2014-02-02
6695
Газовые холодильные машины
Газовые холодильные машины по принципу получения низких температур делятся на два типа: машины, в которых эффект охлаждения получается вследствие расширения газа с отдачей внешней полезной работы в расширительной машине – детандере, и машины, в которых эффект охлаждения получается в результате расширения без отдачи полезной работы – в вихревой трубе.
В газовой холодильной машине в отличие от паровой холодильной машины работа детандера лишь несколько меньше работы компрессора, а удельная холодопроизводительность, в основном, определяется работой детандера. Поэтому при замене в газовой холодильной машине детандера дроссельным вентилем, не только значительно возрастает работа цикла вследствие потери работы детандера, но уменьшается и удельная холодопроизводительность, так как в этом случае холодопроизводительность определяется только эффектом дросселирования, который для газов очень мал.
Газовые холодильные машины с детандером более выгодны, чем машины, в которых используется вихревой эффект.
|
|
|
В машине с детандером происходит охлаждение всего потока, причем охлаждение сопровождается отдачей работы.
Теоретическим циклом газовой холодильной машины будем считать цикл, в котором все внутренние процессы обратимы, а разность температур между источниками теплоты и газом при выходе из теплообменных аппаратов равна 0. Следовательно, процессы сжатия и расширения являются изоэнтропными, а процессы в аппаратах – изобарными.
Газовая холодильная машина состоит из следующих основных элементов: компрессора К; промежуточного холодильника ПХ; детандера Д и теплообменного аппарата ТО. На рис. 14 показаны схема и цикл газовой холодильной машины.
Рис. 14. Схема и цикл газовой холодильной машины
Рабочее тело сжимается в компрессоре и направляется в промежуточный холодильник, в котором теплота от рабочего тела отводится в окружающую среду. Затем рабочее тело поступает в детандер, где в результате совершения работы температура понижается. Далее в теплообменном аппарате к рабочему телу подводится теплота от источника низкой температуры, при этом температура рабочего тела повышается, после чего снова направляется в компрессор.
В теоретическом цикле принято, что в промежуточном холодильнике рабочее тело охлаждается до температуры окружающей среды 
, а в теплообменном аппарате нагревается до температуры источника низкой температуры 
.
В S–Т диаграмме изображен теоретический цикл рассматриваемой машины при сжатии и расширении рабочего тела с 
.
Холодопроизводительность машины:
|
|
|
,
что соответствует площади 
.
Теплота, отведенная в промежуточном холодильнике:
,
что соответствует площади 
.
Работа цикла:
,
что соответствует площади 
.
Работа цикла равна разности работ компрессора l К и детандера l Д, поэтому к машине подводится работа от приводного двигателя.
Холодильный коэффициент машины:
.
Считая газ идеальным 
, можно записать:
или
, 
,
с учётом этого
.
Цикл газовой холодильной машины в условиях постоянных температур внешних источников 
и 
необратим, так как теплообмен между рабочим телом и источниками совершается при конечных разностях температур. Обратимый цикл будет изображен точками 
.
Степень обратимости цикла:
.
Массовый расход газа определяется заданной холодопроизводительностью 
.
Необратимые потери в циклах газовых холодильных машин могут достигать 50 % и более. Степень необратимости можно уменьшить путем снижения степени сжатия или осуществлении в компрессоре многоступенчатого сжатия с промежуточным охлаждением и многоступенчатым расширением в детандере с промежуточным подводом теплоты. Однако в действительных циклах эти методы приводят к большим гидравлическим потерям, что не дает возможности достигнуть значительного повышения холодильного коэффициента.
Достоинством газовой холодильной машины является то, что в качестве рабочего вещества применяется воздух. Воздух может подаваться прямо в охлаждаемое помещение и только на воздухе можно осуществить циклы с теплообменом без промежуточных теплообменников, снизить металлоемкость машины и сделать её более простой в эксплуатации.
