Воздушные холодильные машины

Воздушные холодильные  машины

 

Воздушные холодильные  машины (ВХМ) относятся к компрессорным  потому, что в них применен компрессор для сжатия хладагента – воздуха. Такие машины применялись еще  до появления парокомпрессорных холодильных машин, в которых хладагентами служат легкокипящие вещества – аммиак и углекислота и тем более фреоны.

 

На рис. 1 показаны принципиальная схема простейшей ВХМ, а на рис. 2 – ее теоретический  цикл (цифрами 1, 2, 3 и 4 на диаграммах и  на схеме установки обозначены состояния  воздуха в соответствующих местах контура машины).

 

Рис. 1. Принципиальная схема простейшей воздушной холодильной  машины: П –помещение; К – компрессор; Т – турбина (детандер); ПО – промежуточный  охладитель; М – двигатель; ЗВ –  забортная вода.

 

Воздух из помещения П, где поддерживается температура T1, засасывается компрессором К и сжимается от давления p0 до давления p (процесс 1-2). При этом его температура возрастает до T2, благодаря чему воздух затем может быть охлажден в промежуточном охладителе ПО забортной водой ЗВ (процесс 2-3). Сжатый охлажденный воздух с температурой T3 поступает в расширитель (детандер) – турбину Т, где он, расширяясь до давления p0 (процесс 3-4), охлаждается и выходит в помещение с температурой T4 < T1. Подогреваясь в помещении при постоянном давлении р0 от T4 до T1 (процесс 4-1), воздух производит его охлаждение.

 

 

Рис. 2. Теоретический  цикл в v-p диаграмме (а) и s-T диаграмме (б) простейшей воздушной холодильной машины: процесс 1-2 – сжатие воздуха в компрессоре; процесс 2-3 – охлаждение сжатого воздуха в промежуточном охладителе; процесс 3-4 – расширение сжатого охлажденного воздуха в турбине; процесс 4-1 – подогрева воздуха в помещении.

 

Как видно  из рис. 2, в теоретическом цикле  осуществляются адиабатические процессы сжатия и расширения воздуха и  изобарические процессы его охлаждения (окружающей средой – забортной  водой) и нагревания.

 

Удельная  холодопроизводительность воздуха q0 = i1 – i4 , кДж/кг, где i1 и i4 – энтальпия в состояниях, характеризуемых точками 1 и 4 на диаграмме. Она пропорциональна площади c-4-1-d (рис. 2, б).

 

Затраченная на совершение цикла удельная работа пропорциональна площади 1-2-3-4 и находится  по формуле:

l = lк.а – lр.а ,

 

где lк.а – работа компрессора (отрицательная), кДж/кг, lк.а = i2 – i1 = площадь 1-2-b-a (рис. 2, а); lр.а – работа детандера (положительная), кДж/кг, lр.а = i3 – i4 = площадь 3-4-a-b.

Теоретический холодильный коэффициент обратимого цикла воздушной холодильной  машины:

т. е. очень низка.

На рис. 3 показан действительный цикл ВХМ. Он отличается от теоретического наличием потери давления в ПО (от pд до p) и внутренних потерь в компрессоре и детандере – турбине, которые оцениваются адиабатическими (внутренними) КПД компрессора ηк.а = 0,7…0,9 и турбины ηр.а = 0,7…0,85.

 

 

 

ис. 3. Действительный цикл воздушной холодильной машины в s-T диаграмме.

 

Действительная  удельная холодопроизводительность, кДж/кг:

q0д = q0 – lр.а·(1 – ηр.а).

Она меньше теоретической q0 на величину потерь в турбине (заштрихованная площадь а-4-4d-b).

 

Действительная  удельная работа, кДж/кг, больше теоретической  на величину потерь в компрессоре  и в турбине:

 

Тогда действительный холодильный коэффициент:

 

 

Он намного  меньше теоретического холодильного коэффициента; обычно εд < 1.

 

По экономичности  в режиме кондиционирования и  умеренного охлаждения ВХМ значительно  уступают наиболее экономичным парокомпрессорным холодильным машинам. Потребляемая ими мощность в режиме кондиционирования в 2…3 раза больше, чем для ПКХМ.

 

Однако при  температурах охлаждения -70 °C и ниже действительный холодильный коэффициент ВХМ составляет εд = 0,46…0,58 и превышает εд для ПКХМ. Экономичность низкотемпературных ВХМ, которые на судах могут быть применены для замораживания рыбы, повышается путем введения регенерации.

 

Такие ВХМ  внедрены в промышленное производство и эксплуатацию в стационарной практике.

 

Несомненным достоинством ВХМ является отсутствие в них специального хладагента, роль которого в данном случае выполняет  бесплатный безвредный воздух, и, хотя особо широкого практического применения ВХМ пока не нашли, они используются, например, для кондиционирования  воздуха в самолетах, автомобилях, иногда на судах, при обработке металло­изделий  холодом (t0 < -70 °C), в термобарокамерах по испытанию авиационных двигателей, а также в установках глубокого охлаждения для разделения газов, сжижения воздуха и получения кислорода.

 

Для привода  ВХМ может быть использовано сбросное тепло энергетических установок (в  том числе и на судах).