Циклы и схемы двухступенчатых холодильных машин

Наиболее простым циклом двухступенчатой холодильной машины является цикл с неполным промежуточным охлаждением и одним дросселированием холодильного агента (рис. 3.10).

  Рис. 3.10

Сжатие (1, 2 ') в одноступенчатом цикле 1, 2 ', 4, 5, 6 заменено здесь двухступенчатым с промежуточным охлаждением холодильного агента (2, 3) между сжатием в ступени низкого давления – СНД (1, 2) и в ступени высокого давления – СВД (3, 4). Промежуточное охлаждение обычно осуществляют проточной водой, для чего в схему холодильной машины включают дополнительный элемент – промежуточный холодильник. Температура точки 3 зависит от температуры проточной воды. Как правило, она несколько выше температуры точки 3 ' (точки 3 и 3 ' лежат на одной изобаре Р_пр), поэтому говорят, что в рассматриваемом цикле имеет место неполное промежуточное охлаждение пара холодильного агента.

Холодильный коэффициент этого цикла может быть определён как

. (3.4)

Нетрудно заметить, что в одноступенчатом цикле 1, 2 ', 4, 5, 6, осуществляемом в том же интервале давлений Р_к и Р ₀, при той же величине удельной массовой холодопроизводительности q ₀ теоретическая работа сжатия (площадь цикла) больше на величину, эквивалентную площади 2, 2 ', 4, 3. Ниже в цикле и температура конца сжатия в компрессоре (t ₄ < t _{2 '} ), что также является важным при оценке качества цикла холодильной машины.

При построении цикла (рис. 3.10) необходимо задаться величиной промежуточного давления Р_np. Можно показать, что целесообразно выбирать Р_пр из условий равной степени сжатия в компрессорах СНД и СВД, т.е. Р_пр / Р ₀ = Р_к / Р_пр откуда следует, что

. (3.5)

На практике цикл с неполным промежуточным охлаждением и одним дросселированием используется в низкотемпературных холодильных машинах небольшой мощности, например, в низкотемпературных шкафах, термобаро-
камерах и т.д. (рис. 3.11).

Рис. 3.11. Принципиальная схема и цикл фреоновой двухступенчатой холодильной машины с неполным промежуточным охлаждением и одним дросселированием: I – компрессор СНД, II – промежуточной холодильник, III – компрессор СВД, IV – конденсатор, V – РТО, VI – РВ, VII – испаритель, 1, 1 ' и 5, 5' – процессы в РТО

Недостатком цикла с неполным промежуточным охлаждением и одним дросселированием является наличие неполного промежуточного охлаждения холодильного агента (полное 2, 3 ', рис. 3.11 энергетически более выгодно) и большие потери холодопроизводительности при дросселировании холодильного агента (отрезок 6-7). От перечисленных недостатков избавлен цикл с полным промежуточным охлаждением и двойным дросселированием, который получил широкое распространение в двухступенчатых аммиачных холодильных машинах (рис. 3.12).

Рис. 3.12. Принципиальная схема и цикл двухступенчатой холодильной машины с полным промежуточным охлаждением и двойным дросселированием: I – компрессор СНД, 11– промежуточной холодильник, III – промежуточный сосуд, IV – компрессор СВД, V – конденсатор, VI – PBI, VII – РВII, VIII – испаритель

В компрессоре СНД такой холодильной машины холодильный агент сжимается по адиабате 1, 2 от давления Р ₀ до Р_пр. Отсюда перегретый пар в состоянии 2 поступает а промежуточный холодильник II, где (насколько это возможно) переохлаждается проточной водой в изобарном процессе 2, 2 ' и проходит через промсосуд III. Последний представляет собой вертикально ориентированный пустотелый сосуд, частично заполненный кипящей жидкостью при давлении Р_пр (состояние 7). Перегретый пар состояния 2 ' барботирует через слой этой жидкости, в результате чего происходит полное переохлаждение пара (2 ', 3). Естественно, что, принимая теплоту перегрева 2 ', 3, некоторая часть жидкого агента состояния 7 вскипит (7, 3) и превратится в пар (обозначим это количество пара G'). Вместе с основным потоком пара G, прошедшим через компрессор ступени СНД, этот пар поступает в компрессор ступени СВД, где сжимается по адиабате 3, 4 от давления Р_пр до Р_к. Из компрессора ступени СВД пар нагнетается в конденсатор, в котором происходит переохлаждение пара до состояния насыщения (4, 4 ') и его конденсация (4 ', 5). Отсюда жидкий холодильный агент поступает на дросселирование в PBI (5, 6).

Образовавшаяся в результате дросселирования парожидкостная смесь состояния 6 механически разделяется в промсосуде III: более легкий пар (состояние 3) в количестве G" собирается в верхней части промсосуда III и откачивается компрессором СВД, а более тяжелая жидкость (состояние 7) идет на дросселирование в РВ VII (7, 8) и испаритель VIII, где кипит при низком давлении Р ₀ (8, 1). Компрессор ступени СНД откачивает из испарителя образовавшийся пар и тем самым поддерживает в нем низкое давление Р ₀.

Нетрудно заметить, что, если через компрессор ступени СНД проходит G, кг/с пара, то через компрессор ступени СВД – большее количество (G + G' + G") кг/с. Поэтому величину холодильного коэффициента цикла удобно записать через общий расход пара в каждой из ступеней сжатия:

, (3.6)

где Q ₀ – холодопроизводительность машины, кВт;

L_СНД, L_СВД – работа сжатия в течение 1 с, т.е. теоретическая мощность каждой из ступеней.

Сократив в (3.6) G, получим формулу для расчета e через удельную холодопроизводительность:

,

где a = G' / G – относительное количество пара, образовавшееся в процессе барботажа;

b = G" / G – относительное количество пара, образовавшееся в процессе дросселирования 5, 6 (фактически b – степень сухости влажного пара в состоянии 6).

Поскольку , а , то выражение (1 + a + b) можно представить как:

,

а величину холодильного коэффициента цикла

. (3.7)

Важно отметить, что, несмотря на то, что расход пара в компрессоре СНД меньше, чем в компрессоре СВД, по геометрическим размерам последний значительно меньше компрессора СНД, т.к. удельный объем всасываемого пара V ₃ значительно меньше V ₁.

На предприятиях пищевой промышленности цикл с полным промежуточным охлаждением и двойным дросселированием, используются для обеспечения холодом камер хранения замороженных грузов, камерных морозилок и скороморозильных аппаратов. Однако встречаются различные модификации этого цикла. Так, часто в схему холодильной машины не включают промежуточный холодильник II. В этом случае в промежуточный сосуд III поступает перегретый пар в состоянии 2. Схема холодильной машины упростится, однако холодильный коэффициент цикла уменьшится (знаменатель выражения (3.7) увеличится). Объяснение этому простое: большее количество жидкого холодильного агента после первого дросселирования будет затрачиваться непроизводительно (на переохлаждение пара 2, 2 '), т.е. не попадет в испаритель холодильной машины.

Часто рассматриваемый цикл реализуют с глубоким переохлаждением жидкости высокого давления в змеевике промежуточного сосуда (рис. 3.13).

Рис. 3.13. Схема и цикл двухступенчатой холодильной машины с глубоким переохлаждением жидкости в змеевике промсосуда (обозначения те же, что и на рис. 3.12): 5, 7 – глубокое переохлаждение жидкости в змеевике промсосуда III

В схему такой холодильной машины включают промежуточный сосуд с теплообменником (змеевиком), который погружен в кипящую жидкость (состояние 8). Постоянный уровень жидкости в нем поддерживается при помощи PBI (VI). Теоретически величина холодильного коэффициента этого цикла будет такая же как и у предыдущего (если положить, что t ₇ = t ₈).

Практически, однако, t ₇ всегда выше t ₈ на 3...5 °С, что приводит к необратимым потерям и незначительному снижению величины e.

Тем не менее, рассматриваемая схема нашла широкое применение, т.к. обладает существенным эксплуатационным преимуществом: смазочное масло из компрессора СНД уже удалённое в маслоотделителе, не попадает снова в теплообменные аппараты холодильной машины и не загрязняет их.

Конструктивно ступени низкого и высокого давления могут быть выполнены как отдельные одноступенчатые компрессоры, включенные последовательно в схему холодильной машины. Для ступени низкого давления часто применяют компрессоры облегченного типа, рассчитанные на небольшие давления в конце сжатия, которые иногда называют поджимающими, т.е. бустерными. В качестве бустер-компрессоров используют поршневые, ротационные и винтовые компрессоры. Иногда компрессоры СНД и СВД объединяют в двухступенчатый агрегат, включающий два компрессора, разделенные промсосудом. Отечественная промышленность выпускает и однокорпусные двухступенчатые компрессоры (например, четырехцилиндровые – один из цилиндров которых выполняет функции компрессора СВД, а остальные – СНД).

Расчет цикла двухступенчатой холодильной машины с неполным промежуточным охлаждением (рис. 3.11) выполняют по схеме, аналогичной схеме расчета одноступечатого цикла. Исходными данными являются температуры кипения t ₀ и конденсации t_к. Вначале по Р, i – диаграмме заданного холодильного агента определяют давления Р ₀ и Р_к и по формуле (3.5) – промежуточное давление в цикле Р_пр. Эти линии наносят на диаграмму и последовательно определяют параметры точек 1, 2, 3, 4, 5, 6. Параметры точки 3 находят на пересечении изобары Р_пр и адиабаты 3, 4 (температура t ₃ на 3...5 °С выше температуры проточной воды в промежуточном холодильнике).

Расчет цикла двухступенчатой холодильной машины с полным промежуточным переохлаждением (рис. 3.13) выполняют аналогично. Ниже приводится пример такого расчета (холодильный агент – аммиак, t_к = +35 °С, t ₀ = –30 °С):

1. В диаграмме lg Р, і для аммиака наносят изотермы t ₀, t_к и определяют соответствующие им значения давлений Р ₀ и Р_к. Определяют параметры точек 1 и 5.

2. По формуле (3.5) определяют значение давления Р_пр и наносят на диаграмму. Определяют параметры точки 3.

3. На пересечении соответствующих линий определяют параметры точек 2 и 4.

4. На пересечении изотермы t_пр и изобары Р_к определяют параметры точки 7. Параметры найденных точек вносят в таблицу.

№ точки	t, °С	Р, МПа	V, м^3/кг	I, кДж/кг	S, Дж/(кг·К)
	минус 30	0,13	0,88		9,22
		0,42	0,37		9,22
	минус 2	0,42	0,30		8,88
		1,35	0,12		8,88
		1,35	–		–
	минус 2	0,42	–		–
		1,35	–		–
		0,42	–		–
	минус 30	0,13	–		–

Далее определяют:

5. Удельную массовую холодопроизводительность:

q ₀ = і ₁ – і ₉ = 1648 – 420 = 1128 кДж/кг.

6. Удельную работу сжатия в компрессорах СНД и СВД:

l_СНД = і ₂ – і ₁ = 1820 – 1648 = 172 кДж/кг.

l_СВД = і ₄ – і ₃ = 1850 – 1675 = 175 кДж/кг.

7. Холодильный коэффициент цикла холодильной машины:

.

8. Удельную тепловую нагрузку на конденсатор:

= 1280 кДж/кг.

9. Холодильный коэффициент цикла Карно:

= 3,74.

10. Степень термодинамического совершенства цикла холодильной машины:

,

что следует для двухступенчатого цикла признать удовлетворительным.

Дата добавления: 2014-01-04