Сравнение циклов

Принципиальная схема и цикл одноступенчатой фреоновой холодильной машины

Принципиальная схема и цикл одноступенчатой аммиачной холодильной машины

Принципиальная схема одноступенчатой аммиачной холодильной машины показана на рис 2, а, ее теоретический цикл (обратный круговой процесс) в i, lgp-диаграмме — на рис. 2, б и в s, Т-диаграмме — на рис. 2, в.

Рис. 2. Принципиальная схема (а) н цикл на i, lgp-диаграмме (б) и s, T-диаграмме

(в) одноступенчатой аммиачной холодильной машины:

КМ — компрессор; КД — конденсатор; И — испаритель; РВ — регулирующий вентиль

Принципиальная схема включает лишь основные элементы машины, необходимые для осуществления ее цикла. Вспомогательные элементы (аппараты, арматуру и др.), которые могут играть существенную роль в обеспечении надежного и безопасного функционирования машины, на принципиальных схемах обычно не показывают.

Цифрами I, 2, 3 и т.д. на принципиальной схеме и диаграммах обозначают так называемые характерные точки, соответствующие состоянию хладагента в начале или конце процесса, происходящего в холодильной машине или каком-либо ее элементе.

На рис. 2 точка 1 соответствует состоянию перегретого пара, всасываемого компрессором. В целях предотвращения «влажного хода» (попадания в цилиндр компрессора частиц жидкости) пар в этой точке должен быть перегрет, т. е. иметь температуру на 5…10°С выше температуры насыщенного пара в точке .

Процесс перегрева пара может происходить внутри испарителя, частично во всасывающем трубопроводе и во всасывающей полости самого компрессора. Обычно перегрев в трубопроводе при рассмотрении принципиальных схем и циклов не учитывают. На рис. 2 показано, что точка находится «внутри» испарителя.

Процесс сжатия пара 1-2 осуществляется в компрессоре. Пар сжимается от давления кипения р₀ до давления конденсации р_к. Этот процесс считают изоэнтропным (s=const), протекающим без трения между молекулами и без теплообмена с окружающей средой, - особый случай адиабатного процесса.

В точке 2 хладагент находится в состоянии сильно перегретого пара при давлении р_к. Для совершения процесса сжатия 1-2 необходимо затратить работу l в кДж/кг, которую можно определить как разность энтальпий в конце и начале процесса:

l =i₂-i₁,

так как рост энтальпии пара пропорционален затраченной механической работе.

Для того чтобы осуществить процесс конденсации, необходимо сначала понизить температуру перегретого пара до температуры насыщенного пара при данном давлении р_к. Процесс охлаждения пара (сбив перегрева) 2 — 2" может происходить в конденсаторе и частично в нагнетательном трубопроводе. Точка 2" показана на рис. 2, а «внутри» конденсатора.

Процесс конденсации 2" — 3', т.е. превращения насыщенного пара в насыщенную жидкость, происходит при постоянных давлении р_к и температуре t_к и сопровождается отдачей теплоты среде, охлаждающей конденсатор. Это скрытая или удельная теплота конденсации

После завершения процесса конденсации при наличии соответствующих условий (необходимой теплообменной поверхности) жидкий хладагент может быть здесь же, в конденсаторе, переохлажден (процесс 3' — 3) от температуры насыщенной жидкости до более низкой температуры при том же давлении р_к.

Так как процессы 2—2", 2"—3' и протекают в конденсаторе, общая удельная теплота q_кд в кДж/кг, отводимая в конденсаторе:

Переохлажденный жидкий хладагент поступает в регулирующий вентиль, где осуществляется процесс дросселирования 3-4 (см. тему I). При этом давление падает от р_к до р₀, а температура понижается от t_з до t₀.

В процессе дросселирования полезная работа не совершается, а энергия в виде теплоты передается хладагенту и расходуется на частичное испарение жидкости. Поэтому при неизменной энтальпии возрастает его энтропия.

Процесс кипения 4 — I" хладагента происходит в испарителе при постоянных давлении р₀ и температуре t₀ и, так же как и процесс конденсации, является одновременно изобарическим и изотермическим. В процессах кипения 4 — 1" и перегрева 1" — 1 энтальпия хладагента возрастает от i₄ до i₁. Величину в кДж/кг называют удельной массовой холодопроизводительностью машины.

Для рассмотренного цикла 1— 2—3—4—1 холодильный коэффициент (см. тему 2)

а удельная теплота, отводимая в конденсаторе, равна сумме удельной массовой холодопроизводительности машины и работы сжатия:

Последнее уравнение отражает тепловой баланс холодильной машины, соответствующий первому закону термодинамики.

Особенностью фреоновых холодильных машин по сравнению с аммиачными является возможность использования компрессоров со встроенными электродвигателями (герметичных и бессальниковых), а также включения в схему регенеративного теплообменника (РТО), позволяющего повысить эффективность работы машины.

Принципиальная схема одноступенчатой фреоновой холодильной машины и ее теоретический цикл на (i, lg р-диаграмме показаны на рис. 3.

Рис. 3. Принципиальная схема (а) и цикл на 1. i, lgp-диаграмме (б) одноступенчатой фреоновой холодильной машины с регенеративным теплообменником и компрессором, имеющим встроенный электродвигатель: КМ — компрессор; ЭД — встроенный электродвигатель; КД — конденсатор; И —испаритель; РТО — регенеративный теплообменник

Пар из испарителя направляется в РТО, где он омывает змеевик, внутри которого протекает жидкий хладагент, поступающий из конденсатора. В результате теплообмена пар, забирая теплоту от жидкости, перегревается (процесс 1_и—1_то), а жидкость внутри змеевика переохлаждается (процесс 3—4).

Если пренебречь теплообменом с окружающей средой, то тепловой баланс РТО можно представить в виде равенства:

в котором разность энтальпий i₃ –i₄ равна теплоте, отводимой от 1 кг жидкого хладагента, а разность энтальпий i_1то-i_1и равна теплоте, подводимой к 1 кг пара, поступающего в РТО из испарителя.

Задаваясьперегревом пара в РТО

и определяя по диаграмме или таблице перегретого пара соответствующие значения энтальпий (i_1то и i_1и, из уравнения теплового баланса РТО находят энтальпию

По энтальпии i₄ на изобаре p_к = const определяют положение точки 4.

Из РТО пар поступает в кожух компрессора и, омывая обмотку статора встроенного электродвигателя, еще более перегревается (процесс 1_то— 1). Перегрев

зависит от КПД и мощности встроенного электродвигателя. При построении цикла величину q_эд принимают примерно равной 10... 15 °С.

Остальные процессы данного теоретического цикла, а также его построение аналогичны соответствующим процессам цикла и его построению для одноступенчатой аммиачной холодильной машины (см. рис. 2).

Дополнительно на рис. 3, б пунктиром показаны процессы: 3 — 6 — дросселирования в регулирующем вентиле при отсутствии РТО, 1_и — 7 — сжатия в компрессоре при отсутствии РТО и в компрессоре без встроенного электродвигателя (в этих случаях принципиальная схема и цикл машины не отличаются от показанных на рис. 2).

Из сравнения двух циклов, представленных на рис. 2 и 3, вытекает, что введение РТО позволяет повысить удельную массовую холодопроизводительность машины

но при этом возрастает перегрев всасываемого пара:

Общий перегрев всасываемого пара в РТО и встроенном электродвигателе компрессора

При этом следует учитывать, что необходимая удельная массовая холодопроизводительность компрессора

Величина q_0км в кДж/кг показывает, какое количество теплоты отводит 1 кг хладагента, поступающего в компрессор, при рабочих параметрах цикла р_а, Р_к, q₁.

В тепловом расчете используют также удельную объемную холодопроизводительность компрессора q_nкм в кДж/м³:

где v ₁— удельный объем пара, всасываемого в цилиндр компрессора, м³/кг.

При расчете холодильной машины обычно задаются тепловой нагрузкой на испаритель Q_H в кВт (кДж/с). Тогда количество циркулирующего хладагента (массовый расход) G_a в кг/с находят по отношению

G_а = Q_H/q₀,

а необходимую холодопроизводительность компрессора Q_0км в кВт из выражения

При этом объем пара, всасывае­мого компрессором, V_км в м³/с:

Для того чтобы лучше проиллюстрировать существо расчета циклов холодильных машин, а также зависимость основных параметров от рабочих условий и вида хладагента, проведен сравнительный расчет цикла 1_и—7— 3 — 6 —1_и для одноступенчатых аммиачной и фреоновой (на R12) холодильных машин и цикла 1— 2 — 4 —5—1 для одноступенчатой фреоновой машины с РТО и встроенным электродвигателем.

Были приняты следующие рабочие условия: t₀=-15 °С, t_к=30 °C, q_1и=5°С, q₃=3°С, q_1то = t_1то – t_1и =20°C, q_эл=t₁ - t_lTO=10°C, Q_и = 10кВт. Результаты сравнительного расчета приведены в таблице.

Величины	Цикл на R717 (аммиаке)	Циклы на R12
с РТО встроенным электродвигателем компрессора	без РТО
Энтальпия, кДж/кг, в точке
1и
	—		—
	—		—
	—		—
		—
		—
1то	—		—
Удельный объем всасывае-мого пара n, м^3/кг	0,52	n1=0,106	n1и=0,093
Удельная массовая холодо-производительность машины q0, кДж/кг
Работа сжатия l, кДж/кг
Холодильный коэффициент e	5,26	4,79	4,88
Количество циркулирующего хладагента Ga, кг/с	0,009	0,075	0,082
Удельная массовая холодо-производительность компрессора q0км, кДж/кг
Удельная объемная холодо-производительность компрессора qnкм, кДж/м^3
Объем всасываемого ком-прессором пара Vкм, м^3/с	4,7×10^-3	7,95×10^-3	7,63×10^-3
Необходимая холодопроиз-водительность компрессора Q0км, кВт	10,0	11,5	10,0

Анализ приведенных данных показывает, что при работе холодильной машины на R12 с РТО и компрессором, имеющим встроенный электродвигатель, удельная массовая холодопроизводительность машины q₀ увеличивается примерно на 10 %, но одновременно работа сжатия l также возрастает примерно на 12 %. Это приводит к незначительному, примерно на 2 %, уменьшению холодильного коэффициента e, увеличению объема всасываемого компрессором пара V_KM на 4 % и необходимой холодопроизводительности компрессора Q_0km на 15%.

Таким образом, введение РТО в схему холодильной машины не улучшает ее энергетической эффективности, соответствующей холодильному коэффициенту e. Применение РТО объясняется практическими условиями работы фреоновых холодильных машин, в первую очередь уносом капель жидкого хладагента из испарителей змеевикового типа и необходимостью обеспечить возврат масла в картер компрессора.

Дополнительный перегрев пара в электродвигателе также отрицательно влияет на холодильный коэффициент e и приводит к увеличению объема всасываемого компрессором пара V_KM, а следовательно, габаритных размеров и металлоемкости компрессора. Однако использование компрессора со встроенным электродвигателем позволяет существенно повысить герметичность всей машины и уменьшить габаритные размеры и металлоемкость компрессорного агрегата.

Расчетные данные цикла на аммиаке (R7I7) подтверждают лучшие, по сравнению с R12, термодинамические свойства аммиака (см. тему 3).

При работе на аммиаке удельная массовая холодопроизводительность машины q₀ возрастает в 9 раз, но, так как при этом увеличивается и работа сжатия l, холодильный коэффициент повышается лишь на 8 %, а объем всасываемого пара V_км уменьшается примерно на 60 %. Это позволяет создавать аммиачные машины с меньшими габаритными размерами и металлоемкостью, чем у фреоновых машин.

ТЕМА 5

Дата добавления: 2013-12-11