Примеры решений
Воздух
Первая холодильная машина, использующая воздух в качестве рабочего вещества, была спроектирована в 1845 году и построена в 1849 году. В 1936 году была впервые высказана идея использования воздушной машины в системе кондиционирования воздуха при переключении режимов работы с холодильной машины (летний режим) на тепловой насос (зимний режим).
Цикл простейшей воздушной машины построен на двух изобарах и двух изоэнтропах. В литературе этот цикл называется обратным циклом Брайтона (Джоуля).
Методом получения низкой температуры в воздушной холодильной машине (ВХМ) является расширение с получением внешней работы — детандирование. Для получения холода применяется нагрев газа (воздуха) без изменения агрегатного состояния. Производство холода осуществляется в элементе машины, называемом рефрижератор.
В связи с большой объемной производительностью воздуха, для уменьшения массогабаритных характеристик машины используется только турботехника (компрессор и детандер). При использовании поршневых компрессора и детандера, их размеры и, соответственно, стоимость, будут слишком велики.
В настоящее время ВХМ используются, например, для кондиционирования воздуха в самолетах, кондиционирования и замораживания грузов на судах, при обработке металлоизделий холодом, в термобарокамерах по испытанию авиационных двигателей, а также в установках глубокого охлаждения для разделения газов, сжижения воздуха и получения кислорода.
По экономичности в режиме кондиционирования и умеренного охлаждения ВХМ значительно уступают наиболее экономичным парокомпрессионным холодильным машинам. Потребляемая ВХМ мощность в режиме кондиционирования в 2–3 раза больше мощности парокомпрессионной техники.
Однако при температурах охлаждения -70 °C и ниже действительный холодильный коэффициент ВХМ выше, чему у парокомпрессионных холодильных машин. Экономичность низкотемпературных ВХМ можно повысить за счет использования сбросного тепла энергетических установок (например, на судах).
Принципиальная схема простейшей воздушной холодильной машины: П – помещение; К – компрессор; Т – турбина (детандер); ПО – промежуточный охладитель; М – двигатель; ЗВ – забортная вода.
Вода
Одной из разновидностей холодильных машин, использующих воду в качестве хладагента, являются абсорбционные холодильные машины, в которых абсорбентом выступает концентрированный водный раствор, например, бромид лития. (Вода используется и в аммиачных холодильных машинах абсорбционного типа, но там вода служит абсорбентом, хладагентом же является аммиак.)
Под действием тепла в генераторе из раствора бромида лития выделяются пары хладагента (воды), которые переносятся в конденсатор. Водяной пар конденсируется, отдавая тепло воде охлаждающего контура. Охлажденная вода поступает в испаритель, где при низком давлении закипает при температуре +6 °C и забирает тепло от охлаждаемого контура чиллер-фэнкойл.
Оставшийся в генераторе концентрированный раствор бромида лития переходит в абсорбер и поглощает водяной пар из испарителя. Абсорбции происходит с выделением теплоты, которая отводится охлаждающим контуром. Полученный раствор воды и бромида лития перекачивается в генератор, и цикл повторяется снова.
В области электроэнергетики в системах газовых автономных электростанций использование абсорбционных холодильных машин перспективно с точки зрения утилизации тепла выхлопных газов. При этом АБХМ дает возможность отказаться от генерации электроэнергии для парокомпрессионных холодильных машин. Для выработки 1 МВт холода необходимо установить парокомпрессионные холодильные машины электрической мощностью 250–280 кВт, тогда как для выработки этого же количества холода АБХМ требуется всего 10 кВт. Полученный холод может быть использован в системах централизованного кондиционирования или в технологических процессах на производстве.
Кроме того, вода может использоваться и как хладагент для парокомпрессионных холодильных машин. Так, компания Efficient Energy GmbH представила холодильную машину eChiller®, в качестве хладагента в которой использована вода.
Это чиллер с тремя компрессорами центробежного типа максимальной холодопроизводительностью до 40 кВт. Фактическая производительность плавно регулируется в зависимости от нагрузки. Помимо дружественного к окружающей среде хладагента, машина, по заверениям производителей, отличается высокой энергоэффективностью, позволяя сэкономить за год до половины расходов на электроэнергию.