Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

А. В. Бараненко. Холодильные машины

.pdf
Скачиваний:
524
Добавлен:
10.02.2015
Размер:
32.49 Mб
Скачать

ми, 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, tOB ).

(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