А. В. Бараненко. Холодильные машины
.pdfми, отдельный вход для паров рабочего вещества и патрубки для отвода попадающего воздуха. Под элементами расположен реси
вер крепкого раствора. Охлаждающая вода проходит в аппарате
по трубам снизу вверх.
К недОстаткам аппарата относятся следующие: необходимость
строго горизонтального расположения всех элементов (иначе аб
сорбер будет работать только какой-либо одной стороной); нали
чие большого числа фланцевых соединений, способствующих на
рушению плотности аппарата; неполное использование поверх
ности трубных досок для размещения труб; чувствитеЛI>НОСТЬ аппарата к загрязнениям, забивающим отверстия в ороситель
ных корытах.
В горизонтальном барбоmажно,м кожухоmрубно,м абсорбере трубы ввальцованы в трубные решетки, к которым также при
креплены водяные крышки с переroродками для создания не
скольких ходов по аппарату. В крышках предусмотрены вентили
для выпуска воздуха и слива воды, когда возникает опасность ее
замерзания. Под трубками установлены барботеры, способствую щие равномерному поступлению паров рабочего вещества под рас твор по всей длине аппарата. Крепкий раствор отводится снизу,
а слабый подводится в верхней части абсорбера. К достоин
ствам аппарата относятся нечувствительность к механическим
загрязнениям и возможность замены отдельных труб. НеДОС1'ат ками абсорбера являются малая интенсивность тепло- и массооб
мена МеЖДУ раствором и парами рабочего вещества, в резуль
тате чего аппарат получается громоздким и металлоемким, а так
же большой гидростатический напор. Такой абсорбер приме няют при высоких температурах кипения рабочего вещества
и малых производительностях л.вхм. Чтобы уменьшить гидро
статический напор, барботажный абсорбер выполняют эле
ментным.
В горизонтальном элементном пленочном абсорбере (см. рис. 11.59), состоящем из трех элементов, по 182 трубы диаметром 25 х 3 мм и длиной 6000 мм в каждом.
Нсnарuтеяu. В качестве испарителей могут быть использова
ны аммиачные испарители паров.ых компрессорных холодильных
машин общепромышленного типа. Особенность работы АВХМ состоит в наличии в парах рабочего вещества незначительного количества паров абсорбента. со временем абсорбент в жидком
виде накапливается в испарителе, что изменяет нормальный ре
жим работы машин. Флегма должна удаляться из нижней части
аппаратов.
Кон.ден.саторы.. В качестве конденсаторов в АВХМ применя
ют аппараты тех же конструкций, что и в аммиачных паровых
компрессорных холодильных машинах.
Методики расчетов аппаратов абсорбционных ХОJlОДИJIЬНЫХ машин и агрегатов. Тепловые и конструктивные расчеты аппа
ратов абсорбционных бромистолитиевых и водоаммиачных
876 |
877 |
холодильных машин и агрегатов осуществляют по таким же ме
тодикам, как и расчеты аппаратов паровых компрессорных и
пароэжекторных холодильных машин. При этом в зависимости
от назначении, типа и конструкции разрабатываемого аппарата и режима работы холодильной машины или агрегата для расчета
сначала выбирают соответствующие уравнения теплообмена со
стороны каждой из сред в аппарате (см. § 11.1), а затем принимают
ту или иную из известных методик ero расчета (см. § 11.2, § 11.3).
§ 11.5. ВСПОМОГАТЕЛЬНАЯ АППАРАТУРА
ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН
Рабочая схема любого типа холодильной машины отличается
от принципиальной наличием наряду с основными элементами
вспомогательной аппаратуры, запорной арматуры, :приборов авто
матического регулирования и защиты, а также контрольно-изме
рительных приборов.
К вспомo.rательноЙ аппаратуре относятся теплообменники,
промежуточные сосуды, маслоотделители, отделители жидкости,
грязеуловители, переохладители, ресиверы, фильтры, осушите
ли, воздухоотделители и др. Они предназначены для повышения
термодинамической и энергетической эффеКТИВНОСТИ холодиль
ной машины, создания условий безопасной работы, повышения
надежности эксплуатации оборудования.
Остановимся на краткой характеристике вспомогательной ап
паратуры различных типов холодильных машин.
Вспомогательная аппаратура паровых компрессорных хо
лодильных машин. Теплообменники и переохладители. Как из
вестно, холодильные машины, использующие рабочее вещество R12, работают по регенеративному циклу. Переохлаждение жид
кости в них перед дроссельным вентилем происходит за счет по
догревания пара рабочего вещества, отсасываемого компрессором из испарителя. Теплообмен осуществляется в специальном паро жидкостном регенеративном тепi(ообменнике. Кроме охлаждения
жидкости в теплообменнике одновременно подогревается и осу
шается пар, что позволяет осуществить сухой ход компрессора и обеспечить возврат масла вкомп~сор.
Основной задачей при конструировании теплообменника яв
ляется создание аппарата с малыми сопротивлениями в паровом
пространстве и с ВЫСОКИМИ коэффициентами теплоотдачи со сто
роны пара. Наибольшее распространение нашли кожухо-змееви
ковые теплообменники с медными трубками, имеющими накат
ные ребра [77].
В аммиачных холодильных машинах необратимые потери от
дросселирования снижают, включая в схему между конденсато ром и дроссельным вентилем переохладитель.
878
879
На рис. 11.60 показан двухтрубный противоточный переохла дитель. Он состоит из одной или двух секций, собранных из пос
ледовательно включенных двойных труб (труба в трубе). Внут
ренние трубы соединены чугунными калачами, наружные сваре
ны. Жидкое рабочее вещество протекает в межтрубном простран
стве в противоток охлаждающей воде, движущейся по внутрен ним трубам. Трубы - стальные бесшовные. Температура выхода рабочего вещества из аппарата обычно на 2,3 ос выше темпера-
туры поступающей охлаждающей воды. .
Про.м.ежуmочные сосуды. Эти аппараты предназначены для ох лаждения находящимCJJ при промежуточном давлении жидким рабочим веществом перегретого пара после компрессора нижней
ступени в двухступенчатых холодильных машинах, а также для
охлаждения в змеевиках жидкого рабочего вещества после кон
денсатора перед его дросселированием. На рис. 11.61 показан промежуточный сосуд типа ПСз со змеевиком и барботированием
аммиачного пара через слой жидкого рабочего вещества.
В условиях нормальной работы промежуточный сосуд через
штуцер d1 заполняется жидким рабочим веществом с температу
рой, соответствующей промежуточному давлению.' Уровень его
поддерживается на оп'ределенной отметкелибо ручным регулиру
ющим вентилем, либо автоматически. Перегретый пар рабочего вещества поступает из компрессора нижней ступени через верх ний штуцер под уровень и, барботируя через слой жидкости тол
щиной 200-500 мм, за счет испарения жидкости охлаждается до
температуры, соответствующей промежуточному давлению. Под нимаясь затем вверх, охлажденный пар, проходит конусные от бойники, освобождается от жидкости и через боковой штуцер поступает в компрессор верхней ступени. Змеевик в промежуточ ном сосуде служит для переохлаждения жидкого рабочего ве
щества после конденсатора.
Жu6кuti
(JИ1'fUОtr ..tII.
~"fC
Рис. 11.60. ПРОТИВОТОЧВЫЙ переохла,цитель
880
Лapw fPtIИlJDkll IJJ ЦIIА
Рис. 11.61. Промежуточвый сосуд
881
56 П/р л. С. ТИмофеевекого
2 Маслоотделители и маслосборники. При ра боте машины на рабочих
веществах, ограниченно
растворяющих в себе сма
зочное масло, последнее уносится из компрессора
в clfcтeмy, оседает на стен
ках теплообменных труб аппаратов и ухудшает их
работу. Для удаления мас ла из системы в Машинах, работающих на таких ра бочих веществах, как R717, служат маслоотде
лители и маслосборники.
Нарис. 11.62 показанмвс
лoorделителъ с ВОДЯНЫМ ох
лаждением пара рабочего
вещества. Принцип рабо
Рис. 11_62_ Маслоотделитель с водяным ох
лаждением паров рабочего вещества:
1 - |
КОРПУС; |
2 - |
труба, подводящая рабочее |
||
вещество; |
3 - |
труба, |
ОТВОдящая рабочее ве |
||
щество; 4 |
- |
отбойвый слой фарфоровых ко |
|||
лец; |
5 - |
водяной змеевик; б - поплавковый |
|||
масляный клапан; |
7 - |
штуцер для присо |
единения перепускной масляной трубки
ты аппарата ясен из ри
сунка и не требует допол
нительных пояснений.
Маслосборники предназна
чены для перепуска масла
из маслоотделителей |
и |
|
|
|
последующего удаления |
|
|
|
|
его из системы при низ |
|
|
|
|
ком давлении. Они спо |
|
|
|
|
собствуют уменьшению |
|
|
|
|
потерь рабочего вещест |
|
|
|
|
ва и повышают безопас |
|
|
|
|
ность обслуживания сис |
|
|
|
|
--o:t |
|
|
||
темы. |
|
|
|
|
|
|
Отделители жидкос ти_ Они служат для от
деления пара рабочего ве-
щества от капелек жид
кости, увлекаемых из испарительной системы, и предотвращения
попадания ЖИДКОГО рабочего вещества в цИЛиндры компрессора.
Кроме того, отделители жидкости применяют в качестве питаю
щих сосудов в различных схем.ах подачи жидкого рабочего веще
ства в испарительную систему. Пар отделяется от жидкости вслед
ствие резкого уменьшения скорости и изменения направления
движения рабочего вещества при прохождении через аппарат.
Грязеуловители, фильтры и ОСуш.ители. Грязеуловители пред
назначены для предотвращения попадания в цилиндры компрес
сора частиц ржавчины, окалины и т. д. Монтируют их либо на
всасывающем трубопроводе в непосредственной близости от ком-
~
~
111
>~.
~
!
м
со
;:j
c.i
&;
882 |
56* |
883 |
|
|
|
|
|
|
|
|
прессора, либо непосредственно во |
|
|
|
|
|
|
|
|
всасывающей полости компрессо |
|
|
|
|
|
|
|
|
ра. Одна из конструкций грязеу |
|
|
|
|
|
|
|
|
ловителя показана на рис. 11.63. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Он состоит из корпуса с входным и |
|
|
|
|
|
|
|
|
выходным патрубками, располо |
|
|
|
|
|
|
|
|
женными под углом 90 ОС. Внут |
|
|
|
|
|
|
|
|
ри установлены крупная сетка |
|
|
|
|
|
|
|
|
и каркас С.двоЙноЙ мелкой сет |
|
|
|
|
|
|
|
|
кой из проволоки. Периодичес |
|
|
|
|
|
|
|
|
ки крышку снимают, вынима- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ют сетку и очищают ее. К двум |
|
|
|
|
|
|
|
|
бобышкам, приваренным к кор |
|
|
|
|
|
|
|
|
пусу грязеуловителя, подсоеди~ |
|
|
|
|
|
|
|
|
няют манометр и вентиль для |
|
|
|
|
|
|
|
|
слива жидкого рабочего веще- |
|
h |
|
|
|
|
|
|
ства. |
|
|
|
|
|
|
|
На рис. 11.64 и 11.65 пока |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
заны фильтры и осушители хла |
|
|
|
|
|
|
|
|
ДОНОВЫХ холодильных машин. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Фильтр устанавливается перед |
|
|
|
|
|
|
|
|
прибором автоматической подаЧI:I |
|
|
|
|
|
|
|
|
жидкого рабочего вещества в ис |
|
|
|
|
|
|
|
|
парительную систему и служитдля |
|
|
|
|
|
|
|
|
защиты прибора от механических |
|
|
|
|
|
|
|
|
загрязнений. Осушитель ставят |
|
|
|
|
|
|
|
|
для поглощения и последующе |
|
|
|
|
|
|
|
|
го удаления воды из системы. |
|
|
|
|
|
|
|
|
В качестве адсорбента использу |
|
|
|
|
|
|
|
|
ют цеолит марки NaA. Фильтры |
|
|
|
|
|
|
|
|
и осушители снабжены двухслой- |
Рис. 11.64. Фильтры фф 40, фф 50, |
ной фильтрующей сеткой из оцин |
|||||||
кованной стальной проволоки. |
||||||||
фф 80 |
Сетку К верхнему ограничителю |
прижимает пружина, упирающаяся в крышку аппарата.
Воздухоотделители. Из-за наличия в системе неконденсирую
щихся газов ухудшается энергетическая эффективность холодиль
ной машины, так как снижаются коэффициенты теплопередачи
в аппаратах, повышается давление коцденсации и увеличивается
расход энергии на сжатие пара рабочего вещества в компрессоре.
Для удаления попадающего в холодильную систему воздуха уста
навливают воздухоотделитель. На рис. 11.66 показан воздухоот делитель конструкции инж. Ш.Н.Кобулашвили. Он состоит из
четырех цельнотянутых сталь.ных труб, вставленных с некото
рым зазором одна в другую. Принцип действия аппарата заклю чается в следующем. Жидкое рабочее вещество после дроссельно го вентиля подается через патрубок 1 во внутреннюю трубу воз духоотделителя, после чего поступает в межтрубное пространство между первой и третьей трубой и через патрубок 2 выходит в испа
рительную систему. Смесь воздуха с рабочим веществом подается по
линии, соединенной с патрубком 4 в межтрубное пространство,
между трубой наибольшего |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
диаметра и следующей по |
|
|
|
|
|
размеру меньшей трубой, и |
|
|
|
|
|
охлаждается жидким рабо |
|
|
|
|
|
чим веществом, переходя |
|
|
|
|
|
затем в следующее межтруб |
|
|
|
|
|
ное пространство. В резуль |
|
|
|
|
|
тате охлаждения происходит |
|
|
|
|
|
конденсация рабочего веще |
|
|
|
|
|
ства из паровоздушной сме |
|
|
|
|
|
си, и воздух через патрубок |
|
|
|
|
|
5 удаляется в стеклянный |
|
|
\4-_..;h~I-М---;~ |
|
|
|
|
|
|||
СОСУД, заполненный водой. |
|
|
|
|
|
Сконденсировавшееся рабо |
|
|
|
|
|
чее вещество через вентиль |
|
|
|
|
|
3 перепускается во внутрен |
|
|
|
|
|
нюю трубу воздухоотделите |
|
|
|
|
|
ля. В результате интенсив |
|
|
|
|
|
ного охлаждения Iiаровоз |
|
|
|
|
|
душной смеси потери рабо |
|
|
|
|
|
чего вещества при удалении |
|
|
|
|
|
воздуха из системы в возду |
|
|
|
|
|
хоотделителе описанной кон |
|
|
|
|
|
струкции незначительны. |
|
|
|
|
|
Pecuвepы. По назначению |
|
|
|
|
|
ресиверы делятся на линей |
|
|
|
|
|
ные, циркуляционные и дре |
|
|
|
|
|
нажные. Назначением ли- |
Рис. 11.65. Осушители ОФ 40Ц, ОФ 50Ц, |
||||
нейного ресивера является |
|||||
освобождение конденсатора |
ОФ 70Ц |
ОТ жидкого рабочего вещества и обеспечение равномерной подачи
его на регулирующую станцию. Циркуляционные ресиверы при
меняют в насосных, циркуляционных схемах подачи рабочего
вещества в испарительную систему. Дренажные ресиверы предна
значены для выпуска в них жидкого рабочего вещества при ре
монте основных аппаратов и оттаивании снеговой шубы с бата
рей непосредственного испарения. Ресиверы представляют собой
горизонтальные или вертикальные цилиндрические сосуды с пат
рубками для входа и выхода рабочего вещества, уравнительной линией и комплектующими арматурой и приборами.
Вспомогательная аппаратура теПЛОИСПОJlЬЗУЮЩИХ ХОJlОДИJlЬ
ных машин. Вспомогательные эжекторы и вспомогательные конденсаторы ПЭХМ. Они служат для поддержания в аппаратах заданных давлений. ОтСос воздуха из главного конденсатора с вы
бросом в атмосферу осуществляется вспомогательными эж~ктора ми в две ступени. Вспомогательные конденсаторы предназначены для конденсации пара из паровоздушной смеси: первый - после вспомогательного эжектора первой ступеци, второй - после вспо могательного эжектора второй ступени. Конденсат, образовавший ся в конденсаторе второй ступени, через перепускной клапан
884 |
885 |
|
Пар~оздVШNа. ClflC6
от lfон8енсаnюра
Рис. 11.66. Воздухоотделитель парокомпрессорвой холодильиой машивы
поступает в конденсатор первой ступени, а из него по U-образ ной трубе перетекает в главный конденсатор.
Конструкции вспомогательных эжекторов и вспомогательных
конденсаторов аналогичны конструкциям соответствующих глав
ных эжекторов и главных конденсаторов.
Теплообменники растворов АБХА. Регенеративные теплооб
менники всех типов АБХА выполняют кожухотрубными, прямо угольного сечения, многозаходными по трубному и межтрубному пространствам. Такая конструкция позволяет получить меньший объем по раствору, лучше организовать заходность аппаратов, более компактно вписать его в агрегат. Крепкий раствор подает
ся в межтрубное пространство, что облегчает раскристаллиза
цию его горячим слабым раствором, когда она имеет место.
Теплообменники и переохладители АВХМ. Применяют двух
трубные и элементные аппараты. Выбор типа аппарата определя ется получением скоростей слабого и крепкого растворов не ниже
0,5-0,6 м/с.
В паровом переОХЛ8Дителе жидкое рабочее вещество после кон
денсатора переохлаждается холодными парами, отходящими от
испарителя. Из-за малых значений коэффициентов теплоотдачи со стороны паров рабочего вещества наружная поверхность внут ренних труб оребрена.
Воздухоотделители АБХА. Система воздухоотделения в со
временных типах АБХД включает два эжектора, теплообменник
для переохлаждения слабого (или смешанного) раствора и сосуд
для накапливания неконденсирующихся и неабсорбируемых га зов, включая и воздух. Первый эжектор является паровым
и служит первой ступенью отбора паровоздушной смеси. С его
помощью за счет расширения паровоздушной смеси из конденса
тора отсасывается паровоздушная смесь из абсорбера АБХА. Вто
рой эжектор парожидкостныЙ. В нем за счет энергии струи пред варительно охлажденного в теплообменнике слабого (или сме шанного) раствора паровоздушная смесь после эжектора первой
ступени отСасывается и одновременно из нее абсорбируется водя
ной пар. Поэтому обогащенная'воздухом и другими неабсорбиру
емыми и неконденсируемыми газами паровоздушная смесь накап
ливается в сосуде-накопителе. После достижения заданного дав
ления паровоздушная смесь удаляется в атмосферу из сосуда-на
копителя с помощью вакуумного насоса.
Эжекторы и переохладитель раствора рассчитывают по извест ным формулам, приведенным соответственно в § 5.1 и § 11.1.
Воздухоотделиmeл.и АВХМ. Наличие воздуха в аппаратах ухуд
шает тепло- и массоотдачу и з1lачительно снижает энергетичес
кие показатели АВХМ. ДЛЯ нормальной работы не следует допус кать попадания воздуха в аппараты, необходимо своевременно удалять его с помощью воздухоотделителей.
Наиболее распространена конструкция воздухоотделителя, изо
браженного на рис. 11.67. -Слабый раствор, частично отбирае
мый из АВХМ, переохлаждается жидким аммиаком, после чего абсорбирует пары аммиака из воздуха, удаляемого из абсорбера
или конденсатора. По |
. |
||
змеевику, расположен |
|
|
|
ному в кипящем аммиа |
|
.~ |
|
ке, течет слабый рас |
|
||
|
|
||
твор, который при этом |
|
|
|
сильно переохлаЖДl:\ет |
|
|
|
ся. Пройдя дроссельный |
|
|
|
вентиль, раствор раз |
\ |
|
|
брызгивается и ороша |
.~ |
||
|
|||
ет движущийся проти |
|
|
|
ВОТОКОМ воздух, удаляе |
|
|
|
мый из аппаратов. На |
|
|
|
ходящиеся в воздухе |
|
|
|
пары аммиака абсорби |
|
|
|
руются раствором. обо |
|
|
|
гащенный раствор сли |
|
|
|
вается извоздухоотдели |
|
|
|
теля в абсорбер, а поч |
|
|
|
ти чистый воздух выбра- . |
|
|
|
сывается в открытый |
|
|
|
сосуд с водой. Пары ам |
|
|
|
миака, образующиеся |
|
|
|
после переохлаждения |
|
|
раствора, направляются Рис. 11.67. ВоздухоотдеJIИТeЛЬабсорбциоввойво-
В абсорбер: доаммиачиой ХОЛОДИJIьвой машивы
886
ГЛ АВА 12
ХАРАКТЕРИСТИКИ И ОСНОВЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН
При проектировании и эксплуатации ХОJЮдильных машин не обходимо знать их характеристики, представляющие собой зави
симости холодопроизводительности, расхода энергии, охлаждаю
щей воды или воздуха от внешних условий, т. е. от температуры
окружающей среды и источника низкой температуры. В катало гах холодильного оборудования и другой специальной литерату
ре часто приводятся зависимости холодопроизводительности и
потребляемой мощности машины от температуры кипения при
постоянных 'значениях температуры конденсации рабочего веще
ства или наоборот. Однако эти зависимости не могут служить
характеристиками холодильной машины, так как в них не отра жены связи с окружающей средой и источником низкой темпера
туры, которые могут быть определены либо экспериментально, либо расчетным путем.
Характеристики рассчитывают на основе математического мо
делирования конкретного типа холодильной машины, которое
базируется на знании термодинамических и теплофизических свойств рабочих веществ и внешних источников теплоты в рас
сматриваемом диапазоне изменения параметров работы машины;
уравнений теплового баланса машины и тепломассопереноса в ее аппаратах; особенностей действительных процессов в основных
элементах машины и зависимостей необратимых потерь от харак
терных параметров рабочего вещества и внешних источников теп
лоты; конструктивных особенностей элементов машины и других
факторов. В последнее время характеристики различных типов
холодильных машин рассчитывают с помощью ЭВМ.
Одна из основных задач автоматизации холодильных машин
и агрегатов - поддержание заданных выходных параметров (на
пример, температуры охлаждаемой среды при переменной нагруз
ке). Это достигается регулированием холодопроизводительности
машин и агрегатов.
. Регулирование холодопроизводительности холодильных машин
связано с необходимостью регулировать режим работы их основ
ных элементов.
§12.1. ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН
ИИХ ЭЛЕМЕНТОВ
Моделирование, являющееся одним из основных способов изуче
ния процессов, происходящих в технических системах и входящих в их состав элементов, широко применяют в различных областях
науки и техники. К настоящему времени сложилось два вида моделирования, которые находятся в непрерывном взаимодейст
вии и взаимно дополняют друг друга.
Физическое модел.ирование, в основе которого лежит теория подобия и размерности, состоит в экспериментальном исследова нии машин и процессов на моделях. При этом специалисты изу чают интересующее их явление не в натуре, а на модели большего или, чаще всего, меньшего масштаба, обычно в специальных ла бораторных условиях. Исторически физическое моделирование стали применять раньше, чем математическое, и особенно широ ко в первой половине 20-го столетия в связи с интенсивным раз витием авиационной техники, паровых и газовых турбин, двига
телей внутреннего сгорания, холодильных машин и компрессо
ров. Физическое моделирование - единственный надежный спо соб всестороннего исследования процессов и машин, используе
мых человеком в его практической деятельности. Особенно это
относится к сложнейшим процессам термогазодинамики и тепло массообмена, протекающим в энергетических и, в частности, хо
лодильных машинах и установках.
Только с помощью физического моделирования можно полу
читьсистематические экспериментальные данные о характере
и особенностях .деЙствительных процессов, которые могут быть
положены в основу проектирования новых .машин, расчета их характеристик, оптимизации конструктивных и режимных пара
метров. Результаты физического моделирования обычно служат той экспериментальной основой, на которой строится и без кото
рой невозможно моделирование математическое.
Математическое модел.ирование состоит в разработке мате матических моделей и последующем изучении их поведения в ин
тересующих исследователя услойиях путем численного экспери
мента. Математические модели (ММ) получили широкое распро странение благодаря научно-технической революции второй по ловины 20-го столетия, обусловившей быстро~ развитие вычис
лительной техники.
Математической моделью реального, физического объекта яв
ляется математический объект в виде системы уравнений, допол ненной начальными, граничными условиями и описаниями, ко торые определяют области и диапазоны изменения физических
характеристик и технических параметров, поставленный в соот
ветствие изучаемому физическому объекту, способный замещать
оригинал на определенных этапах познавательного процесса и
давать при его изучении новую информацию о реальном объекте. Математическое моделирование энергетических, в том числе
холодильных машин и установок, может быть успешным только
при условии четкого системного подхода к исследованию этих
сложных объектов. Под системой понимают множество взаимо
связанных и взаимодействующих между собой элементов, объеди-
. ненных таким образом, что система в целом приобретает новые
888 |
889 |
|
качества, отсутствующие у каждого из них. Для любой 'системы
можно ,определить ее иерархическую структуру, состоящую из рас
положенных в определенной последовательности и взаимно под чиненных систем различного ранга. Благодаря системному подхо
ду при реализации ММ на ЭВМ удается обеспечить ее модуль
ность, составив ее из отдельных модулей - автономных процедур
или подпрограмм. Важно, чтобы иерархическая структура и ранг
модулей, входящих в ММ, соответствовалц иерархической струк
туре моделируемой системы и рангу входящих в нее элементов -
подсистем.
Основными преИМУ'!Цествами математического моделирования
являются следующие:
применение ММ на этапах замысла и проектирования машин
дает возможность заранее определить их параметры и характерис
тики, что позволяет практически исключить вынужденное приме
нение дорогостоящего метода проб и ошибок и связанные с этим затраты на реализацию схем и конструкций, которые могут ока
заться нерациональными;
математическая модель - чрезвычайно гибкий объект, позво ляющий воспроизводить любые как реальные, так и гипотетичес~ кие ситуации. Поэтому при моделировании появляется возмож ность имитировать и исследовать особенности работы машин
в самых различных условиях, в том числе таких, которые прак
тически невозможно реализовать в опытах. Благодаря этомуумень
шается потребность в сложном лабораторном оборудовании и
в эксплуатационных испытаниях машин;
работу некоторых очень сложных систем невозможно проана лизировать в необходимом объеме ни с помощью лабораторных,
ни с помощью натурных экспериментов. В этом случае примене
ние ММ представляет собой единственный способ решения этих
задач;
математическое моделирование позволяет использовать новей
шие методы извлечения информации из экспериментальных дан
ных. Особое значение приобрел в последнее время метод иденти
фикации, позволяющий оценить ненаблюдаемые в процессе про
ведения опытов параметры или выбрать наилучшую структуру мате матического описания зависимости между отдельными факторами.
По структуре ММ холодильных машин и других энергетичес
ких машин и систем можно разделить на три группы.
Модели 1-й группы используют коэффициенты, которые мож но определить на наиболее общем уровне - непосредственно из
общих законов физики или,экспериментальных исследований,
имеющих общефизическое или общетехническое значение. К ним
относятся, в частности, данные по термодинамическим и тепло
физическим свойствам рабочих веществ, например вязкости, теп
лопроводности, и другие, полученные на лабораторных стендах,
не имеющих прямого отношения к машинам или системам, ДЛЯ,
которых составлена ММ. Модели 1-й группы в принципе наиболее совершенны, но и наиболее трудны в реализации, так как недо-
статочная изученность многих процессов или сложность получе
ния даже численных решений некоторых уравнений не позволяет осуществлять моделирование на стоЛь высоком уровне. Поэтому таких ММ крайне мало, а для энергетических, в том числе холо дильных, маIПИН их создание - дело весьма отдаленного будущего.
Модели 2-й группы наряду с общефизическими коэффициента ми, используемыми в моделях 1-й группы, используют коэффици
енты, полученные при физическом моделировании машин или их
отдельных элементов, а также при экспериментальном исследова
нии машин, подобных моделируемым. Создание таких моделей -
вполне реальная научно-техническая задача, так что подавляю
щее число ММ, разработанных к настоящему времени, относится
именно ко 2-й группе.
В моделях 3-й группы объект моделирования рассматривается как .черныЙ ЯЩИк., внутренняя структура которого и характер проходящих в нем процессов либо недостаточно изучены, либо - реже - не имеют значения для решения поставленной задачи. В таких моделях физически обоснованное описание процессов за меняют формально-математическим описанием, связывающим вход ные параметры объекта с выходными. Один из распространенных
примеров такого подхода - аппроксимация различных опытных
зависимостей, в том числе характеристик машин и их элементов.
Модели 3-й группы применяют в моделях 1-й и, особенно часто, 2-й групп в качестве вложенных модулей, описывающих поведе
ние систем низшего ранга.
Рассмотрим, к примеру, иерархическую структуру системы ММ
паровой двухступенчатой холодильной машины (рис. 12.1). Она
представляет собой модификацию разработанной Л. С. Попыри ным системы математических моделей теплоэнергетической уста
новки применительно к холодильным машинам.
Математическая модель паровой двухступенчатой холодиль ной машины представляет собой в ЭТОЙ структуре модель высше
го 4-го ранга. В нее в качестве подсистем входят ММ 3-го ранга:
компрессоров первой и второй ступени \1 аппаратов. Компрессо
ры, используемые в двухступенчатой машине, в принципе могут
быть любыми, однако в реальных машинах это, как правило, объемные компрессоры - поршневые, винтовые, ротационные с
вращающимся ротором В первой ступени и поршневые или вин
товые - во второй ступени. Аппараты двухступенчатой хОло дильной машины - это конденсатор, испаритель, применяемые
для выработки холода на разных температурных уровнях, теп лообменники или промежуточный сосуд, а также вспомогатель
ные аппараты - маслоотделители, отделители жидкости, ресиве
ры, если они предусмотрены в схеме, и другие.
В ММ 3-го ранга входят в Качестве подсистем ММ 2-го ранга. Это ММ отдельных элементов конструкции компрессоров, таких,
например, как всасывающие и нагнетательные клапаны, входные
и выходные устройства и тракты, отдельные участки теплообмен-
890
891
Внешнu~ cцcm~MЫ:
3Нt!Р20сна~женце, окруж,!ющая сре8а, uс mlWНшrц теnлоть, НUЗКО// Лtемn,ратуры
ит. п.
L-_-.Nr----...... |
М08мь |
. |
||
iJ6ухстуnенчаmой nароЬой |
||||
. __ • ___хо:_о_а"_л_ь_н~ц_-_м_а_щ_~н_Ь_'_.~ |
||||
|
|
|
|
|
|
J·U ранг |
МоiJелu KOMnpeccoP~ |
|
L:-_....N-"----'nefJ60/j, 6mорои cmYMHeii
иаnпарато6
Внутренние ClJcmf!1.m: ypa6HeHUJl
состояния ра6ОЧШ( 6ещеcm~,mеnлоrpu зиуtс/(//е с~оiiстба rneплоносumелеii.,
маем u m. n
Рис. 12.1. Система математических моделей двухступеичатой паровой холо·
дильной .машины
ных аппаратов, паровых и жидкостных трубопроводов, соединя
ющих компрессоры и аппараты друг с другом и т. п. Конструк
цию разделяют на элементы по такому принципу: в одну группу
выделяют схемные элементы, процессы в которых описываются
системами одинаковых уравнений. После этого разрабатывают
ММ, которую будут использовать для расчета процессов во всех
сходных элементах. Заметим, что число таких элементов в прин-
892
ципе может быть разным для различных ММ, так как круг за
дач, которые решащт с их помощью, определяет исследователь в
зависимости от конечной цели математического моделирования. Ма~ематическая модель l-го ранга - это ММ простых типо
вых элементов, входящих в конструкцию узлов компрессоров, ап
паратов, трубопроводов и т. п. Это могут быть участки трубопро
водов, каналов, всасывающего и нагнетательного трактов, всасы
вающие и нагнетательные вентили, предохранительные клапаны
ит. п. Принцип выбора типовых элементов такой же, как
иэлементов конструкции дЛЯ ММ 2-го ранга.
В н е ш н и е с и с т е м ы - это система энергоснабжения,
необходимая для привода холодильной машины, окружающая
среда, в которую отводится теплота от конденсатора, и источники
низкой температуры, от которых теплота отводится. ДЛя всех
источников теплоты определяют параметры и расходы проме
жуточных теплоносителей. ДЛя окружающей среды ~ .это обычно
вода или воздух.
ДЛя источников низкой температуры - рассолы, водный рас
твор этиленгликоля, некоторые фреоны или воздух.
В н у т р е н н и е с и с т е м ы особенно важны при моделировании паровых холодильных машин, рабочие вещест ва которых во время работы переходят из паровой фазы в жид
кую, а процессы сжатия в компрессорах осУ.ществляются в об
ласти слабо перегретого пара в непосредственной близости от правой пограничной кривой. Уравнения состояния реальных рабочих веществ, описанные в гл.2, весьма сложны и при опре
делении многих термических и калорических параметров не мо
гут быть явно разрешены относительно искомых величин. Поэ тому необходимо создавать специальные вычислительные сис
темы, предназначенные только--ДЛЯ определения термических
и калорических параметров рабочих веществ. Такие системы
достаточно сложны и также строятся по модульному принципу
[4]. Теплофизические свойства рабочих веществ и теплоносите
лей определяют по эмпирическим уравнениям. При создании вычислительных систем необходимо выбирать уравнения, фор ма которых будет одинаковой для всего набора рабочих веществ
и теплоносителей, подлежащих использованию в данной ММ,
аменяться будут только коэффициенты, индивидуальные для
каждого из веществ. Это позволяет проводить численный экс
перимент, меняя только исходные данные. В отечественной хо
лодильной технике наиболее распространено уравнение состоя ния Боголюбова-Майера, применительно к которому определе
ны индивидуальные коэффициенты для большого числа рабочих
веществ.
Существенной особенностью ММ холодильной машины явля
ется обратное влияние промежуточных результатов вычислений
на искомую информацию, на результаты вычислений ММ высше
го и низшего рангов, а также на параметры внешних и внутрен
них систем. Например, если при расчетах выявилась необходи-
893
мость изменять температуру конденсации, то весь цикл следует
повторить при ее новом значении. Поэтому в структуре системы
ММпредусмотрены необходимые обратные связи, с помощью ко
торых согласуются данные в потоках информации, идущих из
ММразличного ранга, внешних и внутренних систем. Такое со
гласование осуществляется чаще всего итеративным путем с при
менением при необходимости специальных методов, обеспечиваю
щих сходимость процесса.
Рассмотренная структура системы мм не является единствен
но возможной и может изменяться в зависимости от вида решае
мых задач.
§12.2. ХАРАКТЕРИСТИКИ, РЕГУЛИРОВАНИЕ
ИАВТОМАТИЗАЦИЯ РАБОТЫ ПАРОКОМПРЕССОРНЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН
Важнейшим источником информации о холодильной машине
служит ее характеристика. Она необходима потребителю для вы
бора марки холодильной машины, которая обеспечит требуемый
режим охлаждения объекта; проектировщику, разрабатывающе
му систему автоматического регулирования; инженеру, проводя
щему технико-экономический анализ работы холодильной маши ны в энергетической системе и в ряде других случаев.
Характеристикой холодильной машины называют зависимость
ее холодопроизводительности Qo и эффективной Ne или, чаще, электрической Nэл мощности от температур внещних источников теплоты. Внешними источниками являются окружающая среда
и источник низкой температуры - охлаждаемый объект, от кото рого отводится теплота. В зависимости от характера объекта его
температура может в процессе охлаждения понижаться или оста
ваться практически постоянной.
В подавляющем большинстве случаев теплота отводится от
объекта и подводится к окружающей среде с помощью проме
жуточных теплоносителей. В холодильных машинах с воздушны ми конденсаторами и воздухоохладителями с внутритрубным ки пением рабочего вещества промежуточным теплоносителем явля ется воздух. В холодильных машинах с водяными конденсатора
ми и испарителями, охлаждающими жидкие среды, промежуточ
ный теплоноситель - вода, рассолы, водный раствор этиленгли
коля, некоторые хладоны и, возможно, другие вещества.
Холодильные машины, выцускаемые промышленностью, мож
но применять в холодильных системах различного назначения
с разными способами отвода теплоты в окружающую среду и от охлаждаемых объектов. Вследствие этого под характеристикой
холодильной машины понимают зависимость холодопроизводи
тельности и электрической мощности от температуры теплоноси теля, выходящего из испарителя, при постоянной температуре
теплоносителя, поступающего в конденсатор.
Характеристики холодильных машин с аппаратами для жид
ких теплоносителей строят в виде зависимостей
Qo, Nзл =f(t82 , tw1 )' |
(12.1) |
Для холодильных машин с воздушными аппаратами - |
в виде |
зависимостей
(12.2)
В этих выражениях t82 , to2 - температуры жидкого теплоноси
теля и воздуха при выходе из испарителя или воздухоохладlJтеля соответственно; tw1 ' to.o - температуры воды и окружающего воз
духа при входе в конденсатор соответственно.
Характеристики холодильных машин, в составе которых есть
аппараты для жидких теплоносителей и воздушные аппараты,
в зависимости от их сочетания представляют в таком виде:
зл |
= f(t |
82 |
, t |
O B |
(12.3) |
Qo, N |
|
• ) |
или .
(12.4)
Кроме холодильных машин промышленностьвыпускает ком
прессорно-конденсаторные и компрессорные агрегаты. Характерис
тики компрессорно-конденсаторных агрегатов представляют в виде
зависимостей |
. |
|
|
|
(12.5) |
или |
|
|
Qо,-Nзл |
= f(to, tO•B ). |
(12.6) |
Характеристики компрессорных агрегатов имеют вид |
|
|
Qo, Nзл |
=f(to, tK )· |
(12.7) |
В этих выражениях.tо, t K - |
температуры кипения и конденса |
ции рабочего вещества соответственно.
Характеристики компрессорных агрегатов совпадают с харак теристиками холодильных компрессоров, анализ и принцип рас-
чета которых приведен в § 8.1. '
Все описанные выше характеристики являются tстатическими•.
Это значит, что каждая точка на характеристике соответствует
установившемуся режиму работы холодильной машины и при их
расчете или в эксперименте факторы, влияющие на переходные
режимы, такие как тепловая инерция охлаждаемых объектов,
теплообменных аппаратов и других элементов машин, не учиты
вались. С математической точки зрения это означает равенство
нулю производных по времени от параметров, входящих в урав нения, описывающие тепловые процессы, проходящие в машине.
Построение характеристик паровых холодильных машин.
Рассмотрим, к примеру, графоаналитический метод расчета и по-
895
894