Газовые и вихревые холодильные машины

Холодильной машиной называют комплект оборудования, необходимый для осуществления холодильного цикла.

В зависимости от вида физического процесса, в результате ко­торого получают холод, холодильные машины подразделяют на следующие типы: использующие процесс расширения воздуха (га­зовые, вихревые); использующие фазовый переход рабочего тела из жидкого в газообразное состояние (компрессионные паровые, абсорбционные, сорбционные, пароэжекторные).

В зависимости от вида потребляемой энергии различают холо­дильные машины на механической энергии (компрессионные паровые, газовые), теплоиспользующие (пароэжекторные, абсорб­ционные и сорбционные).

К холодильным машинам можно также отнести воздушные детандерные, использующие процесс расширения воздуха с произ­водством внешней работы, и безмашинные термоэлектрические, потребляющие непосредственно электроэнергию на основе эффекта Пельтье. Холодильные машины подразделяют и по другим типам.

В газовых холодильных машинах холодильными агентами явля­ются газообразные вещества, агрегатное состояние которых не изменяется при совершении цикла, в основном воздух; поэтому их называют воздушными холодильными машинами.

Первые воздушные холодильные машины появились 100 лет назад. Однако тогда они не получили широкого распространения и были вытеснены с рынка парокомпрессионными, так как удель­ная массовая холодопроизводительность воздуха значительно мень­ше, чем кипящего холодильного агента в цикле паровой холодильной машины. При использовании воздушных холодильных машин требуется большая массовая подача холодильного агента, поэтому только по мере развития газотурбинной и особенно тур­бореактивной техники удалось создать воздушные турбохолодильные машины, близкие по экономичности в области относительно низких температур (от -80 до -120°С) к парокомпрессионным. Функциональная схема и идеальный цикл воздушной холодиль­ной машины в S—T-диаграмме изображены на рис. 9.

Воздух в компрессоре адиабатически сжимается от давления Р₁ до Р₂ (процесс 1—2), нагреваясь при этом от температуры T₁ равной температуре охлаждаемого тела Т_о,до Т₂. Далее воздух ох­лаждается в теплообменнике ТО от температуры Т₂ до Т₃ (про­цесс 2—3),

Рис. 9. Функциональная схема воздушной холодильной машины и цикл

ее работы: а — схема машины; б — диаграмма работы машины

равной температуре охлаждающей среды Т_ос, отдавая поглощенную теплоту внешней среде, например воде. После этого воздух адиабатически расширяется в детандере Д от давления Р₂ до Р₁ (процесс 3—4), совершая полезную работу, и поступает в охлаждаемый объект Об, где нагревается от температуры Т₄ до T₁ (процесс 4—1), отводя теплоту от охлаждаемого тела, напри­мер воздуха. Из охлаждаемого объекта воздух поступает в комп­рессор, и цикл повторяется.

Если допустить, что воздух является идеальным газом, т.е. С_р = const, и представить для адиабатических процессов сжатия ирасширения воздуха отношение температур в виде

T₂ / T₁ = Т₃/Т₄ = (Р₂/Р₁)^{(n – 1) / n}, (26)

где п — показатель адиабаты, холодильный коэффициент цикла:

ε=Т₁ / (Т₂ - Т₁) = Т₄ / (Т₃-Т₄). (27)

Коэффициент обратимости цикла

h = ε/ ε _обр, (28)

где ε _обр — холодильный коэффициент обратимого цикла Карно.

Цикл воздушной холодильной машины имеет большие не­обратимые потери, поэтому термодинамически он целесообра­зен, если машина осуществляет комбинированный цикл, охлаж­дая и нагревая одновременно.

В воздушных холодильных машинах типа ТХМ, разработанных в нашей стране, охлаждение происходит благодаря расширению воздуха в расширительной машине — детандере с производством внешней полезной работы. Такие машины имеют холодопроизводительность 30 — 60 кВт и более и используются для быстрого замораживания эндокринного сырья (желез внутренней секреции, направляемых на медицинские цели), некоторых видов продук­тов растительного происхождения (плодов, овощей, ягод), кули­нарных изделий.

Машины вихревого типа представляют собой цилиндрическую трубу, разделенную диафрагмой на холодную и горячую части.

С термодинамической точки зрения процессы, протекающие в вихревой трубе, сводятся к тому, что слои воздуха, вращающиеся вблизи оси, отдают кинетическую энергию остальной (перифе­рийной) массе воздуха и при этом охлаждаются. Другая же часть воздуха воспринимает эту энергию и нагревается в результате тре­ния, на преодоление которого затрачивается значительная часть кинетической энергии.

Термодинамическое совершенство воздушных холодильных машин вихревого типа не превышает нескольких процентов и за­висит от использования теплоты потока воздуха, выходящего из горячей части вихревой трубы. Если эта теплота утилизируется, то общая эффективность повышается. Вихревые трубы просты в из­готовлении и эксплуатации, компактны и высоконадежны. Одна­ко область их использования ограничена вследствие низкой эко­номичности термодинамических процессов.