Каскадные холодильные машины

Наряду с многоступенчатыми машинами для получения низких температур применяют так называемые каскадные машины. Во многих случаях, особенно для получения температур ниже -70°С, эти машины более целесообразны, чем многоступенчатые.

Каскадная холодильная машина представляет собой систему двух или нескольких холодильных машин-каскадов, работающих в разных температурных пределах и, как правило, с различными холодильными агентами. В каждой из входящих в такую систему холодильных машин совершается свой холодильный цикл, который может быть одно- или двухступенчатым. Связующими звеньями отдельных каскадов служат теплообменные аппараты, называемые испарителями-конденсаторами. Для одного каскада такой аппарат выполняет роль испарителя, а для другого, работающего на уровне более низких температур, - роль конденсатора.

На рис.17, а показана принципиальная схема двух каскадной машины, оба каскада которой представляют собой одноступенчатые холодильные машины, объединенные в общую систему испарителем-конденсатором 2. На рис.17, б изображены циклы обоих каскадов в s, Т-диаграмме.

Компрессор 1 отсасывает пары холодильного агента из испарителя 4, сжимает их по адиабате a-b с давления кипения p₀₁ до давления конденсации p₁ и нагнетает в аппарат 2, играющий роль конденсатора нижнего каскада. Здесь пары по изобаре b-c, соответствующей давлению конденсации p₁, охлаждаются до состояния насыщения, характеризуемого точкой c, и дальше, при этом же давлении p₁ конденсируются - процесс c-d. Отводимое от холодильного агента тепло при осуществлении процессов b-c и c-d воспринимается кипящим в аппарате 2 холодильным агентом верхнего каскада, для которого этот аппарат служит испарителем. Образующаяся вследствие конденсации жидкость направляется из аппарата 2 через регулирующий вентиль 3 в испаритель 4. Проходя через регулирующий вентиль, она дросселируется по изоэнтальпе d-e с давления p₁ до давления p₀₁.

В испарителе 4 жидкость кипит при постоянной температуре t₀₁ и соответствующем постоянном давлении p₀₁. На s, Т-диаграмме этот процесс изображается отрезком e-a. Кипение происходит за счет теплопритока от охлаждаемой среды.

Рис.17. Каскадная машина:

а - схема: 1 - цилиндр компрессора нижнего каскада, 2 - конденсатор нижнего каскада и испаритель верхнего каскада, 3 - регулирующий вентиль нижнего каскада, 4 - испаритель нижнего каскада, 5 - цилиндр компрессора верхнего каскада, 6 - конденсатор верхнего каскада, 7 - регулирующий вентиль верхнего каскада;

б - изображение циклов каскадной машины в s, Т-диаграмме.

Таким образом, для нижнего каскада холодильный цикл в s, Т-диаграмме изображается замкнутой линией a-b-c-d-e-a.

Верхний каскад машины работает по такому же принципу. Только осуществляемый в нем цикл (f-g-h-i-j-f) происходит в пределах более высоких температур. И, как уже отмечалось, процесс кипения холодильного агента в испарителе верхнего каскада протекает за счет тепла, отводимого от холодильного агента в конденсаторе нижнего каскада. В связи с этим температуру кипения холодильного агента в испарителе верхнего каскада поддерживают на несколько градусов ниже температуры конденсации холодильного агента в нижнем каскаде. В конденсаторе верхнего каскада тепло от холодильного агента отводится водой или воздухом, как в обычных холодильных машинах.

Для нижнего каскада применяют холодильные агенты с низкими температурами замерзания и не требующие создания больших разрежений для получения низких температур кипения. В верхнем каскаде используют холодильные агенты, применяемые обычно в одно ступенчатых машинах.

Наиболее распространены двухкаскадные холодильные машины, нижний каскад их представляет собой одноступенчатую машину и работает на фреоне-13, а верхний каскад выполняется в виде двухступенчатой машины, в которой используется фреон-22.