ЭЖЕКТОРНЫЕ ХОЛОДИЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Первая эжекторная холодильная машина (ЭХМ), работающая на воде, была создана в начале 1900 гг. К достоинствам пароводяной эжекторной холодильной машины (ПВЭХМ) относятся ее исключительная простота конструкции, надежность и безопасность в работе, малые капитальные затраты и эксплуатационные расходы. Следует также отметить, что холодильным агентом ПВЭХМ является вода – относительно дешевое, доступное и безвредное природное вещество. Позднее холодильные машины такого типа широко применялись в системах комфортного кондиционирования воздуха крупных общественных и жилых зданий, а также в различных отраслях промышленности для охлаждения воды.

Основными недостатками ПВЭХМ являются:

  1. Низкие энергетические показатели (COP).
  2. Необходимость в рабочем паре сравнительно высоких параметров.
  3. Глубокий вакуум в испарителе и конденсаторе и необходимость удаления воздуха из системы, что усложняет схему установки и требует дополнительного расхода энергии.
  4. Большие габариты и масса эжектора и эжекторной холодильной машины.
  5. Сложности при получении температуры кипения в испарителе ниже 0 °C (применение рассолов вызывает ряд эксплуатационных затруднений, увеличивающих энергетические затраты).

Steam Ejector

Именно эти недостатки, а также интенсивное развитие более эффективных и компактных компрессионных холодильных машин, привели к снижению интереса к ПВЭХМ и резкому сокращению их производства в конце 1950-х годов. Наряду с этим сохранилось применение таких машин в небольших количествах для охлаждения воды, используемой для производственно-технологических нужд.

Сегодня, в связи с повышенной актуальностью вопросов энергосбережения и охраны окружающей среды, интерес к ПВЭХМ возобновился, и активизировались научно-исследовательские работы в области их совершенствования. Однако несмотря на большое число исследований, в силу специфических свойств применяемого рабочего вещества большинство недостатков ПВЭХМ, в том числе и низкие энергетические показатели, не могут быть устранены.

Замена воды низкокипящими рабочими веществами позволяет устранить большинство из вышеперечисленных недостатков ПВЭХМ.

Основными элементами ЭХМ являются эжектор, парогенератор, испаритель, конденсатор, терморегулирующий вентиль и питательный насос. На Рисунке 1 приведена принципиальная схема простейшей ЭХМ, работающей на низкокипящих веществах.

Рисунок 1. Принципиальная схема ЭХМ

Рисунок 1. Принципиальная схема ЭХМ

ЭХМ работает следующим образом. Насыщенный рабочий пар холодильного агента с массовым расходом GP, образовавшийся в парогенераторе в результате подвода теплоты от греющей среды, поступает в сопло эжектора, расширяется в нем и всасывает насыщенный пар, имеющий расход G0, из испарителя. Сжатая в диффузоре эжектора смесь паров с расходом (GP+G0) поступает в конденсатор, где происходит ее сжижение. Жидкость, выходящая из конденсатора, разделяется на два потока, один из которых питательным насосом возвращается в парогенератор, а второй – снижает свое давление и температуру в терморегулирующем вентиле и поступает в испаритель для производства холода.

Основным элементом ЭХМ является эжектор – струйный аппарат, предназначенный для всасывания паров холодильного агента из испарителя, их сжатия и нагнетания в конденсатор. Аналогичные функции в схеме традиционной парокомпрессионной холодильной машины (ПКХМ) выполняет компрессор, приводимый в действие от электродвигателя.

Эжектор с цилиндрической камерой смешения

a) Эжектор с цилиндрической камерой смешения

Эжектор с коническо-цилиндрической камерой смешения

b) Эжектор с коническо-цилиндрической камерой смешения

Рисунок 2. Принципиальная схема сверхзвукового эжектора

Основное отличие ЭХМ от традиционной ПКХМ заключается в том, что работа, расходуемая для производства холода в цикле, не подводится от внешнего источника, а производится в самом контуре машины. Цикл ЭХМ совмещает в себе паросиловой цикл Ренкина и обратный цикл ПКХМ, а эжектор, в свою очередь, выполняет функции турбины, компрессора и передаточного механизма, но не имеет при этом движущихся элементов и конструктивно значительно проще последних.

На Рисунке 2 приведены типовые схемы сверхзвуковых эжекторов. Эжектор состоит из сопла, приемной камеры, камеры смешения и диффузора. В эжекторе происходит преобразование потенциальной энергии рабочего потока в кинетическую энергию, которая частично передается эжектируемому потоку путем непосредственного контакта. При движении по проточной части струйного аппарата происходит смешение потоков в камере смешения, выравнивание их скоростей и обратное преобразование кинетической энергии смешанного потока в потенциальную энергию в диффузоре. В результате обмена энергией и смешения рабочего и эжектируемого потоков, имеющих разные давления, образуется смешанный поток с промежуточным давлением.

Эжектор работает следующим образом. Рабочий поток с высоким давлением и температурой поступает в сопло, где ускоряется до сверхзвуковой скорости с понижением давления. Выходящий из сопла рабочий поток подсасывает эжектируемый поток из испарителя. Рабочий и эжектируемый потоки смешиваются в камере смешения и поступают в диффузор, где давление смешанного потока растёт до давления конденсации.