Воздушные турбохолодильные машины (ТХМ)
На правах информационно-аналитической статьи.
Материал подготовлен специалистом компании
Михаилом Кулaковым.
Развитие турбохолодильных машин
ТХМ работают по газовому детандерному холодильному циклу, изобретенному еще в середине прошлого века. Впервые воздушный вариант цикла на поршневых машинах был реализован Горье в 1840 ¸ 1850 гг., раньше парового холодильного цикла на аммиаке (Ш. Телье, 1867г). Низкая термодинамическая эффективность цикла, высокая степень сжатия, несовершенство машин и теплообменной аппаратуры явились причинами, по которым газовые холодильные установки применялись ограниченно вплоть до середины нашего века, тем более, что использование воздуха в качестве хладагента ограничивало температуру охлаждения.
Увеличение потребления низкотемпературного холода в ряде отраслей техники, возможность использования, кроме воздуха, других хладагентов, создание детандеров и турбодетандеров с высокими КПД, освоение высокоэффективных и компактных пластинчато-ребристых теплообменных аппаратов снова вызвали интерес к применению газовых холодильных установок с детандерами, исследованию их оптимальных параметров и рациональных границ использования.
Развитие турбостроения позволило выполнять газовые холодильные установки с детандерами на турбомашинах, что привело к радикальному уменьшению степеней сжатия и рождению собственно ТХМ. В России в начале 60-х годов в Проблемной лаборатории глубокого холода МВТУ им. Баумана были построены две низкотемпературные холодильные воздушные установки с радиальными турбодетандерами на газовых опорах. Установки обслуживались ротационными компрессорами. Несколько позже на основе опыта авиастроения были построены известные ТХМ Дубинского-Мартыновского на осевых турбомашинах. Механическая часть таких агрегатов состояла из электродвигателя и повышающего редуктора, на выходном валу которого располагались одноступенчатый детандер и многоступенчатый компрессор.
Дальнейшее развитие и совершенствование радиальных турбодетандеров и центробежных компрессоров позволяет отказаться от громоздких и сложных в изготовлении осевых турбоагрегатов и выполнять ТХМ на компактных радиальных турбомашинах. Если в такой ТХМ использовать высокочастотный электродвигатель, расположив его между опорами на одном валу с детандером и компрессором, образуется современная безредукторная монороторная ТХМ, схема которой приведена на рис. 1.
{IMAGE1} Рис. 1. Напорный холодильный цикл
К – компрессор, Д – детандер, ВО – воздухоохладитель, Дв – электродвигатель, РТ – рекуперативный теплообменник, ХК – холодильная камера, Н – валовая холодопроизводительность цикла
Циклы воздушных холодильных машин
К настоящему времени все многообразие воздушных холодильных циклов сводится к трем основным модификациям: напорные, вакуумные и циклы кондиционирования.
Напорный цикл, отличающийся от цикла, впервые реализованного Горье, наличием рекуперативного теплообменника, представлен на рис. 1; его схема в координатах TS – на рис. 2. На Западе этот цикл называют циклом Брайтона. Цикл состоит из компрессора, водяного или воздушного воздухоохладителя, рекуперативного теплообменника, детандера и холодильной камеры.
{IMAGE2} Рис.2. Напорный цикл в координатах T – S 1-5 – характерные точки цикла, T ох.ср. – температура охлаждающей среды воздухоохладителя, Tк – температура охлаждения на выходе из холодильной камеры (конечная), h – удельная холодопроизводительность цикла
Рабочие процессы, составляющие цикл (рис. 2):
1-2¢ - сжатие рабочего воздуха (хладагента) в компрессоре;
2¢-2 – охлаждение воздуха в водяном или воздушном воздухоохладителе;
2-3 – охлаждение воздуха с отдачей внешней работы в детандере;
4-5 – снятие холодопроизводительности цикла в холодильной камере, т.е. подогрев рабочего воздуха теплом объекта охлаждения;
5-1 – подогрев обратного потока рабочего воздуха прямым потоком в рекуперативном теплообменнике.
При незначительном перепаде температур (Тох.ср. - Тк) используется напорный цикл без рекуперативного теплообменника. Основы расчета напорных циклов с рекомендациями различных конструктивных соотношений, включая степени сжатия компрессоров, излагаются в [1].
Открытый в атмосферу вакуумный холодильный цикл (цикл Дубинского и Мартыновского) располагается ниже барометрического давления в области низкого вакуума (рис.3).
{IMAGE3} Рис. 3. Вакуумный холодильный цикл
К – компрессор, Д – детандер, Дв – электродвигатель, РТ – рекуперативный теплообменник, ХК – холодильная камера, Н – валовая холодопроизводительность цикла
Компрессор работает в режиме эксгаустера: всасывание из цикла, нагнетание в атмосферу, т.е. воздухоохладитель за компрессором отсутствует.
Соответственно в координатах TS отсутствует процесс 2¢-2 (мыслится происходящим в атмосфере); параметры точек 2 и
Отсутствие воздухоохладителя существенно упрощает цикл по сравнению с напорным. Но в низкотемпературных вакуумных циклах возникает проблема осушки воздуха, которая в закрытых напорных циклах решается сравнительно просто. В известной низкотемпературной ТХМ Дубинского - Мартыновского атмосферная влага вымораживается в рекуперативном теплообменнике, выполненном в виде пары громоздких переключающихся регенераторов, что соответственно усложняет устройство цикла.
При температурах охлаждения, незначительно отличающихся от 0°С, возможно использование простейшего варианта вакуумного цикла – без рекуперативного теплообменника на влажном воздухе. При этом существенная часть холодопроизводительности детандера расходуется на конденсацию из воздуха водяного пара, т.е. термодинамические показатели цикла серьезно ухудшаются. Но забивки проточной части детандера конденсатом или снегом не происходит по причине метастабильного состояния водяного пара: выпадение конденсата и снега запаздывает по сравнению с равновесным состоянием и происходит за проточной частью. Если в таком цикле выполнить рекуперативный теплообменник в виде влагоотделителя и отводить конденсат перед детандером, потери холодопроизводительности детандера на конденсацию можно свести к минимуму.
В циклах кондиционирования воздуха объект кондиционирования рассматривается как холодильная камера, в рабочем объеме которой устанавливаются и поддерживаются комфортные давление, температура и влажность. Такие параметры проще всего обеспечивать в рамках напорного цикла без рекуперативного теплообменника (рис.4), т.к. перепады температур обычно не велики. При этом комфортные параметры обеспечиваются смешением технологического и холодильного воздуха.
В TS-схеме напорного цикла без рекуперативного теплообменника отсутствуют процессы 2-3 и 5-1 (рис. 2).
{IMAGE4} Рис. 4. Цикл кондиционирования
К – компрессор, Д – детандер, ВО – воздухоохладитель, Дв – электродвигатель, ХК – холодильная камера, Н – валовая холодопроизводительность цикла
Конструктивные схемы воздушных турбохолодильных машин
Редукторная схема: Компрессор и детандер на выходном валу редуктора или каждый на своем валу со своими оборотами.
Отдельный компрессор любого типа и детандер – компрессор с дожимающей ступенью компрессора.
Отдельный центробежный двухступенчатый компрессор со встроенным высокочастотным электродвигателем и детандер – компрессор с дожимающей ступенью.
Монороторная ТХМ со встроенным высокочастотным двигателем (рис.1).
Монороторная ТХМ с приводом от высокочастотного электродвигателя через магнитную муфту.
Двухроторная ТХМ с встроенными двигателями: двухступенчатый компрессор и две половинных ступени детандера – при больших объемных расходах и оборотах, назначаемых по компрессору (для детандера они могут быть велики).
Каждая конструктивная схема ТХМ имеет свои достоинства и недостатки и целесообразно в определенном диапазоне расходов, степеней сжатия, оборотов и мощностей. Самым простым и компактным решением является, очевидно, монороторная ТХМ со встроенным высокочастотным двигателем. Ее ограниченность по степени сжатия преодолевается: уходом с оптимальной степени сжатия при пологой зависимости холодильного коэффициента; форсированием по степени сжатия осерадиальной ступени; использованием центростремительной предступени.
Область преимущественного использования
В условиях, когда одинаковые температуры охлаждения и холодопроизводительности могут обеспечиваться фреоновыми холодильными машинами (ФХМ на разрешенных фреонах: Rc318, R134А, R404 и др.) и воздушными ТХМ, выявление областей преимущественного использования весьма актуально.
В области низких рабочих температур ФХМ вынужденно выполняются каскадными или должны использовать сложные многоступенчатые компрессоры объемного или центробежного типа со сравнительно высокой степенью сжатия. В этих случаях ТХМ существенно проще и компактнее. Более того, в области температур минус (60¸70)°С и ниже, с понижением температуры нарастает преимущество ТХМ в части холодильного коэффициента. Другими словами, вся эта область является областью преимущественного использования ТХМ. Верхняя температурная граница этой области зависит от выбранного фреона.
В области преимущественного использования ТХМ могут выполняться как по напорному, так и по вакуумному циклу. В вакуумном цикле сложно решается осушка воздуха. В напорном цикле осушка решается проще - цикл заправляется и подпитывается осушенным воздухом, но на один теплообменный аппарат (воздухоохладитель за компрессором) больше. Этот аппарат в варианте водяного охлаждения прост и малогабаритен, в варианте воздушного охлаждения – громоздок. При наличии охлаждающей воды напорный цикл явно предпочтительнее.
Область рабочих температур выше отмеченной, в которой ФХМ выполняются однокаскадными с простым компрессорным оборудованием, является областью преимущественного использования ФХМ по причине значительного преимущества в части холодильного коэффициента. Говоря о соотношении холодильных коэффициентов ФХМ и ТХМ, надо иметь в виду измеренные среднеэксплуатационные коэффициенты, которые значительно ниже расчетных по причине различных отклонений от расчетных режимов. Допустимо сравнение опытных коэффициентов на расчетных режимах.
Целесообразно из области преимущественного использования ФХМ выделить для отдельного рассмотрения диапазон температур хранения (плюс 5 ¸ минус 10)°С. В этом диапазоне можно использовать:
упрощенный напорный цикл без рекуперативного теплообменника;
упрощенный вакуумный цикл без рекуперативного теплообменника, состоящий всего из собственно ТХМ и холодильной камеры;
вакуумный цикл с влагоотделителем перед детандером.
В последнем варианте холодильный коэффициент ТХМ может достигать единицы и более.
При хранении, например, сельскохозяйственной продукции ТХМ работает сезонно, а в некоторых случаях и не круглосуточно. В режимах такой периодической работы ТХМ небольшой мощности проигрыш в холодильном коэффициенте может окупаться простотой устройства и обслуживания установки.
Еще одна специфичная область использования ТХМ в зоне положительных температур – установки кондиционирования воздуха в производственных цехах, в общественных помещениях, в общественном транспорте. Такие установки, как сообщалось выше, решаются на основе напорного цикла работающего на влажном воздухе, без рекуперативного теплообменника. Комфортные условия в объекте кондиционирования достигаются смешением воздуха - хладагента и воздуха объекта. В установках кондиционирования на основе ФХМ в этих целях используются дополнительные теплообменные аппараты и вентиляторы.
В прикладном отношении важно обсудить ограничения верхнего и нижнего пределов холодопроизводительности ТХМ.
Верхний предел холодопроизводительности определяется максимальным массовым расходом воздуха через компрессор. В связи с тем, что в напорном цикле давление перед компрессором может быть выбрано значительно больше атмосферного, а максимальная объемная пропускная способность ступени центробежного компрессора предельно допустимых размеров велика, максимальные массовые расходы огромны и верхний предел холодопроизводительности ТХМ ограничивается предельно допустимыми габаритами теплообменной аппаратуры. В вакуумном цикле плотность воздуха перед компрессором меньше атмосферной и соответственно ниже максимальная холодопроизводительность ТХМ. Резервом увеличения холодопроизводительности в этом случае является использование многоступенчатого осевого компрессора, как это сделано в ТХМ Дубинского-Мартыновского.
Обсуждая нижний предел холодопроизводительности ТХМ, надо иметь в виду конструктивную схему с отдельным малорасходным компрессором объемного типа и малорасходным турбодтдером с газовым или масляным торможением в зависимости от типа опор. Уровень малорасходности турбодетандера по опыту гелиевой техники таков, что возможный нижний предел холодопроизводительности ТХМ вряд ли будет востребован.
Приведенная информация позволяет сделать вывод о том, что для производства холода в широком диапазоне рабочих температур и холодопроизводительностей может использоваться, наряду с традиционной ФХМ на разрешенных фреонах, экологически чистая воздушная ТХМ в современном исполнении.