Лекция 2
Одноступенчатые и многоступенчатые холодильные машины.
Абсорбционные и пароэжекторные холодильные машины.
1. Назначение, устройство и принцип действия холодильной машины.
2. Теоретические циклы и принципиальные схемы одноступенчатых холодильных машин.
3. Многоступенчатые холодильные машины.
4. Абсорбционные и сорбционные холодильные машины.
5. Пароэжекторные холодильные машины.
1. Назначение, устройство и принцип действия холодильной машины.
Холодильная машина – устройство, служащее для отвода теплоты от охлаждаемого тела при температуре более низкой, чем температура окружающей среды. Процессы, происходящие в холодильных машинах, являются частным случаем термодинамических процессов, т. е. таких, в которых происходит последовательное изменение параметров состояния рабочего вещества: температуры, давления, удельного объема, энтальпии. Холодильные машины работают по принципу теплового насоса – отнимают теплоту от охлаждаемого тела и с затратой энергии (механической, тепловой и т. д.) передают её охлаждающей среде (обычно воде или окружающему воздуху), имеющей более высокую температуру, чем охлаждаемое тело. Холодильные машины используются для получения температур от 10°С до -150°С. Область более низких температур относится к криогенной технике. Работа холодильной машины характеризуется их холодопроизводительностью.
Первые холодильная машина появились в середине XIX в. Одна из старейших холодильных машин – абсорбционная. Её изобретение и конструктивное оформление связано с именами Дж. Лесли (Великобритания, 1810), Ф. Карре (Франция, 1850) и Ф. Виндхаузена (Германия, 1878). Первая парокомпрессионная машина, работавшая на эфире, построена Дж. Перкинсом (Великобритания, 1834). Позднее были созданы аналогичные машины с использованием в качестве хладагента метилового эфира и сернистого ангидрида. В 1874 К. Линде (Германия) построил аммиачную парокомпрессионную холодильную машину, которая положила начало холодильному машиностроению.
В холодильной машине фреон конденсируется в специальном отделении – конденсаторе. Тепло, выделившееся при конденсации, удаляется потоком охлаждающей жидкости или воздуха. Поскольку холодильная машина должна работать непрерывно, то в испаритель должен постоянно поступать жидкий фреон, а в конденсатор – его пары. Этот процесс – циклический, ограниченное количество фреона циркулирует по холодильной машине, испаряясь и конденсируясь. Один из основных компонентов холодильной машины – это конденсатор, служащий для переноса тепловой энергии от хладагента в окружающую среду. Чаще всего тепло передается воде или воздуху. Тепло, которое выделяется в конденсаторе, примерно на 30% превышает холодопроизводительность холодильной машины.
Например, если холодопроизводительность машины равна 20 кВт, то конденсатор выделяет 25-27 кВт тепла. Схема холодильной машины изображена на рис. 18. Компрессионный цикл охлаждения состоит из четырех основных элементов:
компрессора
испарителя
конденсатора
регулятора потока.
Эти основные элементы соединены трубопроводами в замкнутую систему, по которой циркулирует хладагент (обычно это фреон). Циркуляцию хладагента по контуру производит компрессор холодильной машины.
Рис. 18 Схема холодильной машины. Компрессионный цикл охлаждения
На выходе из испарителя хладагент – это пар при низкой температуре и низком давлении.
Затем компрессор всасывает хладагент, давление повышается примерно до 20 атм., а температура достигает 70 – 90 0С.
После этого горячий пар хладагента попадает в конденсатор, где он охлаждается и конденсируется. Для охлаждения используется вода или воздух. На выходе из конденсатора хладагент представляет собой жидкость под высоким давлением.
Внутри конденсатора пар должен полностью перейти в жидкое состояние. Для этого температура жидкости, выходящей из конденсатора, на несколько градусов (обычно 4-6°С) ниже температуры конденсации при данном давлении.
Затем хладагент (имеющий в этот момент жидкое агрегатное состояние при высоких давлении и температуре) поступает в регулятор потока. Здесь давление резко падает, и происходит частичное испарение.
На вход испарителя попадает смесь пара и жидкости. В испарителе жидкость должна полностью перейти в парообразное состояние. Поэтому температура пара на выходе из испарителя немного выше температуры кипения при данном давлении (обычно на 5-8С0). Это необходимо, чтобы в компрессор не попали даже мелкие капли жидкого хладагента, иначе компрессор может быть поврежден.
Образовавшийся в испарителе перегретый пар выходит из него, и цикл возобновляется сначала.
Итак, ограниченное количество хладагента постоянно циркулирует в холодильной машине, меняя агрегатное состояние при периодически изменяющихся температуре и давлении.
В каждом цикле имеется два определенных уровня давления. На стороне высокого давления происходит конденсация хладагента и находится конденсатор. На стороне низкого давления находится испаритель, и жидкий хладагент превращается в пар. Граница между областями высокого и низкого давления проходит в двух точках – на выходе из компрессора (нагнетательный клапан) и на выходе из регулятора потока.
Парокомпрессионные холодильные машины имеют наибольшее применение для искусственного охлаждения в широком интервале температур: от 278 К (одноступенчатые холодильные машины) до 113 К (каскадные холодильные машины).
Их холодопроизводительность охватывает диапазон от нескольких десятков ватт (домашние холодильники) до нескольких тысяч киловатт (холодильные машины с центробежными компрессорами). Основной особенностью парокомпрессионных холодильных машин является то, что рабочее вещество, совершая обратный цикл, меняет свое агрегатное состояние и может находиться в состоянии влажного, сухого насыщенного или перегретого пара, а также в жидком состоянии. В качестве холодильных агентов (рабочих веществ) применяются вещества с низкой нормальной температурой кипения. В основном на крупных установках применяется аммиак, на малых и средних установках различные хладоны (фреоны). Основными элементами холодильной машины являются: компрессор, конденсатор, испаритель и устройство, в котором происходит расширение рабочего вещества. Все элементы холодильных машин рассматриваются в последующих курсах. Существенное влияние на выбор цикла холодильной машины имеют внешние условия, тип компрессора и теплообменных аппаратов, а также рабочее вещество.