Холодильная машина с детандером
Циклы паровых холодильных машин
Паровые холодильные машины являются наиболее распространённым типом холодильных машин. Они применяются для получения искусственного холода в широком интервале температур: от + 5 °С до - 160 °С.
Холодопроизводительность паровых холодильных машин охватывает диапазон от нескольких сот ватт до нескольких тысяч киловатт. Главной отличительной особенностью паровых холодильных машин является то, что рабочее вещество в процессе совершения рабочего цикла меняет своё фазовое состояние и может находится в состоянии насыщения, перегретого или влажного пара. Основными элементами паровой холодильной машины являются: компрессор, конденсатор, испаритель и устройство для расширения рабочего вещества. Для сжатия рабочего вещества применяются различные типы компрессоров: поршневые, винтовые, спиральные, центробежные, осевые и ротационные.
Выбор цикла паровой холодильной машины зависит от температуры источника низкой температуры и от температуры окружающей среды. Существенное влияние на цикл имеет тип компрессора и конструкция теплообменных аппаратов, рабочее вещество и схема холодильной машины.
Принципиальная схема состоит: из компрессора К, конденсатора KД, расширительной машины или детандера D и испарителя И. Принципиальная схема показана на рис. 4а.
Из испарителя влажный пар в состоянии 1 поступает в компрессор, где сжимается изотропно (процесс 
) от давления в испарителе 
до давления в конденсаторе Р. При этом температура пара повышается до температуры Т. На сжатие пара в компрессоре затрачивается работа lК.
Пар из компрессора направляется в конденсатор, в котором он конденсируется при постоянном давлении Р и температуре Т (процесс 
). При этом теплота, отводимая от рабочего тела, воспринимается окружающей средой ТОС, которая в идеальном случае равна температуре конденсации Т.
Жидкое рабочее тело из конденсатора поступает в детандер, где при изоэнтропном процессе расширяется (процесс 
), совершая работу lД. В результате совершения работы температура рабочего тела понижается до температуры кипения 
, а давление до в испарителе.
В испарителе рабочее тело кипит при постоянной температуре равной температуре источника низкой температуры ТИНТ, отнимая теплоту от этого источника (процесс 
).
Таким образом, цикл характеризуется двумя изоэнтропами () и
() и двумя изотермами () и ().
Количество теплоты, которое подводится в испарителе (холодопроизводительность):
,
что эквивалентно в S-T диаграмме площадке 
на рис. 4б и в 
диаграмме отрезку на рис. 4в.
Количество теплоты, отведённое в конденсаторе:
,
что эквивалентно в S-T диаграмме площадке 
на рис. 4б и в диаграмме отрезку 
на рис. 4в.
Работа цикла:
,
что эквивалентно в S-T диаграмме площадке 
на рис. 4б.
,
,
,
,
.
Работа, затраченная в компрессоре:
,
что эквивалентно в S-T диаграмме площадке 
на рис. 4б и в диаграмме отрезку на рис. 4в.
Работа, полученная в детандере:
,
что эквивалентно в S-T диаграмме площадке 
на рис. 4б и в диаграмме отрезку на рис. 4в.
Холодильный коэффициент цикла:
или 
.
Холодильный коэффициент цикла равен коэффициенту цикла Карно, так как цикл обратимый:
.
Рис. 4. Схема и цикл холодильной машины с детандером:
а – схема холодильной машины; б – цикл холодильной машины
в S-T диаграмме; в – цикл холодильной машины в i-lg P диаграмме