3. Многоступенчатые холодильные машины.

Одноступенчатые компрессорные машины применяют при Р_к/Р₀ ≤ 9, что соответствует температуре кипения -20 °С и конденсации 30 ⁰С. При больших значениях отношения давлений холодопроизводительность значительно снижается, поэтому вместо одноступенчатых применяют двух-, трехступенчатые и каскадные холодильные машины. Кроме того, при больших значениях отношения Р_к/Р₀ температура пара в конце сжатия в одноступенчатой машине чрезмерно высока, что приводит к потере маслом смазочных свойств, его самовозгоранию, повышению износа деталей компрессора.

Переход к многоступенчатому сжатию обусловлен и необходимостью соблюдения условий прочности, так как по расчетам разность давлений Р_к – Р₀ компрессоров не должна превышать 1,7 МПа. В многоступенчатых машинах температура паров холодильного агента в конце сжатия первой ступени компрессора обычно выше температуры окружающей среды, поэтому приходится охлаждать перегретый пар прямоточно в водяном межступенчатом холодильнике. Кроме водяного применяют промежуточное охлаждение холодильным агентом, что увеличивает холодильный коэффициент. Многократное дросселирование холодильного агента с промежуточным отбором пара снижает энергетические потери.

Холодильный агент сжимается до давления конденсации последовательно в две или более ступеней с промежуточным охлаждением частично сжатых паров. На каждой ступени отношение давления нагнетания к давлению всасывания меньше, чем Р_к/Р₀ для полного цикла данной машины.

В схемах с многократным дросселированием промежуточное охлаждение между ступенями сжатия может быть полным и неполным (рис. 23).

Рис. 23. Принципиальные схемы многоступенчатых парокомпрессионных машин:

а – с неполным промежуточным охлаждением;

6 – с полным промежуточным охлаждением

Неполное промежуточное охлаждение осуществляется водой. В этом случае (см. рис. 23, а) температура сжатого пара после цилиндра низкого давления (ЦНД) – процесс 1–2 – снижается в водяном межступенчатом холодильнике 1 до состояния 3' сухого перегретого пара, а затем пар поступает в цилиндр высокого давления (ЦВД). Состояние 4' на S–T-диаграмме (рис. 24) соответствует состоянию пара после сжатия в ЦВД в двухступенчатой холодильной машине без промежуточного отбора пара.

Промежуточный отбор пара осуществляется из промежуточного сосуда II, в который поступает парожидкостная смесь после первого дросселирования в РВ₁. Жидкость на РВ₁ подается из конденсатора III при давлении конденсации Рк, соответствующем давлению пара в ЦВД, и снижается после дросселирования до промежуточного давления Р'o (см. рис. 24) и соответствующей температуры T₀'.

Сухой насыщенный пар из промежуточного сосуда (состояние 3) поступает в ЦВД. В результате смешивания сухого насыщенного и перегретого паров после холодильника всасываемый в ЦВД пар переходит в состояние 3", а после сжатия – в 4" (процесс 3"–4", см. рис. 24).

Жидкость из промежуточного сосуда используется для кипения в испарителе V (рис. 23) при более низкой температуре То и давлении P"₀ после вторичного дросселирования в РВ₂, но может использоваться и для кипения в испарителе IV при более высокой температуре кипения Т"о и давлении P'₀ в цикле после первого дросселирования в РВ₁. Из испарителя IVсухой насыщенный пар (точка 3) выходит в том же состоянии, что и из промежуточного сосуда.

При полном промежуточном охлаждении состояние рабочего тела перед всасыванием в компрессор более высокой ступени соответствует состоянию сухого насыщенного пара. Сжатый в ЦНД пар после межступенчатого водяного холодильника (точка 3', рис. 23, б) поступает на доохлаждение в промежуточный сосуд II, где приходит в состояние насыщенного пара (точка 3, рис. 24). Из промежуточного сосуда сухой насыщенный пар отсасывается в ЦВД. При наличии испарителя IV из него в ЦВД также поступает сухой насыщенный пар. Процесс сжатия пара в ЦВД характеризуется линией 3–4 (см. рис. 24), температура конца сжатия в этом случае более низкая, чем при других двухступенчатых схемах.

Рис. 24. Цикл многоступенчатой парокомпрессионной машины

Через разные элементы многоступенчатых схем с промежуточным отбором пара циркулирует неодинаковое количество вещества. Следовательно, изображение процессов в многоступенчатых холодильных установках на термодинамических диаграммах носит условный характер, так как каждый процесс в них относится к изменению состояния 1 кг вещества. Поэтому массовые потоки в элементах многоступенчатых машин при их расчете относят к 1 кг рабочего тела, проходящего через низкотемпературный испаритель.

Для получения очень низких температур применения одного рабочего тела недостаточно из-за давлений кипения рабочего тела, близких к глубокому вакууму, затвердевания его при низкой температуре кипения в испарителе и по другим причинам. В этих случаях приходится использовать каскадные холодильные машины, в каждой ступени которых применяют свое рабочее тело. При этом испаритель каждой следующей ступени является конденсатором предыдущей.

Цикл и принципиальная схема каскадной холодильной машины. Каскадная холодильная машина состоит из двух или трех ступеней (ветвей), в которых используются разные рабочие вещества. Наиболее распространенными явля­ются машины, состоящие из двух ветвей – нижней и верхней. В нижней ветви каскада используется рабочее вещество высокого давления (низкотемпературное), чаще всего это хладон 23. В верх­ней ветви – рабочее вещество среднего давления, как правило, это хладон 22. Причем в каждой из ветвей возможно примене­ние двухступенчатого сжатия. Объединяются ветви каскада спе­циальным теплообменным аппаратом, который называется «кон­денсатор-испаритель». Таким образом, при помощи верхней вет­ви каскада отводится теплота от рабочего вещества нижней ветви. На рис. 25 представлена принципиальная схема реаль­ной каскадной холодильной машины, которая предназначена для работы при температуре кипения в нижней ветви каскада от -70 до -90 ºС.

Далее рассматриваются циклы нижней и верхней ветвей каскада.

Давления кипения нижней ветви р и конденсации верхней ветви р определяются так же, как и для других паровых холо­дильных машин, т.е. в зависимости от внешних источников. Наибольшую сложность вызывает определение давлений конден­саций нижней ветви р и кипения верхней ветви р . При упро­щенном методе определения этих величин исходят из условия примерного равенства степеней повышения давления в нижней и верхней ветвях каскада, т.е. р /р ≈ р /р , задаваясь разнос­тью температур в конденсаторе-испарителе 5-10 ºС.

Рабочее вещество поступает в компрессор нижней ветви I при температуре от -15 до 0 °С, сжимается от давления р до давления р . В теплообменнике II рабочее вещество охлаждается водой (процесс 2-3), в теплообменнике III холодным паром, идущим из испарителя (процесс 3-4). Далее рабочее вещество конденсируется в конденсаторе-испарителе VI. Теплота от конденсатора-испарителя Q отводится верхней ветвью каскада, холодопроизводительность которой равна Q . Жидкое рабочее вещество затем поступает в теплообменник IV, охлаждается холодным паром, идущим из испарителя (процесс 5-6). Затем рабочее вещество дросселируется в дроссельном вентиле V.

При выходе из испарителя (точка 8) рабочее вещество может стать сухим насыщенным паром (или перегретым). Рабочее вещество подогревают в теплообменнике IV (процесс 8-9) до температуры -50...-30 °С, затем в теплообменнике III до темпера­туры -15...-0 °С (процесс 9-1).

В теплообменнике III происходит подогрев пара, идущего на всасывание в компрессор, что, с одной стороны, увеличивает ра­боту компрессора, но, с другой стороны, уменьшает тепловой поток в конденсаторе-испарителе, что, в свою очередь, снижает Т и Т . Применение теплообменника III имеет смысл лишь в том случае, если установлен теплообменник II, который ох­лаждается водой. В противном случае растет тепловой поток на конденсатор-испаритель вследствие увеличения работы сжатия компрессора при всасывании более нагретого пара. Кроме того, повышение температуры всасывания улучшает тепловой режим работы компрессора, так как всасывание в компрессор рабочего вещества с низкой температурой может привести к температур­ным деформациям деталей компрессора. Необходимость тепло­обменника IV можно объяснить тем, что в нем охлаждается ра­бочее вещество перед дросселированием, что увеличивает удель­ную холодопроизводительность цикла. Теплообменники IV и III, кроме этого, защищают компрессор от гидравлического удара.

Верхняя ветвь каскада представляет собой одноступенчатую холодильную машину с регенеративным теплообменником, которая была рассмотрена ранее.

Как уже отмечалось, в нижней ветви используется рабочее вещество высокого давления, поэтому при стоянке машины давление в ней может чрезмерно повыситься. Чтобы этого не про­изошло, в схеме предусмотрен расширительный сосуд XII, который автоматически подключается к системе, а при пуске рабочее вещество сначала отсасывается из него, а затем подключается испаритель.

Сравнение эффективности каскадных и двухступенчатых хо­лодильных машин показывает, что если в обеих ветвях каскада использовать одно и то же вещество, а теплообмен в конденсаторе-испарителе будет происходить при бесконечно малой разности темпера­тур, то такие машины термодинамически равноценны.

В действительных условиях наличие конечной разности температур в конденсаторе-испарителе ведет к уменьшению холодильного коэффициента каскадной машины по сравнению с двухступенчатой. Наличие конденсатора-испарителя увеличивает капитальные затраты каскадной машины.

Однако в реальных условиях очень часто каскадные машины выгоднее двухступенчатых. Это можно объяснить преимуществами, которые связаны с использованием в нижней ветви каскада рабочего вещества высокого давления. Объемная производительность компрессора нижней ветви меньше, чем у компрессора первой ступени двухступенчатой машины из-за большей плотности рабочего вещества при всасывании, что ведет к уменьшению мощности трения. При больших давлениях всасывания (при температуре кипения -80 °С давление хладона 23 равно 0,11 МПа, в то время как у хладона 22 оно 0,0105 МПа) относительные потери мощности в клапанах значительно меньше. Отношение давлений для одинаковых диапазонов температур в нижней ветви каскадной машины меньше, чем в первой ступени двухступенчатой машины (при t_m = -40 °С и t₀ = -80 °С для хладона 23 р /р = 5,8 , для хладона 22 р_m/р₀ = 16,8). Это ведет к увеличению объемных и энергетических потерь в первой ступени двухступенчатой машины.

Рис. 25. Схема и цикл каскадной холодильной машины