17 Теоретические циклы и схемы газовых детандерных холодильных машин (регенеративные и не регенеративные , замкнутые и разомкнутые)

ГХМ – это машины цикл которых осуществляется только в зоне сухого перегретого пара без фазового перехода рабочего вещ-ва По принципу получения низких температур газовые холодильные машины (ГХМ) делятся на два типа: 1)Детандерные ГХМ; 2)Вихревые ГХМ

Детандерный не регенеративный замкнутый цикл ГХМ.

П осле теплообменного аппарата газ поступает в компрессор и сжимается в процессе 1-2 . В процессе сжатия повышается температура газа до температуры Т₂. После компрессора сжатый горячий газ направляется в промежуточный охладитель, в котором охлаждается в процессе 2-3. Далее охлажденный холодильный агент расширяется в детандере в процессе 3-4. При расширении температура газа резко снижается до температуры Т₄. После детандера холодный газ поступает в теплообменный аппарат, в котором нагревается в процессе 4-1, отводя теплоту от охлаждаемой среды. Затем подогретый хладагент всасывается компрессором, сжимается и цикл повторяется вновь.

Детандерный регенеративный замкнутый цикл ГХМ. Работа такой газовой холодильной машины отличается тем, что после промежуточного охладителя предварительно охлажденный газ состояния 3 направляется в регенеративный теплообменник, в котором еще больше охлаждается в процессе 3-4 за счет теплообмена с холодным обратным потоком, идущим из теплообменного аппарата. В тоже время обратный холодный поток в регенеративном теплообменнике нагревается в процессе 6-1 за счет теплообмена с прямым теплым потоком.Детандерный разомкнутый регенеративный цикл ГХМ.

А тмосферный воздух с температурой окружающей среды всасывается компрессором, и сжимается в процессе 1-2 от давления Р₁ до Р2. После компрессора сжатый горячий воздух через клапанную коробку поступает в регенератор, где охлаждается в процессе 2-3 за счет теплообмена с обратным холодным потоком, выходящим из теплообменного аппарата. Далее охлажденный холодильный агент адиабатно расширяется в детандере , процессе 3-4 от давления Р₂ до давления Р₁, равного давлению Р_атм. После детандера холодный воздух направляется в теплообменный аппарат и подогревается в процессе 4-5,. Затем подогретый холодильный агент поступает в регенератор, где еще нагревается в процессе 5-6 за счет теплообмена с горячим потоком, выходящим из компрессора. После регенератора горячий воздух через клапанную коробку выбрасывается в атмосферу, где охлаждается до температуры окружающей среды в процессе 6-1 .

18 Вихревые газовые машины используют эффект Ранка. Цикл, как правило, разомкнут. Область применения – производство, как холода, так и тепла.

ПО – промежуточный теплообменник 1-2 – сжатие в КМ

ВТ – вихревая труба 2-3 – промежуточное охлаждение в ПО

ВО – воздухоохладитель 3-4 – производство холодной части воздуха в ВТ

4-5 – отепление воздуха в ВО, теплота подводится от охлаждаемой среды

3-6 – нагревание периферийной части воздуха в ВТ

5-6 – смешение холодного(т.5) и нагретого(т.6) воздуха до состояния(т.1) в случае замкнутого цикла ХМ

Вихревые газовые машины могут работать по нерегенеративному или регенеративному циклу. 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. В вихревой трубе до низкой температуры охлаждается обычно не более 50—70% от полного массового расхода газа. Охлаждение с помощью вихревого эффекта энергетически невыгодно. Тем не менее, вихревые газовые машины компактны, просты в изготовлении, надежны в эксплуатации и относительно дешевы, поэтому их применение оправдано только в машинах специального назначения или в тех случаях, когда они работают периодически в течение коротких промежутков времени.

1 9 Принцип действия термоэлектрической холодильной машины (ТХМ) основан на использовании термоэлектрического эффекта (эффекта Пельтье).Термоэлектрическая батарея состоит из ряда соединенных между собой термоэлементов. Термоэлементы выполнены из двух полупроводников, имеющих разную проводимость: электронную (n-типа) и дырочную (р-типа). В зависимости от назначения и конкретных условий работы соединение полупроводников может быть последовательным, каскадным или комбинированным. При последовательном соединении обеспечивается наибольшая площадь контакта с охлаждаемой средой и наибольшая холодопроизводительность. Каскадное соединение позволяет получить максимальную разность температур холодного и горячего спаев, но меньшую площадь контакта. Термоэлементы по форме могут быть, прямоугольными, круглыми, кольцевыми или секторными. В качестве термоэлектрических материалов применяются полупроводниковые сплавы. Основной показатель качества термоэлементов является коэффициент добротности Z, К^-1.где α – коэффициент термоэлектродвижущей силы, Вт/К; σ – удельная электропроводность, Ом^-1 ∙ м^-1; λ – удельная теплопроводность материала, Вт /(м ∙ К) Коэффициент добротности определяет максимальную разность температур горячих и холодных спаевгде Т_х – температура холодного спая, К. Наибольшим коэффициентом добротности обладают многокомпонентные соединения на основе теллуридов висмута и сурьмы. Добротность ветвей термоэлементов, изготовленных из этих материалов составляет (3 - 3,3) 10^-3 К^-1. Это позволяет при температуре горячего спая Т_г = 30 ^оС получить температуру на холодном спае Т_х = (-45 ÷ -50)^оС, т.е. ∆Т_мах = (75 – 80)^оС. Материалы для изготовления ветвей термоэлементов выбираются с учетом температурного диапазона работы, прочностных характеристик, совместимости с конструкционными материалами, стабильности термоэлектрических свойств, возможности реверсирования тепловых потоков, стоимости и т.д. Сплавы на основе Sb₂Te – Bi₂Te₃ и Bi₂Te₃ – Bi₂Se₃ достаточно хорошо отвечают необходимым требованиям. Электрическое соединение ветвей термоэлементов осуществляется через коммутационный переход. Основными требованиями, предъявляемыми к коммутационному переходу, являются малое контактное электрическое сопротивление, исключение диффузии его компонентов в полупроводники и достаточная эластичность при тепловом реверсировании. Наиболее часто в качестве шин коммутационных переходов служат медь, алюминий и заливочный материал на основе висмута. Соединение электроведущих шин с ветвями термоэлементов осуществляется пайкой, напылением, прижимом, склеиванием и другими способами. Для улучшения теплообмена горячих спаев с охлаждающей средой и холодных спаев с охлаждаемой средой на рабочих плоскостях термоэлектрических батарей, как правило, располагаются теплообменники. По характеру соединения теплообменников с термоэлементами различаются безызоляционные соединения и с электроизоляционными соединениями. В безызоляцыонных конструкциях все термоэлементы имеют индивидуальные теплообменники, которые могут выполнять и функции коммутационных пластин. Такие соединения применяют только в случае использования диэлектрических теплоносителей. В конструкциях с электроизоляционными соединениями между теплообменником и токоведущими элементами батареи располагается слой электроизоляции. По виду среды теплообменники бывают водяные и воздушные. В некоторых ТХМ используются промежуточные теплоносители с изменяющимся агрегатным состоянием. Водяной теплообменник представляет собой плиту или пластину с внутренними каналами, по которым циркулирует вода. Воздушные теплообменники имеют большую площадь теплообмена. Увеличение площади теплообменной поверхности осуществляется игольчатым или пластинчатым оребрением. В качестве конструкционных материалов для теплообменников обычно применяются медь или алюминий. Взаимосвязь термоэлектрических эффектов. Анализ работы и расчет термоэлектрических холодильных машин основан на взаимодействии термоэлектрических явлениях: Эффекта Зеебека, эффекта Пельтье, эффекта Томпсона и др. Эффект Зеебека заключается в том, что при поддержании различных температур на спаях двух полупроводников в цепи возникает термоэлектродвижущая сила и в цепи появляется электрический ток. На данном принципе основана работа термопар для измерения температур. ТермоЭДС на концах разомкнутой цепи определяется по уравнению В том случае, когда термоэлектрическая цепь состоит из однородных полупроводников дырочной или электронной проводимости, их термоЭДС оказываются противоположно направленными. Тогда: α_р = α_р1 - α_р2, α_n = α_n1 - α_n2. где α_р и α_n – коэффициенты термоЭДС дырочного и электронного полупроводников, Вт/К. Если термоэлектрическая батарея состоит из полупроводников различной проводимости, то их коэффициенты темоЭДС суммируется по абсолютным значениям, т.е. Для цепи, состоящей из n последовательно соединенных пар плоупроводников, термоэлектродвижущая сила равна:

и ли для цепи из двух полупроводников ΔЕ = α (Т_г – Т_х) Эффект Пельтье заключается в том, что при протекании электрического тока через два, спаянных между собой полупроводника, в местах спаев возникают различные температуры: один спай становится горячим, другой – холодным. Теплота, выделяемая или поглощаемая на горячем и холодном спаях, называется теплотой Пельтье. Теплота Пельтье определяется по формуле: где П – коэффициент Пельтье; I – сила тока, А. Коэффициент Пельтье связан с эффектом Зеебека следующим соотношением Тогда: Эффект Томпсона заключается в поглощении теплоты по всей длине термоэлементов. Наличие разности температур вдоль материала батареи приводит к тому, что электроны на горячем спае приобретают более высокую энергию, чем на холодном. Эта разность потенциалов неодинакова и приводит к возникновению термоэлектродвижущей силы. При этом возникает тепловой поток Томпсонагде τ – коэффициент Томпсона. Для рассмотрения взаимодействия между термоэлектрическими эффектами термоэлектрическую холодильную машину можно представить как машину, в которой рабочим веществом является электрический ток (электрический газ). Термодинамический цикл в S-T – диаграмме холодильной машины, в которой отсутствуют дополнительные потери, показан на рисунке 7.1. Процесс 4-1 – процесс подвода теплоты Пельтье к холодному спаю; процесс 1-2 – процесс поглащения теплоты Томпсона полупроводником n-типа; процесс 2-3 – процесс отвода теплоты Пельтье от горячего спая; процесс 3-4 – процесс выделения теплоты Томпсона от полупроводника p-типа.

Рисунок- Схема и цикл термоэлектрической холодильной машины. В веществах с различными типами полупроводников эффект Томпсона практически равен нулю и в расчетах, как правило, не учитывается.Количество теплоты Пельтье, подведенное к холодному спаю или теоретическая холодопроизводительность машины: Количество теплоты, отведенной от горячего спая: Работа цикла 1234, которую совершает термоЭДС при протекании электрического тока, равна разности отведенной и подведенной теплоты к спаям, т.е. Теоретический холодильный коэффициент цикла: Таким образом, теоретический коэффициент цикла термоэлектрической холодильной машины равен холодильному коэффициенту цикла Карно. В действительности работа термоэлемента сопровождается необратимыми потерями. Во-первых, при протекании электрического тока по цепи в термобатареи, выделяется теплота Джоуля-Ленца: где R – электрическое сопротивление термоэлементов, Ом. Считается, что в первом приближении Q_дж распределяется между спаями поровну, т.е.: Q^х_дж = Q^г_дж = 0,5 Q_дж Во-вторых, за счет теплопроводности материала термобатареи, часть теплоты от горячего спая передаётся холодному спаю в количестве С учетом потерь действительная холодопроизводительность термоэлектрической холодильной машины Q_о.д и количество теплоты, отведенной от горячего спая Q_г.д , будут равны: Потребляемая мощность: Действительный холодильный коэффициент Важными режимами работы термоэлектрической холодильной машины является режим максимального холодильного коэффициента ε_max, режим максимальной холодопроизводительности Q_о.max и режим минимального тока I_min.

20 В общем случае компрессорами называют машины, предназначенные для сжатия и перемещения различных газов. Различные газы являются рабочими веществами для многих пневматических машин и технологических устройств.

Компрессоры, работающие в составе холодильных машин, имеют значительные отличительные особенности от других типов компрессоров. Такие компрессоры выделены в отдельную группу, которая называется “Холодильные компрессоры”.

- По типу газораспределения в цилиндре: прямоточные и непрямоточные;

- По степени герметичности на герметичные, бессальниковые и сальниковые;

- По взаимному креплению цилиндра и картера: на блок-картерные и блок-цилиндровые;

- По конструкции кривошипно-шатунного механизма: крейцкопфные и бескрейцкопфные;

- По диапазону работы на высоко-, средне- и низкотемпературные;

- По холодопроизводительности на малые, средние и крупные;

- По числу рабочих полостей цилиндра: на компрессоры простого действия и двойного действия;

- По виду рабочего вещества холодильные компрессоры делятся на аммиачные, фреоновые, пропановые, воздушные и др.;

- По виду охлаждения: на компрессоры с водяным охлаждением и с воздушным охлаждением, с охлаждением паром холодильного агента, с комбинированным охлаждением;

- По способу смазки трущих деталей: на компрессоры с принудительной смазкой, разбрызгиванием, комбинированной смазкой и без смазки;

- По количеству ступеней сжатия на одно-, двух-, многоступенчатые;

- По количеству цилиндров: одно-, двух-, четырех-, шести- и так далее;

- По расположению осей цилиндров – вертикальные, горизонтальные, оппозитные и угловые.

21. Поршневой компрессор - компрессор объемного действия, рабочие органы которого выполнены в виде поршней, перемещающихся прямолинейно и возвратно-поступательно в цилиндрах

Поршневой компрессор - это самый распространенный тип компрессора, который применяется во всех областях холодильной техники. Он работает на хладагентах, требующих относительно небольшого объема цилиндров и конденсирующихся при относительно высоком давлении. Поршневые компрессоры чаще всего работают на хладагентах R12, R22, R500, R502 и R7I7 (аммиак), а также на их заменах, безопасных для окружающей среды. Поршневые компрессоры могут быть простого и двойного действия. В компрессорах простого действия сжатие пара происходит только по одну сторону поршня, а в компрессорах двойного действия пар сжимается попеременно по обе стороны поршня, т. е. дважды за один оборот коленчатого вала. Непрактично использовать компрессор двойного действия в установках небольшого размера из-за сложности его конструкции. Поэтому компрессоры этого типа нашли распространение только в больших промышленных установках, Стоимость компрессора двойного действия значительно выше стоимости компрессора простого действия, но он более доступен для обслуживания, ток как его картер изолирован от хладагента в системе. Основной недостаток компрессора этого типа заключается в том, что уплотнение штока подвергается попеременному воздействию давления всасывания и нагнетания, а сальник коленчатого вала в компрессоре простого действия испытывает только воздействие давления всасывания. Это серьезный недостаток, так как намного сложнее поддерживать герметичность уплотнения штока, совершающее возвратно-поступательное движение в компрессоре двойного действия, чем герметичность уплотнения вращающегося вала в компрессоре простого действия.

Поршневые компрессоры простого действия отличаются большим разнообразием конструкций в зависимо-сти от назначения. Как указывалось раньше, они классифицируются на сальниковые, герметичные и бес-сальниковые. Производительность компрессора зависит от количества и расположения цилиндров, типа поршней, типа и расположения клапанов, частоты вращения коленчатого вала и скорости хода поршня, диаметра цилиндра и длины хода поршня, типа коленчатого вала, способа смазки и др.

Поршневые компрессоры при холодопроизводительности до 300кВт имеют следующие преимущества и недостатки.

Преимущества:

1. Более высокие объемные и энергетические показатели.

2. Меньшие массогабаритные показатели.

3. Высокая технологичность конструкции.

4. Хорошая взаимозаменяемость узлов и деталей компрессора.

5. Упрощение конструкции с уменьшением холодопроизводительности компрессора.

6. Возможность работы на различных холодильных агентах.

7. Более высокое отношение давления в одной ступени сжатия.

Недостатки:

1.Малая уравновешенность конструкции.

2.Сложность конструкции.

3.Меньшая надежность работы компрессора.

4.Большое наличие пар трения в компрессоре.

5. Наличие смазочного масла в сжимаемом паре холодильного агента, выходящего из компрессора.

6.Более низкое давление всасывания при одинаковой температуре кипения в испарителе.

7. Наличие пульсации потоков во всасывающем и нагнетательном трубопроводах.