Лекции - Теоретические основы холодильной техники - файл 1.doc

Лекции - Теоретические основы холодильной техники
скачать (3741.5 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc

3742kb.

17.11.2011 21:56

скачать

1.doc

^ 2.3. Теоретические и действительные циклы

и принципиальные схемы трехступенчатых и каскадных

холодильных машин
Трехступенчатые и каскадные холодильные машины применяют для получения искусственного холода от -70 °С и ниже. Их используют для обеспечения технологических процессов в химической промышленности и других отраслях науки и техники, где имеется потребность в холоде низкого потенциала. Такие машины находят применение при испытаниях приборов, материалов, а также различных изделий, работающих при низких температурах.

^ Теоретическая трехступенчатая холодильная машина. Принципиальная схема и теоретический цикл такой холодильной машины показаны на рис. 2.14. Если сравнить схемы и циклы трехступенчатой и двухступенчатой холодильных машин, то легко убедиться, что трехступенчатую машину получают путем присоединения к первой ступени еще одной ступени сжатия.

Процессы теоретического и действительного циклов трехступенчатой холодильной машины аналогичны процессам в двухступенчатой машине, поэтому нет необходимости их описывать. Следует, очевидно, остановиться только на выборе промежуточных давлений, которые выбирают из условий примерно одинаковых отношений давлений в ступенях, т.е. р_к/р_m = Р_m/Р'_m = Р'_m/Р₀, откуда
; . (2.72)

Рис. 2.14. Схема и теоретический цикл трехступенчатой холодильной машины:

I, II и IV - компрессоры первой, второй и третьей ступеней; III - теплообменник; V - кон­денсатор;

VI, VII и X - дроссельные вентили; VIII и IX - промежуточные сосуды; XI - испаритель

Тепловой расчет трехступенчатых холодильных машин, ко­торый основан на методах тепловых и материальных балансов, соответствует расчету двухступенчатых.

К каждому из промежуточных сосудов можно подсоединить испаритель так же, как на рис. 2.13. Тогда машина будет рабо­тать на три изотермы. В этом случае расчет машины будет ана­логичен расчету двухступенчатой холодильной машины с двумя испарителями.

^ Трехступенчатая холодильная машина для получения твердой двуокиси углерода (сухого льда). Особенностью данной хо­лодильной машины является то, что рабочее вещество, совер­шая обратный цикл, в твердом состоянии выводится из машины, поэтому отвод теплоты от источника низкой температуры про­исходит в другом месте. Таким образом, рабочее вещество со­вершает разрывной цикл (квазицикл). Такой цикл можно осуществить вследствие того, что двуокись углерода (углекислота) при давлении 0,53 МПа и температуре 216,6 К может находиться одновременно в трех фазах: жидкой, газообразной и твердой. Если давление и температуру увеличить, то углекислота будет находиться только в двух фазах: жидкой и газообразной, поэтому ее можно использовать в этих условиях как рабочее вещество обычной паровой холодильной машины.

При давлении ниже 0,53 МПа углекислота находится только в твердом и газообразном состоянии. Эти свойства и используют при производстве твердой углекислоты с помощью обратного цикла.

Далее рассматривается работа представленной машины, ее принципиальная схема и цикл на диаграмме s-Т показаны на рис. 2.15.

Предположим, что 1 кг жидкой углекислоты дросселируется в дроссельном вентиле VII (процесс 9-10), тогда в конце процесса образуется влажный пар, который, попадая в промежуточный сосуд, разделяется на х₁₀ (кг) сухого насыщенного пара (состояние 11), отсасываемого компрессором высокой ступени V, и (1 - х₁₀) (кг) насыщенной жидкости (состояние 12), поступающей во второй дроссельный вентиль IX. В результате второго дросселирования (процесс 12-13) в промежуточном сосуде образуются (1 - х₁₀)х₁₃ (кг) сухого насыщенного пара (состояние 14) и (1 - х₁₀)(1-х₁₃) (кг) жидкости (состояние 15). Пар отсасывается компрессором средней ступени III, а жидкость дросселируется в третьем дроссельном вентиле XI (процесс 15-16) до давления 0,1 МПа (атмосферное давление). Так как точка 16 находится ниже тройной точки, то в этом состоянии углекислота находится в твердой и парообразной фазах. В сепараторе XII происходит разделение фаз. Твердая углекислота в количестве (1 - х₁₀)(1 - х₁₃)(1 – х₁₆) (кг) удаляется из системы (как правило, в виде брикетов, которые получают в специальном прессе в состоянии 18), а пар в состоянии а отсасывается компрессором низкой ступени I. Количество этого пара равно (1 - х₁₀)(1 – х₁₃)х₁₀ (кг).

Положение точки а зависит от конструкции сепаратора и теплопритоков извне. Для простоты принимают, что из сепаратора выходит насыщенный пар в состоянии 17, который смешивается со свежей порцией углекислоты (состояние О), количество которого равно количеству выведенной из системы твердой углекислоты, т.е. (1 - х₁₀)(1 - х₁₃)(1 - х₁₆) (кг), в результате смешения обра­зуется состояние I.

Удельный массовый расход углекислоты в компрессоре низкой ступени определяется из уравнения:
(1 - х₁₀)(1 - х₁₃)(1 - х₁₆) + (1 - х₁₀)(1 - х₁₃)х₁₆ = (1 - х₁₀)(1 - х₁₃). (2.73)
Энтальпию углекислоты при всасывании в компрессор низкой ступени (точка I) можно найти из уравнения смешивания:
(1 - х₁₀)(1 - х₁₃)h₁ = (1 - х₁₀)(1 - х₁₃)h₀ + (1 - х₁₀)(1 - х₁₃)x₁₆h₁₇, (2.74)
откуда

h₁ = h₀ – x₁₆(h₀ – h₁₇). (2.75)
С учетом действительных потерь удельная работа компрессора низкой ступени

, (2.76)
где - коэффициент, учитывающий энергетические потери компрессора низкой ступени.




Рис. 2.15. Схема и цикл трехступенчатой холодильной машины

для получения твердой двуокиси углерода

Удельный массовый расход углекислоты в компрессоре средней ступени
(1 - х₁₀)(1 - х₁₃) + (1 - х₁₀) х₁₃= (1 - х₁₀). (2.77)
Уравнение смешения при всасывании в компрессор средней ступени имеет вид:

(1 - х₁₀)h₄ = (1 - х₁₀)(1 - х₁₃)h₃ + (1 - х₁₀) х₁₃h₄. (2.78)
откуда

h₄ = h₃ - х₁₃(h₄ – h₁₄). (2.79)
Состояние углекислоты в точке 3 определяется недорекуперацией в теплообменнике II (можно принять Т₃ = Т_к).

Действительная удельная работа компрессора средней ступени
, (2.80)
где - коэффициент, учитывающий энергетические потери компрессора средней ступени.
Через компрессор высокой ступени проходит 1 кг углекислоты, а энтальпию в точке 7 также определяют из уравнения смешения:
h₇ = (1 – x₁₀)h₆ + x₁₀h₁₁ = h₆ - x₁₀(h₆ – h₁₁). (2.81)
Действительная удельная работа компрессора высокой ступени
, (2.82)
где - коэффициент, учитывающий энергетические потери компрессора высокой ступени.
Энергетическую оценку цикла делают по затрате работы для получения 1 кг твердой углекислоты (коэффициент М):
. (2.83)
^ Цикл и принципиальная схема каскадной холодильной машины. Каскадная холодильная машина состоит из двух или трех ступеней (ветвей), в которых используются разные рабочие вещества. Наиболее распространенными явля­ются машины, состоящие из двух ветвей - нижней и верхней. В нижней ветви каскада используется рабочее вещество высокого давления (низкотемпературное), чаще всего это хладон 23. В верх­ней ветви - рабочее вещество среднего давления, как правило, это хладон 22. Причем в каждой из ветвей возможно примене­ние двухступенчатого сжатия. Объединяются ветви каскада спе­циальным теплообменным аппаратом, который называется «кон­денсатор-испа-ритель». Таким образом, при помощи верхней вет­ви каскада отводится теплота от рабочего вещества нижней ветви. На рис. 2.16 представлена принципиальная схема реаль­ной каскадной холодильной машины, которая предназначена для работы при температуре кипения в нижней ветви каскада от -70 до -90 ºС.

Далее рассматриваются циклы нижней и верхней ветвей каскада.

Давления кипения нижней ветви р и конденсации верхней ветви р определяются так же, как и для других паровых холо­дильных машин, т.е. в зависимости от внешних источников. Наибольшую сложность вызывает определение давлений конден­саций нижней ветви р и кипения верхней ветви р. При упро­щенном методе определения этих величин исходят из условия примерного равенства степеней повышения давления в нижней и верхней ветвях каскада, т.е. р/р ≈ р/р, задаваясь разнос­тью температур в конденсаторе-испарителе 5-10 ºС.

Рабочее вещество поступает в компрессор нижней ветви I при температуре от -15 до 0 °С, сжимается от давления р до давления р. В теплообменнике II рабочее вещество охлаждается водой (процесс 2-3), в теплообменнике III холодным паром, идущим из испарителя (процесс 3-4). Далее рабочее вещество конденсируется в конденсаторе-испарителе VI. Теплота от конденсатора-испа-рителя Q отводится верхней ветвью каскада, холодопроизводительность которой равна Q. Жидкое рабочее вещество затем поступает в теплообменник IV, охлаждается холодным паром, идущим из испарителя (процесс 5-6). Затем рабочее вещество дросселируется в дроссельном вентиле V.

При выходе из испарителя (точка 8) рабочее вещество может стать сухим насыщенным паром (или перегретым). Рабочее вещество подогревают в теплообменнике IV (процесс 8-9) до температуры -50...-30 °С, затем в теплообменнике III до темпера­туры -15...-0 °С (процесс 9-1).

В теплообменнике III происходит подогрев пара, идущего на всасывание в компрессор, что, с одной стороны, увеличивает ра­боту компрессора, но, с другой стороны, уменьшает тепловой поток в конденсаторе-испарителе, что, в свою очередь, снижает Т и Т. Применение теплообменника III имеет смысл лишь в том случае, если установлен теплообменник II, который ох­лаждается водой. В противном случае растет тепловой поток на конденсатор-испаритель вследствие увеличения работы сжатия компрессора при всасывании более нагретого пара. Кроме того, повышение температуры всасывания улучшает тепловой режим работы компрессора, так как всасывание в компрессор рабочего вещества с низкой температурой может привести к температур­ным деформациям деталей компрессора. Необходимость тепло­обменника IV можно объяснить тем, что в нем охлаждается ра­бочее вещество перед дросселированием, что увеличивает удель­ную холодопроизводительность цикла. Теплообменники IV и III, кроме этого, защищают компрессор от гидравлического удара.


Рис. 2.16. Схема и цикл каскадной холодильной машины

Верхняя ветвь каскада представляет собой одноступенчатую холодильную машину с регенеративным теплообменником, ко­торая была рассмотрена ранее.

Как уже отмечалось, в нижней ветви используется рабочее вещество высокого давления, поэтому при стоянке машины давление в ней может чрезмерно повыситься. Чтобы этого не про­изошло, в схеме предусмотрен расширительный сосуд XII, который автоматически подключается к системе, а при пуске рабочее вещество сначала отсасывается из него, а затем подключа­ется испаритель.

Сравнение эффективности каскадных и двухступенчатых хо­лодильных машин показывает, что если в обеих ветвях каскада использовать одно и то же вещество, а теплообмен в конденсаторе-испарителе будет происходить при бесконечно малой разности темпера­тур, то такие машины термодинамически равноценны.

В действительных условиях наличие конечной разности температур в конденсаторе-испарителе ведет к уменьшению холодильного коэффициента каскадной машины по сравнению с двухступенчатой. Наличие конденсатора-испарителя увеличивает капитальные затраты каскадной машины.

Однако в реальных условиях очень часто каскадные машины выгоднее двухступенчатых. Это можно объяснить преимуществами, которые связаны с использованием в нижней ветви каскада рабочего вещества высокого давления. Объемная производительность компрессора нижней ветви меньше, чем у компрессора первой ступени двухступенчатой машины из-за большей плотности рабочего вещества при всасывании, что ведет к уменьшению мощности трения. При больших давлениях всасывания (при температуре кипения -80 °С давление хладона 23 равно 0,11 МПа, в то время как у хладона 22 оно 0,0105 МПа) относительные потери мощности в клапанах значительно меньше. Отношение давлений для одинаковых диапазонов температур в нижней ветви каскадной машины меньше, чем в первой ступени двухступенчатой машины (при t_m = -40 °С и t₀ = -80 °С для хладона 23 р/р = 5,8 , для хладона 22 р_m/р₀ = 16,8). Это ведет к увеличению объемных и энергетических потерь в первой ступени двухступенчатой машины.

Области возможного и рационального применения каскадных холодильных машин приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1
Области применения каскадных и двухступенчатых холодильных машин

Тип машин	Возможная область применения		Область выгодного применения
	t	t	t	t
Каскадная: нижняя ветвь - одна ступень на R23, верхняя ветвь на R22 Каскадная: нижняя ветвь - две ступени на R23, верхняя ветвь - одна ступень на R22 Каскадная: нижняя ветвь - две ступени	-95 -110 -140	-40 -80 -100	-85 -100 -135	-40 -80 -100

Окончание табл. 2.1

Тип машин	Возможная область применения		Область выгодного применения
	t	t	t	t
на R14, средняя ветвь - одна ступень на R23 и верхняя ветвь - одна ступень на R22 Двухступенчатая на R22	-80	не ограничена	-45	-25

Тепловой расчет каскадной холодильной машины состоит из расчетов машин нижней и верхней ветвей каскада, т.е. расчетов одно- или двухступенчатых холодильных машин, которые приведены ранее в соответствующих параграфах. Обязательным условием является равенство холодопроизводительности верхней ветви каскада и количества теплоты конденсации , отводимой от рабочего вещества нижней ветви каскада.

^ 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)

---

Скачать файл (3741.5 kb.)

Поиск по сайту:  

---