Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Лекции - Теоретические основы холодильной техники - файл 1.doc


Лекции - Теоретические основы холодильной техники
скачать (3741.5 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc3742kb.17.11.2011 21:56скачать

1.doc

1   2   3   4   5
^

2. ПАРОКОМПРЕССИОННЫЕ ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ




Парокомпрессионные холодильные машины имеют наибольшее применение для искусственного охлаждения в широком интервале температур: от 278 К (одноступенчатые холодильные машины) до 113 К (каскадные холодильные машины). Их холодопроизводительность охватывает диапазон от нескольких десятков ватт (домашние холодильники) до нескольких тысяч киловатт (холодильные машины с центробежными компрессорами). Основной особенностью парокомпрессионных холодильных машин является то, что рабочее вещество, совершая обратный цикл, меняет свое агрегатное состояние и может находиться в состоянии влажного, сухого насыщенного или перегретого пара, а также в жидком состоянии. В качестве холодильных агентов (рабочих веществ) применяются вещества с низкой нормальной температурой кипения. В основном на крупных установках применяется аммиак, на малых и средних установках различные хладоны (фреоны). Основными элементами холодильной машины являются: компрессор, конденсатор, испаритель и устройство, в котором происходит расширение рабочего вещества. Все элементы холодильных машин рассматриваются в последующих курсах. Существенное влияние на выбор цикла холодильной машины имеют внешние условия, тип компрессора и теплообменных аппаратов, а также рабочее вещество.
^

2.1. Теоретические циклы и принципиальные схемы

одноступенчатых холодильных машин




Холодильная машина с детандером в области влажного пара. Принципиальная схема и цикл такой холодильной машины приведены на рис. 2.1.

Рабочее вещество в состоянии 1 поступает в компрессор КМ, где изоэнтропно сжимается до давления конденсации рк (процесс 1-2) и направляется в конденсатор КД. Следует отметить, что точка 2 должна лежать на правой пограничной кривой. После конденсации за счет отвода теплоты в окружающую среду (процесс 2-3), рабочее вещество расширяется в детандере ДТ до давления кипения р0, совершая при этом работу. Процесс расширения 3-4 также идет изоэнтропно. В состоянии 4 рабочее вещество поступает в испаритель ИС, где кипит (процесс 4-1) при давлении р0 за счет теплоты, подводимой от источника низкой температуры. Следует особо отметить, что для конкретной холодильной машины давление кипения р0 и давление конденсации рк зависят только от температуры и теплоты внешних источников и самоустанавливаются в зависимости от их параметров. При этом давление кипения соответствует температуре кипения T0, которая определяется по формуле: T0 = Tот - ∆Tи, где Tот - температура охлаждаемого тела; ∆Tи - температурный напор в испарителе. Давление конденсации соответствует температуре конденсации TК, которая определяется по формуле: TК = Tос + ∆TК, где Tос - температура окружающей среды; ∆Tк - температурный напор в конденсаторе.

Пар рабочего вещества, образовавшийся при кипении, постоянно отсасывается компрессором.


Рис. 2.1. Схема и теоретический цикл

одноступенчатой холодильной машины с детандером


При условии постоянства температуры внешних источников и бесконечно малой разности температур в процессе теплообмена рабочего вещества с этими источниками T0 = Tот, Tк = Tос и рабочее вещество будет совершать обратный цикл Карно, коэффициент обратимости которого равен единице.

Теплота, которая подводится к рабочему веществу в испарителе, называется холодопроизводительностью холодильной машины Q0, а отнесенная к 1 кг рабочего вещества - удельной массовой холодопроизводительностью q0, которая на диаграмме s-Т соответствует площади m-4-1-n или
q0 = h1h4. (2.1)
На диаграмме h-р удельная массовая холодопроизводительность эквивалентна (~) отрезку 1-4.

Удельная работа lк, затрачиваемая в компрессоре, на диаграмме s-Т эквивалентна площади 1-2-3-0-1, а на диаграмме h-р - отрезку 1-2, т.е.
lк = h2h1. (2.2)
Удельная теплота, отводимая от рабочего вещества в конденсаторе, определяется на диаграмме s-Т как площадь m-3-2-n, на диаграмме h-р - отрезком 2-3 или

q = h2h3. (2.3)
Удельная внешняя работа, совершаемая рабочим веществом при расширении в детандере, - это на диаграмме s-Т площадь 0-3-4, а на диаграмме h-р - отрезок 3-4 или

lд = h3h4. (2.4)
Так как в компрессоре работа затрачивается, а в детандере - совершается, то удельная работа, которую необходимо затратить для осуществления цикла 1-2-3-4,

lц = lкlд = (h2 – h1) – (h3 – h4). (2.5)
Площадь на диаграмме s-Т, которая эквивалентна работе цикла, определяется из соотношения lц = lк – lд ~ пл. 1-2-3-0-1 - пл. 0-3-4 = пл. 1-2-3-4.

К такому же выводу можно прийти другим способом:

lц = q – q0 = (h2 – h3) – (h1 – h4) = (h2 – h1) – (h3 – h4)

или lд = q – q0 ~ пл. m-3-2-4 - пл. m-4-1-n = пл. 1-2-3-4.

Холодильный коэффициент цикла 1-2-3-4 (Карно)
. (2.6)
Рассмотренный цикл является образцовым, но на практике его осуществить невозможно. Основными причинами являются наличие разности температур между теплообменивающимися средами в теплообменных аппаратах (в данном случае в конденсаторе и испарителе) и недопустимость всасывания в компрессор влажного пара. Кроме того, в реальных циклах парокомпрессионных машин расширение в детандере заменяется дросселированием.

^ Холодильная машина с дроссельным вентилем и всасыванием сухого насыщенного пара. На рис. 2.2 показаны принципиальная схема такой машины и ее циклы на s-Т- и h-р-диаграмме, рабочие процессы которой идут следующим образом: 1-2 - сжатие рабочего вещества в компрессоре, 2-3 - охлаждение и конденсация рабочего вещества за счет отвода теплоты в окружающую среду в конденсаторе, 3-4 - расширение рабочего вещества в дроссельном вентиле ДР, 4-1 - кипение рабочего вещества за счет подвода теплоты от источника низкой температуры в испарителе.

Действительные процессы, которые происходят в элементах реальной холодильной машины, существенно отличаются от теоретических. Одним из отличий действительных циклов является наличие конечной разности температур в процессах теплообмена рабочего вещества с внешними источниками.

Необходимо рассмотреть, как определяются температуры кипения Т0 и конденсации Тк в действительном цикле одноступенчатой холодильной машины.

Если теплота от конденсатора отводится водой, то температу­ра конденсации Тк выбирается на 5-8 ºС выше средней температуры воды, нагрев которой в конденсаторе составляет 4-5 ºС. Когда отвод теплоты осуществляется воздухом, то Тк на 10-20 ºС выше средней температуры воздуха, который нагревается в конденсаторе до 6-8 ºС.

В том случае, когда теплота от охлаждаемого объекта (или среды) подводится к испарителю с помощью жидкого теплоносителя (хладоносителя), то задается температура хладоносителя на выходе из испарителя, принимается его охлаждение на 4-5 ºС, а разность температур между средней температурой хладоносителя в испарителе и температурой кипения составляет 5-8 ºС. Когда охлаждаемая среда - воздух или какой-либо газ, то разность температур между средней температурой воздуха и температурой кипения рабочего вещества около 10 ºС.

Приведенные перепады температур являются ориентировочными и зависят от рабочего вещества, типа теплообменных аппаратов и некоторых других факторов.

В рассматриваемом цикле по сравнению с предыдущим расширение с совершением внешней работы заменено дросселированием. Всасывание в компрессор сухого насыщенного пара явилось причиной того, что температура на нагнетании компрессора (точка 2) стала выше температуры конденсации.

Рис. 2.2. Схема и теоретический цикл одноступенчатой холодильной машины

с дроссельным вентилем

При замене детандера на дроссельный вентиль, уменьшается холодопроизводительность на величину ∆q0 = пл. m-5-4-n. Это происходит вследствие того, что работа, которая могла бы быть получена в изоэнтропном процессе 3-5 (пл. 0-3-5), полностью превращается в теплоту и подводится к рабочему веществу в процессе дросселирования, поэтому часть рабочего вещества выкипает (процесс 5-4).

Определяют основные величины, характеризующие этот цикл, следующим образом:

q0 ~ пл. n-4-1-e = h1 – h4; (2.7)

q ~ пл. m-3-b-2-e = h2 – h3; (2.8)

lц = q - q0 ~ пл. m-3-b-2-e – пл. n-4-1-e = h2 – h1 =

= пл. m-3-b-2-1-4-n = пл. 1-2-3-0-1
или, так как lд = 0,

lц = lк = h2 – h1 ~ пл. 1-2-b-3-0-1. (2.9)
Холодильный коэффициент теоретического цикла
. (2.10)
На практике цикл с всасыванием сухого насыщенного пара можно реализовать, если добавить в схему холодильной машины дополнительный вспомогательный аппарат - отделитель жидкости (рис. 2.3).

Жидкий холодильный агент, выходящий из конденсатора (точка 3), дросселируется в дроссельном вентиле. При дросселировании происходит падение давления и температуры и частичное парообразование. Влажный пар (точка 4) направляется в отделитель жидкости (вертикальный сосуд), где разделяется на насыщенную жидкость (точка 5) и насыщенный пар (точка 1). Насыщенная жидкость оседает вниз, а насыщенный пар направляется вверх, откуда отсасывается компрессором. Насыщенная жидкость под действием гидростатического столба или с помощью насоса из отделителя жидкости ОЖ поступает в испаритель, где выкипает за счет тепла, подводимого к ней от охлаждаемого тела. Влажный пар из испарителя в состоянии 6 (сухой насыщенный пар с каплями жидкости) поступает обратно в отделитель жидкости, где жидкость отделяется, а пар отсасывается компрессором.

Рис. 2.3. Схема и цикл холодильной машины с отделителем жидкости

Одноступенчатая холодильная машина с всасыванием перегретого пара и дросселированием переохлажденной жидкости. На рис. 2.4 показан цикл на s-Т- и h-P-диаграмме холодильной машины с всасыванием в компрессор перегретого пара и дросселированием переохлажденной жидкости. Рабочее вещество поступает в компрессор в состоянии перегретого пара при темпе­ратуре Т1 и давлении р0. На дросселирование хладагент поступает в состоянии переохлажденной жидкости при температуре Т3 и давлении рК.

Рис. 2.4. Цикл с всасыванием перегретого пара

и дросселированием переохлажденной жидкости



Перегрев на всасывании необходим для того, чтобы обеспечить сухой ход и безопасную работу компрессора, так как попадание жидкости в цилиндр поршневого компрессора уменьшает объемную производительность компрессора и может привести к гидравлическому удару, для других типов компрессоров это тоже нежелательно.

Перегрев характеризуется величиной ∆ТВС = Т1 – Т0. Значение ∆ТВС зависит от схемы холодильной установки, холодильного агента, типа компрессора, конструкции испарителя и т.д. Основные места, где может происходить перегрев:

- испаритель, особенно если питание испарителя осуществляется с помощью терморегулирующего вентиля;

- всасывающий трубопровод компрессора;

- всасывающий тракт компрессора, особенно для герметичных и бессальниковых компрессоров;

- регенеративный теплообменник.

В дальнейшем, если не будет специальной оговорки, принимают ∆ТВС = 5-10 ºС.

Переохлаждение жидкого холодильного агента перед дросселированием приводит к уменьшению необратимых потерь при дросселировании, уменьшению парообразования при дросселировании, увеличению удельной холодопроизводительности цикла и холодопроизводительности машины в целом, повышению энергетической эффективности цикла, т.е. увеличению холодильного коэффициента.

Переохлаждение характеризуется величиной ∆ТП = ТК – Т3. Значение ∆ТП зависит от схемы холодильной установки, холодильного агента, конструкции конденсатора и т.д. Основные места, где может происходить переохлаждение:

- конденсатор, особенно если для регулирования конденсаторов используется способ подтапливания конденсатора;

- трубопровод и аппараты на линии от конденсатора до дроссельного устройства;

- специальный теплообменный аппарат - переохладитель жидкости;

- регенеративный теплообменник.

В дальнейшем, если не будет специальной оговорки, принимают ∆ТП = 2-3 ºС.

Цикл холодильной машины с перегревом на всасывании и переохлаждением перед дросселированием включает основные процессы:

1"-1 - перегрев на всасывании компрессора (Р0 = const);

1 -2 - сжатие в компрессоре (S = const);

2 -2" - сбив перегрева (РК = const);

2"-3′ - конденсация (РК = const);

3′-3 - переохлаждение (РК = const);

3-4 - дросселирование (h = const);

4-1" - кипение (Р0 = const).

Исходными величинами для теплового расчета действительного цикла являются: холодопроизводительность Q0, температура воды (или воздуха) при входе в конденсатор Тw1, температура хладоносителя на выходе из испарителя Тs2, а также рабочее вещество, которое задается или выбирается в зависимости от конкретных условий.

После определения Т0, p0, Тк, рк цикл холодильной машины вписывается в тепловую диаграмму. Наиболее распространенными являются диаграммы s-Т и h-р.

В заданную холодопроизводительность Q0 входят: теплота, отводимая от хладоносителя, Q0s; теплота, поступающая к рабочему веществу в испарителе от наружного воздуха ∆Q01 (внешние потери); внутренние теплопритоки, равные теплоте трения при движении охлаждаемой среды (хладоносителя) через испаритель ∆Q02, т.е.

Q0 = Q0s + ∆Q01 + ∆Q02. (2.11)
Удельная массовая холодопроизводительность цикла
q0 = h1" - h4. (2.12)
Массовый расход рабочего вещества в холодильной машине (кг/с)
Ga = Q0 / q0. (2.13)
Действительный объем пара рабочего вещества (м3/c), который образуется в испарителе и отсасывается компрессором по условиям всасывания,
Vд = Ga ∙ v1, (2.14)
где v1 - удельный объем пара на всасывании в компрессор.
В реальном компрессоре существуют объемные потери, которые характеризуются коэффициентом подачи λ, поэтому объемная производительность компрессора определяется из соотношения:
Vт = Vд / λ. (2.15)
Массовый расход хладоносителя в испарителе (кг/с)
, (2.16)
где сs - теплоемкость хладоносителя; Тs1, Тs2 - температуры входа и выхода хладоносителя из испарителя.
Количество теплоты Qк, которое необходимо отвести от рабочего вещества в конденсаторе, определяется из теплового баланса:
Qк = Qк.р.в ± ∆Qк1 + ∆Qк2, (2.17)

где Qк.р.в - теплота, поступающая в конденсатор от рабочего вещества,
Qк.р.в = Gа(h2 - h3′); (2.18)
∆Qк1 - теплота, отводимая или подводимая к рабочему веществу в конденсаторе из окружающего воздуха в зависимости от соотношения температуры конденсации и воздуха; ∆Qк2 - теплота трения, выделяющаяся при движении воды или воздуха через конденсатор (как правило, эта величина мала и ее можно не учитывать).
Массовый расход внешней среды (воды или воздуха) (кг/с)
, (2.19)
где сw - теплоемкость внешнего источника (воды или воздуха); Тw1, Тw2 - температура внешнего источника при входе и выходе из конденсатора.
Далее определяются энергетические показатели холодильной машины:

работа изоэнтропного процесса сжатия (кДж/кг)
ls = h2 – h1; (2.20)
мощность изоэнтропного процесса сжатия (кВт)
Ns = Gals. (2.21)
В реальном компрессоре существуют, наряду с объемными, также и энергетические потери, которые характеризуются эффективным КПД ηе. Мощность, которая необходима для привода реального компрессора, называется эффективной мощностью Nе и определяется из соотношения:
Ne = Ns / ηе. (2.22)
Действительный холодильный коэффициент реальной холодильной машины εд определяется с учетом всех потерь и затрат на производство холода в количестве Q0:

, (2.23)
где - суммарная мощность насосов (или вентиляторов), необходимая для движения внешних источников через конденсатор и испаритель, а также мощность масляных насосов, компрессоров, если они имеют индивидуальный привод.

Следует обратить внимание, что холодильный коэффициент εд не учитывает энергетических затрат на транспортировку хладоносителя к охлаждаемому объекту, затрат на привод вентиляторов и насосов градирни, а также других затрат энергии, связанных с эксплуатацией холодильной установки, частью которой является холодильная машина.

^ Одноступенчатая холодильная машина с водяным теплообменником (переохладителем). Принципиальная схема, представленная на рис. 2.5, отличается от предыдущей тем, что перед дроссельным вентилем установлен теплообменник, в котором переохлаждается рабочее вещество в процессе 3′-3. Остальные процессы идут так же, как в предыдущем цикле. Следует отметить, что при изображении циклов с охлаждением жидкого рабочего вещества ниже температуры конденсации на s-Т-диаграмме необходимо иметь в виду, что линия процесса 3′-3, совпадающая с левой пограничной кривой, показана условно, так как, строго говоря, изобары в области жидкости идут более полого, чем левая пограничная кривая. Изображение процесса 3′-3 по левой пограничной кривой практически не влияет на анализ и расчеты цикла.

Охлаждение происходит за счет внешнего источника с более низкой температурой, например артезианской воды. Понижение температуры рабочего вещества перед дроссельным вентилем ведет к увеличению удельной массовой холодопроизводительности на величину ∆q0 = h3′ - h3 (см. рис. 2.4 на стр. 15).

Рис. 2.5. Схема одноступенчатой холодильной машины

с водяным теплообменником

При повышении холодопроизводительности машины ∆Q = Gа∆q0, однако при этом затрачивается мощность для привода водяного насоса Nв.н.т.

Действительный холодильный коэффициент реальной холодильной машины

. (2.24)
Как правило, увеличение холодопроизводительности ∆Q влияет на εд в большей степени, чем Nв.н.т, и εд увеличивается, однако в любом случае необходимо сделать технико-экономический анализ.

Особенности расчета цикла:

1. Температура хладагента на выходе из переохладителя (в точке 3) принимается на 3-5 ºС выше температуры артезианской воды на входе в переохладитель.

2. Тепловая нагрузка на переохладитель Qпо = Gа (h3′ - h3).

3. Массовый расход артезианской воды (кг/с)
, (2.25)
где сw - теплоемкость воды; ТАР1, ТАР2 - температура артезианской воды при входе и выходе из переохладителя.
^ Одноступенчатая холодильная машина с регенеративным теплообменником. Охладить рабочее вещество перед дроссельным вентилем, чтобы сократить необратимые потери, можно холодным паром, идущим из испарителя. Принципиальная схема такой машины показана на рис. 2.6. В этой машине пар рабочего вещества в состоянии 1" направляется в регенеративный теплообменник, где охлаждает жидкое рабочее вещество, которое идет из конденсатора.


Рис. 2.6. Схема холодильной машины с регенеративным теплообменником

В результате теплообмена пар нагревается (процесс 1"-1), а жидкость охлаждается (процесс 3′-3), вследствие этого повышается удельная массовая холодопроизводительность цикла на величину ∆q0 = h3′ - h3. Однако при этом увеличивается и работа, затраченная в компрессоре, так как повышение температуры всасывания влечет за собой увеличение работы на величину ∆lк. Поэтому эффективность этого цикла, холодильный коэффициент которого ε = (q0 + ∆q0) / (ls + ∆lк), зависит от соотношения ∆q0/∆lк, т.е. от термодинамических свойств рабочих веществ.

Действительный холодильный коэффициент реальной холодильной машины

, (2.26)
где ∆Nе - увеличение мощности, затраченной на привод компрессора из-за повышения температуры всасывания.
Регенеративный цикл применяют для высокомолекулярных рабочих веществ, к которым относятся хладоны, так как эти вещества имеют относительно большие необратимые потери, связанные с дросселированием. Применение этого цикла для низкомолекулярных рабочих веществ, например, для аммиака, который имеет относительно большие необратимые потери, связанные с перегревом, ведет к понижению холодильного коэффициента, так как в этом случае сокращается меньшая часть потерь (связанная с дросселированием) и увеличивается большая часть потерь (связанная с перегревом). Поэтому для аммиачных холодильных машин схему с регенеративным теплообменником не применяют.

Для хладоновых холодильных машин наличие регенеративного теплообменника имеет ряд положительных факторов.

Прежде всего, регенеративный теплообменник способствует организации циркуляции масла в системе холодильной машины. Из испарителя рабочее вещество отбирается в состоянии сухого насыщенного пара (или влажного пара со степенью сухости 0,95-0,98), поэтому вместе с паром из испарителя выходят капельки жидкого рабочего вещества, в котором растворено масло. В теплообменнике жидкое рабочее вещество испаряется, а масло по всасывающему трубопроводу возвращается в компрессор. Если удаления масла из испарителя не организовать, то его концентрация в испарителе будет постоянно расти, что отрицательно сказывается на эффективности машины. С другой стороны, будет уменьшаться количество масла в маслосистеме, что при отсутствии автоматической защиты может привести к серьезной аварии.

Кроме того, регенеративный теплообменник защищает поршневой компрессор от гидравлического удара, т.е. от попадания жидкого рабочего вещества в цилиндр компрессора, также приводящего к аварии. Перегрев рабочего вещества на всасывании ведет также к повышению объемных и энергетических коэффициентов компрессоров объемного принципа действия. Следует остановиться на расчете цикла холодильной машины с регенеративным теплообменником. Как уже отмечалось, рабочее вещество в точке 1" - это сухой насыщенный пар или влажный пар при х = 0,95 + 0,98. Нагрев рабочего вещества в процессе 1"-1 принимают около 20 ºС. Эта величина может изменяться в зависимости от условий работы машины. Параметры рабочего вещества в точке 3 определяют из теплового баланса регенеративного теплообменника h1 – h1" = h3′ - h3, откуда h3 = h3′ - (h1 – h1").

Остальные величины, характеризующие цикл, определяют так же, как в предыдущем случае.

^ Одноступенчатая холодильная машина с регенеративным теплообменником и бессальниковым компрессором. В холодильных машинах малой и средней производительности часто применяют бессальниковые и герметичные компрессоры, т.е. компрессоры, которые расположены в одном кожухе с электродвигателем, охлаждаемым холодным паром рабочего вещества. При этом происходит нагрев паров холодильного агента (процесс 1-1*), идущего затем во всасывающую полость компрессора. Принципиальная схема и цикл на h-р-диаграмме такой холодильной машины показаны на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Схема и цикл одноступенчатой холодильной машины

с бессальниковым компрессором

Все узловые точки цик­ла определяют так же, как и в предыдущей схеме, за исключением точек 1*, 2*. Точку 1* определяют из теплового баланса процесса охлаждения электродвигателя методом последовательных приближений, а точку 2* построением. Количество теплоты (кВт), которое выделяется электродвигателем,

ΔQЭл = Nэл(1 – ηэл),
где Nэл - мощность, потребляемая электродвигателем; ηэл - КПД электродвигателя.
Количество теплоты (кВт), которое подводится к рабочему веществу при его движении через электродвигатель в процессе 1-1*, ΔQр.в = Gа(h1* – h1).

Так как QЭл = ΔQр.в, то Nэл(1 – ηэл) = Gа(h1* – h1), откуда после некоторых преобразований получают

(2.27)
Задаваясь нагревом рабочего вещества в электродвигателе Т1* - Т1 ≈ 30÷40 °С, по диаграмме определяют значения h1* и h2*, подставляют значение l = h2* - h1* в уравнение (2.27).

Значения КПД электродвигателя ηэл и эффективного КПД компрессора ηе определяют по справочной литературе. Определив значение h1* по уравнению (2.27), сравнивают его со значением h1*, которое было установлено по диаграмме. Если расхождение большое, расчет повторяют.

2.2. Теоретические циклы и принципиальные схемы

двухступенчатых холодильных машин
^ Влияние многоступенчатого сжатия и дросселирования на необратимые потери и энергетическую эффективность в циклах холодильных машин. При увеличении отношения давлений РК0 необратимые потери, связанные с дросселированием, возрастают. При замене однократного дросселирования на двукратное (многократное) необратимые потери, связанные с дросселированием, сокращаются. Это является одной из причин перехода к многоступенчатому сжатию.

Увеличение степени повышения давления рк0 и разности давлений рк - р0 ведет к уменьшению объемных и энергетических коэффициентов, т.е. к снижению эффективности холодильной машины в целом, росту температуры нагнетания, что может вызвать температурные деформации, пригорание масла в нагнетательных клапанах поршневых компрессоров и, как крайний случай, самовозгорание масла. Избежать этого можно путем сжатия в несколько этапов с промежуточным охлаждением пара.

При увеличении отношения рк0 степень сухости рабочего вещества в конце дросселирования увеличивается, т.е. растет количество пара, поступающего в испаритель, этот пар ухудшает интенсивность теплообмена. В то же время этот пар необходимо сжимать в интервале давлений рк0. Очевидно, что целесообразнее осуществлять ступенчатое дросселирование с отбором образовавшегося пара.

Все перечисленные факторы являются причинами, по которым при рк0 ≥ 8 необходимо переходить к многоступенчатому сжатию. Однако при переходе к многоступенчатому сжатию требуются дополнительные капитальные затраты, так как появляется необходимость в дополнительных компрессорах, промежуточных сосудах, увеличивается длина трубопроводов и т.д. Поэтому решение о многоступенчатом сжатии необходимо принимать после технико-экономичес-ких расчетов для конкретных внешних условий и требований к холодильной машине.

^ Выбор промежуточного давления в двухступенчатых холодильных машинах. Выбор промежуточного давления рm зависит от требований, предъявляемых к холодильной машине. Существует несколько способов выбора рm. Один из способов заключается в том, что промежуточное давление выбирается по условию минимальной суммарной работы, затраченной на сжатие рабочего вещества в обеих ступенях.

Суммарная работа, затраченная на изоэнтропное сжатие рабочего вещества в компрессорах первой и второй ступенях,
(2.28)
где - удельные объемы рабочего вещества при всасывании в первую и вторую ступени соответственно.
Если принять, что температуры всасывания в компрессоры первой и второй ступеней одинаковы и рабочее вещество подчиняется законам идеального газа, то р0= рm= RТвс, тогда после некоторых преобразований получают
(2.29)
Для определения значения рm, при котором суммарная работа минимальна, находят производную . После дифференцирования и некоторых преобразований получают , откуда
(2.30)
Это выражение является приближенным, так как рабочее вещество в процессе сжатия не является идеальным газом и температуры всасывания в первой и второй ступенях различны.

Второй способ определения рm - по максимальному холодильному коэффициенту. Для этого задаются несколькими значе­ниями рm, и для каждого значения рm строят цикл и определяют холодильный коэффициент. Для упрощения расчетов можно сначала определить рm по уравнению (2.30), а следующие значения выбирать меньше и больше этого значения. После определения нескольких значений ε строят зависимость ε = fm), определяют εmах и промежуточное давление, которое соответствует максимальному холодильному коэффициенту.

Третий способ - по минимальной суммарной теоретической объемной производительности компрессоров первой и второй ступеней ΣVT. Для этого задаются несколькими значениями рm, определяют объемную производительность компрессора первой ступени и второй ступени для каждого из рm и строят зависимость ΣVT = fm). По минимальному значению ΣVT выбирают рm.

Расчеты показывают, что для двухступенчатой аммиачной холодильной машины при Тк = 303 К, Т0 = 223 К промежуточное давление, определенное по зависимости ε = fm), равно 0,2 МПа, по зависимости ΣVT = fm) - 0,18 МПа, а по уравнению (2.30) - 0,215 МПа.

Как следует из этих расчетов, промежуточные давления, определенные разными способами, различаются незначительно, поэтому для общих инженерных расчетов можно пользоваться уравнением (2.30), а для более точных расчетов или при наличии особых требований к машине - выбирать второй или третий способы.

^ Двухступенчатые холодильные машины с однократным дросселированием

Двухступенчатая холодильная машина со змеевиковым промежуточным сосудом и неполным промежуточным охлаждением. Принципиальная схема и теоретический цикл такой холодильной машины показаны на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Схема и теоретический цикл двухступенчатой холодильной машины

Рабочее вещество в состоянии сухого насыщенного пара (точка 1) поступает в компрессор первой ступени I, где изоэнтропно сжимается (процесс 2-1) и направляется в промежуточный теплообменник II. В теплообменнике рабочее вещество охлаждается (процесс 2-3) за счет окружающей среды. Наличие теплообменника не обязательно и зависит от режима работы машины и рабочего вещества, так как если точка 2 находится на уровне температуры окружающей среды, то его установка теряет смысл. После теплообменника происходит смешение рабочего вещества, идущего из первой ступени и из промежуточного сосуда VI. После смешения состояние рабочего вещества определяется точкой 4. Затем рабочее вещество поступает в компрессор второй ступени III, где изоэнтропно сжимается (процесс 4-5), потом - в конденсатор IV, где сначала охлаждается до состояния сухого насыщенного пара и конденсируется (процесс 5-6). Большая часть рабочего вещества идет через змеевик промежуточного сосуда, а меньшая - дросселируется во вспомогательном дроссельном вентиле V (процесс 6-7). В промежуточном сосуде влажный пар, который получился после дросселирования, делится на составляющие: сухой насыщенный пар (состояние 8), идущий во вторую ступень, и насыщенную жидкость (состояние 9), скапливающуюся в нижней части промежуточного сосуда. Под воздействием теплоты, которая поступает от рабочего вещества, идущего по змеевику, жидкость кипит при давлении рm. Пар, образовавшийся при кипении, также отсасывается компрессором второй ступени. Рабочее вещество, которое идет по змеевику, охлаждается (процесс 6-10), затем дросселируется в основном дроссельном вентиле VII (процесс 10-11) и поступает в испаритель VIII, где кипит (процесс 11-1).

В задачу теплового расчета теоретического цикла двухступенчатой холодильной машины входит определение теоретических объемов компрессоров первой и второй ступеней, мощности, необходимой для привода компрессоров, холодильного коэффициента. Исходными величинами являются: холодопроизводительность Q0 (кВт); внешние источники (или температуры конденсации и кипения), а также рабочее вещество.

Промежуточное давление рm определяют одним из методов, описанных ранее. Температуру рабочего вещества в точке 10 находят из условий недорекуперации при охлаждении жидкости в змеевике T10 ≈ Тm + (2÷5). Состояние рабочего вещества в точке 4 находят из уравнения смешения сухого насыщенного пара, идущего из промежуточного сосуда, и рабочего вещества после теплообменника: G = G+ (G - G)h8, откуда
h4 = h8 + G, (2.31)
где G, G - массовый расход рабочего вещества компрессоров первой и второй ступеней.
Величину Gопределяют по заданной холодопроизводительности
G (2.32)
Расход рабочего вещества второй ступени можно определить двумя способами: из материального или теплового балансов промежуточного сосуда. Материальный баланс промежуточного сосуда
G = G+ (G - G7 + С'а, (2.33)
где х7 - степень сухости пара в точке 7; G'а - масса рабочего вещества, испаряющегося в промежуточном сосуде под воздействием теплоты рабочего вещества, которое идет по змеевику.
С'а(h8 – h9) = G(h6 – h10) (2.34)
Подставив в уравнение (2.33) значения х7 = (h7 - h9) / (h8 - h9) и GIа, выраженные из уравнения (2.34), получают
G = G (h8 - h10) / (h8 - h7). (2.35)
Тепловой баланс промежуточного сосуда
Gh6 = Gh10 + (G- G)h8. (2.36)

Откуда следует
G = G (h8 - h10) / (h8 - h7), (2.37)
т.е. получился такой же результат, как и на основании материального баланса.

Следует обратить внимание на то, что G больше G, т.е. на 1 кг рабочего вещества первой ступени приходится G/ G > 1 во второй, поэтому изображение процессов второй ступени на тепловых диаграммах условно, так как они составлены для 1 кг вещества.

После определения G и G находят необходимую объемную производительность компрессоров первой VI и второй VII ступеней по условиям всасывания:
VI = G v1; VIh = VI / λ1; (2.38)

VII = G v4; VIIh = VII / λ2. (2.39)
Мощности компрессоров
NIе = NIs / ηIе; (2.40)

NIIе = NIIs / ηIIе. (2.41)


Холодильный коэффициент теоретического цикла
. (2.42)


Холодильный коэффициент действительного цикла
. (2.43)
Двухступенчатая холодильная машина со змеевиковым промежуточным сосудом и полным промежуточным охлаждением. Эта схема (рис. 2.9) отличается от предыдущей тем, что рабочее вещество после промежуточного холодильника II идет в промежуточный сосуд VI.


Рис. 2.9. Схема и теоретический цикл двухступенчатой холодильной машины

со змеевиковым промежуточным сосудом и полным промежуточным охлаждением

В промежуточном сосуде рабочее вещество за счет непосредственного контакта с более холодным жидким рабочим веществом, температура которого равна Тm, охлаждается до состояния сухого насыщенного пара при давлении рm (точка 4). После этого рабочее вещество всасывается компрессором второй ступени III, и далее процесс проходит, как в предыдущей схеме.

Материальный баланс промежуточного сосуда
G = G+ (G - G)x7 + G'а + G"а, (2.44)
где х7 - степень сухости рабочего вещества после процесса дросселирования 6-7; G'а - масса сухого насыщенного пара, образовавшегося в промежуточном сосуде под воздействием теплоты, которая идет от рабочего вещества, поступающего по змеевику; G"а - масса сухого насыщенного пара, образовавшегося в промежуточном сосуде под воздействием теплоты, поступающей от рабочего вещества первой ступени.
Составляющие формулы (2.44) определяют из уравнений:
; (2.45)

G(h4 – h8) = G(h6 – h9); (2.46)

G(h4 – h8) = G(h3 – h4); (2.47)

G. (2.48)
Однако значительно проще G можно определить из теплового баланса промежуточного сосуда
Gi6 + Gi3 = Gi4 + Gi9, (2.49)

откуда

G= G(i3 – i9) / (i4 – i6). (2.50)
Определение объемных производительностей, мощностей и холодильных коэффициентов не отличается от предыдущей схемы (см. формулы (2.38)-(2.43)).

Двухступенчатые холодильные машины с двукратным дросселированием

Двухступенчатая холодильная машина с неполным промежуточным охлаждением. Принципиальная схема и теоретический цикл этой машины представлены на рис. 2.10.

Рабочее вещество после изоэнтропного сжатия в компрессоре первой ступени I (процесс 1-2) охлаждается в промежуточном теплообменнике II (процесс 2-3). Наличие теплообменника II не обязательно и зависит от условий работы машины и рабочего вещества. После теплообменника рабочее вещество первой ступени смешивается с сухим насыщенным паром, который идет из промежуточного сосуда VI. После смешения состояние рабочего вещества характеризуется состоянием 4. Затем происходит сжатие в компрессоре второй ступени III (процесс 4-5). После охлаждения и конденсации при давлении рк в конденсаторе IV за счет отвода теплоты в окружающую среду (процесс 5-6) рабочее вещество дросселируется (процесс 6-7) в дроссельном вентиле V. Следует отметить, что в схемах с двукратным дросселированием в первом дроссельном вентиле дросселируется все рабочее вещество, а не часть его, как в схемах с однократным дросселированием. После дросселирования рабочее вещество находится в состоянии влажного пара. В промежуточном сосуде VI оно разделяется на насыщенную жидкость состояния 9 и сухой насыщенный пар состояния 8. Пар отсасывается компрессором второй ступени, а жидкость дросселируется во втором дроссельном вентиле VII (процесс 9-10), затем поступает в испаритель VIII, где кипит (процесс 10-1) вследствие подвода теплоты от источника низкой температуры при давлении р0. Пар, образовавшийся при кипении, отсасывается компрессором первой ступени.

Рис. 2.10. Схема и теоретический цикл двухступенчатой холодильной машины

с двукратным дросселированием и неполным промежуточным охлаждением

Состояние рабочего вещества при всасывании в компрессор второй ступени (точка 4) определяют из уравнения смешения:
Gh4 = Gh3 + (G+ G)h8. (2.51)

Массовый расход рабочего вещества первой ступени
G.
Материальный баланс промежуточного сосуда
G = G + Gx7,

где x7 = (h7 - h9) / (h8 - h9).
Тогда

G = G (h8 - h9) / (h8 - h7). (2.52)
То же самое можно получить из теплового баланса промежуточного сосуда:
Gh6 = Gh9 + (G+ G)h8, (2.53)

G = G (h8 - h9) / (h8 - h7). (2.54)
Далее рассчитывают объемные производительности, мощности и холодильный коэффициент (см. формулы (2.38)-(2.43)).

Двухступенчатая холодильная машина с полным промежуточным охлаждением (рис. 2.11). В схеме данной машины рабочее вещество после промежуточного теплообменника II поступает в промежуточный сосуд VI, где охлаждается до состояния сухого насыщенного пара (точка 4) при непосредственном контакте с жидким рабочим веществом температурой Тm.

Массу образовавшегося при этом пара определяют по уравнению:
(2.55)
Материальный баланс промежуточного сосуда
G = G + Gx7 +. (2.56)
Массовый расход рабочего вещества первой ступени
G. (2.57)

Степень сухости пара
x7 = (h7 - h8) / (h4 - h8). (2.58)


Тепловой баланс промежуточного сосуда
Gh6 + Gh3 = Gh8 + Gh4, (2.59)

откуда

G (2.60)

Рис. 2.11. Схема и теоретический цикл двухступенчатой холодильной машины

с двукратным дросселированием и полным промежуточным охлаждением

Далее ведут расчет по вышеуказанной методике (см. уравнения (2.38)-(2.43)).

^ Сравнение энергетической эффективности теоретических циклов двухступенчатых холодильных машин с промежуточным сосудом. Для сравнения энергетической эффективности циклов с однократным и двукратным дросселированием необходимо рассмотреть их холодильные коэффициенты. В том случае, когда охлаждение рабочего вещества, идущего по змеевику промежуточного сосуда (в цикле с однократным дросселированием), происходит при бесконечно малой разности температур, оба цикла будут равнозначны.

Так как в реальных условиях теплообмен идет при конечной разности температур, то в цикле с однократным дросселированием появляются необратимые потери, связанные с действительным процессом теплообмена. Удельная массовая холодопроизводительность цикла с двукратным дросселированием больше, чем в цикле с однократным дросселированием, поэтому теоретический холодильный коэффициент цикла с двукратным дросселированием больше.

Однако, несмотря на меньшую энергетическую эффективность, холодильные машины, работающие по циклу с однократным дросселированием, имеют ряд эксплуатационных преимуществ, поэтому они широко распространены.

Таким образом, при выборе схемы двухступенчатой холодилъной машины нужно учитывать такие факторы, как внешние источники, рабочее вещество, конкретный охлаждаемый объект и многие другие.

^ Двухступенчатая холодильная машина с теплообменниками. В двухступенчатой холодильной машине, принципиальная схема и действительный цикл которой показаны на рис. 2.12, в качестве рабочего вещества используется в основном хладон 22. Рабочее вещество поступает в компрессор первой ступени в состоянии 1. Процесс 1-2 - сжатие в компрессоре первой ступени I, процесс 2-3 - охлаждение в промежуточном теплообменнике II. Состояние 4 определяется смешением рабочего вещества первой ступени и пара, который поступает из жидкостного теплообменника VI. Процесс 1-5 - сжатие в компрессоре второй ступени III.

В состоянии 5 рабочее вещество входит, а в состоянии 6 выходит из конденсатора IV. Процессы 6-7 и 7-8 - охлаждение рабочего вещества в парожидкостном теплообменнике V за счет пара, идущего из испарителя, и в теплообменнике VI за счет кипения жидкости при температуре Тm, которая подается через дроссельный вентиль VII. Пар, образовавшийся в теплообменнике VI, отсасывается компрессором второй ступени. Охлажденное рабочее вещество в состоянии 8 дросселируется в основном дроссельном вентиле VIII (процесс 8-9) и поступает в испаритель IX. В состоянии 12 рабочее вещество выходит из испарителя, пройдя через теплообменник V (процесс 12-1), всасывается компрессором первой ступени.

Рис. 2.12. Схема и цикл двухступенчатой холодильной машины с теплообменниками

Значения Т0, р0, Тк, рк и рm находят так же, как и в предыдущих циклах.

Температурой всасывания в компрессор первой ступени задаются (t1 = t0 + 15 ºС). Положение точки 4 определяют из уравнения смешения:
(2.61)
Состояние рабочего вещества в точке 7 находят из теплового баланса теплообменника V

(2.62)
Температура рабочего вещества в точке 8 задается по условиям теплообмена T8 ≈ Тm + 5. Положение точки 12 определяется свойствами рабочего вещества. Это может быть состояние влажного пара (х = 0,98) или перегретого пара (Т12 = Т0 + 2÷3). Можно поставить точку 12 на правой пограничной кривой.

При заданной холодопроизводительности Q0 расход рабочего вещества в первой ступени

(2.63)
Для определения расхода рабочего вещества во второй ступени составляют тепловой баланс системы, которая состоит из теплообменников V и VI и дроссельного вентиля VII. Уравнение теплового баланса будет иметь вид:
(2.64)

откуда

(2.65)
Затем по формулам (2.38)-(2.43) можно определить остальные необходимые величины.

Двухступенчатая холодильная машина с двумя испарителями. В некоторых случаях появляется необходимость с помощью одной холодильной машины отвести теплоту от двух источников с низкими температурами, например Тs2 и Т´s2, причем Тs2 ниже, чем Т´s2. Для этого в схему двухступенчатой холодильной машины с двукратным дросселированием необходимо включить второй испаритель. Цикл такой машины и ее принципиальная схема показаны на рис. 2.13.


Рис. 2.13. Схема и действительный цикл холодильной машины с двумя испарителями

Давления р0, рк определяют так же, как в предыдущих примерах. Давление рm зависит от конкретных условий. Если нет жестких требований по значению Тs2, тогда рm определяют по данным ранее методикам. В том случае, когда по технологическому процессу необходимо получить определенное значение Т´s2, тогда

, (2.66)
где ΔТ и () определяются типом испарителя.
В этом случае давление рm, которое установится в испарите VII и в промежуточном сосуде VI при температуре Тm, может не соответствовать оптимальному промежуточному давлению, оп­ределенному по указанным ранее методикам.

Массовый расход рабочего вещества через второй испаритель зависит от его холодопроизводительности :
(2.67)
Массовый расход рабочего вещества через первый испаритель при заданной холодопроизводительности Q0

. (2.68)
Состояние рабочего вещества при входе в промежуточный сосуд (точка 4) находят из уравнения смешения:

(2.69)
Массовый расход рабочего вещества второй ступени определяют из теплового баланса промежуточного сосуда
(2.70)

откуда

(2.71)
Вентиль X служит для регулирования подачи рабочего вещества во второй испаритель.

Остальные величины, которые характеризуют холодильную машину, определяют так же, как в предыдущих схемах.

Данная холодильная машина по термодинамической эффек­тивности не отличается от одноступенчатой в интервале температур Тmk и двухступенчатой в интервале температур Т0к.

Однако в действительных условиях двухступенчатая холодильная машина на две температуры кипения выгоднее вследствие сокращения эксплуатационных затрат. Капитальные затраты тоже меньше.
1   2   3   4   5



Скачать файл (3741.5 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации