5.4.Трехступенчатые холодильные машины.

Схема и цикл трехступенчатой холодильной машины.

Трехступенчатые холодильные машины применяются для получения температур порядка (-60 ÷ -80)^оС (Например, для получения твердого диоксида углерода, т.е. “сухого” льда). Такая машина работает, как правило, по циклу с трехкратным дросселированием и полным промежуточным охлаждением. Схема трехступенчатой холодильной машины представлена на рисунок.5.7., а термодинамический цикл в S – T и h - Р диаграммах - на рисунке.5.7.. Порядок работы такой холодильной машины аналогичен работе двухступенчатой машине с полным промежуточным охлаждением и двукратным дросселированием только на одну ступень больше. Промежуточные давления между ступенями сжатия выбираются с учетом равных отношений давлений π в отдельных ступенях.

А Б

Рисунок.5.7. Схема и цикл трехступенчатой холодильной машины.

При заданных значениях температуры кипения Т_о и температуры конденсации Т_к промежуточные давления находятся как для идеального рабочего вещества.

Массовые расходы холодильного агента в отдельных ступенях сжатия определяются из тепловых балансов промежуточных сосудов:

где G_а1 – массовый расход холодильного агента в первой ступени сжатия, кг/с,

Полная тепловой поток в конденсаторе, Вт

Q_к = q_к • G_а1 = (h₇ – h₈) • G_а3.

5.5.Каскадные холодильные машины.

Схема и цикл каскадных холодильных машин

В многоступенчатых холодильных машинах объемная производительность компрессора нижней ступени в несколько раз больше объемной производительности компрессора верхней ступени. Поэтому компрессоры более низкой ступени сжатия имеют большие массогабаритные показатели и потребляемую мощность, чем компрессоры верхней ступени. Чем ниже температура кипения, тем эти различия более выражены. Например, в трехступенчатой аммиачной холодильной машине объемная производительность нижней ступени в пять раз больше, чем в верхней ступени, а следовательно, в пять раз больше массогабаритные показатели и потребляемая мощность нижней ступени.

Для получения низких температур порядка – 60 - – 90 ^оС наиболее целесообразным является использование каскадных холодильных машин. Каскадными называются холодильные машины, состоящие из отдельных, связанных между собой, холодильных машин. Общим элементом отдельных каскадов является испаритель-конденсатор. Для верхнего каскада он является испарителем, для нижнего – конденсатором. В каждом каскаде циркулирует свой холодильный агент.

Каскадная холодильная машина может состоять из двух или нескольких каскадов. Каждый каскад представляет собой одноступенчатую или многоступенчатую холодильную машину. Простейшая каскадная холодильная машина состоит из двух одноступенчатых холодильных машин (схему и цикл см. рисунок.5.8.).

Р исунок.5.8 - Схема и цикл каскадных холодильных машин

В испарителе нижнего каскада кипит низкотемпературный холодильный агент в процессе 4-1^' за счет подвода теплоты от охлаждаемой среды q_о. Образовавшийся пар всасывается компрессором нижнего каскада, в котором сжимается в процессе 1-2 от давления кипения нижнего каскада Р_он до давления конденсации нижнего каскада Р_кн с затратой работы сжатия l_сн. После компрессора сжатый пар хладагента нижнего каскада поступает в конденсатор-испаритель, где конденсируется в процессе 2-3 за счет теплообмена с кипящим холодильным агентом верхнего каскада, отдавая удельную теплоту конденсации q_кн. Далее сконденсировавшийся хладагент дросселируется в дроссельном вентиле нижнего каскада в процессе 3-4 от давления конденсации Р_кн до давления кипения Р_он и направляется в испаритель. В испарителе жидкость снова кипит и цикл в нижнем каскаде повторяется вновь. В верхнем каскаде осуществляется точно такой же термодинамический цикл как и в нижнем, только на более высоком температурном уровне. В компрессоре верхнего каскада сжимается пар высоко- или среднетемпературного холодильного агента в процессе 5-6 от давления кипения верхнего каскада Р_ов до давления конденсации верхнего каскада Р_кв с затратой работы сжатия l_св. Затем сжатый пар конденсируется в конденсаторе в процессе 6-7, отдавая теплоту конденсации q_к охлаждающей среде (воде или воздуху). Образовавшаяся жидкость дросселируется в дроссельном вентиле верхнего каскада в процессе 7-8 от давления Р_кв до давления Р_ов. После дросселирования хладагент поступает в конденсатор-испаритель, где он кипит в процессе 8-5^', отнимая теплоту q_ов от конденсирующегося холодильного агента верхнего каскада.

Удельная холодопроизводительность цикла q_о (Дж/кг)

q_о = h₁ – h₄

где h₄ и h₁ – энтальпия хладагента нижнего каскада на входе и выходе из испарителя (Дж/кг)

Удельная работа сжатия в компрессоре нижнего каскада l_сн (Дж/кг)

l_сн = h₁ – h₂

где h₁ и h₂ – энтальпия хладагента нижнего каскада на входе и выходе из компрессора (Дж/кг).

Удельная теплота конденсации хладагента нижнего каскада q_кн (Дж/кг)

q_кн = h₂ – h₃

где h₂ и h₃ – энтальпия хладагента нижнего каскада на входе и выходе из конденсатора-испарителя (Дж/кг).

Массовый расход хладагента нижнего каскада G_ан (кг/с)

где Q_о – полная заданная холодопроизводительность каскадной холодильной машины, Вт.

Массовый расход холодильного агента верхнего каскада находится из теплового баланса конденсатора-испарителя. При установившемся режиме работы в конденсаторе-испарителе количество теплоты отведенной от конденсирующегося хладагента нижнего каскада должно быть равно количеству теплоты, подведенной к кипящему хладагенту верхнего каскада, т.е.

Q_кн = Q_ов

или

Отсюда

Из данного уравнения можно определить относительный массовый расход: