т_к и Т_о. Величина характеризуется наклоном левой пограничной кривой в координатах .

Цикл с одноступенчатым сжатием и регенерацией тепла (регенеративный цикл).

1.1 – 2.2 – сжатие в КМ;

2.2 – 2.6 – процесс в конденсаторе;

2.6 – 2.7 – переохлаждение жидкого хладагента в РТ за счет отвод тепла к холодному пару, выходящему из испарителя;

2.7 – 1.4 – дросселирование жидкого хладагента от давления р_к до р_о.

1.4 – 1.3 – кипение хладагента в И (испарителе) с отводом тепла от ИНТ;

1.3 – 1.1 – нагрев пара после испарителя за счет отвода тепла от жидкого хладагента в регенеративном теплообменнике.

– охлаждение жидкости в РТ;

– нагрев пара в РТ;

– разность температур на теплом конце РТ;

– разность температур на холодном конце РТ.

Из теплового баланса РТ:

В пределе, если разность температур на теплом конце РТ , то .

Поэтому вводится понятие – степень регенерации .

Анализ.

Так же, как и в прошлом случае.

Уравнение для в общем виде не дает однозначного ответа о выгодности этого цикла. Колличественный результат зависит от значений приведенных теплоемкостей и для данного хладагента. Неопределенность связана с тем, что в цикле Т2, по сравнению с циклом Т1, растет и холодопроизводительность и работа сжатия.

Решая неравенства на основе уравнения (1) получаем определить раскрывающий условия выгодности регенеративного цикла для данного рабочего вещества.

– регенеративный цикл лучше базового;

– регенеративный цикл не меняется;

– регенеративный цикл хуже базового.

На практике схема и цикл с регенеративным теплообменником применяется даже если показатель термодинамического цикла не улучшается. Это связано с тем, что РТ повышает безопасность работы ХМ, т.к. в нем может испаряться капельная жидкость, уносимая из испарителя. Кроме того при более высокой температуре пара на всасывании в компрессор , улучшаются рабочие коэффициенты компрессора – коэффициент подачи и КПД.

Циклы с двухступенчатым (многоступенчатым) сжатием.

К циклам с двухступенчатым (многоступенчатым) сжатием прибегают при высоких разностях температур Т_к и Т_о хладагента (низкий Т_о – высокий Т_к). Определяющей для этого перехода является Т_о. При Т_о<-30^оС могут применяться схемы с двухступенчатым сжатием.

Использование одноступенчатых циклов при большой разности Т_к - Т_о не выгодно по следующим причинам:

1) снижается эфективность цикла – холодильный коэффициент .

2) снижается удельная холодопроизводительность цикла и и следовательно необходимая объемная производительность V_T м³/с и размеры КМ.

3) возрастает отношение давлений ⇒ снижается коэффициент подачи КМ требуется еще большая объемная производительность КМ V_T м³/с; уменьшается , а значит еще больше уменьшается холодильный коэффициент;

4) возрастает температура в конце сжатия Т_2.2, которая может оказаться недопустимой для безопасной работы КМ;

5) увеличивается разность давлений , которая может оказаться недопустимой по нагрузке на механизм движения КМ.

Применение в этих условиях условиях цикла с двухступенчатым сжатием дает следующие преимущества:

1) наличие в цикле промежуточных давлений между давлениями р_к и р_о позволяет осуществить процессы промежуточного охлаждения жидкого хладагента и сжимаемого пара между ступенями сжатия и тем сократить необратимые потери цикла (см. анализ потерь базового цикла, раздел термодинамические основы). В результате возрастает холодопроизводительность и холодильный коэффициент .

2) при последовательном сжатии пара хладагента в двух или более ступенях сжатия на каждую ступень приходится меньшая разность давлений и меньшее отношение давлений . Возрастают рабочие коэффициенты ступени КМ, а именно: и - становятся нормальными условиями нагрузки механизма движения ступеней КМ.

Циклы с двухступенчатым сжатием применяют до температуры кипения Т_о=-60…-70^оС. При более низких температурах используют каскадные циклы.

В ХМ с центробежными КМ используют циклы с многоступенчатым сжатием при более высоких температурах кипения, т.к. отношение давлений достигаемое в одной центробежной ступени ограниченно.

Тепловой баланс регенеративного теплообмена.

Циклы и схемы ХМ при двухступенчатом (многоступенчатом) сжатии.

На рис.4.2.3. привидена схема ХМ с трехступенчатым сжатием ХА с основными теплообменными аппаратами: испарителями И и конденсаторами К и всеми возможными вспомогательными аппаратами, которые могут быть включены в схему.

Термодинамический цикл 4.2.3(б) отражает все процессы происходящие в компрессорах, основных и вспомогательных аппаратах.

Аппараты и процессы в них:

1) Испаритель И:

Кипение ХА с отбором тепла от источника низкой температуры ИНТ.

2) Конденсатор К:

Конденсация ХА с отдачей тепла источнику высокой температуры ИВТ или ОС.

3) Переохладитель ПВ:

Переохлаждение жидкого ХА после конденсатора сторонними источниками.

4) Регенеративный теплообменник РТ:

Теплообменник между жидкими ХА после конденсатора (теплым) и парообразным ХА после испарителя (холодным).

5) Разделитель потоков РП:

Разделение жидкой и парообразной фаз ХА после дросселирования с более высокого уровня давления.

6) Переохладитель жидкости ПО:

Процесс переохлаждения основного потока ХА за счет выкипания части жидкого ХА в переохладителе.

7) Промежуточный сосуд ПС:

Охлаждение сжимаемого пара кипящим жидким ХА.

8) совмещенный аппарат ПО+ПС:

Совмещает процессы.

9) Промежуточный холодильник ПХ:

Охлаждение сжимаемого пара между ступенями сжатия сторонним источником (например, водой).

Для системного изложения материала по термодинамическим циклам любой сложности и для возможности програмирования расчетов параметров термодинамических циклов требуется унифицировать обозначение точек в цикле и на схемах и унифицированное уравнение для расчетов параметров циклов.

Уравнение для расчетов параметров любых термодинамических циклов.

В общем случае при многоступенчатом сжатии массовый расход ХА по ступеням сжатия различен.

Если через первую ступень проходит G₁ кг/с, то через вторую G₂ или третью G₃ массовый расход может быть больше. Дело в том, что из аппаратов РП, ПО и ПС поступает дополнительное количество парообразного ХА на сжатие РП, ПО, ПС в соответствующую ступень при данном давлении.

Расчет массовых расходов по ступеням.

Для цикла с двухступенчатым сжатием: n=3; j=2; g_j = b_j = .

Расчет параметров цикла при условии, что холод производится только на первом уровне давления.

Представленные уравнения корректируются дополнительным коэффициентом, например учитывающая поступление пара из испарителей на промежуточное давление (.

Для таких систем эфективность цикла с помощью оценена быть не можети определяется эксергетическим КПД (см. термодинамические основы).

Цикл с двухступенчатым сжатием, с двухступенчатым дросселированием жидкого ХА и отбором пара из РП при промежуточном давлении (цикл с неполным промежуточным охлаждением).

Цикл Т1 – 1.1-3.2’-3.6-1.4’ – базовый.

Поток разделяется на жидкую фазу в состоянии 2.6 и на паровую фазу 2.3, которая отсасывается в паровую ступень.

2.6-1.4 – дросселирование жидкости до давления р₁.

1.4-1.3 – кипение жидкого ХА в испарителе с отбором тепла от ИНТ.

Оценка эффективности этого цикла.

Составляем эффективность данного цикла Т2 с циклом Т1.

В результате смешения потоков - абсолюьное температурное изменение незначительно.

Максимальная эффективность этого цикла достигается тогда, когда

Цикл с неполным промежуточным охлаждением энергетически выгоден всегда и это связано с тем, что часть пара, образующегося при дросселировании и не производящая холод, ожижается только во второй ступени в отличии от цикла Т1. Основная область применения этого цикла – это ХМ водоохлаждающие (чилеры) для центральных систем кондиционирования воздуха.

Цикл с двухступенчатым сжатием и с ступенчатым дросселированием, аналогичные предидущему циклу но с использованием аппарата ПО.

Цикл с экономайзером.

Основной поток жидкости охлаждается несколько выше чем температура насыщения т.2.6, т.к. требуется температурный напор для отвода тепла в кипящей жидкости внутри аппарата, поэтому т.2.5 смещена в отношении т2.6.

Данный псевдо двухступенчатый цикл широко применяется в связи с тем, что винтовые и спиральные КМ по своей конструкции допускают подсос пара в полость сжатия при промежуточном давлении.

Лекция 11.

Цикл с двухступенчатым сжатием, ступенчатым дросселированием части жидкого хладагента, переохлаждением остальной части ХА промежуточным охлаждением сжатого пара кипящим ХА (цикл с полным промежуточным охлаждением)

Цикл Т1 1.1 – 3.2’ – 3.6 – 1.4’

Цикл Т2 1.1 – 2.2 – 2.1 – 3.2 – 3.7 – 1.4.

Процессы:

1.1 – 2.2 – сжатие в первой ступени;

2.2 – 2.1 – охлаждение сжатого пара в p-S за счет выкипания части жидкого ХА при давлении р₂ в количестве и смешение с паром, поступающим из ПО в состоянии 2.3;

2.1 – 3.2 – сжатие во второй ступени в воличестве G₂;

3.2 – 3.6 – процесс в конденсаторе(3.2 – 3.3 – охлаждение пара до состояния насыщения; 3.3 – 3.6 – конденсация ХА за счет отвода тепла в ОС);

3.6 – 3.7 – переохлаждение жидкого ХА после конденсатора в теплообменнике ПО за счет выкипания части ХА в количестве пропорциональна коэффициенту при давлении р₂.

3.6 – 2.4 – дросселирование части жидкого ХА, в дросселе ДВ1, до давления р₂;

3.7 – 1.4 – дросселирование основной части ХА, в дросселе ДВ2, до давления р₁.

1.4 – 1.3 – кипение ХА в испарителе за счет отбора тепла от ИНТ.

Расчет параметров.

В цикле с полным промежуточным охлаждением температуры и энтальпии в точке 2.1 задаются в процессе проведения расчета.

Количество тепла, отводимое в ОС:

Оценка эффективности

Включение в схему аппарата ПС не изменяет холодопроизводительности цикла, а влияет только на температуру пара на входе во вторую ступень КМ. На холодопроизводительность влияет только, присутствующий в схеме, аппарат ПО.

В результате двухступенчатого дросселирования холодопроизводительность цикла возрастет также как в рассмотренных циклах III и IV.

При анализе циклов III и IV было установлено , что

Остается определить влияние включения аппарата ПС на работу цикла Т2. Здесь учитывается два фактора:

1. В результате снижения температуры начала сжатия второй ступени, работа сжатия на 1 кг сжимаемого пара снижается;

2. Во второй ступени сжимается большее количество пара, пропорциональное G₂, что увеличивает работу.

Снизится ли в целом работа цикла или нет, можно определить только в результате сравнительного анализа с работой цикла Т1.

Выполнение этого условия зависит от термодинамических свойств конкретного ХА. Выведем определитель эффективности промежуточного охлаждения сжимаемого пара в аппарате ПС.

Уменьшению определителя способствует уменьшение обеих теплоемкостей перегретого пара и уменьшение теплоемкостей насыщенной жидкости.

Схема и цикл с ПС применяются в основном в ХМ, работающих на амиаке (R717) при температуре кипения в испарителе t₀<-20^оС.

Для амиака характерна низкая теплоемкость перегретого пара и высокие температуры в конце сжатия, что, в основном, и определяет эффективность применения такой схемы.

Схемы и циклы каскадных ХМ.

Каскадная машина – это последовательно соединенные по тепловому потоку две самостоятельные ХМ, называемые ветвями каскада. Низкотемпературная и высокотемпературная ветвь. В низкотемпературной ветви используют ХА высокого давления (с низкой нормальной температурой кипения). В высокотемпературной ветви ХА среднего давления.

Общим для обеих ветвей является теплообменный аппарат испаритель-конденсатор, в котором ХА высокого давления конденсируется, а среднего давления – испаряется.

ХА высокого давления в низкотемпературной ветви в технологическом испарителе, производя холод на требуемом уровне низких температур. ХА среднего давления в высокотемпературной ветви каскада конденсируется в конденсаторе, отдавая теплоту окружающей среде. Таким образом осуществляется перенос от объекта охлаждения к окружающей среде.

Каскадные схемы применяются при более низких температурах использования одного ХА, давление в испарителе оказалось бы в области вакуума, что повлекло бы снижение эффективности термодинамического цикла и потребовало бы использование компрессоров первой ступени с весьма большой объемной производительностью.

Использование ХА высокого давления возможно только в каскадной схеме, т.к. при температуре ОС (в конденсаторе) его давление либо недопустимо высоко по прочности конструкции, либо конденсация невозможна, т.к. критическая температура Т_кр ниже температуры окружающей среды.

Применение таких двух ХА позволяет нормализовать все параметры, влияющие на эффективность работы ХМ, а именно р_к; р_о; и обеспечить высокий холодильный коэффициент.

Недостатком каскадной схемы является:

1) ее сложность;

2) наличие температурного перепада в испарителе-конденсаторе

Каждая из ветвей каскада может иметь ту или иную усложненную схему с регенеративным теплообменом, двухступенчатым сжатием и т.д.

Приведенная схема отражает простейший вариант.

В T-S координатах условно совмещены две диаграммы состояния для ХА высокого и среднего уровня давления. В высокотемпературной ветви могут применяться любые ХА среднего давления. Для низкотемпературной ветви номенклатура ХА ограничена. Для температур t_o=-80…-100^оС, применяют R23, R508B (R13). Для температур t_o=-100…-135^оС применяются R14, R170.

Низкотемпературная ветвь:

Н1.1 – Н2.2 – сжатие в компрессоре;

Н2.2 – Н2.6 – конденсация ХА в испарителе-конденсаторе И/К с отводом тепла кипящему ХА в высокотемпературной ветви каскада;

Н2.6 – Н2.7 – переохлаждение жидкого ХА в РТ;

Н2.7 – Н1.4 – дросселирование;

Н1.4 – Н1.3 – кипение ХА с отводом тепла от охлаждаемого объекта (ИНТ);

Н1.3 – Н1.1 – нагрев всасываемого пара в РТ.

Высокотемпературная ветвь:

В1.1 – В2.2 – сжатие в компрессоре;

В2.2 – В2.6 – процесс в конденсаторе с отводом тепла в ОС;

В2.6 – В1.4 – дросселирование жидкого ХА;

В1.4 – В1.1 – кипение в испарителе-конденсаторе с отводом тепла от конденсирующегося ХА к низкотемпературной ветви каскада.

Расчет параметров.

Задано:

Температура кипения в низкотемпературной ветви Т_он, обеспечивающая охлаждение объекта.

Q_он – необходимая холодопроизводительность.

Т_кв – температура конденсации высокотемпературной ветви, обеспечивающая отвод тепла в ОС.

Расчет низкотемпературной ветви (НВ):

Высокотемпературная ветвь (ВВ):

Холодильная машина в целом:

Лекция 12.

Циклы и схемы газовых ХМ.

Рабочее вещество в газовых ХМ (ГХМ) во всех частях схемы находится в газообразном состоянии. Процессы проходят, как правило, в надкритической области по давлениям и температурам. На рис. стр. ?????? это 8-10.

Наибольший интерес представляет ГХМ, которая работает на воздухе в качестве рабочего вещества. Их обозначают как ВХМ. Критическая температура воздуха -140^оС. Критическое давление 3,76 МПа.

К ГХМ относятся: системы с использованием вихревой трубы (эффект Ранка), пульсационные системы охлаждения (см. раздел физические основы ТНТ). Эти системы в данном разделе не рассматриваются. Рассматриваются циклы с расширением газа в детандерах с отдачей внешней работы.

Классификацию ГХМ проводят по двум признакам: 1) замкнутым циклом и разомкнутым циклом; 2) нерегенеративные и регенеративные циклы.

Основные особенности газовых циклов.

Холодопроизводительность ГХМ зависит от разности температур, на которую нагревается охлажденный газ в процессе охлаждения объекта.

Для воздуха: .

Если принять, что газ при охлаждении объекта нагревается на , то

Удельная объемная холодопроизводительность циклов парокомпрессионных ХМ находится в пределах , отсюда следует, что для равной холодопроизводительности с парокомпрессионной ХМ в ГХМ должен циркулировать объем рабочего вещества на два порядка больше, чем в парокомпрессионной ХМ. В связи с этим для сжатия рабочего вещества используется турбокомпрессоры, которые при приемлимых размерах имеют столь высокую объемную производительность в .

Допустим, что

тогда для ПХМ а для ГХМ .

Вторая особенность ГХМ заключается в том, что доля работы детандера, возвращаемая в систему ГХМ, велика в общей работе термодинамического цикла ГХМ, Она намного выше доли работы, теряемой в дросселе парокомпрессионной ХМ (см. раздел термодинамические основы).

В связи с этим энергетическая эффективность ГХМ при одинаковых температурах источников: Т_инт, Т_ивт, Т_ос – значительно ниже, чем у парокомпрессионных ХМ. В связи с этим ГХМ могут конкурировать с ПХМ лишь при весьма низких температурах: Т_инт<-80^оС.

Однако, во многих случаях, когда требуется простота устройства ХМ, ГХМ находит применение и при более высоких температурах ИНТ, например в самолетных кондиционерах. В последнее время, в условиях необходимости отказа от экологически небезопасных фреонов большое внимание уделяется совершенствованию и расширению области применения ГХМ, работающих на воздухе, т.е. ВХМ. Как правило в схеме ГХМ присутствуют следующие основные элементы:

1. Компрессор, сжимающий газ до необходимого давления.

2. Теплообменнтк, охлаждающий газ (как правило тепло отводится в ОС).

3. Детандер, в котором газ расширяется до заданного низкого давления.

4. Теплообменник, в котором охлажденный газ, нагреваясь охлаждает объект (ИНТ).

Работа детандера отдается на вал машины и подведенная энергия извне, например от электродвигателя, равна разности работ компрессора и детандера.

Теоретический цикл нерегенеративной ГХМ.

Процессы:

1-2 – сжатие газа в компрессоре по изоэнтропе;

2-3 – охлажение газа в ПХ в пределе до Т_ос.

3-4 – расширение газа в детандере по изоэнтропе с отдачей работы на вал машины.

4-1 – нагрев холодного газа в процессе охлаждения в ОБ объекта в пределе до Т_инт.

Работа цикла равна разности работ сжатия и расширения : .

Расчет параметров:

В той области диаграммы состояния, в которой происходят процессы ГХМ, свойства газа приближаются к свойствам идеального газа, что позволяет представлять разность энтальпий как произведение постоянной величины теплоемкости газа Cp на разность температур в соответствующем процессе.

Для изоэнтропного процесса справедливо следующее:

В данном теоретическом цикле процессы сжатия и расширения обратимы, т.к. проходят по S=const. Степень обратимости цикла, в целом, зависит от изменения температуры источников Т_инт и Т_ос.

Оценим обратимость теоретического цикла ГХМ в двух вариантах.

1-й вариант:

Т_ос=const; Т_инт= const, тогда эквивалентный обратимый цикл – это цикл 1-2’-3-4’.

Поскольку Т₂>Т_ос, то .

2-й вариант:

В этом случае эквивалентный обратимый цикл – это цикл Лоренца.

Здесь теоретически возможен вариант, что этот теоретический цикл обратим, в случае если теплоемкости источников (ИНТ, ОС) и теплоемкость рабочего вещества одинаковы, т.е. равны между собой. Например, если и рабочее вещество и ОС и ИНТ – это воздух.

Изменение параметров цикла при действительных процессах сжатия и расширения.

В действительном цикле ГХМ процессы сжатия и расширения происходят с необратимыми потерями, они отклоняются от изоэнтропы, в результате работа сжатия увеличивается, работа детандера, отдаваемая на вал машины, уменьшается, работа цикла увеличивается, холодильный коэффициент уменьшается.

1-2’ – действительный процесс сжатия;

3-4’ – действительный процесс расширения в ДТ;

1-2’-3-4’ – в целом рассматриваемый цикл;

1-2-3-4 – цикл с теоретическими процессами сжатия и расширения.

Преобразуем выражение для действительной холодопроизводительности.

Потери в детандере и КПД процесса расширения не только увеличивает работу цикла (знаменатель), но и уменьшает холодопроизводительность (числитель). Это является причиной относительно низкого холодильного коэффициента ГХМ (ВХМ) по сравнению с циклом парокомпрессионных ХМ. При этом теоретический цикл ГХМ по холодильному коэффициенту может быть вполне конкурентноспособен.

Теоретический цикл регенеративной ВХМ.

Холодопроизводительность регенеративного и нерегенеративного цикла одинакова.

1-2-3-4 – регенеративный цикл;

1’-2’-3’’-4 – нерегенеративный цикл;

На участвке 2-3-4 – прямой поток газа, 4-1-2 – обратный поток газа.

Процессы:

1-2 – сжатие в КМ по S=const;

2-3’ – охлаждение сжатого газа в ПХ, в пределе до Т_ос;

3’-3 – охлаждение прямого потока газа в РТ обратным холодным газом, в пределе до Т_инт;

3-4 – расширение газа в детандере по S=const;

4-1’ – нагрев холодного воздуха в процессе охлаждения объекта, в пределе до Т_инт;

1’-1 – нагрев обратного потока газа в РТ, в пределе до Т_ос.

Расчет параметров.

Сопоставим холодильные коэффициенты регенеративного и нерегенеративного циклов. По постановке задачи холодопроизводительность обоих циклов

Поэтому сравнение холодильного коэффициента можно выполнить сравнивая работу цикла, которая в знаменателе. В обоих циклах, при условии, что изобары эквидистантны (параллельны), то температура Т₂=Т₂’.

Пользуясь , заполним

У обоих циклов

Анализируем соотногение

Вывод:

Преимущества регенеративного цикла:

1. Давление p₂<<p₂’;

2. Отношение давлений ;

3. Влияние потерь в процессе сжатия и расширения в действительном регенеративном цикле значительно меньше, чем в нерегенеративном, поэтому

В связи с этим во всех случаях, когда это по условиям использования ГХМ возможна реализация регенеративного цикла, его применение целесообразно, т.к. достигается более высокая энергетическая эффективность (холодильный коэффициент) и требуемое давление газа (воздуха) для достижения заданной температуры t₄ обеспечивается при более низком давлении.

Возможность реализации регенеративного цикла связана с двумя факторами:

1. Это замкнутый цикл, когда одно и тоже количество воздуха циркулирует в системе.

2. Холодный воздух после охлаждения объекта может быть направлен в регенеративный теплообменник. В разомкнутых циклах, как правило, регенеративный цикл осуществлен быть не может, и применяется нерегенеративный цикл.

Регенеративный цикл легко реализуется, если холодный воздух охлаждает в, теплообменнике, какой-то теплоноситель ИНТ (жидкость, воздух).

Наиболее целесообразно охлажденный воздух после детандера использовать непосредственно для охлаждения каких-то тел, т.е. хладагент и теплоноситель объединяются между собой.

Почему это привлекательно?

Потому, что: 1) нет потерь от передачи тепла от ХА к какому-то теплоносителю; 2) воздух – экологически чистое вещество, которое в процессе охлаждения объекта может непосредственно контактировать с ним. В этом случае охлаждаемые тела размещаются в некой изолированной камере, в эту камеру подается холодный воздух после детандера, воздух, в контакте с охлаждаемыми телами, подогревается, затем надо суметь его вывести из камеры и направить в регенеративный теплообменник. Сама камера должна быть герметичной, чтобы холодный воздух из нее не вытекал и теплый воздух (снаружи) в нее не поступал.

Использование нерегенеративной ВХМ с разомкнутым циклом.

Для энергетической эффективности ВХМ важно, чтобы разность температур, на которую холодный воздух нагревается в контакте с охлажденным объектом, была как можно больше. Если замораживаемый объект приходит с Т_ос и должен быть заморожен и иметь температуру, в замороженном состоянии, достаточно низкую, например -60^оС, то использование нерегенеративной ВХМ будет иметь наиболее высокую энергетическую эффективность, в сравнении с другими способами замораживания, например, с использованием парокомпрессионной ХМ.

ВХМ с разомкнутым циклом и давлением после детандера ниже атмосферного (русский цикл).

Процессы:

3 – атмосферный воздух, давление р₂ и температура ОС.

3-4 – охлаждение воздуха в РТ в пределе до температуры Т₆ после детандера.

4-5 – нагрев воздуха в камере, в контакте с охлаждаемыми объектами.

5-6 – расширение воздуха в детандере до давления ниже атмосферного.

6-1 – нагрев обратного потока воздуха в пределе до Т_ос в РТ за счет охлаждения прямого потока воздуха в процессе 3-4.

1-2 – сжатие воздуха до атмосферного давления и выброс в атмосферу (нагретый воздух может быть использован для практических целей).

Для работоспособности этой системы, в воторую поступает влажный атмосферный воздух, регенеративный теплообменник выполняется из двух параллельно работающих аппаратов, один из которых захолаживается для охлаждения поступающего воздуха, а второй освобождается от инея. Прямой и обратный потоки периодически переключаются на один и второй аппарат.

Рис. 1.1. Обобщенная схема ХМ (а) и соответствующий термодинамический цикл (б)