3.3. Циклы и схемы холодильных машин с многоступенчатым сжатием

Поскольку температура кипения холодильного агента в испарителе холодильной машины зависит от величины давления в нем, для получения низкотемпературного холода приходится понижать давление Р₀. С другой стороны, давление в конденсаторе является самоустанавливающимся параметром, поскольку, при прочих равных условиях, только зависит от температуры окружающей среды. Следовательно, с понижением температуры кипения агентаt₀растет степень сжатия в компрессореР_к/Р₀. А это приводит к ряду негативных явлений в работе холодильной машины. В связи с этим для получения низкотемпературного холода используют холодильные машины с многоступенчатым сжатием (чаще всего – двухступенчатые), в которых высокая степень сжатия холодильного агента преодолевается в несколько этапов.

3.3.1. Циклы и схемы двухступенчатых холодильных машин

Наиболее простым циклом двухступенчатой холодильной машины является цикл с неполным промежуточным охлаждением и одним дросселированием холодильного агента (рис. 3.10).

Рис. 3.10

Сжатие (1, 2') в одноступенчатом цикле 1, 2', 4, 5, 6 заменено здесь двухступенчатым с промежуточным охлаждением холодильного агента (2, 3) между сжатием в ступени низкого давления – СНД (1, 2) и в ступени высокого давления – СВД (3, 4). Промежуточное охлаждение обычно осуществляют проточной водой, для чего в схему холодильной машины включают дополнительный элемент – промежуточный холодильник. Температура точки 3 зависит от температуры проточной воды. Как правило, она несколько выше температуры точки 3'(точки 3 и 3'лежат на одной изобареР_пр), поэтому говорят, что в рассматриваемом цикле имеет место неполное промежуточное охлаждение пара холодильного агента.

Холодильный коэффициент этого цикла может быть определён как

. (3.4)

Нетрудно заметить, что в одноступенчатом цикле 1, 2', 4, 5, 6, осуществляемом в том же интервале давленийР_киР₀, при той же величине удельной массовой холодопроизводительностиq₀теоретическая работа сжатия (площадь цикла) больше на величину, эквивалентную площади 2, 2', 4, 3. Ниже в цикле и температура конца сжатия в компрессоре (t₄< t_2'), что также является важным при оценке качества цикла холодильной машины.

При построении цикла (рис. 3.10) необходимо задаться величиной промежуточного давления Р_np. Можно показать, что целесообразно выбиратьР_приз условий равной степени сжатия в компрессорах СНД и СВД, т.е.Р_пр/Р₀=Р_к/Р_проткуда следует, что

. (3.5)

На практике цикл с неполным промежуточным охлаждением и одним дросселированием используется в низкотемпературных холодильных машинах небольшой мощности, например, в низкотемпературных шкафах, термобаро- камерах и т.д. (рис. 3.11).

Рис. 3.11.  Принципиальная схема и цикл фреоновой двухступенчатой холодильной машины с неполным промежуточным охлаждением и одним дросселированием: I – компрессор СНД, II – промежуточной холодильник, III – компрессор СВД, IV – конденсатор, V – РТО, VI – РВ, VII – испаритель, 1, 1' и 5, 5' – процессы в РТО

Недостатком цикла с неполным промежуточным охлаждением и одним дросселированием является наличие неполного промежуточного охлаждения холодильного агента (полное 2, 3', рис. 3.11 энергетически более выгодно) и большие потери холодопроизводительности при дросселировании холодильного агента (отрезок 6-7). От перечисленных недостатков избавлен цикл с полным промежуточным охлаждением и двойным дросселированием, который получил широкое распространение в двухступенчатых аммиачных холодильных машинах (рис. 3.12).

Рис. 3.12.  Принципиальная схема и цикл двухступенчатой холодильной машины с полным промежуточным охлаждением и двойным дросселированием: I – компрессор СНД, 11– промежуточной холодильник, III – промежуточный сосуд, IV – компрессор СВД, V – конденсатор, VI – PBI, VII – РВII, VIII – испаритель

В компрессоре СНД такой холодильной машины холодильный агент сжимается по адиабате 1, 2 от давления Р₀доР_пр. Отсюда перегретый пар в состоянии 2 поступает а промежуточный холодильникII, где (насколько это возможно) переохлаждается проточной водой в изобарном процессе 2, 2'и проходит через промсосудIII. Последний представляет собой вертикально ориентированный пустотелый сосуд, частично заполненный кипящей жидкостью при давленииР_пр(состояние 7). Перегретый пар состояния 2'барботирует через слой этой жидкости, в результате чего происходит полное переохлаждение пара (2', 3). Естественно, что, принимая теплоту перегрева 2', 3, некоторая часть жидкого агента состояния 7 вскипит (7, 3) и превратится в пар (обозначим это количество параG'). Вместе с основным потоком параG, прошедшим через компрессор ступени СНД, этот пар поступает в компрессор ступени СВД, где сжимается по адиабате 3, 4 от давленияР_прдоР_к. Из компрессора ступени СВД пар нагнетается в конденсатор, в котором происходит переохлаждение пара до состояния насыщения (4, 4') и его конденсация (4', 5). Отсюда жидкий холодильный агент поступает на дросселирование вPBI(5, 6).

Образовавшаяся в результате дросселирования парожидкостная смесь состояния 6 механически разделяется в промсосуде III: более легкий пар (состояние 3) в количествеG"собирается в верхней части промсосудаIIIи откачивается компрессором СВД, а более тяжелая жидкость (состояние 7) идет на дросселирование в РВVII(7, 8) и испарительVIII, где кипит при низком давленииР₀(8, 1). Компрессор ступени СНД откачивает из испарителя образовавшийся пар и тем самым поддерживает в нем низкое давлениеР₀.

Нетрудно заметить, что, если через компрессор ступени СНД проходит G, кг/с пара, то через компрессор ступени СВД – большее количество (G+G'+G") кг/с. Поэтому величину холодильного коэффициента цикла удобно записать через общий расход пара в каждой из ступеней сжатия:

, (3.6)

где Q₀– холодопроизводительность машины, кВт;

L_СНД,L_СВД– работа сжатия в течение 1 с, т.е. теоретическая мощность каждой из ступеней.

Сократив в (3.6) G, получим формулу для расчетачерез удельную холодопроизводительность:

,

где =G'/G– относительное количество пара, образовавшееся в процессе барботажа;

 = G"/G– относительное количество пара, образовавшееся в процессе дросселирования 5, 6 (фактически– степень сухости влажного пара в состоянии 6).

Поскольку , а, то выражение (1 +  + ) можно представить как:

,

а величину холодильного коэффициента цикла

. (3.7)

Важно отметить, что, несмотря на то, что расход пара в компрессоре СНД меньше, чем в компрессоре СВД, по геометрическим размерам последний значительно меньше компрессора СНД, т.к. удельный объем всасываемого пара V₃значительно меньшеV₁.

На предприятиях пищевой промышленности цикл с полным промежуточным охлаждением и двойным дросселированием, используются для обеспечения холодом камер хранения замороженных грузов, камерных морозилок и скороморозильных аппаратов. Однако встречаются различные модификации этого цикла. Так, часто в схему холодильной машины не включают промежуточный холодильник II. В этом случае в промежуточный сосудIIIпоступает перегретый пар в состоянии 2. Схема холодильной машины упростится, однако холодильный коэффициент цикла уменьшится (знаменатель выражения (3.7) увеличится). Объяснение этому простое: большее количество жидкого холодильного агента после первого дросселирования будет затрачиваться непроизводительно (на переохлаждение пара 2, 2'), т.е. не попадет в испаритель холодильной машины.

Часто рассматриваемый цикл реализуют с глубоким переохлаждением жидкости высокого давления в змеевике промежуточного сосуда (рис. 3.13).

Рис. 3.13.  Схема и цикл двухступенчатой холодильной машины с глубоким переохлаждением жидкости в змеевике промсосуда (обозначения те же, что и на рис. 3.12): 5, 7 – глубокое переохлаждение жидкости в змеевике промсосуда III

В схему такой холодильной машины включают промежуточный сосуд с теплообменником (змеевиком), который погружен в кипящую жидкость (состояние 8). Постоянный уровень жидкости в нем поддерживается при помощи PBI(VI). Теоретически величина холодильного коэффициента этого цикла будет такая же как и у предыдущего (если положить, чтоt₇=t₈).

Практически, однако, t₇всегда вышеt₈на 3...5С, что приводит к необратимым потерям и незначительному снижению величины.

Тем не менее, рассматриваемая схема нашла широкое применение, т.к. обладает существенным эксплуатационным преимуществом: смазочное масло из компрессора СНД уже удалённое в маслоотделителе, не попадает снова в теплообменные аппараты холодильной машины и не загрязняет их.

Конструктивно ступени низкого и высокого давления могут быть выполнены как отдельные одноступенчатые компрессоры, включенные последовательно в схему холодильной машины. Для ступени низкого давления часто применяют компрессоры облегченного типа, рассчитанные на небольшие давления в конце сжатия, которые иногда называют поджимающими, т.е. бустерными. В качестве бустер-компрессоров используют поршневые, ротационные и винтовые компрессоры. Иногда компрессоры СНД и СВД объединяют в двухступенчатый агрегат, включающий два компрессора, разделенные промсосудом. Отечественная промышленность выпускает и однокорпусные двухступенчатые компрессоры (например, четырехцилиндровые – один из цилиндров которых выполняет функции компрессора СВД, а остальные – СНД).

Расчет цикла двухступенчатой холодильной машины с неполным промежуточным охлаждением (рис. 3.11) выполняют по схеме, аналогичной схеме расчета одноступечатого цикла. Исходными данными являются температуры кипения t₀и конденсацииt_к. Вначале по Р,i– диаграмме заданного холодильного агента определяют давленияР₀иР_ки по формуле (3.5) – промежуточное давление в циклеР_пр. Эти линии наносят на диаграмму и последовательно определяют параметры точек 1, 2, 3, 4, 5, 6. Параметры точки 3 находят на пересечении изобарыР_при адиабаты 3, 4 (температураt₃на 3...5С выше температуры проточной воды в промежуточном холодильнике).

Расчет цикла двухступенчатой холодильной машины с полным промежуточным переохлаждением (рис. 3.13) выполняют аналогично. Ниже приводится пример такого расчета (холодильный агент – аммиак, t_к= +35 °С,t₀= –30 °С):

1.  В диаграмме lgР, і для аммиака наносят изотермыt₀,t_ки определяют соответствующие им значения давленийР₀иР_к. Определяют параметры точек 1 и 5.

2.  По формуле (3.5) определяют значение давления Р_при наносят на диаграмму. Определяют параметры точки 3.

3.  На пересечении соответствующих линий определяют параметры точек 2 и 4.

4.  На пересечении изотермы t_при изобарыР_копределяют параметры точки 7. Параметры найденных точек вносят в таблицу.

№ точки	t, °С	Р, МПа	V, м3/кг	I, кДж/кг	S, Дж/(кг·К)
1	минус 30	0,13	0,88	1648	9,22
2	44	0,42	0,37	1820	9,22
3	минус 2	0,42	0,30	1675	8,88
4	88	1,35	0,12	1850	8,88
5	0	1,35	–	570	–
6	минус 2	0,42	–	570	–
7	0	1,35	–	420	–
8	3	0,42	–	435	–
9	минус 30	0,13	–	420	–

Далее определяют:

5.  Удельную массовую холодопроизводительность:

q₀=і₁–і₉= 1648 – 420 = 1128 кДж/кг.

6.  Удельную работу сжатия в компрессорах СНД и СВД:

l_СНД=і₂–і₁= 1820 – 1648 = 172 кДж/кг.

l_СВД=і₄–і₃= 1850 – 1675 = 175 кДж/кг.

7.  Холодильный коэффициент цикла холодильной машины:

.

8.  Удельную тепловую нагрузку на конденсатор:

=1280 кДж/кг.

9.  Холодильный коэффициент цикла Карно:

= 3,74.

10.  Степень термодинамического совершенства цикла холодильной машины:

,

что следует для двухступенчатого цикла признать удовлетворительным.