Схемы и циклы холодильных машин

Принципиальная схема воздушной холодильной машины показана на рис. 3.13, а ее теоретический цикл — на рис. 3.14. Принцип действия этой машины заключается в следующем.


Рис. 3.13. Принципиальная схема воздушной холодильной машины 1 — холодильник; 2 — компрессор; 3 — охлаждаемое помещение; 4 — двигатель; 5 — расширительный цилиндр


Рис. 3.14. Теоретический цикл воздушной холодильной машины в диаграммах V—р (а) и s—Т (б)

Воздух с объемом V, энтальпией s, давлением р0 и температурой Т1 (состояние 1) из охлаждаемого помещения засасывается компрессором, в котором происходит адиабатное сжатие до давления р и температуры Т3 (состояние 2). Затем сжатый воздух поступает в холодильник, где охлаждается забортной водой при постоянном давлении до температуры Т3 (состояние 3). После этого охлажденный воздух поступает в расширительный цилиндр для адиабатного расширения до первоначального давления р0. При этом он охлаждается до температуры Т4 (состояние 4) и вновь поступает в охлаждаемое помещение, где нагревается при постоянном давлении р0 до температуры Т1. Далее цикл повторяется. Разность между работой, затраченной в компрессоре, и работой, полученной в расширительном цилиндре, компенсируется двигателем.

Количество теплоты q0 (удельная холодопроизводительность), отведенное из охлаждаемого помещения 1 кг воздуха, определяется площадью b — 4—1—а, а количество теплоты, отданное 1 кг воздуха охлаждающей воде, площадью а—2—3—Ь. Работа цикла определяется площадью 1—2—3—4.

Принципиальная схема работы холодильной машины для охлаждения и отопления показана на рис. 3.15.

В летнем режиме вода прокачивается насосом 13 по замкнутому контуру через кондиционер 9 и испаритель 12. В кондиционере вода нагревается, а в испарителе отдает воспринятое тепло. Забортная вода прокачивается насосом 3 через конденсатор 5, нагревается там и удаляется за борт. Клапаны 1, 10, 14, 6 открыты, а клапаны 15, 11, 8, 2 закрыты.

В зимнем режиме вода прокачивается по замкнутому контуру через кондиционер 9 и конденсатор 5. В конденсаторе она нагревается, а в кондиционере отдает воспринятое тепло. Забортная вода насосом 13 прокачивается через испаритель, охлаждается в нем и уходит за борт. Клапаны 15, 11, 7 и 8 открыты, а клапаны 1, 10, 14 к 6 закрыты. Давление в системе регулируется клапаном 4. Пары хладагента из испарителя отсасываются компрессором 7.


Рис. 3.15. Принципиальная схема использования холодильной машины в качестве теплового насоса


Рис. 3.16. Принципиальная схема абсорбционной холодильной машины

Из схемы видно, что холодильная установка может быть превращена в теплонасосную установку без особых трудностей и затрат, если применить соответствующий хладагент.

На рис. 3.16 показана принципиальная схема простейшей абсорбционной холодильной машины.

В состав этой машины входят конденсатор 3, регулирующий клапан 2 и испаритель 1. Пары хладагента, образовавшиеся в испарителе при температуре Т0 и давлении р0, должны быть сжаты в конденсаторе до давления рк, соответствующего температуре конденсации Тк.

В отличие от компрессорной холодильной машины, где сжатие паров происходит за счет затрат механической энергии, в абсорбционной машине для этой цели служит так называемый термохимический компрессор, роль которого выполняют два теплообменных аппарата (генератор 4, абсорбер 6), насос 7 и второй регулирующий клапан 5.

Машина работает следующим образом. Образовавшиеся в испарителе за счет подведенного тепла пары хладагента поступают в абсорбер и поглощаются абсорбентом (хладагентом) при давлении р0. Концентрация абсорбента при этом возрастает, в результате чего получается концентрированный раствор. В процессе поглощения хладагента выделяется теплота абсорбции, которая отводится охлаждающей водой, циркулирующей через абсорбер. Из абсорбера обогащенный раствор отсасывается насосом и подается в генератор. В генераторе концентрированный раствор нагревается до состояния кипения за счет тепла, подводимого от какого-либо внешнего источника. В процессе кипения при постоянном давлении рк из раствора выделяются пары хладагента, направляющиеся затем в конденсатор. При этом концентрация раствора понижается, или, как принято говорить, раствор обедняется. Слабый раствор вновь поступает в абсорбер, предварительно пройдя регулирующий клапан 5, в котором давление раствора снижается от рк до р0.

При выборе хладагента для судовой холодильной установки необходимо учитывать его действие на человека, металлы, а также такие свойства, как горючесть, воспламеняемость и взрывоопасность. Основные физические свойства некоторых хладагентов приведены в табл. 3.3. Весьма важными являются также вязкость, теплопроводность и теплоемкость хладагента в жидком и парообразном состоянии.

Таблица 3.3. Основные физические свойства хладагентов
Хладагент Химическая формула Молекулярный вес Нормальная температура, °С Критические параметры Температура затвердевания, °С Показатель адиабаты
температура, °С давление, МПа удельный объем, 10—3 м3/кг
Аммиак
Углекислота
Хлорметил
Фреон:
Ф-11
Ф-12
Ф-22
Ф-142
NH3
CO2
СН3Cl
CFCl3
CF2Cl2
CHF2Cl
C2H3F2Cl
17,031
44,01
50,49

137,39
120,92
86,48
100,48
—33,4
—78,5
—23,74

+23,7
—29,8
—40,8
—9,21
+ 132,4
+31
+ 143,1

+ 198
+ 111,5
+96

11,74
7,66
6,96

4,55
4,16
5,15

4,13
2,16
2,7

1,805
1,793
1,905
—77,7
—56,6
—97,6

—111
—155
— 160
—130,8
1,3
1,3
1,2

1,13
1,14
1,2
1,135