Трехступенчатые и каскадные холодильные машины

Трехступенчатые холодильные машины применяют для получения искусственного холода от минус 70⁰С и ниже. Их используют для обеспечения технологических процессов в химической промышленности и других отраслях науки и техники, где имеется потребность в холоде низкого потенциала, в частности для получения твердой двуокиси углерода. Такие холодильные машины также находят применение при испытании приборов, материалов и других изделий, работающих при низких температурах.

3.4.1. Трехступенчатая холодильная машина

Принципиальная схема и теоретический цикл трехступенчатой холодильной машины показана на рис.3.16. Процессы теоретического и действительного циклов трехступенчатой холодильной машины аналогичны процессам в двухступенчатой холодильной машине.

Следует остановиться только на выборе промежуточных давлений, которые выбирают из условий примерно одинаковых отношений давлений в

; .

Расчет гидравлических и энергетических параметров трехступенчатых холодильных машин, основанный на методах тепловых балансов, соответствует расчету двухступенчатых холодильных машин. Если к каждому из промежуточных сосудов можно присоединить испаритель, то в этом случае расчет холодильной машины будет аналогичен расчету двухступенчатой холодильной машины с двумя испарителями.

3.4.2.Трехступенчатая холодильная машина для получения твердой двуокиси углерода

На рис.3.17 приведена принципиальная схема и действительный цикл трехступенчатой холодильной машины для получения твердой двуокиси углерода.

На действительном цикле температура 216,6 К соответствует давлению
0,53 МПа. При этих условиях двуокись углерода (углекислота) может находиться одновременно в трех фазах: жидкой, газообразной и твердой. В т. 15 двуокись углерода находится только в жидком состоянии при давлении выше давления в тройной точке.

После дросселирования в третьем дроссельном вентиле ХІ (процесс 15 – 16) до давления 0,1МПа (атмосферное давление). Поскольку параметры давления и температуры в точке 16 находятся ниже параметров, соответствующих тройной точке, то углекислота здесь будет в твердой и газообразной фазе. В сепараторе ХІІ происходит разделение фаз.

Твердая углекислота удаляется из системы (как правило, в виде брикетов, которые получают в специальном прессе) в состоянии 18, а пар в состоянии а отсасывается компрессором низкой ступени І. Положение точки а зависит от конструкции сепаратора и теплопритоков извне. Углекислота в состоянии а смешивается со свежей порцией углекислоты (состояние о). В результате смешения образуется состояние І. Разность давлений зависит от гидравлических потерь во всасывающем трубопроводе.

3.4.3. Каскадная холодильная машина

Один из методов снижения требуемого описанного объема низкотемпературного компрессора – применение хладагентов с более высокими давлениями насыщенных паров. К хладагентам высокого давления относятся фреон 13, фреон 14, фреон 503, двуокись углерода, этан и др.

Однако при температурах конденсации, достигаемых при охлаждении водой, давление у этих хладагентов чрезмерно высоки, либо вообще при этих температурах их сконденсировать невозможно из-за низких критических температур. Поэтому применяют каскадные холодильные машины, работающие на двух (или нескольких) хладагентах. Каскадные холодильные машины могут получать искусственный холод от -70⁰С и ниже.

На рис.3.18, а представлена принципиальная схема каскадной холодильной машины, которая предназначена для работы при температуре кипения в нижней ветви каскада от –70 до – 90⁰С.

Рассмотрим действительные циклы нижней (рис.3.18, в) и верхней (рис.3.18, б) ветвей каскада. Давление кипения нижней ветви и кипения верхней ветви определяются так же, как и для других паровых холодильных машин, т.е. в зависимости от внешних источников. Наибольшую сложность вызывает определение давления конденсации в нижней ветви и давления кипения в верхней ветви. При упрощенном методе определения этих величин исходят из условия примерного равенства степеней повышения давления в нижней и верхней ветвей каскада (т.е., ) при условии разности температур в конденсаторе-испарителе

Хладагент поступает в компрессор нижней ветви І при температуре от –15 до 0⁰С. Давление отличается от давления кипения на значение гидравлических потерь при движении хладагента от испарителя VІ до всасывающего патрубка компрессора. Давление нагнетания также зависит от гидравлических потерь в процессах 2 – 3 и 3 – 4 в трубопроводе и теплообменниках ІІ и ІІІ. Далее хладагент конденсируется в конденсаторе-испарителе VІІ. Теплота от конденсатора-испарителя отводится верхней ветвью каскада. Жидкий хладагент затем поступает в регенеративный теплообменник ІV, где охлаждается холодным паром, идущим из испарителя VІ (процесс 5 – 6). Потерями давления в этом процессе можно пренебречь.

При выходе из испарителя (т. 8) хладагент может быть сухим насыщенным паром (или перегретым). Хладагент сначала подогревают в регенеративном теплообменнике ІV (процесс 8 – 9) до температур -50…-30⁰С, а затем в теплообменнике ІІІ до температур -15…0⁰С (процесс 9 – 1).

Кроме того, теплообменник ІІІ снижает температуры и , а, значит и уменьшает тепловой поток в конденсаторе-испарителе. Однако применение теплообменника ІІІ имеет смысл лишь в том случае, если установлен теплообменник ІІ, который охлаждается водой.

Необходимость введения в схему регенеративного теплообменника ІV можно объяснить и тем, что в нем охлаждается хладагент перед дросселированием, что увеличивает удельную холодопроизводительность цикла. Теплообменники ІІІ и ІV, кроме этого, защищают компрессор І нижней ветви каскада от гидравлического удара.

Верхняя ветвь каскада представляет собой одноступенчатую холодильную машину с регенеративным теплообменником Х.

Поскольку в нижней ветви используется хладагент высокого давления, поэтому при стоянке давление в ней может чрезмерно повыситься. Чтобы этого не произошло, в схеме предусмотрен расширительный сосуд ХІІ, который автоматически подключается к системе, а при пуске хладагент сначала отсасывается из него, а затем подключается испаритель.

Термодинамический и тепловой расчет каскадной холодильной машины подробно изложен в работе [3].

Вопросы к подразделу 3.4

1). Для трехступенчатой холодильной машины привести принципиальную схему, объяснить принцип действия и привести теоретический цикл в

T-s диаграмме.

2). Пояснить способ выбора промежуточных давлений в трехступенчатой холодильной машине.

3). Для трехступенчатой холодильной машины получения твердой двуокиси углерода привести принципиальную схему, объяснить принцип действия и привести действительный цикл в T-s диаграмме.

4). Для каскадной холодильной машины привести принципиальную схему, объяснить принцип действия и привести действительный цикл в р-i диаграмме.

5) С какими хладагентами находят применение каскадные холодильные машины?

6). Пояснить выбор давления конденсации в нижней ветви и давления кипения в верхней ветви каскадной холодильной машины.

7). При какой температуре должен поступать хладагент в компрессор нижней ветви каскадной холодильной машины?