Циклы и схемы холодильных машин с многоступенчатым сжатием

Принципиальная схема и цикл фреоновой холодильной машины с регенеративным теплообменником

Оптимальным циклом для холодильных машин, работающих на фреонах, является цикл с регенерацией тепла. Идея цикла заключается в глубоком переохлаждении жидкого агента перед дросселированием (что, как мы убедились ранее, приводит к увеличению холодильного коэффициента) за счет холодопроизводительности обратного потока пара, образовавшегося в испарителе холодильной машины. Процесс обмена теплотой между жидкостью и паром обычно осуществляют в специально включенном в схему теплообменном аппарате – регенеративном теплообменнике (РТО). Отсюда и иногда употребляемое название цикла – регенеративный (рис. 3.8).

Большинство процессов этого цикла аналогичны процессам, изображенным на рис. 3.6. Исключение составляют процессы перегрева пара 1,1 ' и переохлаждения жидкого агента 4, 4 ', которые протекают в РТО.

Имея в виду то, что количество теплоты, полученное паром в процессе его перегрева, должно быть равным количеству тепла, отведенному от жидкости, можно записать уравнение теплового баланса РТО ІІІ:

,

или, помня, что процессы 1, 1 ' и 4, 4 ' изобарные,

. (3.3)

Рис. 3.8. Принципиальная схема и цикл фреоновой холодильной машины с РТО: I – компрессор, II – конденсатор, III – РТО, IV – РВ, V – испаритель

Уравнение (3.3) необходимо использовать при тепловом расчете цикла фреоновой холодильной машины. Холодильный коэффициент цикла с РТО может быть записан аналогично предыдущему случаю:

.

При рассмотрении цикла с РТО может возникнуть вопрос, в каких случаях целесообразно его использовать. Для ответа на этот вопрос сопоставим его с циклом без регенерации. Холодильный коэффициент цикла без регенерации можно записать как e = q ₀ / l.

При наличии в схеме РТО имеет место переохлаждение жидкого агента, что приводит к увеличению удельной холодопроизводительности на величину D q ₀ (заштрихованная площадь), и, соответствующему увеличению работы цикла D l. Холодильный коэффициент такого цикла можно записать:

,

т.е. .

Следовательно, регенерация целесообразна в случае, когда соблюдаетсяусловие D q ₀/ q ₀ > Dl/ l. Выполнимость этого условия зависит от термодинамических свойств используемого в цикле холодильного агента, в частности, от угла наклона к правой пограничной кривой изобар перегретого пара. Для большинства хладонов в области низких температур регенерация практически выгодна. Для аммиака – нет. Кроме того, следует иметь в виду, что использование регенеративного теплообмена в цикле холодильной машины приводит к увеличению температуры конца сжатия (точка 2). У фреонов она невелика, а у аммиака нередко превышает 150 °С, что приводит к ухудшению эксплуатационных показателей компрессора. С этих позиций также противопоказано введение регенерации в цикл аммиачной холодильной машины и нет препятствий для ее применения в циклах фреоновых холодильных машин. По такому циклу сегодня работают практически все холодильные машины малой мощности..

Количественной характеристикой качества реального цикла одноступенчатой холодильной машины может служить степень его термодинамического совершенства:

,

где e _к – холодильный коэффициент цикла Карно, .

Для хладона R134a, например, регенерация приводит к увеличению холодильного коэффициента. В некоторых случаях целесообразно перегревать пары фреона в РТО на 30...40 °С, что, в соответствии с уравнением (3.3), может привести к существенному снижению температуры жидкости перед РВ.

Цикл с регенерацией тепла в lg P,i – диаграмме приведен на рис. 3.9.

  Рис. 3.9. Цикл с регенерацией тепла

Расчет циклов компрессорных одноступенчатых холодильных машин удобно выполнять с помощью lg P, і – диаграммы. Исходными данными к такому расчету являются температуры кипения t ₀, конденсации t_к, и всасывания t_вс пара на входе в компрессор (точка 1 '). Расчет ведется в следующей последовательности (холодильный агент R134а, t ₀ = минус 10 °С, t_к = плюс 40 °C, t_вс = плюс 20 °C):

1. В диаграмме наносят горизонтальные линии t ₀ и t_к и определяют термодинамические параметры точек 1, 3 и 4 (рис. 3.9.). Параметры R134а рекомендуется внести в таблицу, составленную по приведенной ниже форме.

Поскольку перечисленные выше узловые точки цикла лежат на правой и левой пограничных кривых, для достижения большей точности, их параметры можно заимствовать и из таблиц свойств R134а в состоянии насыщения.

	t, °С	Р, МПа	v, м^3/кг	і, кДж/кг	s, кДж/кг×град
	минус 10	0,20	0,10		1,73
1 '		0,20	0,12		1,83
		0,103	0,025		1,83
		0,103	0,02		1,71
		0,103	–		–
4 '		0,103	–		–
	минус 10	0,20	–		–

2. На правой пограничной кривой находят изотерму, соответствующую t_вс и определяют положение точки 1 ' на пересечении изотермы t_вс и изобары Р ₀.

3. На пересечении адиабаты (s = const), проходящей через точку 1 ' и изобары Р_к, находят параметры точки 2.

4. Составляют уравнение теплового баланса РТО (3.3) и рассчитывают значение i _{4 '} :

= = 255 – (417 – 385) = 223 кДж/кг.

По значениям и Р_к находят точку 4 ' и по диаграмме – значение .

5. Из точки 4 ' опускают перпендикуляр до пересечения с изобарой Р ₀ и на пересечении этих линий – параметры точки 5.

6. Определяют удельную массовую холодопроизводительность:

кДж/кг.

7. Определяют удельную работу сжатия:

= = 458 – 417 = 41 кДж/кг.

8. Определяют холодильный коэффициент цикла холодильной машины:

.

9. Определяют удельную тепловую нагрузку на конденсатор:

458 – 255 = 203 кДж/кг.

10. Определяют степень термодинамического совершенства цикла холодильной машины:

.

где e _к – холодильный коэффициент обратного цикла Карно в заданном интервале температур, e _к = Т ₀ / (Т_к – Т ₀) = 6,58.

Поскольку температура кипения холодильного агента в испарителе холодильной машины зависит от величины давления в нем, для получения низкотемпературного холода приходится понижать давление Р ₀. С другой стороны, давление в конденсаторе является самоустанавливающимся параметром, поскольку, при прочих равных условиях, только зависит от температуры окружающей среды. Следовательно, с понижением температуры кипения агента t ₀ растет степень сжатия в компрессоре Р_к / Р ₀. А это приводит к ряду негативных явлений в работе холодильной машины. В связи с этим для получения низкотемпературного холода используют холодильные машины с многоступенчатым сжатием (чаще всего – двухступенчатые), в которых высокая степень сжатия холодильного агента преодолевается в несколько этапов.

Дата добавления: 2014-01-04