5.Схемы и циклы паровых компрессорных холодильных машин

5.1.Классификация паровых компрессионных холодильных машин.

Паровые компрессионные холодильные машины.

Паровыми называются холодильные машины, в которых хладагент меняет свое агрегатное состояние, циркулируя по системе. В зависимости от элемента машины холодильный агент может быть в виде насыщенной жидкости, влажного пара, перегретого пара, охлажденной жидкости и т.д. Компрессионными являются холодильные машины, у которых для получения низких температур расходуется механическая энергия. В паровых компрессионных холодильных машинах хладагент совершает обратный термодинамический цикл. Отвод теплоты от охлаждаемых объектов осуществляется за счет кипения холодильного агента в испарителе. На предприятиях торговли и общественного питания такие холодильные машины нашли наибольшее применение по сравнению с другими типами машин. В зависимости от температур и давлений кипения и конденсации паровые компрессионные холодильные машины бывают одноступенчатыми, двухступенчатыми, многоступенчатыми и каскадными.

5.2.Одноступенчатые холодильные машины.

Схемы и циклы одноступенчатых паровых

компрессионных холодильных машин.

Схема и цикл с расширением и сжатием в области влажного пара.

А Б В

Рисунок 5.1.Схема и цикл одноступенчатой холодильной машины с сжатием и расширением в области влажного пара.

Цикл с расширением рабочего вещества осуществляется в холодильной машине, состоящей из компрессора, конденсатора, детандера и испарителя (см.рисунок 5.1.). Влажный пар холодильного агента состояния т.1 выходит из испарителя и поступает на всасывание в компрессор. В компрессоре влажный пар адиабатически сжимается при постоянной энтропии в процессе 1 – 2 от давления кипения Р_о до давления конденсации Р_к. Причем точка 2, характеризующая состояние хладагента в конце сжатия, лежит на правой пограничной кривой. Для осуществления процесса сжатия затрачивается работа сжатия l_сж. После компрессора сжатый насыщенный пар направляется в конденсатор, где конденсируется при постоянной температуре Т_к и постоянном давлении Р_к в процессе 2 – 3 за счет теплообмена с внешней охлаждающей средой (водой или воздухом). При этом от холодильного агента отводится теплота конденсации q_к. В процессе конденсации образуется насыщенная жидкость, которая затем поступает в детандер. В детандере хладагент адиабатически расширяется в процессе 3 - 4 от давления конденсации Р_к до давления кипения Р_о при постоянной энтропии с совершением полезной работы расширения l_р. После детандера холодильный агент направляется в испаритель, где жидкость кипит (испаряется) при постоянной температуре Т_о и постоянном давлении Р_о в процессе 4 - 1, отнимая теплоту q_о от охлаждаемой среды. Образовавшийся при кипении влажный пар всасывается компрессором и цикл повторяется вновь.

Удельная холодопроизводительность цикла или количество теплоты, подведенной к 1 кг холодильного агента в испарителе q_о в S - T-диаграмме эквивалентна площади под процессом кипения 4 - 1, т.е. Пл.14аб1 или может быть определена разностью энтальпий хладагента в начале h₄ и конце h₁ процесса:

q_o = Пл.14аб1 = h₁ – h₄.

Удельная теплота конденсации q_к в S - T- диаграмме измеряется площадью под процессом конденсации 2 - 3, т.е. Пл. 23аб2 или определяется разностью энтальпий хладагента в начале h₂ и в конце h₃ процесса:

q_к= Пл.23аб2 = h₂ – h₃.

Удельная работа цикла l_ц находится из теплового баланса холодильной машины:

q_к = l_ц + q_о

Отсюда получем:

l_ц = q_к – q_о= Пл.23аб2 – Пл.14аб1 = Пл.12341.

Таким образом, удельная работа цикла равна разности теплоты, подведенной в конденсаторе и теплоты, отведенной в испарителе и в S - T- диаграмме эквивалентна площади самого цикла 12341.

С другой стороны с учетом энтальпий холодильного агента

l_ц = q_к – q_о = (h₂ – h₃) – (h₁ – h₄),

или после преобразования получается:

l_ц = (h₂ – h₁) – (h₃ – h₄) = l_сж - l_р,

где l_с = (h2 – h1) – удельная работа сжатия, т.е. работа, затраченная на сжатие 1 кг пара холодильного агента в процессе 1-2, Дж/кг; l_р = (h3 – h4) – удельная работа расширения, т.е. полезная работа, полученная в детандере одним килограммом хладагента в процессе 3-4, Дж/кг.

Термодинамическая эффективность цикла находится как отношение удельной холодопроизводительности к затраченной работе цикла:

.

Данный цикл можно рассматривать как теоретический цикл Карно при условии, что температура конденсации T_к будет равна температуре окружающей среды T_ос, а температура кипения холодильного агента в испарителе будет равна температуре охлаждаемой среды (источника низкой температуры) Т_инт. При этом все процессы цикла будут обратимыми, а работа цикла будет минимальной l_min.

Термодинамическая эффективность цикла Карно оценивается теоретическим холодильным коэффициентом. который является самым высоким из всех обратных термодинамических циклов при одинаковой разнице температур (Т_ос – Т_инт).

Схема и цикл с дросселированием и сжатием влажного пара.

В действительных промышленных холодильных установках цикл с расширением в детандере практически не применяется. Вместо детандера в реальных холодильных машинах используется дроссельное устройство. Эта замена обусловлена следующем. Детандер представляет собой сложный дорогостоящий механизм по конструкции напоминающий компрессор с обратным принципом действия. На преодоление сил трения в нем расходуется часть полученной полезной работы при расширении холодильного агента. В связи с этим действительная полученная работа расширения оказывается пренебрежимо малой по сравнению с затраченной работой сжатия. Она является существенной только в очень крупных

А Б

Р ис 5.2 Схема и цикл с дросселированием и сжатием влажного пара

холодильных установках. Кроме того из-за сложности конструкции детандер является ненадежным, требующим постоянного обслуживания. И наоборот в качестве дроссельных устройств используются очень простые и дешевые приспособления (вентиль, шайба, капилярная трубка и др.). Они значительно надежней в работе и практически не требуют специального обслуживания. Однако замена детандера дроссельным устройством приводит к двум видам необратимых потерь цикла (см. рисунок 5.3).

А Б

Рис.5.3.Схема и цикл одноступенчатой холодильной машины с сжатием в области влажного пара и дросселированием.

Во-первых заметно уменьшается удельная холодопроизводительность цикла q_о, так как процесс дросселирования сопровождается необратимыми потерями и протекает при постоянной энтропии (процесс 3-4) в отличие от адиабатического процесса расширения 3-4, т.е.

q_о2 = (h₁ – h_4)  q_о1 = (h₁ – h₄)

Во вторых теряется полезная работа расширения, получаемая в детандере

l_р = h₃ – h_4 = 0,

тогда работа такого цикла будет равна:

l_ц2 = l_c = h₂ – h₁ < l_ц1.

Холодильный коэффициент цикла с дросселированием намного меньше, чем цикла с расширением в детандере

Схема и цикл с перегревом пара и переохлаждением жидкого

холодильного агента перед дросселированием.

Для увеличения холодопроизводительности действительных холодильных машин поддерживается режим, при котором в испарителе выкипает весь жидкий холодильный агент. Для гарантированного исключения попадания жидкости в компрессор всегда пар хладагента перед всасыванием перегревается. В холодильных установках предприятий массового питания для сжатия пара как правило применяются поршневые компрессоры. Попадание даже небольшого количества жидкости в полость цилиндров может вызвать гидравлический удар и аварию всей холодильной машины, так как жидкость практически не сжимаема. Поэтому «сухой ход» – это обязательное условие работы компрессора холодильной машины. Кроме того с целью снижения необратимых потерь при дросселировании в реальных холодильных машинах жидкий хладагент перед дроссельным устройством охлаждается. Это повышает удельную холодопроизводительность цикла и холодильной установки в целом. Перегрев пара перед всасыванием в компрессор осуществляется или во всасывающем трубопроводе, или в самом испарителе, или в специальном аппарате – регенеративном теплообменнике. Охлажение жидкого холодильного агента паред дросселированием может происходить или в специальном переохладителе, или в самом конденсаторе, или также в регенеративном теплообменнике. В малых хладоновых холодильных машиных торговли и общественного питания как правило используется регенеративный теплообменник. Схема и цикл холодильной машины с регенеративным теплообменником показаны на рисунке 5.4.

Рисунок 5.4 – Схема и цикл холодильной машины с регенеративным теплообменником.

После испарителя насыщенный пар холодильного агента состояния т.1′ направляется в регенеративный теплообменник, где перегревается в процессе 1′ - 1″ за счет теплообмена с теплым жидким холодильным агентом, идущим из конденсатора. Перегретый пар всасывается компрессором, в котором адиабатически сжимается в процессе 1″ - 2″ от давления кипения Р_о до давления конденсации Р_к. При этом его температура повышается. Сжатый горячий пар подается в конденсатор. где сначала охлаждается до температуры насыщения, а затем конденсируется в общем процессе 2″ - 3′. Образовавшаяся в процессе конденсации жидкость поступает в ренегеративный теплообменник, в котором охлаждается в процессе 3′ - 3″ за счет теплообмена с холодным паром, выходящим из испарителя. Охлажденный жидкий хладагент дросселируется в процессе 3″ - 4″ от давления конденсации Р_к до давления кипения Р_о. После дросселирования холодильный агент поступает в испаритель, где жидкость кипит в процессе 4″ - 1′, отводя теплоту от охлаждаемой среды. Пар, образовавшийся при кипении, перегревается в регенеративном теплообменнике, всасывается компрессором и цикл повторяется вновь.

Удельная холодопроизводительность цикла:

q_о3 = h_1′ - h_4″.

Удельная работа цикла

l_ц3 = h_2″ - h_1″.

Массовый расход холодильного агента

где - Q_о – полная тепловая нагрузка испарителя (полная холодопроизводительность холодильной машины).

Объемный расход хладагента

V_а = G_а∙х∙ν_вс,

где ν_вс – удельный объем всасываемого пара холодильного агента, м³/кг.

Теоретическая потребляемая мощность компрессором

N_т = l_ц3∙G_а.

Холодильный коэффициент цикла

Степень перегрева пара перед всасыванием в компрессор и охлаждения жидкости перед дросселированием зависит от вида рабочего вещества и конкретных условий работы холодильной машины. Так например для аммиачных машин при среднетемпературном режиме перегрев принимается Δt_вс = (5 – 10)С, для хладоновых Δt_вс = (10 – 30)С. В аммиачных холодильных машинах регенеративный теплообменник не применяется из-за его низкой эффективности. Поэтому в таких машинах имеет место незначительное охлаждение жидкости перед дросселированием Δt_охл = (3 –5)С. В хладоновых особенно малых машинах регенеративный теплообменник обязателен не только для охлаждения, но и для возврата в компрессор масла высокой концентрации (выпаривания жидкого хладагента из маслохладонового раствора). В этом случае состояние жидкого холодильного агента перед дросселированием определяется из теплового баланса регенеративного теплообменника, который имеет вид:

q_под = q_отв,

где q_под – количество подведенной теплоты от теплого жидкого холодильного агента, Дж/кг;

q_под = h_3' - h_3",

где q_отв – количество отведенной теплоты от холодного пара после испарителя, Дж/кг;

q_отв = h_1" – h_1'.

h_3' – h_3'' = h_1'' – h_1'

Отсюда находится энтальпия жидкого хладагента после регенеративного теплообменника h_3":

h_3" = h_3' – (h_1" – h_1').