Каскадные холодильные машины

Для получения более низких температур с помощью парожидкостных циклов используются каскадные холодильные машины.

Каскадная ХМ это система состоящая из двух и более холодильных машин (циклов, ветвей), работающих в разных температурных диапазонах. Эти машины работают на разных хладагентах и связаны между собой только тепловой связью с помощью теплообменных аппаратов, так называемых конденсаторов-испарителей. На рис.5.7 приведена схема и цикл такой ХМ.

Рис. 5.7. Простейшая однокаскадная холодильная машина:

I, II – компрессоры нижней и верхней ветвей каскада; III – конденсатор каскадной машины; IV – конденсатор-испаритель; V – испаритель каскадной машины; VI, VII – дроссельные вентили верхней и нижней ветвей каскадной ХМ

Две смежные холодильные машины, в таком случае, образуют каскад. Связующий теплообменный аппарат для одной машины выполняет роль конденсатора, для другой – испарителя.

Сами холодильные машины, входящие в систему, могут быть одно-, двух- и более ступенчатые, компрессорные и абсорбционные.

Необходимое условие работы каскадной ХМ: . Обычно .

При выборе хладагента для нижней ветви каскада важно, чтобы давление в испарителе Р₀ было больше атмосферного (0,1 МПа), чтобы не было подсоса воздуха. А также критическая температура этого ХА должна быть существенно больше температуры конденсации , с целью снижения потерь дросселирования.

Термодинамическая эффективность каскадной машины будет всегда меньше многоступенчатой ХМ работающей на одном ХА, т.к. у них нет конденсатора-испарителя и для них DТ_к-и=0. На практике же, реальные каскадные ХМ всегда экономически выгоднее двух-, а иногда и трехступенчатых ХМ. Это объясняется следующими преимуществами каскадных ХМ:

а) объем (а следовательно и масса) компрессора каскадной ХМ меньше чем у многоступенчатых из-за меньших удельных объемов всасываемого пара (давление выше);

б) меньше относительные потери мощности в клапанах компрессора, т.к. при низких давлениях газодинамические потери в клапанах становятся соизмеримыми с работой сжатия;

в) меньше потери трения, т.к. меньше размеры цилиндров в компрессорах нижних ветвей;

г) общая степень повышения давления в компрессорах (при одинаковых Т₀ и Т_к) в каскадных ХМ ниже, чем в многоступенчатых, следовательно выше значение коэффициентов подачи l и КПД;

д) более дешевые и надежные испарители. Так как давление в них выше атмосферного, то стенки аппаратов можно делать более тонкие.

Применяют каскадные ХМ для получения холода с температурами в диапазоне от -80 до -140 °С.

Контрольные вопросы:

1. Как меняется степень повышения давления в компрессоре ХМ при изменении температур охлаждающей и охлаждаемой сред?

2. Какие явления наблюдаются в работе ХМ при увеличении степени повышения давления в компрессоре?

3. Какие преимущества имеются у процесса многоступенчатого сжатия перед одноступенчатым сжатием?

4. Какую роль выполняет змеевик, размещенный в промежуточном сосуде двухступенчатых ХМ?

5. Чем отличаются процессы сжатия с полным и с неполным промежуточным охлаждением ХА в многоступенчатых ХМ?

6. С какой целью в схемах холодоснабжения применяются питающие отделители жидкости?

7. Какое преимущество имеет ХМ с двухкратным дросселированием жидкого ХА по сравнению с ХМ с однократным дросселированием?

8. Какой тип промежуточного охлаждения используется в турбокомпрессорных холодильных машинах?

9. Что называют каскадом в каскадной ХМ?

10. Какое обязательное условие необходимо выполнять, чтобы обеспечить работу каскадной холодильной машины?

11. Чем должны отличаться хладагенты, применяемые в нижнем и верхнем циклах каскадной ХМ?

12. Какими преимуществами обладают каскадные ХМ перед многоступенчатыми агрегатами при одинаковых внешних условиях работы?