Контрольные вопросы

1. Почему некоторые виды фреонов влияют на озоновый слой атмосферы Земли?

2. Назовите схему разрушения озона?

3. Назовите озоноразрушающие вещества наиболее распространенные в холодильной технике.

4. Как определяется озоноразрушающая активность хладагентов?

5. Какие хладагенты считаются полностью озонобезопасными?

6. С какого года запрещено производство всех озоноопасных хладагентов.

7. Назовите требования, предъявляемые к хладогентам.

8. Как производится обозначение хладагентов?

9. Свойства хладагентов R12, R502.

10. Свойства хладогентов R134a, R717.

Литература: [2] стр. 6-13;

[5] стр. 5-31;

[4] стр. 3-33.

Лекция 2-3

Тема: Основы теории холодильных машин. Рабочие процессы в холодильных машинах.

Цель: Ознакомиться с основами теории холодильных машин, устройством, структурными схемами и рабочими циклами судовых холодильных машин.

План лекции

1. Физические и термодинамические основы охлаждения, цикл Карно и его холодильный коэффициент.

2. Состав судовых холодильных машин, структурные схемы и рабочии циклы.

3. Двухступенчатое сжатие хладогентов, циклы холодильных машин с неполным и полным промежеточным охлаждением.

2-3.1. Исходные понятия. Термодинамические величины

Любое тело в природе находится в постоянном движении, которое количественно оценивается энергией - мерой форм движения. Энергия тела обусловлена суммой механической и внутренней энергии. Положение тела в пространстве и его скорость определяют механическую энергию, а скорости движения частиц (атомов и молекул) и их взаимное расположение - внутреннюю энергию. Эти величины позволяют оценить роль тела в протекании тепловых процессов. По аналогии с механической энергией тел внутреннюю энергию принято разделять на кинетическую энергию теплового движения и потенциальную энергию взаимодействия молекул тела. Необходимо отметить, что отдельно взятая молекула в каждый момент времени обладает некоторой мгновенной скоростью и положением среди других частиц, т. е. определенными значениями кинетической и потенциальной энергии, которые ее отличают от других молекул. Поэтому, оценивая состояние вещества, говорят о средних значениях кинетической и потенциальной энергий молекул.

При нагревании тела внутренняя энергия увеличивается, так как возрастает средняя скорость движения молекул. При охлаждении тела движение молекул замедляется и его внутренняя энергия уменьшается.

Степень нагрева тела характеризуется его температурой, которая является мерой средней кинетической энергии теплового движения молекул. Состояние тела, при котором тепловое движение атомов и молекул прекращается, соответствует абсолютному нулю температуры. Температура T, определенна по шкале с абсолютным нулем, называется абсолютной температурой и измеряется в Кельвинах (К). На практике, как правило, пользуются температурной шкалой в градусах Цельсия, в которой за нулевую точку условно принято состояние таяния льда при атмосферном давлении tв. Абсолютная температура в Кельвинах (К) и температура в градусах Цельсия (°С) связаны соотношением

T=tв+273,15

В отличие от средней кинетической энергии теплового движения молекул, их средняя потенциальная энергия связана с удельным объемом тела. При изменении объема меняются расстояния между молекулами, что приводит к изменению средней потенциальной энергии и взаимодействия.

На практике часто объем V, м³ занимаемый веществом, относят к его массе m, кг, и называют удельным объемом ν, м³/кг:

ν = V /m.

Величина р, обратная удельном объему, называется плотностью вещества. Она численно равна массе вещества, содержащемуся в единице объема, кг/м³:

ρ=m/V

Молекулы газа при хаотическом движении сталкиваются с ограничивающими его стенками. При каждом соударении возникает импульс силы, действующей на ограничивающую поверхность. Среднее по времени значение силы, обусловленное ударами о стенку всех молекул, определяет давление газа р. Чем выше средняя скорость молекул, т. е. средняя кинетическая энергия, и чем больше молекул в единице объема, тем чаще и с большей энергией будут происходить на единице площади удары молекул и тем выше давление газа. Таким образом, давление р есть сила, равномерно действующая на поверхность, отнесенная к единице площади этой поверхности. За единицу измерения принят паскаль (Па): 1 Па = 1 Н/м². Эта единица мала и неудобна для пользования, поэтому для измерения давлений применяют кратные единицы: килопаскаль (1 кПа =10³ Па), мегапаскаль (1 МПа =10⁶ Па).

Температура, объем, и давление характеризуют внутреннюю энергию вещества. Абсолютное значение внутренней энергии оценить невозможно, так как для нее не определена абсолютная нулевая точка отсчета. Поэтому оценивают только изменения этой энергии, связанные с переходом вещества из одного состояния в другое, т. е. разность энергии в конечном и начальном его состояниях. Изменение внутренней энергии при переходе тела из одного состояния в другое равно работе внешних сил плюс количество переданной теплоты - так формулируется первый закон термодинамики.

Характерным примером увеличения внутренней энергии только за счет работы внешних сил служит сжатие газа в цилиндре, в результате чего повышается давление, температура, изменяется объем газа. Расширение сжатого газа в цилиндре вызывает перемещение поршня, который совершает работу. Температура и давление газа падают, увеличивается его объем - это приводит к уменьшению внутренней энергии. Примером изменения внутренней энергии без совершения работы служит нагрев тела на плите либо охлаждение в холодильнике.

Процесс изменения внутренней энергии, при котором над телом не совершается работа, а энергия передается между двумя теплоносителями через разделяющую их твердую стенку, называют теплопередачей.

Количество внутренней энергии, которое тело получает или теряет при теплопередаче, называют количеством теплоты. Количество теплоты измеряют в джоулях (Дж), и оно показывает, на сколько изменилась внутренняя энергия вещества при подводе или отводе теплоты. 1 Дж равен работе, совершаемой силой в 1 H при перемещении тела на расстояние 1 м в направлении действия силы. На практике применяют и другую единицу для измерения количества теплоты - калорию.

Количество теплоты, переданное телу при нагревании, зависит от состава вещества, из которого состоит тело, его массы и степени нагрева. Одинаковое изменение температуры у разных веществ равной массы требует различное количество подведенной теплоты.

Для оценки свойства тела аккумулировать подведенную теплоту вводят понятие удельной теплоемкости. Удельная теплоемкость - это количество теплоты, которое необходимо для нагревания 1 кг вещества на 1 К. Удельная теплоемкость показывает, на сколько джоулей увеличивается внутренняя энергия 1 кг тела при нагревании на 1 °С. Например, удельная теплоемкость свинца 130 Дж/(кг*К), а воды - 4200 Дж/(кг*К).

Таким образом, общее количество подведенной к телу теплоты Q, Дж, для различных температур

Q =С_рm(T_кон-Т_нач)

где С_р - удельная теплоемкость,

Дж/(кг*К);

m - масса, кг;

T_кон,Т_нач - температуры соответственно конечная и начальная, К.

Отметим, что Q и С_р характеризуют только изменение, а не саму внутреннюю энергию вещества.

Количество подведенной к телу теплоты можно определить и другим способом. Немецкий физик Клаузиус открыл, что подобно энергии, давлению, температуре существует некоторая величина s - энтропия, которая также характеризует состояние тела. Энтропия устанавливает связь между температурой тела и количеством переданной теплоты и измеряется в джоулях на кельвин (Дж/К).

Энтропия, отнесенная к единице массы, называется удельной и выражается в джоулях на килограмм-кельвин.

Количество подведенной (отведенной) теплоты к 1 кг массы тела, выраженное через удельную энтропию,

Q=Tm(S_кон-S_нач)

где Т - средняя температура тела, К; m - масса, кг;

S_кон,S_нач - удельные энтропии соответственно в конце и начале теплообмена, Дж/(кг.К).

Энтропия обладает замечательным свойством оценивать необратимые потери в термодинамических процессах.

Для оценки количества теплоты, которым располагают тела в различных состояниях, используется термодинамическая величина - энтальпия, значение которой отсчитывают от некоторого условного состояния вещества, принятого за нулевое. Энтальпия - это количество энергии (тепловой и механической), которое необходимо подвести к телу, чтобы оно перешло из условного начального в конечное состояние. Единица энтальпии джоуль (Дж). Энтальпия, отнесеная к единице массы, называет удельной и измеряется в джоулях на килограмм (Дж/кг).

2-3.2. Термодинамические основы рабочих процессов

В природе вещество в зависимости от условий может находиться твердом, жидком или газообразном агрегатном состоянии.

Расстояние между атомами и, молекулами газа при атмосферном давлении во много раз превышает линейные размеры самих части, а средняя кинетическая энергия молекул превосходит среднюю потенциальную энергию взаимодействие между ними. По этой причине газ способен, неограниченно расширятся, так как силы притяжения могут удержать молекулы или атомы друг возле друга.

В жидкостях молекулы расположены почти вплотную. Средняя кинетическая энергия их меньше средней потенциальной, и молекулы могут лишь изменять свое положение в веществе. Движение молекул совершается преимущественно в направлении действия силы (например, силы притяжения Земли), что обусловливает текучесть жидкости и принятие ею формы сосуда, в который она заключена.

Средняя кинетическая энергия атомов или молекул твердых тел намного меньше средней потенциальной энергии взаимодействия молекул. Здесь элементарные частицы твердых тел могут только кол баться около^ определенных пол жений равновесия, образуя геоме рически правильные пространственые формы, называемые кристалл ческими. По этим причинам тверд! тела в отличие от жидкостей г стоянно сохраняют не только объем, но и форму.

Каждое агрегатное состояние вещества возможно только в onpeделенных пределах температур и давлений. По мере изменения условии постепенно меняется и соотношение между средними значениями кинетической и потенциальной энергии, пока количественное изменение не перейдет в качественное.

При нагревании твердого тела средняя кинетическая энергия атомов или молекул и амплитуда их колебаний относительно своих центров будут возрастать. Достигнув определенной температуры, называемой температурой плавления, амплитуда колебаний увеличивается настолько, что изменяет порядок в расположении частиц. Кристаллы теряют свою форму. Процесс превращения кристаллического вещества в жидкое протекает постепенно по мере разрушения отдельных кристаллов. Вся энергия, подводимая к телу при плавлении, тратится только на разрушение кристаллов, поэтому средняя кинетическая энергия частиц, а значит и температура вещества в процессе плавления остаются постоянными, меняется только средняя потенциальная энергия взаимодействия частиц.

При температуре плавления внутренняя энергия единицы массы вещества в жидком состоянии больше внутренней энергии этого же количества вещества в твердом состоянии на некоторое значение, называемое удельной теплотой плавления. Например, внутренняя энергия 1 кг воды при О °С на 340 кДж больше внутренней энергии 1 кг льда при той же температуре. Удельную теплоту плавления льда в холодильной технике называют холодо-производительностью единицы массы льда. Удельная теплота плавления каждого вещества имеет свое значение.

Процесс отвердевания вещества происходит в обратном порядке: в охлаждаемом теле средняя кинетическая энергия и скорость молекул уменьшаются до тех пор, пока силы притяжения смогут удержать частицы в изначальном состоянии.

Затвердевание вещества, за некоторым исключением, происходит при той же температуре, что и плавление твердых тел.

Ранее отмечалось, что температуры жидкости твердого и газообразного веществ зависят от средней кинетической энергии молекул. Каждой температуре соответствует вполне определенное значение этой энергии молекул, но отдельные частицы жидкости имеют большее или меньшее значения кинетической энергии, отличное от среднего значения. Если молекула, обладая достаточной кинетической энергией, окажется у поверхности жидкости, она преодолеет притяжение соседних молекул и оторвется от поверхности тела. Вылетевшие с поверхности жидкости молекулы образуют над жидкостью пар. Процесс перехода молекул со свободной поверхности жидкости в пар называют испарением. Поскольку из жидкости в пар выходят частицы с высокой кинетической энергией, то среднее значение кинетической энергии остающихся в жидкости молекул уменьшается, испаряющаяся жидкость охлаждается, а ее температура понижается.

Каждым температуре и давлению соответствует вполне определенная максимальная плотность пара над жидкостью. При максимальной плотности количество молекул, покидающих поверхность жидкости, будет равно количеству молекул пара, возвращающихся в нее. Пар максимально возможной плотности для данной температуры называется насыщенным.

В результате нагрева жидкости средняя кинетическая энергия молекул повышается, и интенсивность испарения с ее поверхности увеличивается. Наконец, при некоторой температуре по всему объему жидкости начинают образовываться центры парообразования в виде пузырьков, внутри которых также происходит испарение. Когда давление насыщенного пара внутри пузырьков сравнивается с внешним давлением, они всплывают на поверхность и жидкость закипает. Таким образом, кипение представляет собой процесс испарения не только с поверхности жидкости, но и внутри пузырьков, по всему объему жидкости.

Температуру, при которой жидкость кипит, называют температурой кипения. Она не изменяется при постоянном давлении на протяжении всего процесса кипения.

Одно и то же давление насыщенного пара в пузырьках у различных жидкостей образуется при разных температурах кипения. Так, например, температура кипения воды при атмосферном давлении равна +100°С, а у аммиака она намного ниже и равна -33,4 °С.

В процессе кипения жидкости энергия расходуется частицами, которые участвуют в парообразовании. Кипение будет продолжаться, если будут возникать новые частицы с высокой кинетической энергией, для чего требуется дополнительный подвод теплоты извне. В холодильной технике используются вещества, способные при низких температурах в центрах парообразования создавать высокое давление насыщенного пара, а значит и кипеть. Если температура кипения жидкости, например аммиака, ниже температуры окружающей среды, то необходимое количество теплоты для кипения может подводиться непосредственно из охлаждаемого помещения, чем и создается охлаждающий эффект. Количество теплоты, необходимое для превращения в пар единицы массы жидкости, нагретой до температуры кипения, называют удельной теплотой парообразования. Она измеряется в килоджоулях на килограмм (кДж/кг). Таким образом, при одинаковой температуре внутренняя энергия единицы массы вещества в газообразном состоянии больше внутренней энергии этого же количества вещества в жидком состоянии на удельную теплоту парообрзования.

Температура кипения зависит только от жидкости, но и от внешнего давления. Чем выше внешние давление, тем больше давление в пузырьках насыщенного пара при закипании жидкости и больше энергии подводится для совершения работы против сил внешнего давлении. Увеличение энергии вызывает повышение температуры жидкости, и этому при повышении внешнего давления температура кипения растет. Так, при давлении, в 3 раза превышающем атмосферное, температура кипения воды будет +130 °С, а у аммиака -20 °С. Наоборот, уменьшение внешнего давления приводит к понижению температуры кипения.

Отвод теплоты от насыщенного пара вызывает процесс, обратный кипению,- конденсацию пара, превращение пара в жидкость. Koнденсация пара происходит при постоянной температуре с выделение теплоты, равной удельной теплоте парообразования. Температура конденсации повышается с ростом внешнего давления и понижается при его уменьшении.

Некоторые твердые веществ, как и жидкости, имеют частиц (атомы и молекулы), кинетическая энергия которых значительно превосходит среднее значение и достаточна для преодоления потенциальной энергии взаимодействия молекул и атомов. Подобные частиц отрываются от других молекул и непосредственно переходят в пар. При этом средняя кинетическа энергия тела, а, следовательно, и его температура, уменьшаются. Подобное явление называется сублимацией.

Количество теплоты, необходимое для перехода единицы массы твердого тела в пар, минуя жидкую фазу, при постоянной температур называется удельной теплотой сублимации. Она измеряется в килоджоулях на килограмм (кДж/кг). Примером испаряющихся твердых тел являются йод и сухой лед (твердая двуокись углерода).

В холодильной технике термодинамические процессы принято изображать на диаграммах sT (энтропия - температура), ilg p (энтальпия - давление, рис. 1.1, а, б). На диаграммах нанесены левая пограничная кривая (х=0), отделяющая жидкость от области насыщенного пара, и правая (х=1), разграничивающая области насыщенного и перегретого паров. Перегретый пар образуется при нагреве насыщенного пара в состоянии, характеризуемом правой пограничной кривой (сухой, насыщенный пар).

Точка К, в которой сливаются левая и правая пограничные кривые, называется критической, а параметры, ей соответствующие, критическими. При критической температуре различие между паром и жидкостью исчезает, а теплота парообразования становится равной нулю. При температурах выше критической невозможна конденсация пара ни при каких условиях.

Между кривыми х=0 и х=1 расположена область влажного пара, на которую нанесены линии постоянного паросодержания (х=const). Каждая точка кривой х=const характеризует одинаковое количество пара, приходящегося на единицу массы парожидкостной смеси. На диаграмме sT показаны горизонтальные линии постоянных температур (t=const), изотермы, и вертикальные линии постоянных энтропий (s=const)-адиабаты. Ломаными линиями изображены изобары (р=const), т. е. линии, каждая точка которых соответствует одинаковому давлению. В области жидкости все они практически совпадают с левой пограничной кривой, в области насыщенного пара проходят параллельно изотермам, а в области перегретого пара круто идут вверх. Кроме этих кривых, на диаграмме нанесены линии постоянных значений энтальпий i=const (изоэнтальпы) и линии постоянных значений удельных объемов v = const (изохоры).

Диаграмма ilgp образована горизонтальными изобарами (р = = const) и вертикальными изоэнтальпами (i=const). Учитывая, что давление при более высоких температурах увеличивается с ростом температуры быстрее, чем при низких, с целью удобства изображения процессов для давлений ввели логарифмическую шкалу. На диаграмме ilgp наиболее сложную форму имеют изотермы t=const, круто поднимающиеся вверх по кривым в области перегретого пара, в области влажного пара идут параллельно изобарам, а в области

Р ис. 1.1. Термодинамические диаграммы

жидкости почти вертикально поднимаются вверх.

Диаграмму sT используют для первоначального изучения процессов, а диаграмму ilgp - при расчетах и исследованиях.

Рассмотренные процессы кипения и конденсации называются изотермическими, так как протекают при постоянной температуре и в тепловых диаграммах изображаются изотермами в области насыщенного пара.

В холодильной технике кроме рассмотренных большую роль играют процессы, связанные с изменением состояния газа. Состояние газа, близкого к идеальному, описывается уравнением Клапейрона – Менделеева

pv/T=R

где R - газовая постоянная, Дж/(кг*К).

Полагая, что в уравнении Клапейрона - Менделеева р=const, получаем процессы при постоянном давлении, характерные для конденсаторов и испарителей. Такие процессы называются изобарическими и на тепловых диаграммах изображаются изобарами. Для газов в изобарических процессах удельный объем изменяется пропорционально абсолютной температуре, т. е. v/T =const.

Для газов в изотермических процессах, когда Т=const, произведение давления на удельный объем будет постоянным, т. е. pv=const.

При описании процессов сжатия газа и расширения жидкости часто предполагают, что они проходят без теплообмена с окружающей средой. Поэтому вся работа, совершаемая над газом, превращается во внутреннюю энергию газа. Такие процессы называются адиабатическими и в тепловых диаграммах изображаются адиабатами, т. е. протекают при постоянной энтропии.

Допустим также, что адиабатический процесс сжатия протекает настолько медленно, что в любой момент времени температура и давление газа по всему объему цилиндра будут одинаковыми. Тогда, если после медленного сжатия предоставить газу возможность медленно расширяться, то он пройдет ту же последовательность равновесных состояний, что и при сжатии. Процессы, в которых состояния газа одинаковы в обоих направлениях, называют обратимыми. К обратимым можно отнести процессы конденсации и кипения, протекающие при очень малой разности температур теплообмена. Когда теплообмен совершается при некоторой разности температур, потери неизбежны. Следует отметить, что не вся подводимая энергия при сжатии превращается во внутреннюю энергию газа, часть ее расходуется на нагрев деталей компрессора и рассеивается в окружающую среду. Поэтому, расширяясь, газ не проходит через ту же последовательность равновесных состояний, что и при сжатии. Такие процессы называются необратимыми и протекают с увеличением энтропии.

Фактически все процессы в природе необратимы. Необратимость процессов сформулирована Клаузиусом во втором законе термодинамики: теплота не может сама собой переходить от холодного тела к теплому. Поэтому, если в круговом процессе холодное рабочее тело передает теплоту более горячему, то обязательно должна затрачиваться энергия. Подобные круговые процессы называются обратными циклами в отличие от прямых, где, наоборот, тело передает теплоту более холодному, совершая работу.

Чем больше разность температур, тем интенсивней при прочих равных условиях протекает процесс теплопередачи от горячего тела к холодному. В зависимости от агрегатного состояния тел и их взаимного расположения теплота может передаваться теплопроводностью, конвекцией и лучеиспусканием.

В твердых телах теплота проводится путем передачи энергии движения соседним молекулам без механического перемещения частиц. Она характеризуется теплопроводностью, которая зависит от химической природы среды и ее состояния. Теплопроводность показывает, какое количество теплоты передается через плоскую стенку толщиной 1 м за единицу времени через площадь 1 м² при разности температур 1 К, (Единица теплопроводности - ватт на метр-кельвин (Вт/м*К).

В жидкостях и газах передача теплоты осуществляется конвекцией, т. е. механическим перемещением частиц. При естественной конвекции, более нагретые частицы с меньшей плотностью поднимаются вверх, а охладившиеся опускаются вниз. Если этих течений оказывается недостаточно, прибегают к принудительному перемещению жидкостей и газов, т. е. принудительной конвекции. При ее отсутствии этот вид теплообмена в жидкостях и газах резко замедляется вследствие их малой теплопроводности.

Интенсивность теплообмена между жидкостью и поверхностью твердого тела характеризуется коэффициентом теплоотдачи, который показывает, какое количество теплоты передано в единицу времени через 1 м² площади при разности температур между поверхностью и жидкостью 1 К. Единица измерения коэффициента теплоотдачи - ватт на квадратный метр-кельвин [Вт/ (M²-K)].

У нагретых тел часть энергии передают с помощью электромагнитного излучения. При попадании на другие тела она частично поглощается и превращается в тепловую. В результате двойного превращения энергии и осуществляется лучистый теплообмен.

В реальных условиях при передаче теплоты от одного тела к другому участвуют все виды теплопередачи (см. также гл. 3). Величиной, количественно характеризующей этот процесс, служит коэффициент теплопередачи, показывающий количество теплоты, переданной от одной жидкости (газа) к другой через 1 м² площади, разделяющей стенки в единицу времени при разности температур между ними 1 К. Единица измерения коэффициента теплопередачи - ватт на квадратный метр-кельвин [Вт/(м²-К)].

2-3.3. Процессы охлаждения, холодильные циклы

Понижение температуры охлаждаемого объекта достигается отводом от него теплоты с помощью забортной воды, атмосферного воздуха или рабочего тела. В первом случае процесс охлаждения возможен, если температура охлаждаемого груза выше температуры окружающей среды. Он протекает без затрат энергии и называется естественным. К этому процессу относится и охлаждение объекта природным льдом, аккумулирующим естественный холод. Во втором случае, когда температура охлаждаемого объекта ниже температуры окружающей среды, теплота от него отводится рабочим телом, - хладагентом, имеющим еще более низкую температуру. Согласно второму закону термодинамики, для того чтобы хладагент смог передать полученную от объекта охлаждения теплоту более теплой окружающей среде, нужно затратить энергию. Такое охлаждение называется искусственным, и его предел ограничивается температурой рабочего тела. В основе искусственного охлаждения лежат физические процессы изменения агрегатного состояния вещества (плавление, кипение, сублимация), расширения и дросселирования газа, вихревого эффекта Ранка, термоэлектрического эффекта Пельтье, магнетокалорического эффекта.

Плавление - переход рабочего тела из твердого состояния в жидкое, происходящий с поглощением теплоты плавления. Например, при охлаждении рыбы на рефрижераторных судах широко используется лед. Для получения более низких температур плавления (таяния) применяются смеси хлористого натрия и хлористого кальция со льдом. В зависимости от процентного состава смеси температуру таяния можно понизить соответственно до 251,8 К (-21,2°С) и 218 К (-55 °С).

Кипение - переход рабочего вещества из жидкого состояния в парообразное, происходящий при температуре кипения. При этом затрачивается определенное количество энергии, оцениваемое теплотой парообразования. Для создания охлаждающего эффекта могут использоваться различные жидкости, включая и воду, однако наибольшее распространение получили вещества с низкой температурой кипения при атмосферном давлении. К ним в первую очередь относятся фреоны - углеводные и углеводородные соединения и аммиак. Процессы охлаждения с применением этих веществ лежат в основе большинства способов искусственного охлаждения.

Сублимация - переход твердого тела в газообразное, минуя жидкое состояние. При этом затрачивается теплота сублимации. Сублимация широко используется в пищевой промышленности при применении сухого льда, температура сублимации которого при нормальных атмосферных условиях равна -78,5 °С. Низкая температура кипения обеспечивает быстрое и эффективное охлаждение продуктов.

При расширении газа его внутренняя энергия расходуется на преодоление потенциальной энергии взаимодействия молекул и на совершение внешней работы, что понижает его температуру. Наибольший эффект достигается при адиабатическом расширении (без теплообмена с внешней средой). Например, адиабатическое расширение воздуха от 0,4 до 0,1 МПа сопровождается понижением его температуры от +20 до - 75 °С.

Дросселированием называется резкое падение давления жидкости или газа при их протекании через узкие места (диафрагму, вентиль, пористую среду, капилляр и др.) в системах охлаждения.

При дросселировании температура понижается за счет расходования внутренней энергии на преодоление сил взаимодействия между молекулами (эффект Джоуля - Томсона). Внешней работы при этом не совершается.

Последние два процесса нашли применение в газовых н воздушных холодильных установках,

Вихревой эффект Ранка рассмотрим на примере вихревого холодильника (рис. 1.2). Он представляет собой трубу 2 с улиткой З, в которую по касательной подается сжатый воздух. Угловая скорость воздушной струи в зоне центра трубы в первоначальный момент значительно выше, чем у периферии. В процессе вращения за счет трения между слоями воздуха происходит выравнивание скоростей внутри потока. Внутренние слои воздуха, теряя скорость, отдают кинетическую энергию внешним. Поэтому внешние слои выходят через дроссель 1 нагретыми, а внутренние - холодными через диафрагму 4. Охлажденный поток направляют в объект охлаждения, а нагретый - в окружающую среду. По мере прикрытия дросселя 1 повышается давление в трубе и увеличивается расход холодного воздуха при одновременном уменьшении потока нагретого воздуха. При этом меняется и температура в воздушных потоках.

Несмотря на низкую эффективность, этот способ ввиду своей простоты применяют в судоремонте, металлообработке и т. д.

Известный из курса физики термоэлектрический эффект Пельтье можно использовать в электрической цепи из двух полупроводников, обладающих дырочной и электрон-

Рис. 1.2. Вихревой холодильник

ной проводимостью (рис. 1.3). Если к электронному полупроводнику подключить положительный полюс источника постоянного тока, то в месте соединения (спая) ветвей температура понижается, а в противоположной стороне возрастает. При обратном направлении тока холодный спай будет нагреваться, а горячий - охлаждаться. Снижение температуры происходит из-за того, что движущиеся по ветви термоэлемента электроны под воздействием электрического поля переходят в новое состояние с более высокой энергией. При этом энергия электронов повышается за счет кинетической энергии, отбираемой от атомов ветвей термоэлемента в местах их сопряжения. При обратном направлении движения тока электроны переходят на более низкий энергетический уровень, отдают избыточную энергию атомам кристаллической решетки, нагревая спаи термоэлемента. Таким образом, термоэлемент будет выполнять функции холодильной машины, способной переносить теплоту от охлаждаемой среды в окружающую.

Положительной особенностью эффекта Пельтье является использование электрической энергии без промежуточных преобразований для понижения температуры и переноса теплоты с низкого температурного уровня на более высокий. Термоэлектрические охлаждающие устройства используются в автономных кондиционерах, холодильных шкафах, охладителях напитков и т. д.

Машина, предназначенная для искусственного охлаждения какого-либо объекта с помощью подводимой энергии, называется холодильной (ХМ).

Наибольшее распространение в искусственном охлаждении получили процессы кипения рабочих тел при низких температурах. Такие рабочие тела называются холодильными агентами, или хладагентами. При кипении холодильного агента образуется пар. В зависимости от способа сжатия его паров различают паровые компрессионные и тепло использующие - пароэжекторные и абсорбционные - холодильные машины.

Рассмотрим принцип работы паровой компрессионной холодильной машины (рис. 1.4). Охлаждаемое помещение оборудовано змеевиком, называемым испарителем И, внутрь которого подается жидкий хлад-

Рис. 13. Схема термоэлемента Пельтье

агент. Он кипит внутри змеевика с температурой значительно ниже температуры воздуха охлаждаемого помещения, отводя от него теплоту Qo, необходимую для поддержания процесса кипения. Температура воздуха в охлаждаемом помещении понижается. Пары хладагента, образовавшиеся при кипении, отсасываются компрессором КМ и сжимаются. При этом

повышаются их давление и температура. Сжатые пары с температурой, превышающей температуру охлаждающей среды (воды или воздуха), направляются в конденсатор КД. В конденсаторе КД пары хладагента передают теплоту, отведенную из охлаждаемого помещения, Qo и теплоту, эквивалентную затраченной работе на сжатие в компрессоре, охлаждающей среде. При этом сами пары хладагента конденсируются, превращаются в жидкость, отличающуюся температурой и давлением от жидкости в испарителе И. Поэтому npi переходе жидкого хладагента и конденсатора в испаритель И давление его понижается с помощь* дроссельного устройства Др. В испарителе И жидкий хладагент вследствие понижения давления начинае вновь кипеть при низкой темпера туре, образуя пар и отводя теплот из охлаждаемого помещения. Цик повторяется вновь.

Когда в холодильной машине вместо компрессора для отсоса сжатия паров хладагента используется эжектор, то ее называют паро- эжекторной (рис. 1.5).

Рабочий пар котла ПК, проходя через сопло эжектора Э, создае разряжение, в результате чего да! ление в испарителе И понижаете: При определенном давлении хла, агент в испарителе закипает, з; бирая теплоту из окружающей ср ды. Образовавшиеся пары хла, агента за счет разности давлеш поступают в камеру смешения эже тора, где смешиваются с рабоч^ паром котла. Проходя далее чер диффузор Д эжектора, скорое смешанного пара резко падае и он сжимается, повышая свое да ление и температуру. В конденс торе КД за счет повышенной темг ратуры смешанный пар отдает те лоту рабочего пара и теплоту, ОТЕ денную от охлаждаемого объею воде, а сам конденсируется. Отсю основная часть жидкости nnTaTej ным насосом Н подается в кот< а оставшуюся часть жидкости в кс денсаторе КД вновь направля в испаритель И, понижая давлеь с помощью дроссельного устройа Др до состояния кипения. Ц* повторяется сначала.

Достоинством пароэжекторн холодильных машин является возможность прямого использования тепловой энергии для передачи отведенной теплоты от более холодной в более нагретую среду. Однако при использовании воды в качестве хладагента подобные установки могут работать только при плюсовых температурах кипения в испарителе И. По сравнению с компрессионными пароэжекторные холодильные машины имеют весьма ограниченное применение на рефрижераторном и морском флотах. В абсорбционных холодильных машинах пары хладагента после кипения в испарителе поглощаются жидким хладагентом. Полученный раствор насосом Н подается в специальный кипятильник, в который подводится теплота для выпаривания хладагента из раствора. Выпарившиеся пары с повышенным давлением и температурой направляются в конденсатор КД, где конденсируются и после дросселирования вновь закипают в испарителе И. Этот тип холодильных машин не нашел применения на судах.

2-3.4. Циклы одноступенчатых паровых компрессионных холодильных машин

На рис. 1.6 рассмотрим обратный цикл Карно (идеальный цикл холодильных машин) и схему одноступенчатой ПКХМ.

П ри кипении хладагента в испарителе И образуется насыщенный пар, состояние которого на диаграмме определяется точкой 1. Пар всасывается компрессором КМ и адиабатически сжимается (1→2) до давления Pk и температуры конденсации Tk. В конденсаторе КД пар конденсируется, отдавая теплоту qk, равную сумме теплоты, отведенной из охлаждаемого помещения, и теплоты, эквивалентной работе сжатия l, забортной воде. Процесс конденсации протекает при постоянной температуре Tk по изотерме (2→3). Жидкий хладагент адиабатически расширяется в расширительном цилиндре РЦ (3→4) до давления Po и температуры кипения То, при этом совершая полезную работу.

В испарителе И жидкий хладагент кипит по изотерме (4→1), отводя теплоту qo из охлаждаемого помещения, и превращается в пар с исходным состоянием. Таким образом, обратный цикл Карно состоит из двух адиабат (1→2, 3→4) и двух изотерм (2→3, 4→1), расположенных в области насыщенного пара.

Количество теплоты qo, отводимое от охлаждаемого объекта единицей массы хладагента, называется его удельной массовой холодопроиз-водительностью. Численно она равна разности энтальпий конца и начала процесса в испарителе, кДж/кг:

qo=i1-i4=пл.00´с1b-пл.00´с4а=пл.а41b

Величина qo эквивалентна пл.а41b , изображенной на диаграмме sT.

Удельная работа, кДж/кг, затрачиваемая на адиабатическое сжатие единицы массы паров холодильного агента, равна:

lkм=i2-i1=пл.00´32b-пл.00´с1b=пл.с321,

где i2-i1 - разность энтальпий в конце и начале сжатия.

Соответственно, полезная работа, совершаемая цилиндром РЦ,

lрц=i3-i4= пл.00´3а-пл.00´с4а=пл.с.34.

Тогда затраты удельной работы на совершение цикла Карно будут

l = lkм- lрц = пл.с321 - пл.с34=пл. 1234.

Удельное количество теплоты, отводимое в конденсаторе КД, кДж/кг,

q= i2-i3= qo+l=пл.a41b+пл.4321=пл.а32b

Экономичность цикла оценивается холодильным коэффициентом εт, который представляет собой отношение количества теплоты, отведенной от охлаждаемого объекта к работе, затраченной на совершение цикла:

εт=qo/l=пл.а41b/пл.1234=(To*(sb-so))/((Tk-To)*(sb-so))= To/(Tk-To)

Хотя цикл Карно и является теоретическим, однако по нему можно судить о степени совершенства реальных циклов. Как видно из выражения для εт, холодильный коэффициент не зависит от физических свойств хладагента, а определяется только температурой охлаждающего тела To и окружающей среды Tk. При понижении Тo и постоянной Тk холодильный коэффициент уменьшается, т. е. получение холода при более низких температурах требует увеличения затрачиваемой работы. Понижение же температуры окружающей среды, например охлаждающей забортной воды, уменьшает работу на совершение цикла и увеличивает холодильный коэффициент.

Для заданных постоянных температурных режимов холодильный коэффициент цикла Карно имеет наибольшее значение, сравнивая с которым действительное значение εд, судят о степени термодинамического совершенства реального цикла.

Одной из причин неосуществимости обратного цикла Карно в реальной холодильной машине служит условие обратимости процессов теплообмена в конденсаторе КД и испарителе И. Их обратимость требует бесконечно малые разности температур при отводе теплоты и, как следствие, бесконечно большие поверхности теплообменных аппаратов.

Поэтому в реальных циклах температура конденсации Тк выше температуры охлаждающей забортной воды на 5-7 °С и, наоборот, температура кипения хладагента Тo ниже температуры объекта охлаждения Тоб на 8-12°С. Отсюда площадь, определяющая удельную работу l, с учетом температурных напоров ∆Tk и ∆To увеличивается, а площадь эквивалентная удельной массовой холодопроизводительности q_o,- уменьшается. Как показывает практика, понижение температуры кипения хладагента на 1 °С увеличивавет работу на 4-5%, а повышение температуры конденсации на 1 °С - на 2%.

Из-за сложности изготовления расширительного цилиндра РЦ в реальных холодильных машинах его заменяют на регулирующий вентиль (на схеме не показан). Проходя через регулирующий вентиль, жидкий хладагент дросселируется до давления кипения Po. Дросселирование проходит при постоянной энтальпии (3→4') с уменьшением удельной массовой холодопроизводительности на значение, соответствующее пл.44'а'а. И наоборот, удельная работа на совершение цикла возрастет на потерю полезной работы от расширительного цилиндра РЦ и будет равна работе сжатия паров хладагента, эквивалентной пл.123с.

Работа компрессора КМ в области насыщенного пара при совершении цикла Карно связана с опасностью гидравлического удара и аварии механизма. Кроме этого, резко возрастают потери в самом компрессоре КМ, что снижает экономичность всего цикла. Поэтому в действительности цикл холодильной машины ограничивается не только областью насыщенного пара, а протекает и вне ее.

На рис. 1.7 показана схема одноступенчатой ПКХМ с регулирующим вентилем. Пар хладагента в сухом насыщенном состоянии (точка 1) всасывается компрессором КМ из испарителя И. В компрессоре КМ он сжимается в области перегретого пара по адиабате 1→2 до давления конденсации P_k. В конденсаторе КД перегретый пар, отдавая теплоту охлаждающей забортной воде, сначала охлаждается до температуры конденсации t_k (2`→3`), затем конденсируется при постоянной температуре t_k (2`→3`) и может дополнительно переохлаждаться, соприкасаясь с холодной забортной водой (3`→3). Весь процесс в конденсаторе КД протекает при постоянном давлении по изобаре 2→3. Жидкий хладагент в точке 3 дросселируется в регулирующем вентиле РВ при постоянной энтальпии от давления конденсации P_k до давления кипения P_o (3→4). В испарителе И жидкий хладагент кипит при температуре t_o (4→1), отводя теплоту q_o от объекта охлаждения.

Для сравнения на диаграммах штриховыми линиями показан цикл в области насыщенного пара с регулирующим вентилем. Как видно из диаграммы sT (см. рис. 1.7,6), повышение сухости всасываемого пара и сжатие его в области перегретого пара увеличивает удельную работу ∆l` более значительно, чем удельную массовую холодопроизводительность ∆q<sub>o</sub>`, что приводит к снижению холодильного коэффициента цикла. Однако понижение температуры жидкого хладагента ниже температуры конденсации, т. е. его переохлаждение (3) за счет охлаждения забортной водой в конденсаторе КД дает чистое приращение удельной массовой холодопроизводительности ∆q_o``. Удельная работа, затрачиваемая на совершение цикла в диаграмме sT, выразится площадью 123'с1, а удельная массовая холодопроизводительность - площадью 4'1'dba.

На диаграмме i lgp количество отведенной и подведенной теплоты, а также работа измеряются проекциями отдельных процессов в виде отрезков на ось абсцисс (см. рис. 1.7, в).

Рассмотренный цикл холодильной машины полностью определяется температурами кипения to, конденсации t_k и переохлаждения t_n для данного вида хладагента. Построение цикла в диаграмме i lgp удобнее начинать с нанесения на нее изобаражения P_о = const (4→1) и P_k =const (2→3), соответствующих температурам кипения и конденсации хладагента. Пересечение изобары P_o=onst с правой пограничной кривой дает точку 1 Пересечение адиабаты s = const с изобарой P_K=const характеризует конец сжатия (точка 2). Точка 3, определяющая состояние переохлажденной жидкости, лежит в области жидкости за левой пограничной кривой, на пересечении левого луча изобары P_к=const с изотермой, соответствующей заданной температуре переохлаждения t_п. Опуская из точки 3 перпендикуляр на изобару р=const (процесс дросселирования при i=const) получаем точку 4 начала, кипения хладагента.

На практике для построения цикла одноступенчатой холодильной машины используются диаграммы i lgp (прилож. 1, 2, 3).

Зная массовый расход m, кг/с, циркулирующего в системе хладагента, по циклу можно найти общую холодопроизводительность установки, которая показывает количество теплоты, отводимое в единицу времени от объекта охлаждения:

Q_o=q_o*m

Кроме рассмотренных ранее показателей, по построенному циклу можно определить еще один важный показатель хладагента и цикла - удельную объемную холодопроизводительность qv. Величина qv (кДж/м³) представляет отношение удельной массовой холодопроизводительности q₀ к удельному объему всасываемого пара

Qv=q_o/v₁

где v₁ удельный объем всасываемого пара, кДж/м³.

Удельная объемная холодопроизводительность показывает, какое количество теплоты отводится из объекта охлаждения при образовании единицы объема пара хладагента. Чем больше qv, тем меньше размеры компрессора.

Пример 1.1. Сравнить основные показатели циклов холодильной машины для R12 и R22 при температурах кипения -15°С, конденсации +30°С, переохлаждения + 25°С.

Решение. По известным температурам на диаграммах i lgp для R12 и R22 (см. приложения 1 и 2) строим циклы (показаны сплошными линиями на рис. 1.8). По циклам определяем необходимые расчетные данные:

для R22

i₄= i₃ = 430 кДж/кг; i₁=598 кДж/кг; i₂= 634 кДж/кг; P_o= 0,30 МПа; P_k=1,19 МПа; V₁= 0,077 м3/кг;

для R12

i₁=547 кДж/кг; i₂= 572 кДж/кг;

i₃ = i₄= 424 кДж/кг; V₁ =0,0927 м3/кг;

P_o = О,18 МПа; P_k= 0,758 МПа.

Далее выполняем расчет основных показателей работы холодильной машины для хладагентов R12 и R22. Результаты расчета следующие.

R12 R22

Удельная массовая холодопроизводительность q_op=i₁-i₄, кДж/кг ….. 123 168

Удельная объемная холодо-производительность q_v=q_o/v₁, кДж/кг … 1325 2175

Удельная работа компрессора l=i₂-i₁, кДж/кг. . . 25 36

Тепловая нагрузка конденсатора q_k=i₂-i₃, кДж/кг …… 148 204

Холодильный коэффициент ε_т=q_o/l ……… 4,92 4,67

Анализ результатов показывает, что у холодильных машин массовая и объемная холодопроизводитель-ность с применением R22 выше, чем с R12, а холодильный коэффициент ниже.

Для некоторых хладагентов экономичность цикла можно повысить путем дополнительного переохлаждения жидкого хладагента, поступающего из конденсатора КД. С этой целью между конденсатором КД и регулирующим вентилем РВ устанавливается так называемый регенеративный теплообменник РТО (рис. 1.9). Он представляет собой змеевик, внутри которого протекает жидкий хладагент, идущий из конденсатора КД к регулирующему вентилю РВ. Противотоком, омывая змеевик, внутри корпуса теплообменника РТО движется охлажденный пар из испарителя И к компрессору КМ. В результате теплообмена между ними жидкий хладагент дополнительно переохлаждается (3'→3), а пары хладагента дополнительно перегреваются (1′→1). Без учета теплообмена с окружающей средой количество теплоты, полученное паром в теплообменнике РТО, равно количеству отведенной от жидкости теплоты, т. е. i₁-i_1′ = i_3′-i₃. Точка l′ в цикле смещена по изобаре в область перегретого пара, так как практически из испарителя выходит не сухой насыщенный пар, а несколько перегретый.

Итак, регенеративный цикл включает в себя адиабатическое сжатие (1→2) в компрессоре КМ 2→2",

2˝→3˝ и 3˝→3' соответственно охлаждение, конденсация паров и переохлаждение жидкого хладагента в конденсаторе КД; 3′→3 - переохлаждение в регенеративном теплообменнике РТО; 3→4 - дросселирование в регулирующем вентиле РВ; 4→1" и 1˝→1′ - соответственно кипение жидкого хладагента и перегрев его паров в испарителе И; 1′→1 - перегрев паров хладагента в РТО. Для сравнения штриховыми линиями показан цикл без регенеративного теплообменника.

Как видно из диаграмм, дополнительное переохлаждение жидкого хладагента увеличивает удельную массовую холодопроизводительность на величину ∆q_o, что связано с уменьшением парообразования при дросселировании хладагента. Напротив, дополнительный перегрев пара перед компрессором увеличивает удельную работу сжатия на ∆l. В зависимости от свойств хладагента прирост удельной массовой холодопроизводительности может быть больше прироста удельной работы или, наоборот, меньше. Тогда в первом случае регенеративный теплообменник улучшит холодильный коэффициент цикла, а во втором - ухудшит.

Пример 1.2. В начальные условия примера 1.1 ввести переохлаждение в регенеративном теплообменнике 10°С. Сравнить эффективность применения регенеративного теплообменника для хладонов R12 и R22.

Решение. На рис. 1.8 регенеративные циклы показаны штриховыми линиями. По циклам определяем необходимые расчетные данные:

для R22

i_3p=i_4p =417 кДж/кг; i₃= 430 кДж/кг; i₃-i_3p= 13 кДж/кг; i₁=598 кДж/кг;

i_1p= 598+13 = 611 кДж/кг; i_2p= 651 кДж/кг; V_1′ = 0,083 м3/кг;

для R12

i_3p=i_4p= 414 кДж/кг; i₃= 424 кДж/кг; i₃-i_3p=10 кДж/кг; i₁=547 кДж/кг;

i_1p= 547+ 10 = 557 кДж/кг; i_2p= 583 кДж/кг; V_1˝ = 0,103 м3/кг.

Далее выполняем расчет основных показателей работы холодильной машины для хладагентов R12

и R22. Результаты расчета следующие.

R12 R2

Удельная массовая холодопроизводительность q_op=i₁-i_4p, кДж/кг 133 181

Удельная объемнаяхолодопроизводительность q_vp = q_o/v₁, кДж/м³ 1290 218

Удельная работа компрессора, l_p=i_2p-i_1p, кДж/кг 26 40

Тепловая нагрузка конденсатора q_kp=i_2p-i₃, кДж/кг 159 221

Холодильный коэффициент r=q_op/l_p 5.12 4.52

Анализ расчетов в примерах 1. и 1.2 показывает, что регенеративный цикл для R12 увеличив удельную массовую холодопроизводительность и повышает экономииность цикла (ε-5,12). Регенерация для R22, увеличивая q_op, несколько снижает холодильный коэффициент теоретического цикла. В реальном цикле перегрев пара, обеспечиваемый регенеративным теплообменником, приводит к улучшению работы компрессора.

В зависимости от рода охлаждаемого груза и целей охлаждения требуется определенная температур его обработки и хранения. Так, замороженные мясо и рыба зачастую перевозятся при температурах около -30°С, а в рыбоморозилка требуется поддерживать температур воздуха около -40°С, что влечет понижение температур кипени хладагента до -35, -45°С. Температура - 45 °С для R22 соответствует давление кипения ниже атмосферного P_o= 0,0832 МПа, а дл R502 - примерно равное атмосферному P_o= О,104 МПа. Увеличение же температуры забортной воды, например, в тропиках до +32°С выше вызовет повышение температуры конденсации до +40 °С. Для R22 при температуре +40 °С давление конденсации 1,533 МПа, а для R502-1,686 МПа. Пониженное давление кипения и повышенное давление конденсации вызывают рост температуры конца сжатия в области перегретого пара. В свою очередь высокая температура нагнетания в поршневом компрессоре сильнее нагревает смазочное масло, повышая его пожароопасность, вызывает интенсивное испарение масла и унос с парами хладагента.

Большой перепад давлений между всасыванием P_o и нагнетанием P_k компрессора, а следовательно, и величина отношения р_k/р_о вызывают настолько большие потери производительности самого компрессора, что дальнейшая его эксплуатация для большинства одноступенчатых холодильных машин нецелесообразна. Перечисленные причины, а также снижение экономичности работы холодильной машины определяют предел отношения р_к/р₀ = 8-9, выше которого целесообразно переходить на двухступенчатое сжатие.

Для рассмотренных температурных пределов отношение р_k/р_о для R502 намного превышает допустимые нормы: так, для R22 оно равно 18,4, а для R502 - 16,2.

2-3.5. Циклы двухступенчатых холодильных машин

В двухступенчатых машинах пары хладагента из испарителя всасываются низкой ступенью компрессора, и после сжатия до промежуточного давления охлаждаются. Охлажденные пары сжимаются в высокой ступени компрессора и поступают в конденсатор. Жидкий хладагент из конденсатора, дросселируясь, поступает в испаритель, где кипит, отнимая теплоту от охлаждаемого объекта.

По степени охлаждения хладагента различают двухступенчатые машины с неполным промежуточным и полным промежуточным охлаждением.

По способу дросселирования хладагента, поступающего в испаритель, различают схемы с однократным и двукратным дросселированием. Рассмотрим работу двухступенчатой холодильной машины с неполным промежуточным охлаждением (рис. 1.10).

Пар из испарителя И при давлении кипения р_о засасывается компрессором низкого давления КНД

и сжимается адиабатически (1→ 2) до промежуточного давления р_и. Далее он охлаждается забортной водой в промежуточном холодильнике ПХ (2-+3') от температуры t₂ до t_3´. После охлаждения пар сжимается в компрессоре высокого давления КВД по адиабате (3'→4). В конденсаторе КД пар охлаждается (4→4⁰), конденсируется (4°→5°), и полученная жидкость переохлаждается (5°→5). Процесс передачи теплоты от хладагента забортной воде протекает при постоянном давлении р_к (4→5) в конденсаторе КД. В регулирующем вентиле РВ жидкий хладагент дросселируется до давления р_о (5→6) и кипит в испарителе И при температуре t_o (6→l), отводя теплоту из охлаждаемого помещения. Изобарическое охлаждение (2→3') является неполным, поскольку в промежуточном холодильнике пар не охлаждается до насыщенного состояния (точка 3), а выходит перегретым.

Дросселирование жидкого хладагента при температуре, близкой к температуре конденсации, приводит к значительному парообразованию в регулирующем клапане. Состояние парожидкостной смеси, характеризуемое точкой 6, обусловлено

большим содержанием пара, который практически не участвует в отводе теплоты из охлаждаемого объекта. Поэтому такие двухступенчатые холодильные машины ненамного эффективней одноступенчатых и получили ограниченное применение (рефрижераторные суда типа "Актюбинск", контейнеровозы типа "Капитан Гаврилов").

Большое распространение на практике получила двухступенчатая холодильная машина с полным промежуточным охлаждением и однократным дросселированием на рис. 1.11.

Пар хладагента от компрессора низкого давления КНД поступает в промежуточный сосуд ПС, где пропускается через слой жидкого хладагента с температурой t_п = 0-10°С и промежуточным давлением р_п, охлаждаясь до состояния насыщения (2→3). С другой стороны, жидкий хладагент в промежуточном сосуде, отнимая теплоту от поступившего из КНД пара, кипит, образуя дополнительный пар, который вместе с основным охлажденным потоком всасывается компрессором высокого давления КВД и сжимается до давления конденсации p_k (3→4).

После конденсатора КД часть жидкого хладагента поступает на пополнение выкипающего хладагента в промежуточном сосуде ПС, дросселируясь в регулирующем вентиле РВ1 (5→7) до давления р_п и температуры tu. При дросселировании также образуется некоторое количество пара, эквивалентное отрезку 7-8 (см. рис. 1.11,6, в), которое в сосуде ПС, смешиваясь с основным и дополнительным потоками пара, увеличивает количество хладагента, сжимаемого в КВД. Жидкий хладагент, освободившись от пара, переходит в состояние, характеризуемое точкой 8.

Основной поток жидкости из конденсатора КД, проходя по змеевику промежуточного сосуда ПС, дополнительно переохлаждается (5→5′) и поступает в испаритель И, предварительно дросселируясь в регулирующем вентиле РВ до давления р_о и температуры кипения t_o (5'→6′). При переохлаждении основного потока жидкости теплота передается хладагенту в промежуточном сосуде ПС, вызывая при его кипении дополнительное образование пара, который также поступает в компрессор КВД. Переохлаждение жидкого хладагента позволяет резко сократить необратимые потери при дросселировании (уменьшить парообразование). В результате доля жидкости в парожидкостной смеси, поступающей в испаритель И, увеличивается, и эффективность работы значительно повышается.

Подобные холодильные машины нашли применение на рыболовных морозильных траулерах типа "Атлантик", большом морозильном траулере-рыбозаводе (БМРТ) типа "Кронштадт", "Пионер Латвии", плавбазах типа "Пионерск", транспортных рефрижераторах типа "Ленинские горы".

В холодильных машинах с винтовыми компрессорами, работающими на R22, громоздкий промежуточный сосуд заменен на 2 компактных теплообменника - смесительную трубу СТ и переохладитель жидкости ПЖ (рис. 1.12, а).

После сжатия в компрессоре КПД (1→2) пары хладагента в смесительной трубе СТ смешиваются с распыляемой парожидкостной смесью, поступающей после дросселирования в регулирующем вентиле РВ1. В результате температура пара на выходе из смесительной трубы СТ резко падает (2→3′) и при дополнительном смешении (3'→3) с паром из переохладителя жидкости ПЖ может достигать значений, близких к температуре насыщенного пара. После сжатия в компрессоре КВД (3→4), охлаждения и конденсации в конденсаторе КД (4→5) жидкий хладагент делится на 3 потока. Основной поток проходит по теплообменным трубкам переохладителя жидкости ПЖ. Там он переохлаждается (5→6) за счет хладагента, кипящего при промежуточном давлении P_п после дросселирования в РВ2 (5→8). Третья часть потока, дросселируясь в РВ1 также до промежуточного давления P_п (5→8), поступает на охлаждение пара в смесительную трубу.

Высокая эффективность рассмотренного цикла холодильной машины со смесительной трубой и переохладителем жидкости достигается за счет уменьшения потерь при дросселировании вследствие переохлаждения жидкости перед регулирующим вентилем РВЗ.

Применение винтовых компрессоров, в которых возможен дополнительный отвод теплоты в процессе сжатия R22, позволило отказаться от смесительной трубы. В холодильных установках судов типа "Моонзунд", "Цефей" охлаждение пара на входе в компрессор высокого давления происходит только за счет пара, образующегося в переохладителе жидкости. Все это позволило широко распространить рассматриваемую модификацию холодильных машин на судах рефрижераторного флота.