2.5. О некоторых других холодильных машинах умеренного охлаждения
Каскадные циклы применяются для получения весьма низких температур охлаждаемой среды.
В каскадных холодильных циклах используются разные рабочие тела с различными свойствами (строение молекул, упругостями паров или температурами кипения). Основная идея такого цикла: в теплообменном аппарате одно рабочее тело, кипящее при более низкой температуре в зоне испарения, отнимает теплоту от другого рабочего тела, охлаждающегося и конденсирующегося при более высокой температуре в зоне конденсации.
Два одноступенчатых цикла А и В (рис.2.8)объединены общим теплообменником (испарителем 5) и холодильником (конденсатором 4). Аппараты и машины низкотемпературного цикла далее помечены нечетными цифрами, высокотемпературного цикла - четными. Каждый холодильный цикл далее состоит из компрессора (1, 2), конденсатора (3, 4), испарителя (5, 6) Дроссельного вентиля (7, 8).
Рис.2.8. Каскадная компрессионная холодильная машина.
1, 2 - компрессоры; 3, 4 – конденсаторы; 5, 6 – испаритель;
7, 8 – дроссельные вентили
В цикле А применятся рабочее тело №1 , в цикле В – рабочее тело №2 – теплообмен между ними происходит в теплообменнике 4-5: испаряющееся (кипящее) рабочее тело 2 служит охлаждающей средой для конденсирующегося (охлаждающегося, переохлаждающегося) рабочего тела 1: В конденсаторе 4 рабочее тело 2 отдает теплоту (конденсируется, охлаждается, переохлаждается холодной водой или холодным воздухом. В испарителе 5 кипящее рабочее тело 1 забирает теплоту от охлаждаемой среды.
Недостаток каскадного цикла состоит в увеличении количества действующих машин и аппаратов.
Пароэжекторная холодильная машина. Работа такой машины основана на эффекте понижения температуры при самоиспарении воды, используемой в качестве рабочего тела.
Для получения насыщенного водяного пара в области достаточно низких температур необходимо создание очень низких давлений (на уровне 133,3 Па). С такими давлениями не работают поршневые компрессоры: большие удельные объемы водяного пара потребовали бы огромных размеров компрессора и больших затрат энергии. Поэтому компрессоры в цикле заменяют проточными пароструйными эжекторами. Происходящее при дросселировании сжатого в эжекторе влажного пара частичное самоиспарение воды сопровождается понижением температуры.
Пароэжекторные холодильные установки, позволяющие получить охлаждаемую среду с температурой 4-5 С , применяются для охлаждения водных растворов солей в процессах кристаллизации, а также при кондиционировании воздуха в помещениях
Основное достоинство метода - дешевое, доступное и экологически чистое рабочее тело. Основной недостаток - большой расход охлаждающей воды в конденсаторе: наряду с эжектируемым паром, являющимся рабочим телом, необходимо еще конденсировать эжектирующий пар, подводимый к эжектору.
Вихревые трубы. В них, располагая исходным газом определенной температуры, получают потоки газов с разными конечными температурами.
Сжатый газ, тангенциально введенный в гладкостенную трубу с большой скоростью (до 200-400 м/с) перемещается по ней одновременно винтовым и осевым движением. В результате сложных термодинамических явлений пристеночные (закрученные) слои газового потока забирают теплоту от поступательно движущихся приосевых слоев. При этом первые - нагреваются, а вторые – охлаждаются (в сравнении с температурой исходящего потока). Горячие и холодные потоки выводятся раздельно: холодный поток ис-
пользуется непосредственно для понижения температуры иной охлаждаемой среды.
Термоэлектрические холодильные установки. Они состоят из последовательно соединенных элементов – полупроводников дырочной и электронной проводимости, зажатых в электропроводящих коммутирующих пластинах. При прохождении постоянного электрического тока по этой термоэлектрической батарее на коммутирующих пластинах возникает разность температур ∆Т, причем на одних пластинах температура повышается, на других – понижается. Величина ∆Т зависит от числа полупроводниковых элементов в батарее . В термоэлектрических батареях достигается ∆Т несколь-ких десятков градусов. Эти установки обычно применяются в широком температурном диапазоне – вплоть до области температур порядка (-100°С) Достоинство – компактность, недостаток - низкий холодильный коэффициент.