Каскадные холодильные машины

Введение
1Действительный цикл и принципиальная схема каскадной холодильной машины
1.1.Простейшая каскадная холодильная машина
1.2.Реальная каскадная холодильная машина
2Анализ каскадной холодильной машины на смесях аммиака и диоксида углерода
3Преимущества каскадных холодильных машин
Заключение
Список использованной литературы:

● – R717/R290 (0,32/0,68) (верх.каскад), R744/R170 (0,36/064) (ниж.каскад);
▼ – R717/R290 (0,95/0,05) (верх.каскад), R744/R170 (0,36/0,64) (ниж.каскад);
■ – R717/R290 (0,32/0,68) (верх.каскад), R744/R170 (0,14/0,86) (ниж.каскад);
▲ – R717/R290 (0,95/0,05) (верх.каскад), R744/R170 (0,14/0,86) (ниж.каскад).
Рисунок 2.5 График зависимости холодильного коэффициента COP каскадной холодильной машины R717/R290 (верхний каскад), R744/R170 (нижний каскад) от температуры конденсатора-испарителя.
Результаты анализа цикла каскадной холодильной машины, использующей в качестве рабочих тел смеси аммиака с пропаном (верхний каскад) и смеси диоксида углерода с этаном (нижний каскад) показывают, что использование в каскадной холодильной машине смесей природных хладагентов увеличивает холодильный коэффициент холодильной машины (9, с.41).
Преимущества каскадных холодильных машин
Сравнивая эффективность каскадных и двухступенчатых холодильных машин, следует отметить, что если в обеих ветвях каскада использовать одно и то же вещество, а теплообмен в конденсаторе будет происходить при бесконечно малой разности температур, то такие машины термодинамически равноценны. В действительных условиях наличие конечной разности температур в конденсаторе-испарителе ведет к уменьшению холодильного коэффициента каскадной машины по сравнению с двухступенчатой. Наличие конденсатора-испарителя увеличивает капитальные затраты каскадной машины, однако в реальных условиях очень часто каскадные машины выгоднее двухступенчатых. Это можно объяснить преимуществами, которые связаны с использованием в нижней ветви каскада рабочего вещества высокого давления. Объемная производительность компрессора нижней ветви меньше, чем у компрессора первой ступени двухступенчатой машины из-за большей плотности рабочего вещества при всасывании, что ведет к уменьшению мощности трения.
При больших давлениях всасывания (при температуре кипения -80°С давление хладона 13 равно 0,112 МПа, в то время как у хладона 22 оно 0,0105 МПа) относительные потери мощности в клапанах значительно меньше.
Отношение давлений для одинаковых диапазонов температур в нижней ветви каскадной машины меньше, чем в первой ступени двухступенчатой (при tт = -40°С и (t0 = -80 °С для хладона 13 pнк/pн0 =16,8, для хладона 22 рт/р0 =16,8). Это ведет к увеличению объемных и энергетических потерь в первой ступени двухступенчатой машины (5, c.123 - 124).
Области возможного и рационального применения каскадных холодильных машин приведены в табл. 3.1.
Таблица 3.1. Области применения каскадных и двухступенчатых холодильных машин
Тип машины Возможная область применения Область выгодного применения
t0 min t0 max t0 min t0 max Каскадная: нижняя ветвь — одна ступень на R13, верхняя ветвь на R22
Каскадная: нижняя ветвь — две ступени на R13, верхняя ветвь — одна ступень на R22
Каскадная: нижняя ветвь — одна ступень на R14, средняя ветвь — одна ступень на R13 в верхняя ветвь — одна ступень на R22
Двухступенчатая на R22 -95
-110
-140
-80 -40
-80
-100
Не ограничена -85
-100
-135
-45 -40
-80
-100
-25
Часто при получении очень низких температур применение одного холодильного агента в многоступенчатой холодильной машине оказывается нецелесообразным или невозможным вследствие глубокого вакуума, затвердевания при заданной температуре кипения и больших размеров машин. Применив каскадную холодильную машину, можно использовать в нижнем каскаде холодильные агенты с низкими температурами замерзания и не низкими давлениями в испарителе, а в верхнем каскаде — холодильные агенты, обычно используемые в одноступенчатых машинах.
Заключение
Холодильные машины предназначены для получения и использования искусственного холода в самых различных технологических процессах. С каждым годом область их применения все расширяется, захватывая практически все отрасли народного хозяйства.
Холодильная техника является энергоемкой отраслью народного хозяйства, и поэтому уделяется большое внимание энергосберегающим технологиям и методам повышения эффективности холодильных систем.
Несмотря на многообразие отраслей и технологических процессов, где используется холод, холодильные установки мало отличаются между собой в главных элементах холодильной машины. Основное различие заключено в системах отвода теплоты - в охлаждающих системах (6, c.3).
Сравнивая различные типы холодильных машин, можно сделать вывод о том, что преимущества каскадной машины перед двух- и трёхступенчатой значительно растут при снижении температуры. Это обусловлено следующими свойствами хладагентов высокого давления, которые используются в нижних каскадах холодильных машин:
высокими значениями абсолютного давления всасывания;
высокой плотностью и малым удельным объемом всасываемого пара - следовательно, требуется меньшая объёмная производительность компрессора и как следствие меньше его габариты и вес;
значительно меньшим отношением давлений нагнетание/всасывание;
из-за больших абсолютных значений давления всасывания и малого отношения давлений объемные и энергетические коэффициенты (КПД) повышаются; это приводит к снижению энергетических затрат и повышению экономичности машины.
При температурах промежуточного хладоносителя ниже - 40°С каскадная холодильная машина всегда  выгодней двух- и трёхступенчатой, т.е. её размеры и масса меньше, ресурс, надежность, холодильный коэффициент (СОР) и общий КПД выше, чем у двух- и трёхступенчатой.
Благодаря большим абсолютным значениям давления всасывания и малому отношению давлений, снижается термическая нагрузка на масло и механическая нагрузка на узлы трения компрессора, что увеличивает надежность и ресурс работы компрессора, а также позволяет получать значительно более низкие температуры, чем на двух- и трёхступенчатых холодильных машинах.
На основании проведенного анализа эффективности использования хладагентов, можно сделать вывод о том, что по ряду основных показателей – экономии электроэнергии, снижению уровня токсичности – каскадные системы на базе аммиака с диоксидом углерода со смесями углеводородов в ближайшем будущем могут стать основой холодильных установок для получения глубокого холода. Уже сейчас подобные установки в Европе проходят успешную обкатку. Таким образом, судя по всему, через 5-7 лет путем естественного отбора по энергетическим, экологическим и экономическим показателям рабочее поле в холодильном бизнесе останется за аммиаком и диоксидом углерода, что подтверждается материалами последних международных конференций. Как показывают расчеты, применение смесей природных холодильных агентов в каскадной холодильной машине энергетически эффективно и оправдано.
Список использованной литературы:
Бабакин Б.С., Стефанчук В.И., Ковтунов Е.Е. Альтернативные хладагенты и сервис холодильных систем на их основе. - М.: Колос, 2000. - 160 с.;
Кошкин Н.Н., Сакун И.А., Бамбушек Е.М. и др. Холодильные машины: Учебн. для втузов по специальности «Холодильные машины и установки» / Под общ. ред. И.А. Сакуна - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, - 1985. - 510 с.;
Мааке В., Эккерт Г.-.Ю., Кошпен Ж.-Л. Учебник по холодильной технике. - Издательство: Ордена "Знак Почета" издательство Московского университета, – 1998. - 1135 с.;
Ужанский В.С. Автоматизация холодильных машин и установок. — 2-е изд., перераб. и доп.— М.: Легкая и пищевая пром-сть, - 1982. - 304 с.;
Холодильные машины: Учебник для студентов втузов специальности – «Техника и физика низких температур» / А.В. Бараненко, Н.Н. Бухарин, В.И. Пекарев, И.А. Сакун, Л.С. Тимофеевский; Под общ. ред. Л. С. Тимофеевского. — СПб.: Политехника, - 1997.- 992 с.;
Холодильные установки / Чумак И. Г., Чепурненко В. П. и др.; под ред. д-ра техн. наук, проф. И. Г. Чумака.— 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Агропромиздат, 1991. — 495 с: ил.;
Лавренченко Г.К. Исследование перспектив применения смесей диоксида углерода с углеводородами как рабочих веществ холодильных машин / Г.К. Лавренченко, М.Г. Хмельнюк, Е.Н. Корба // Холодильная техника и технология, – 2006. – №4 (102);
Притула В.В., Русов Е.Х., Гоголь Н.И., Гоголь А.Н. Сравнительные характеристики низкотемпературных холодильных установок //Доклад 6-ой Международной научно-технической конференции "Современные проблемы холодильной техники и технологии", (22 -24 сентября 2009 г., Одесская государственная академия холода);
Хмельнюк М.Г., Корба Е.Н. Анализ каскадной холодильной машины на смесях аммиака и диоксида углерода // Оборудование и технологии пищевых производств. Сборник научных трудов, - 2009. - №21;
Черняк В.А., Клименко Т.А., Рукавишников A.M., Староверов Н.А. Каскадная холодильная установка для предприятий пищевой промышленности // Холодильная техника, Издательский дом "Холодильная техника". – 2006. - №5.
Точка, в которой твердая, жидкая и газообразная фазы находятся в paвновесии.
2