Замена детандера дроссельным вентилем

Детандер является довольно сложной и дорогостоящей машиной. С другой стороны, работа расширения жидкости в детандере очень мала (жидкость практически несжимаема). В связи с этим в реальных холодильных машинах детандер повсеместно заменен более простым дроссельным (регулирующим) вентилем. В этом случае работа расширения в детандере отсутствует (l_д= 0), а работа цикла становится равной работе компрессораl = l_к = i₂ – i₁. Цикл такой машины представлен на рис. 3.3. Здесь 3, 4 – процесс дросселирования (i=const).

T

Рис. 3.3.  Цикл с дроссельным вентилем

Вследствие того, что неиспользованная работа детандера в соответствии с законом сохранения энергии переходит в виде тепла трения к холодильному агенту и вызывает частичное дополнительное парообразование в дроссельном вентиле, происходит некоторое уменьшение удельной холодопроизводительности, соответствующее площади b', 4', 4, b. В то же время количество теплоты, отведенное в конденсатореq_к(площадь а, 2, 3,b'), остается неизменным. Поэтому, исходя из теплового баланса цикла, приращение работы цикла численно должно быть равно уменьшению его холодопроизводительности.

Действительно, для цикла с детандером величина q_кэквивалентна площади а, 2, 3,b'и равна:

.

Для цикла с дроссельным вентилем q_ктакже эквивалентна площади под линией 2, 3 (а, 2, 3,b'), но равна:

,

где l– неиспользованная работа детандера.

Приравнивая правые части приведенных равенств, получим:

,

т.е. .

Холодильный коэффициент такого цикла будет меньше, чем у теоретического цикла в области влажного пара, т.к. числитель выражения уменьшится, а знаменатель увеличится на одну и ту же величину. Это свидетельствует о том, что теоретически замена детандера регулирующим вентилем невыгодна. Однако такая замена значительно упрощает холодильную машину и позволяет легко и удобно осуществлять регулирование ее работы. Поэтому в паровых компрессорных холодильных машинах она всегда имеет место.

Сжатие в области перегретого пара

Рис. 3.4.  Цикл, реализующий "сухой ход" компрессора

Адиабатическое сжатие 1, 2 в цикле с детандером происходит в области влажного пара. По этой причине такое сжатие иногда называют "влажным ходом" компрессора. Этот режим работы является опасным из-за возможного гидравлического удара (если в цилиндр компрессора попадет большое количество жидкого холодильного агента), что может привести к серьезной аварии. В связи с этим при эксплуатации современных паровых холодильных машин нужно стремиться избегать режима "влажного хода". При "сухом ходе" компрессора (рис. 3.4) сжатие осуществляют в области перегретого пара (процесс 1', 2'). Практически "сухой ход" компрессора обеспечивается включением в схему отделителя жидкости (аммиачные холодильные машины), либо регенеративного теплообменника (фреоновые холодильные машины), а также перегревом пара во всасывающем трубопроводе. Энергетически "сухой ход" менее выгоден, т.к. некоторому увеличению удельной холодопроизводительности (пропорциональному площади a, 1', 1, d) сопутствует более быстрое возрастание работы (1', 2', 2, 1), т.е.cуменьшением, в конечном счете, величины холодильного коэффициента.

Рис. 3.5.  Цикл с перегревом пара и переохлаждением жидкости

Практическая реализация цикла, изображенного на рис. 3.4, может привести к перегреву пара 1', 1''перед поступлением его в компрессор (рис. 3.5) и переохлаждению жидкости (3, 3') перед ее дросселированием.

Перегрев пара может происходить либо в испарителе холодильной машины, либо во всасывающем трубопроводе. Величина его, как правило, не превышает 5...10 С. Переохлаждение жидкого холодильного агента 3, 3'может осуществляться в конденсаторе, либо в специально включенном для этой цели аппарате – переохладителе жидкости. Из диаграммы видно, что переохлаждение 3, 3'приводит к возрастанию удельной холодопроизводительностиq₀.

Мы предлагаем студентам самостоятельно выяснить, как отразятся указанные изменения в цикле на величине холодильного коэффициента.

Холодильные машины большой мощности в настоящее время, как правило, работают на аммиаке. Оптимальным циклом аммиачных холодильных машин является цикл с отделителем жидкости.