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 Р 0 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 D Т 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 Т 0 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?
