6.Схемы и циклы газовых холодильных машин.

6.1.Классификация газовых холодильных машин.

Газовые холодильные машины.

Газовыми называются холодильные машины, у которых весь термодинамический цикл осуществляется в области очень перегретого пара, т.е. газа. В таких машинах хладагент не меняет своего агрегатного состояния не зависимо от элемента холодильной машины.

По принципу получения низких температур газовые холодильные машины (ГХМ) делятся на два типа:

1)Детандерные ГХМ, в которых холодильный агент расширяется в специальных расширительных устройствах - детандерах с понижением температуры и с получением полезной работы;

2)Вихревые ГХМ, у которых эффект охлаждения осуществляется за счет температурного разделения потоков в специальных вихревых трубах без получения полезной работы.

При наличии в схеме регенеративного теплообменника цикл ГХМ называется регенеративным. Если в схеме регенеративный теплообменник отсутствует, то цикл является не регенеративным.

Кроме того, ГХМ могут работать по замкнутому или разомкнутому циклам. В замкнутых циклах по системе ГХМ постоянно циркулирует один и тот же холодильный агент. В разомкнутых циклах поток рабочего вещества после какого-то элемента выходит из системы и затем заменяется новой порцией холодильного агента. По разомкнутому циклу работают, как правило, воздушные газовые холодильные машины, у которых холодильным агентом является атмосферный воздух.

В качестве холодильных агентов в газовых холодильных машинах могут использоваться любые вещества в газообразном состоянии. Например, воздух, аммиак, хладоны, диоксид углерода, чистые углеводороды (пропан, метан, бутан и т.д.), азот и другие рабочие вещества. На практике чаще всего используется воздух.

В данном учебном пособии рассматриваются теоретические ГХМ, в которых отсутствуют все необратимые потери. т.е. в циклах все процессы как внутренне, так и внешне обратимы. Следовательно, процессы сжатия и расширения являются изоэнтропными, а процессы охлаждения и нагревания – изобарными.

6.2.Детандерные замкнутые холодильные машины.

Детандерный не регенеративный замкнутый цикл ГХМ.

Такая ГХМ состоит из компрессора, промежуточного охладителя, детандера и теплообменного аппарата (см. рисунок 6.1.). Термодинамический цикл в S-T - и h-Р – диаграммах показан на том же рисунке.

А Б

Рисунок 6.1 - Детандерный не регенеративный замкнутый цикл ГХМ

Порядок работы следующий. После теплообменного аппарата газ поступает в компрессор, где сжимается в процессе 1-2 от начального давления Р₁ до конечного давления Р₂. В процессе сжатия повышается температура газа до температуры Т₂. После компрессора сжатый горячий газ направляется в промежуточный охладитель, в котором охлаждается в процессе 2-3 за счет теплообмена с внешней охлаждающей средой (водой или воздухом). Далее охлажденный холодильный агент расширяется в детандере в процессе 3-4. При расширении температура газа резко снижается до температуры Т₄. После детандера холодный газ поступает в теплообменный аппарат, в котором нагревается в процессе 4-1, отводя теплоту от охлаждаемой среды. Затем подогретый хладагент всасывается компрессором, сжимается и цикл повторяется вновь.

Удельная холодопроизводительность цикла в S-T – диаграмме эквивалентна площади под процессом 1-2, т.е.

q_о = Пл. б41аб = h₁ – h₄ = c_р(Т₁ – Т₄)

Удельная теплота, отведенная от хладагента в промежуточном охладителе в S-T - диаграмме эквивалентна площади под процессом 2-3, т.е.

q = Пл. б32аб = h₂ – h₃ = с_р(Т₂ – Т₃)

Удельная работа цикла определяется из теплового баланса холодильной машины и в S-T – диаграмме находится как разность площадей q и q_о.

l_ц = q - q_о = Пл. б32аб – Пл. б41аб = Пл. 12341

или

l_ц = q – q_о = (h₂ – h₃) – (h₁ –h₄) = (h₂ – h₁) – (h₃ –h₄)

В цикле 1234 (h₂ – h₁) = l_сж - затраченная работа сжатия газа в компрессоре, Дж/кг, а (h₃ – h₄) = l_р – полученная работа расширения в детандере, Дж/кг, тогда

l_ц = l_cж – l_р

l_ц = q – q_о = с_р(Т₂ – Т₃) – с_р(Т₂ – Т₁)

Холодильный коэффициент цикла

или

Теплоемкость газа в первом приближении можно считать постоянной, тогда

Таким образом холодильный коэффициент теоретического цикла зависит только от температурных параметров.

Детандерный регенеративный замкнутый цикл ГХМ.

В отличие от нерегенеративной ГХМ в регенеративный цикл включен регенеративный теплообменник, в котором происходит теплообмен между прямым теплым потоком и обратным холодным потоком рабочего вещества (см.рисунок 6.2.).

А Б

Рисунок 6.2. Детандерный регенеративный замкнутый цикл ГХМ

Работа такой газовой холодильной машины отличается тем, что после промежуточного охладителя предварительно охлажденный газ состояния 3 направляется в регенеративный теплообменник, в котором еще больше охлаждается в процессе 3-4 за счет теплообмена с холодным обратным потоком, идущим из теплообменного аппарата. В тоже время обратный холодный поток в регенеративном теплообменнике нагревается в процессе 6-1 за счет теплообмена с прямым теплым потоком.

Удельная холодопроизводительность цикла:

q_о = Пл. г56вг = h₆ – h₅ = с_р(Т₆ – Т₅)

Удельная теплота, отведенная от хладагента в промежуточном охладителе:

q = Пл. б32аб = h₂ – h₃ = с_р(Т₂ – Т₃)

Работа цикла:

l_ц = q – q_o = Пл. б32аб – Пл. г56вг = (h₂ – h₃) – (h₆ – h₅)

или

l_ц = с_р(Т₂ – Т₃) – с_р(Т₆ – Т₅)

Работу цикла так же можно найти из теплового баланса холодильной машины, который имеет вид:

q_o + q_рт.п. + l_с = q + q_рт.от. + l_р

где q_рт.от - удельная теплота, отведенная от теплого прямого потока в регенеративном теплообменнике, q_рт.от. = (h₃ - h₄), Дж/кг;

q_рт.п. – теплота, подвенная к холодному потоку в регенеративном теплообменнике, q_рт.п. = (h₁ – h₆).

Отсюда:

l_ц = q + q_рт.от. - q_o - q_т.п. = (h₂ – h₃) + (h₃ - h₄) – (h₆ – h₅) – (h₁ – h₆) =

= (h₂ – h₁) – (h₄ – h₅)

В цикле 1234561 (h₂ – h₁) = l_с - удельная работа, затраченная на сжатие хладагента в компрессоре в процессе 1 - 2, (h₄ – h₅), = l_р – полезная работа, полученная при расширении газа в детандере в процессе 4 - 5. Тогда:

l_ц = l_с - l_р

Холодильный коэффициент цикла: