Принципиальная схема и цикл одноступенчатой фреоновой холодильной машины

Особенностью фреоновых холодильных машин по сравнению с аммиачными является возможность использования компрессоров со встроенными электродвигателями (герметичных и бессальниковых), а также включения в схему регенеративного теплообменника (РТО), позволяющего повысить эффективность работы машины.

Пар из испарителя направляется в РТО, где он омывает змеевик, внутри которого протекает жидкий хладагент, поступающий из конденсатора. В результате теплообмена пар, забирая теплоту от жидкости, перегревается (процесс 1_и-1_то), а жидкость внутри змеевика переохлаждается (процесс 3-4).

Если пренебречь теплообменом с окружающей средой, то тепловой баланс РТО можно представить в виде равенства:

.

Задаваясь перегревом пара в РТО и определяя по диаграмме или таблице перегретого пара соответствующие значения энтальпий, из уравнения теплового баланса РТО находят энтальпию i₄, по которой определяют положение точки 4.

Из РТО пар поступает в кожух компрессора и, омывая обмотку статора встроенного электродвигателя, еще более перегревается (процесс 1_то-1).

.

Величина перегрева зависит от КПД и мощности встроенного электродвигателя. При построении цикла величину Θ_КД принимают примерно равной 10…15 ⁰С.

Схема и цикл двухступенчатой аммиачной холодильной машины со змеевиковым промежуточным сосудом

Отрицательных последствий влияния большого значения отношения Р_к/Р₀ на характеристики холодильной машины можно избежать заменой одноступенчатого рабочего цикла многоступенчатым.

Считается, что переходить к многоступенчатому сжатию следует, если Р_к/Р₀≥8.

На холодильниках промышленности и торговли наиболее распространены двухступенчатые аммиачные холодильные машины, создающие необходимые условия для холодильной обработки и хранения замороженных пищевых продуктов.

Перегретый пар аммиака всасывается компрессором первой ступени КМ₁, сжимается в нем до промежуточного давления Р_пр (процесс 1-2) и нагнетается в промежуточный сосуд ПС под уровень жидкого хладагента. Барботируя через слой жидкости, пар охлаждается до насыщенного состояния (2-2”), затем снова перегревается (2”-3) и всасывается компрессором второй ступени КМ₂.

В компрессоре КМ₂ пар сжимается от промежуточного давления Р_пр до давления конденсации Р_к (3-4) и нагнетается в конденсатор КД. Здесь пар охлаждается (4-4”) и конденсируется (4”-4’). Сконденсированная насыщенная жидкость здесь же в конденсаторе может переохлаждаться (4’-5) в зависимости от его конструкции на 3-4 ⁰С.

Переохлажденная жидкость поступает в змеевик промежуточно сосуда, где дополнительно переохлаждается (5-6). Змеевик находится под уровнем кипящего хладагента (состояние 7’) при температуре t_пр.

Таким образом, теоретическим пределом переохлаждения жидкого хладагента (при давлении конденсации Р_к) в змеевике является промежуточная температура t_пр. Практически же температура t_а будет на 3…5 ⁰С выше. Разность этих температур называют недорекуперацией.

После переохлаждения основной массовый поток хладагента G₁ (в кг/с) дросселируется в регулирующем вентиле РВ₁ (6-8) и поступает в испаритель И. Небольшая же часть этого потока дросселируется в регулирующем вентиле РВ₂ (6-7) и поступает в промежуточный сосуд. Образующийся в процессе дросселирования пар G’ вместе с основным массовым потоком G₁ всасывается компрессором второй ступени КМ₂. К ним добавляется еще массовый поток G”, образующийся в промежуточном сосуде при кипении хладагента за счет отвода теплоты от змеевика и охлаждения пара в процессе 2-2” при его барботировании через слой жидкого хладагента.

Таким образом,

,

т. е. массовый поток G₂, всасываемый компрессором КМ₂, больше массового потока G₁, проходящего через испаритель и компрессор КМ₁, на сумму , которая составляет 10-20% от G₁.

Объемный поток пара, всасываемого компрессором КМ₁ в несколько раз больше объемного потока пара, всасываемого компрессором КМ₂.

Из диаграммы видно, что при двухступенчатом сжатии температура t₄ заметно ниже температуры t_4а. Этот фактор, а также то, что отношения давлений Р_к/Р₀, обеспечивают лучшие характеристики работы компрессоров при двухступенчатом сжатии, чем при одноступенчатом.

Дополнительное переохлаждение жидкого хладагента в змеевике промежуточного сосуда позволяет увеличить удельную массовую холодопроизводительность машины на величину ∆q₀.

Схема и циклы каскадных фреоновых холодильных машин

В ряде случаев, обычно для экспериментальных или других специальных целей, необходимы низкие температуры порядка -80…-100 ⁰С. Использование в этих случаях многоступенчатых холодильных машин, работающих на одном хладагенте, нецелесообразно.

При работе на хладагенте среднего давления R12 или R22 давление кипения будет существенно ниже атмосферного, а удельный объем пара всасываемого компрессором, очень большим. Поэтому компрессор нижней ступени будет иметь увеличенные габаритные размеры и металлоемкость.

Применение одного хладагента высокого давления невозможно из-за низкой критической температуры, а аммиак вообще нельзя использовать, так как его температура замерзания -78 ⁰С.

Для получения низких температур эффективны так называемые каскадные фреоновые холодильные машины. Они представляют собой систему отдельных одноступенчатых или двухступенчатых машин, работающих на разных хладагентах.

Машина состоит из двух одноступенчатых холодильных машин, одна из которых – нижняя ступень каскада – работает на хладагенте R13, а другая – верхняя ступень – на хладагенте R22.

Обе ступени каскадной машины объединяет один общий аппарат конденсатор-испаритель КД-И. Он служит конденсатором для хладагента R13 и испарителем для хладагента R22. В нем теплота конденсации R13 передается кипящему R22.

Использование в нижней ступени R13 позволяет иметь в испарителе низкую температуру кипения (до -80 ⁰С) при давлении кипения Р₀ выше атмосферного.

Сравнительно малый объем всасываемого пара V₁ обуславливает небольшие габаритные размеры и металлоемкость нижней ступени.