Глава 5. Схемы и циклы

ДВУХСТУПЕНЧАТЫХ И КАСКАДНЫХ

ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН

Для получения низких температур в охлаждаемом объекте (например, в камерах для замораживания продуктов) в испарителе холодильной машины поддерживают низкую температуру кипения (ниже —25÷—30°С) при соответствующем низком давлении р₀. В связи с

этим возрастает степень сжатия р_к/р₀ и происходят следующие изменения:

снижение холодопроизводительности машины вследствие уменьшения коэффициента подачи λ компрессора и увеличения парообразования при дросселировании в регулирующем вентиле;

увеличение нагрузки на механизм движения;

повышение температуры пара холодильного агента в конце сжатия, что может нарушить работу системы смазки компрессора и привести к другим нежелательным последствиям.

Температура пара в конце сжатия (нагнетания) является основным фактором, ограничивающим возможность применения цикла одноступенчатой холодильной машины. В современных компрессорах она не должна превышать 160°С.

Если при построении одноступенчатого цикла температура в конце сжатия будет выше 160° С, что наблюдается при температурах кипения в испарителе ниже —25÷—30° С, следует применить двухступенчатую холодильную машину, а при температурах кипения ниже —70° С — трехступенчатую или каскадную холодильную машину.

ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ И ЦИКЛЫ ДВУХСТУПЕНЧАТЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН

В цикле двухступенчатых машин пары сжимаются от давления кипения р₀ до давления конденсации р_к последовательно в двух цилиндрах (ступенях), а между ступенями сжатия пары охлаждаются водой или жидким холодильным агентом. Пар после первой ступени сжатия не удается охладить водой до температуры насыщения, соответствующей промежуточному давлению, и такое охлаждение водой называют неполным промежуточным. Охлаждение пара между ступенями сжатия до состояния насыщения называют полным промежуточным охлаждением. Для осуществления его используют жидкий холодильный агент.

Схема и цикл двухступенчатой холодильной машины с неполным промежуточным охлаждением пара и одноступенчатым дросселированием жидкости (рис. ). Пар из испарителя И в состоянии 1 засасывается компрессором низкой ступени КМ₁ при давлении р_о и адиабатически сжимается до промежуточного давления р_пр (процесс 1—2). Затем пар направляется в промежуточный водяной холодильник ПК, где при постоянном давлении р_пр

Рис. . Двухступенчатая холодильная машина с неполным промежуточным охлаждением и одноступенчатым дросселированием (цифры на схеме соответствуют точкам на диаграмме):

а — принципиальная схема; б —цикл в s, T-диаграмме.

охлаждается до состояния 3'. Такое промежуточное охлаждение неполное, так как пар остается перегретым (точка 3') и не достигает состояния насыщения (точка 3).

После промежуточного охлаждения пар адиабатически сжимается до давления р_к в компрессоре высокой ступени КМ₂ (процесс 3'—4'). Сжатый пар конденсируется и переохлаждается (процесс 4'—5) и в состоянии 5 поступает к регулирующему вентилю РВ, где дросселируется до давления р_о (процесс 5—6). В состоянии 6 холодильный агент поступает в испаритель И, где кипит при р и t_ot обеспечивая холодильный эффект.

По сравнению с одноступенчатым сжатием пара в компрессоре (процесс 1—2') в рассмотренном цикле двухступенчатого сжатия (см. рис. ) наблюдается экономия в затрате работы (заштрихованная площадь 2—2^r—4'—3').

В машинах, работающих по таким схемам, в каждой ступени сжатия одинаковый массовый расход пара

где М_н и M_в — массовый расход пара в ступенях низкого и высокого давлений, кг/с.

Промежуточное давление определяют по формуле

При таком промежуточном давлении будет одинаковая степень сжатия в низкой и высокой ступенях, что обеспечит минимальную затрату работы и максимальный холодильный коэффициент.

Работу компрессоров низкой и высокой ступеней рассчитывают по следующим формулам:

где L_н,L_в — работа, затраченная в компрессоре соответственно низкой и высокой ступени, Вт.

Холодильный коэффициент определяют по формуле

Двухступенчатые холодильные машины с неполным промежуточным охлаждением пара и одноступенчатым дросселированием жидкости просты в монтаже и обслуживании. Однако повышенная температура пара при всасывании в ступень высокого давления в машинах, работающих на аммиаке, приводит к высоким температурам нагнетания, что неблагоприятно отражается на работе таких машин. Схемы двухступенчатого сжатия с неполным промежуточным охлаждением можно применить для холодильных машин, работающих на хладонах, с температурой кипения не ниже —40° С.

Схема и цикл двухступенчатой холодильной машины с полным промежуточным охлаждением пара и двухступенчатым дросселированием жидкости(рис. ). Такой цикл позволяет получить одну или две разные температуры кипения холодильного агента. При двух температурах кипения можно охлаждать два помещения, поддерживая в них разные температуры. Особенность схемы — неодинаковое количество пара, поступающее в отдельные ступени сжатия.

В конденсатор КД из компрессора высокой ступени КМ₂ поступает холодильный агент в количестве М кг. Там он конденсируется до состояния 5' и переохлаждается до состояния 5 (в большинстве случаев переохлаждение жидкости осуществляется в дополнительном аппарате—переохладителе). Затем жидкость направляется к первому регулирующему вентилю РВ₁. В результате дросселирования (процесс 5—6) давление от р_к понижается до р_пр и температура холодильного агента до t_0пр. Влажный пар (состояние 6) со степенью сухости x₆ поступает в промежуточный сосуд ПС, где насыщенный сухой пар (состояние S) отделяется от насыщенной жидкости (состояние 7). При этом вместо М кг влажного пара образуется M_x6 кг сухого пара и M (1— х₆) кг жидкости. Далее основная часть жидкости М₁ направляется ко второму

Рис. . Двухступенчатая холодильная машина с полным промежуточным охлаждением и двухступенчатым дросселированием: а - принципиальная схема; б -цикл в s, T- и i, lg p-диаграммах.

регулирующему вентилю РВ₂, где вторично дросселируется от р_пр до р_о (процесс 7—8) и поступает в испаритель низкого давления И₁. Другая часть жидкости в количестве М₂ подается в испаритель более высокого давления И₂, где кипит при р_пр и t_0np (процесс 7—3), охлаждая заданный объект. Однако в схеме испарителя И₂ может не быть, и тогда жидкость в количестве М₂ при р_пр не расходуется. Кроме того, часть жидкости в количестве М' используют для охлаждения пара после первой ступени сжатия в промежуточном сосуде.

В испарителе низкого давления И₁ холодильный агент кипит при р_о и t_o (процесс 8—1'), отнимая теплоту от низкотемпературного объекта. Пар, полученный при кипении, перегревается (на пути из испарителя в компрессор) и засасывается компрессором низкой ступени KM₁ (состояние 1). В компрессоре низкой ступени пар сжимается адиабатически до промежуточного давления р_пр (процесс 1—2) и поступает в промежуточный водяной холодильник ПХ, где при постоянном давлении охлаждается до состояния 3'. Применение водяных промежуточных холодильников целесообразно, если температура в конце сжатия значительно выше температуры охлаждающей воды.

Для полного промежуточного охлаждения, т. е. охлаждения пара до состояния сухого насыщенного (состояние 3), пар направляют в промежуточный сосуд ПС, где вследствие кипения части жидкости в количестве М' от пара отводится теплота. При этом выполняется равенство

Массовый расход пара М в компрессоре высокой ступени КМ₂ составит

где М_х6 — массовый расход пара при первом дросселировании, кг/с;

М₁ — массовый расход холодильного агента в испарителе низкого давления И₁ и соответственно в низкой

ступени компрессора, кг/с;

М₂ —массовый расход холодильного агента в испарителе промежуточного давления И₂ (его может не быть),

кг/с;

М' — массовый расход холодильного агента в промежуточном сосуде при осуществлении полного промежуточного охлаждения пара после низкой ступени сжатия, кг/с.

В компрессоре высокой ступени пар сжимается адиабатически по линии 3—4 и опять нагнетается в конденсатор, где он конденсируется, а жидкость в состоянии 5 снова направляется в регулирующий вентиль РВ₁, т. е. цикл повторяется.

При двухступенчатом сжатии пара в компрессоре холодильной машины по сравнению с одноступенчатым получают экономию в работе вследствие уменьшения степени сжатия в каждой отдельной ступени и охлаждения пара между ступенями сжатия.

Схема и цикл двухступенчатой холодильной машины с глубоким переохлаждением жидкости высокого давления в промежуточном сосуде(рис. ). В схему машины, осуществляющей такой цикл, включен промежуточный

Рис. . Двухступенчатая холодильная машина с глубоким переохлаждением жидкости высокого давления в промежуточном сосуде: а — принципиальная схема; б —цикл в s. T - и i, lg p-диаграммах.

сосуд ПС с теплообменником (змеевиком). Из конденсатора КД такой машины выходит жидкий холодильный агент в количестве М кг, и он разделяется на два потока. Основной поток жидкости M₁ из конденсатора КД (или переохладителя) в состоянии 5 поступает в змеевик промежуточного сосуда ПС, а другая часть (М—M₁) направляется в регулирующий вентиль PB₁ и после дросселирования от р_к до р_пр (процесс 5—6) поступает в промежуточный сосуд.

В змеевике промежуточного сосуда жидкость в количестве М₁ кг переохлаждается (процесс 5—7) холодильным агентом, кипящим при р_пр. В идеальном случае жидкость в змеевике переохлаждается до t_0пр (температура в точке 7 равна температуре в точке 9), и цикл тогда термодинамически аналогичен циклу, представленному на рис, . В действительных условиях имеется разность между температурами в процессе теплообмена. Температура жидкого холодильного агента, выходящего из змеевика, выше температуры кипения в промежуточном сосуде на 3—5° С, что приводит к необратимым потерям. Цикл оказывается термодинамически менее совершенен.

Переохлажденная в змеевике промежуточного сосуда жидкость (состояние 7) поступает к регулирующему вентилю РВ₂ и подвергается одноступенчатому дросселированию от р_к до р_о (процесс 7—8), а затем направляется в испаритель низкого давления, где кипит, отнимая теплоту от охлаждаемой среды (процесс 8—1). Образовавшийся в испарителе пар в количестве М\ отсасывается компрессором низкой ступени КМ₁, сжимается (процесс 1—2) и направляется в промежуточный сосуд ПС для охлаждения до состояния насыщения 3.

Из конденсатора КД в промежуточный сосуд направляется (М—М₁) кг жидкости. В результате дросселирования (процесс 5—6) образуется (М—М₁) x₆ кг сухого пара и (М—M₁) (1—х₆) кг жидкости. Эту жидкость, которая в промежуточном сосуде превращается в пар, расходуют на переохлаждение жидкости (М₁ кг) в змеевике промежуточного сосуда ПС и полное промежуточное охлаждение пара (M₁ кг) после низкой ступени сжатия.

Массовый расход жидкости M' в промежуточном сосуде ПС на полное промежуточное охлаждение М₁ кг пара после низкой ступени сжатия (до состояния 3) определяют из теплового баланса

Массовый расход жидкости М" в промежуточном сосуде ПС на переохлаждение М₁ кг жидкости в змеевике (процесс 5—7) находят из теплового баланса

Массовый расход пара в компрессоре высокой ступени КМ₂

В компрессоре высокой ступени КМ₂ пар сжимается (процесс 3—4) и нагнетается в конденсатор, где конденсируется (процесс 4—5) и снова поступает параллельно к вентилям PB₁ и РВ₂.

Схема двухступенчатой холодильной машины со змеевиковым промежуточным сосудом ПС имеет эксплуатационные преимущества: смазочное масло из компрессора низкой ступени не попадает в жидкостную линию, идущую в испаритель, и не загрязняет теплообменные аппараты. Поэтому, несмотря на некоторые потери, вызванные перепадом температур при теплообмене в змеевиковом промежуточном сосуде ПС, схемы такого типа имеют большое практическое применение.

Ступени низкого и высокого давления можно объединить в одном корпусе компрессора или каждую ступень сжатия выполнить отдельными одноступенчатыми компрессорами, включенными последовательно в схему двухступенчатой машины.

Для ступени низкого давления часто применяют компрессоры облегченного типа, рассчитанные на небольшие давления в конце сжатия. Эти компрессоры называют поджимающими, или бустерными. В качестве бустеркомпрессоров используют поршневые, ротационные и винтовые компрессоры.

Схема и цикл двухступенчатой холодильной машины с переохлаждением жидкости в теплообменниках (рис. ). Такой цикл применяют в холодильных машинах, работающих на хладонах (фреонах)

Компрессор низкой ступени КМ₁ сжимает пар (M₁) от р_о до р_пр (процесс 1—2). Сжатый пар охлаждается водой в промежуточном холодильнике ПХ до состояния 3, затем он смешивается с паром (М') состояния 10, поступающим из теплообменника ТO₂, и в состоянии 4 (количество М=М₁ + М') поступает в компрессор высокой ступени КМ₂. Состояние пара после смешения определяют из теплового баланса

Сжатый в компрессоре КМ₂ пар в состоянии 5 направляется в конденсатор КД. После конденсации (процесс 5-6)

Рис. . Двухступенчатая холодильная машина с переохлаждением жидкости в теплообменниках;

а — принципиальная схема; б — цикл в i, lg p-диаграмме.

жидкий холодильный агент переохлаждается сначала в теплообменнике ТО₁ (процесс 6—7) паром, поступающим из испарителя, а затем в теплообменнике ТO₂ (процесс 7—8) кипящей жидкостью при р_пр. После переохлаждения в двух теплообменниках часть жидкости М' дросселируется в регулирующем вентиле РВ₁ от p_к до р_пр (процесс 8—9) и направляется опять в теплообменник ТO₂. При этом выполняется равенство

Пар, образовавшийся при кипении в теплообменнике ТO₂, в состоянии 10 отсасывается компрессором КМ₂. Основной поток жидкости (М₁) дросселируется в регулирующем вентиле РВ₂ от р_к до р₀ (процесс 8—11) и поступает в испаритель И. В испарителе жидкость кипит и незначительно перегревается (процесс 11—12), воспринимая теплоту от охлаждаемой среды, а пар в состоянии 12 поступает в теплообменник ТО₁ где значительно перегревается и в состоянии 1 засасывается компрессором КМ₁. При этом выполняется равенство

В рассмотренной схеме предусмотрены специальные автоматические вентили РВ₁ и РВ₂, регулирующие заполнение испарителя И и теплообменника ТO₂ так, что из этих аппаратов выходит пар, перегретый на 3—7°С, Поэтому точка 12, которая характеризует состояние пара, выходящего из испарителя И, и точка 10, которая характеризует состояние пара, выходящего из теплообменника TO_2t находятся в области перегретого пара.

Расход пара при заданной холодопроизводительности Q₀ определяют по формулам:

в компрессоре низкой ступени

в компрессоре высокой ступени

где M' — расход холодильного агента в регулирующем вентиле РВ₁ и теплообменнике ТO₂,кг/с.

Величину M' определяют из соотношения ()

При этом температуру переохлаждения жидкости в точках 7 и 8 задают.

Положение точек 1 и 4 в диаграмме находят по энтальпии, которую определяют по формулам:

для точки 1

для точки 4

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА

И ЦИКЛ КАСКАДНОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ МАШИНЫ

Для получения низких температур (ниже—70° С) применяют каскадные холодильные машины. Они состоят из двух или трех холодильных машин, работающих на разных холодильных агентах.

Простейшая каскадная холодильная машина (рис.) состоит из двух одноступенчатых холодильных машин, называемых нижней и верхней ступенями (ветвями) каскада. Нижняя ступень каскада работает на холодильном агенте высокого давления, имеющим низкую нормальную температуру кипения, верхняя — на холодильных агентах, обычно применяемых для умеренных температур.

В испарителе И нижней ступени каскада кипит холодильный агент при T_о, отнимая теплоту от охлаждаемой среды. Пар в состоянии 1 засасывается компрессором КМ, сжимается адиабатически и в состоянии 2 направляется в водяной холодильник, если температура в точке 2 выше температуры охлаждающей воды. Затем пар в состоянии 2' направляется в конденсатор, где сжижается при охлаждении кипящим холодильным агентом испарителя верхней ступени каскада, в результате чего температура конденсации нижнего каскада Т'_к значительно ниже температуры охлаждающей воды. Жидкость в состоянии 3 дросселируется в регулирующем вентиле РВ₂ и в состоянии 4 снова поступает в испаритель.

Рис. . Каскадная холодильная мишина: а — принципиальная схема; б —цикл в s, T-диаграмме.

В верхней ступени каскада также осуществляется цикл одноступенчатой холодильной машины (1в—2в—Зв—4в), но при более высоких температурах. В испарителе верхнего каскада кипит холодильный агент, отнимая теплоту от конденсирующегося холодильного агента нижней ступени каскада. Для этого температуру кипения Т'₀ верхнего каскада поддерживается на 5—6° С ниже температуры конденсации Т'_к нижнего каскада. Пары, сжатые в компрессоре КМ_В (процесс 1в—2в), выталкиваются в конденсатор КД, охлаждаемый водой. Жидкость, полученная в конденсаторе (состояние 3в), дросселируется в регулирующем вентиле РВ₁ и в состоянии 4в возвращается в испаритель-конденсатор (И-К). В отдельных ступенях каскада можно применять одно- и двухступенчатые холодильные машины. Наиболее распространены каскадные холодильные машины, работающие в нижней ступени каскада на R13, а верхней — на R22.

Каскадная машина с одним холодильным агентом в разных каскадах нецелесообразна, так как разность между температурами в испарителе-конденсаторе приводит к дополнительным потерям по сравнению с обычными машинами многоступенчатого сжатия.