Каскадные холодильные машины

В каскадных холодильных машинах хладоагенты используются весьма дли­тельное время а замкнутых циклах машин. Потери хладоагентов в связи с вы­носом смазочными материалами и движущимися деталями машин весьма не­значительны. Поэтому при большей первоначальной стоимости, по сравнению с холодильными установками с расходуемыми хладоагентами, холодильные ма­шины оказываются более экономичными и удобными при непрерывном про­цессе глубокого охлаждения изделий в термических цехах массового производ­ства.

Холодильные машины каскадного типа являются, главным образом, ком­прессионными. В этих машинах получение низких температур основано на сжа­тии паров хладоагента. их охлаждении и конденсации с последующим испаре­нием жидкости в змеевике рабочей камеры. При испарении хладоагента из ок­ружающей среды отнимается большое количество тепла необходимого для па­рообразования, благодаря чему температура окружающего пространства пони­жается.

В состав компрессионной холодильной машины замкнутого типа входят следующие основные узлы: испаритель-рефрижератор, компрессор, конденса­тор, регулирующий вентиль.

С помощью вентиля производят дозированные подачи в испаритель жид кого хладоагента. а также регулирование его давления и температуры испаре­ ния.

На рис. 3.4, а представлена схема работы одноступенчатой холодильной машины. Цикл работы ее состоит из следующим стадий:

- аз испарителя 2 компрессор 1 отсасывает пары хладоагента с низкой тем­пературой и сжимает их (при сжатии температура хладоагента повышается), и далее сжатые пары хладоагента поступают а конденсатор 4, где их охлаждают водой или воздухом, превращая в жидкость:

- жидкий хладоагент через регулирующий вентиль 3 поступает вновь в ис­паритель 2, где, превращаясь в пар, совершает необходимую работу:

- пары хладагента вновь засасывает компрессор 1 и сжимает их.

 

Рис. 3.4. Схемы одно- (а) и двухкаскадной (б) испарительных установок замкнутого типа

 

Таким образом, цикл рабочего тела холодильной маши­ны повторяется.

Для получения температуры ниже -40°С применяют двух- и трехступен­чатое охлаждение и сжатие нескольких различных хладоагентов.

Причем цикл многоступенчатого сжатия может быть осуществлен как в одной машине, так и а блоке из несколь­ких связанных взаимно холодильных машин, работающих на одном или раз­ных хладоагентах.

Главной особенностью многосгупенчатой или каскадной системы является возможность применения разных хладоагентов в отдельных каскадах. Это об­стоятельство позволяет наиболее целесообразно выбирать хладоагенты, учиты­вая их физико-химические свойства. Например, при получении очень низких температур в нижнем каскаде обычно применяют хладоагент с более низкой температурой кипения, чем в верхнем каскаде.

Принцип действия каскадной холодильной машины можно пояснять на примере агрегата, состоящего из двух последовательно работающих холодильных машин, схема которого представлена на рис. 3.4, б

В двухкаскадной холодильной машине использовано последовательное сжижение двух газов с понижающимися температурами кипения. В верхнем каскаде применяют фреон-22 с температурой кипения -40°С, а в нижнем каска­де - фреон-13 с температурой кипения -81.5 °С [12... 14].

Конденсатор нижнего каскада охлаждается испарителем верхнего каскада. Этот аппарат называется испарителем-конденсатором (И-КР). Цикл работы каскадной машины состоит из стадий:

1. Из испарителя верхнего каскада компрессор К2 непрерывно отсасывает пары фреона-22 и сжимает их; сжатые пары поступают в конденсатор КР, где их охлаждают водой и сжижают. Жидкий фреон-22 через регулирующий вентиль РВ2 поступает в испаритель верхнего каскада, где, превращаясь в пар, от­нимает тепло от конденсатора нижнего каскада и охлаждает его. Затем цикл в верхнем каскаде повторяется.

2. Из испарителя И нижнего каскада компрессор К1 отсасывает пары фреона-13 и сжимает их. Сжатые пары через промежуточный охладитель О посту­пают в конденсатор-испаритель И-КР, где их охлаждают и сжижают.

Жидкий фреон-13 через регулирующий вентиль РВИ поступает в испари­тель И, превращаясь в пар, охлаждает воздух в рабочем пространстве холо­дильной камеры, затем цикл в нижнем каскаде повторяется.

 

3.4.5. Вихревые холодильные установки

 

Вихревой эффект был экспериментально открыт в 1931 г. французским инженером Ж. Райком, математически обоснован немецким математиком Р. Хильше и получил название эффекта Райка-Хильше [16].

Вихревая труба - это устройство, в котором сжатый газ при расширении разделяется на два потока - один более холодный, чем исходный, и второй - более горячий. В вихревой трубе нет никаких движущихся частей, ее конструкция чрезвычайно проста. На рис. 3.5, а показан общий вид вихревой трубы. Цилиндрический корпус 1 соединен с распределительной головкой 2, которая состоит из соплового ввода 3, диафрагмы 4 и трубы холодного потока 5. С противоположной стороны корпуса 1 расположен регулирующий вентиль 6 с конусом 7 и трубой горячего потока 8.

Упрощенная схема движения потоков газа внутри трубы показана на рис. 3.5, б. Выходящий из сопла 2 сжатый газ с температурой t_c совершает винтообразное движение вдоль стенки корпуса 1 в направлении к горячему выходу 7. При этом от разделяется на идущий к конусу 7 горячий поток с температурой t_с и холодный, идущий по осевой линий корпуса в сторону сопла 2, который через диафрагму 4 уходит в трубку холодного выхода с температурой t_Х.

 

 

Рис. 3.5 Общий вид вихревой трубы (а) и схема движения потоков газа в ней (б)

Образование холодного и горячего потоков происходит только в том случае, когда энергия входящего в сопло 2 сжатого газа или воздуха в вихревой трубе распределяется таким образом, чтобы некоторое ее количество отводилось oт охлаждаемого потока и передавалось к нагреваемому потоку. Суммарное количество энергия холодного и горячего потоков, отводимых из трубы (если она изолирована), по закону сохранения энергии равно количеству энергии поступающего сжатого газа. Перераспределение энергии является результатом сложных газодинамических процессов, происходящих внутри вихревой трубы.

Меняя положение конуса 7, можно изменять расход и температуру как холодного, так и горячего потоков в достаточно широких пределах. Для понижения t, необходимо расход холодного потока уменьшить путем открывания конусного вентиля 7. Для повышения t_c наоборот, вентиль 7 прикрывается.

При работе на сжатом воздухе с давлением на входе Р_вх = 0, 3… 0, 5 МПа и t_c=20 ° С разность Δ t = t_c - t_x достигает 80..100 °С. а t_c =10...-20 ° С. Используя специальные рекуператоры холода и водяное охлаждение корпуса 1 можно

снизить t_x до -40...-60 °С [16].

Вихревые холодильные машины в последние 10...20 лет успешно вытесняют турбодетандерные и испарительные, так как они не имеют движущихся частей, в отличие от турбодетандерных, значительно проще в обслуживании и в 2...5 раз экономичнее. Схема вихревой холодильной машины с водоохлаждаемой трубой приведена на рис. 3.6.

 

Рис. 3.6. Схема вихревой холодильной установки

Сжатый воздух из цеховой магистрали или   от компрессора поступает в первичный охладитель-рефрижератор (и через масловлагоотделитель 2 идет в силикагелевый осушитель 3, затем подается в рекуператор холода 5 и с температурой порядка -30 -40 °С подходит к вихревой трубе 4. Из трубы 4 холодный поток с t_с = -50… -60 °С подается в рабочую холодильную камеру 6

Горячий поток из трубы 4 выбрасывается в атмосферу, а холодный из рабочей камеры 6 проходит через теплообменник 5 и также выбрасывается в атмосферу. На выходе обеих потоков стоят расходомеры 7, а давление сжатого воздуха на входе в трубу 4 контролируется манометром 8. Вентили 9 предназначены для переключения истоков, вентили 10 - для их регулирования.

3.4.6. Турбодетандерные установки

 

Высокая производительность и компактность холодильных установок турбодетандерного типа достигается при использовании центробежной силы адиабатически расширяющегося воздуха. В турбодетандере (рис. 3.7, а) сжатый воздух через сопла направляющего аппарата 1 поступает на лопатки ротора 2 и, расширяясь, совершает работу, используемую для вращения ротора с частотой 70 с^-1. При этом теплосодержание воздуха резко понижается, и в рабочей холо­дильной камере может быть достигнута температура - 100 °С и ниже. В ус­тановке. схема которой дана на рис. 3.7, б, сжатый воздух под давлением 0, 4...0, 6 МПа поступает из цеховой сети через четырехходовой кран 1, тепло­обменник 2 и клапан 5 в турбодетандер 4.

Выходящий из камеры отработанный воздух используется для охлаждения второго теплообменника 2 и через кран 1 выбрасывается в атмосферу. Тем­пературу в рабочей камере 5 регулируют, изменяя количество подаваемого сжа­того воздуха. Для охлаждения в течение 1 часа 100... 150 кг металла от +20 до - 100°С требуется около 400 кг воздуха. КПД установки достигает 60…70%. Принципиальная схема установки изображена на рис. 3.7, в. где 1 - водяной холодильник, 2 - сепаратор влаги, 3 - адсорбер (селикагель) для осушки воздуха, 4 - краны-переключатели, 5 - фильтры для очистки от селикагеля, 6 - воздушный рекуператор, 7 - рабочая турбина, 8 - вал турбины, 9 - тормозная турбина, 10 - холодильная камера, 11 - глушитель.

⇐ Предыдущая10111213141516171819Следующая ⇒

Поделиться: