Питання для самоконтрою

1. Принципова схема повітряної холодильної машини.

2. Робочий цикл повітряної холодильної машини у Ts і Pv – діаграмах.

3. Різниця між стаціонарними і нестаціонарними потоками робочого тіла.

4. Особливості нестаціонарних процесів в холодильній машині.

5. Схема і цикл холодильной установки Стірлінга.

Лекція 14 Цикли багатоступінчатих холодильних машин

14.1 Причини переходу до багатоступінчастого стиску.

При зниженні температури кипіння або підвищенні температури конденсації робочої речовини збільшується ступінь підвищення тиску Р_к/Р₀ й різниця тисків Р_к – Р₀. Це веде до погіршення об’ємних і енергетичних коефіцієнтів компресорів, що збільшує капітальні й експлуатаційні витрати на одержання штучного холоду при використанні одноступінчастих парових холодильних машин.

Збільшення ступеня підвищення тиску в компресорі приводить до росту температури нагнітання, що може викликати неприпустимі температурні деформації, пригорання масла в нагнітальних клапанах компресора. Може виникнути й украй небезпечний випадок – самозаймання масла. З ростом ступеня підвищення тиску зменшується питома холодопропродуктивність циклу. З ростом відносини Р_к/Р₀ збільшуються необоротні втрати при дроселюванні, а також втрати, пов’язані з відводом теплоти перегріву робочої речовини.

Всі перераховані вище фактори є причинами, по яких при Р_к/Р₀ ≥ 8 необхідно переходити до багатоступінчастого стиску. Однак це відношення не є строго постійним і залежить від конкретних умов: робочої речовини, типу компресора й апаратів, від температури зовнішніх джерел.

14.2 Вибір проміжного тиску.

У циклах двоступінчастих холодильних машин проміжний тиск Р_пр впливає на їхню економічність [37]. Існує кілька способів вибору Р_пр. Розглянемо деякі з них. Проміжний тиск може вибиратися з умов найменшої сумарної роботи компресорів l_k. При ізоентропних процесах стиску в обох ступенях сумарна робота визначається по вираженню

, (14.1)

де - питомі обсяги робочої речовини при усмоктуваннів першу й другу ступені відповідно.

Якщо при усмоктуванні в компресор першого й другого ступенів температура робочої речовини однакова й вона підкоряється законам ідеального газу, можна записати, що , тоді

(14.2)

Для того щоб визначити Р_пр, при якому l_k має мінімальне значення, дорівнюємо похідну від l_k по Р_пр до нуля

(14.3)

У циклі двоступінчастих машин пара стискуються від тиску кипіння р₀ до тиску конденсації р_к послідовно у двох циліндрах (щаблях), а між щаблями стиску пару охолоджують водою або рідким холодильним агентом. Звичайно водою не можна остудити пару до температури насичення, що відповідає проміжному тиску; таке охолодження називається неповним. Охолодження пари до стану насичення називають повним проміжним. Для здійснення його застосовують рідкий холодильний агент.

14.3 Двоступінчаста холодильна машина зі змійовиковою проміжною посудиною й неповним проміжним охолодженням.

Робоча речовина кипить у випарнику VІІІ (процес 11 - 1), стис- кується в компресорі першого ступеню I (процес 1-2), охолоджується в проміжному теплообміннику ІІ (процес 2-3), потім пара робочої речовини в стані 3 змішується з холодною парою стану 8, яка надходить із проміжної посудини VІ. Після змішання стан робочої речовини перед усмоктуванням у компресор другого ступеня ІІІ визначається точкою 4. Далі робоча речовина стискується в компресорі другого ступеню (процес 4-5), охолоджується й конденсується в конденсаторі ІV (процес 5-6) і направляється до проміжної посудини (Рис. 14.1)

Перед проміжною посудиною робоча речовина ділиться на два потоки: більша частина робочої речовини йде в змійовик проміжної посудини, менша – дроселюєтся в допоміжному дросельному вентилі V (процес 6-7) до проміжного тиску й надходить у проміжну посудину. У проміжній посудині за рахунок різниці густини рідини й пари відбувається поділ вологої пари (стан 7) на рідину (стан 9) і суху насичену пару (стан 9). Суха насичена пара засмоктується компресором другого ступеня, а рідина кипить (процес 9-8) за рахунок теплоти, що відбирається від рідкої робочої речовини, що йде по змійовику. Суха насичена пара, що утворилася при кипінні в процесі (9-8) відсмоктується компрессором другого ступеня. Рідка робоча речовина, що йде по змійовику, при цьому охолоджується (процес 6-10) і потім дроселюється в основному дросельному вентилі VІІ (процес 10-11) до тиску Р₀. Після дроселювання робоча речовина надходить у випарник, де кипить при тиску Р₀ і температурі Т₀.

Стан робочої речовини в точці 4 визначається з рівняння змішання робочої речовини, що йде з теплообмінника ІІ і із проміжної посудини

; , (14.4)

де G_I, G_II -масова витрата робочої речовини першого й другого ступенів. G_I - визначається по заданій холодопродуктивності,

(14.5)

G_II - визначається з матеріального балансу проміжної посудини

(14.6)

G_II - визначається з матеріального балансу проміжної посудини

(14.7)

де x₇ -ступінь сухості пари в точці 7; G^/ - маса робочої речовини, що випаровується в проміжній посудині, визначається з рівняння

(14.8)

Підставивши в рівняння (14.6) значення G^/ з рівняння (14.8) і виразивши х₇ через энтальпии

(14.9)

Одержимо

(14.10)

Після визначення ентальпій у вузлових точках циклу визначають теоретичні об’ємні продуктивності компресорів першого й другого ступенів:

(14.11) де v₁ і v₄ – питомі обсяги робочої речовини при усмоктуванні в компресори першого й другого ступенів; λ_І , λ_ІІ – коефіцієнти, що враховують об’ємні втрати у компресорах першого й другого ступенів.

Теоретична робота, затрачувана в компресорах першого й другого ступенів L_I й L_II , визначається по рівняннях:

(14.12)

IV а

6 5 5

III

V

6 7 8 4

9999 3

10 II

10 VI

2

VII VIII I

11

11 1

T б P в

5

Р_к; Т_к

6 P_{k ;} T_k 2 10 6 5

3

10 Р_пр; Т_пр 4 9 Р_пр; Т_пр

9 7 8 7 8 4 3 2

Р₀; Т₀ Р₀; Т₀

1 1

11 11

S i

Рис. 14.1. Схема (а) і цикл двохступінчатої холодильної машини з змійовиковою проміжною посудиною та неповним проміжним охолодженням у Ts (б) і Рі (в) – діаграмах.

Холодильні .коефіцієнти теоретичного й дійсного циклів (ε_т і ε_д) визначаються по вираженнях:

(14.13)

де η_е^І і η_е^ІІ - коефіцієнти, що враховують енергетичні втрати компресорів першого й другого ступенів.