Выбор цикла холодильной машины зависит, прежде всего, от требуемой температуры охлаждаемого потока (температуры поддержания в холодильной камере) и от температуры окружающей среды. Существенное влияние на цикл оказывают тип компрессора и теплообменных аппаратов, рабочее вещество и схема самой установки.

Аммиак применяется в холодильных машинах (ХМ) при температуре конденсации не выше 55 ⁰C и температуре кипения до –30 ⁰C в случае использования одноступенчатых циклов, и до –60 ⁰C для двухступенчатых. Мощность используемых аммиачных ХМ находится в диапазоне от нескольких десятков кВт до нескольких МВт.

Основными элементами ХМ являются: компрессор, конденсатор, испаритель и устройство для расширения рабочего вещества. Отдельно стоит отметить абсорбционные ХМ, которые нашли широкое применение в различных отраслях промышленности, и использующие аммиак в качестве рабочего тела. В данных машинах механический компрессор заменяется сразу несколькими аппаратами: генератором, абсорбером и насосом.

Одноступенчатая паровая ХМ с дроссельным вентилем является наиболее простой схемой и применяется в установках небольшой мощности. Схема и цикл ХМ представлены на рис.1.

  

Рис. 1. Схема и цикл в i-p-диаграмме (энтальпия-давление) одноступенчатой ХМ с дроссельным вентилем: I – компрессор, II – конденсатор, III – дроссель, IV – испаритель.

Для защиты компрессорного оборудования от попадания жидкости в данных схемах применяют пароосушители – сосуды, в котором капли жидкости отделяются от пара. Для повышения эффективности данной схемы после конденсатора организовывают дополнительное охлаждение рабочего вещества в теплообменнике водой. Схема и цикл ХМ с переохлаждением представлены на рис.2.

  

Рис. 2. Схема и цикл в i-p-диаграмме (энтальпия-давление) одноступенчатой ХМ с переохлаждением рабочего вещества: I – компрессор, II – конденсатор, III – теплообменник, IV – дроссель, V – испаритель.

При понижении температуры кипения или повышении температуры конденсации рабочего вещества увеличивается степень повышения давления и разность давлений кипения и конденсации хладагента. Это приводит к уменьшению удельной холодопроизводительности одноступенчатого цикла, повышению капитальных и эксплуатационных затрат на получение холода. Также увеличение степени повышения давления в компрессоре приводит к росту температуры нагнетания, что может вызвать недопустимые температурные деформации и пригорание масла в нагнетательных клапанах. Эти факторы являются причинами, по которым при p_к / p₀ ≥ 8 необходимо переходить к многоступенчатому сжатию.

Схемы и циклы двухступенчатых ХМ со змеевиковым промежуточным сосудом полным и неполным промежуточным охлаждением представлены на рис. 3 и рис.4 соответственно.

  

Рис. 3. Схема и цикл в i-p-диаграмме (энтальпия-давление) двухступенчатой ХМ со змеевиковым промежуточным сосудом и полным промежуточным охлаждением: I – компрессор 1-й ступени, II – промежуточный холодильник, III – компрессор 2-й ступени, IV – конденсатор, V, VII – дроссель, VI – промежуточный сосуд, VIII – испаритель.

  

Рис. 4. Схема и цикл в i-p-диаграмме (энтальпия-давление) двухступенчатой ХМ со змеевиковым промежуточным сосудом и неполным промежуточным охлаждением.

В обеих схемах рабочее вещество перед промежуточным сосудом делится на два потока: большая часть направляется в змеевик промежуточного сосуда, где хладагент дополнительно переохлаждается перед основным дросселированием, меньшая часть – дросселируется до промежуточного давления и поступает в промежуточный сосуд. Отличие заключается в том, что в схеме на рис.3 охлаждается весь поток газа, поступающий на всасывание 2-й ступени компрессора, а на рис.4 – только часть.

Схема и цикл двухступенчатой ХМ с двухкратным дросселированием и полным промежуточным охлаждением хладагента представлены на рис. 5. Данная схема характеризуется тем, что до промежуточного давления дросселируется весь поток рабочего вещества.

  

Рис. 5. Схема и цикл в i-p-диаграмме (энтальпия-давление) двухступенчатой ХМ с двухкратным дросселированием и полным промежуточным охлаждением.

В последние десятилетия для обеспечения низких температур охлаждаемых объектов применяют каскадные ХМ (рис. 6), в нижней ветке которых в качестве хладагента используется диоксид углерода (R744), а в верхней – аммиак. Такое решение позволяет существенно сократить аммиакоемкость холодильной системы.

Рис. 6. Схема каскадной ХМ.

Каскадные схемы рассматриваются как альтернатива двухступенчатым ХМ при температуре кипения в нижней ветви цикла ниже –40 ⁰C. Одним из основных недостатков данной схемы является необходимость наличия автономного термостатирующего холодильного агрегата для поддержания давления в контуре R744 при остановках системы.

На объектах, где имеются в наличии бросовые потоки тепла достаточной мощности и потребность в холоде, перспективным и экономически оправданным является применение абсорбционных ХМ (рис. 7). Данных установках используется раствор аммиак-вода.

  

Рис. 7. Схема и процесс в ξ–i-диаграмме (концентрация-энтальпия) абсорбционной водоаммиачной ХМ с теплообменником: I – абсорбер, II – насос, III – теплообменник растворов, IV – генератор, V – конденсатор, VI – дроссель, VII – испаритель, VIII – дроссель раствора.

Существенное влияние на процессы абсорбционных ХМ, их производительность и энергетическую эффективность оказывают температуры греющего источника, охлаждающей среды и охлаждаемого объекта.