Холодильное и вентиляц оборудование Белов ЕЛ

22

23

РАЗДЕЛ 4. ТЕКСТЫ ЛЕКЦИЙ ПО УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ

1.ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН

1.1.Воздушные холодильные машины

1.2.Паровые компрессионные холодильные машины

1.3.Водоаммиачная абсорбционная машина.

1.4.Пароэжекторные холодильные машины

Различают в основном два типа холодильных машин. В одних машинах осуществляются циклы, связанные с затратой механической работы (воздушные и паровые холодильные компрессионные машины), а в других циклы, связанные с затратой теплоты (абсорбционные и пароэжекторные холодильные машины).

1.1. Воздушные холодильные машины

Промышленное получение холода было впервые осуществлено с помощью машин, в которых рабочим веществом был воздух.

ные холодильные машины с турбокомпрессорами. Последние компактны, легки, но вместе с тем способны перемещать большие объемы циркулирующего воздуха.

Рис. 1.2. Вихревая труба

(схема): 1 - дроссельный вентиль; 2 – сопло; 3 - диафрагма

Разновидностью воздушной холодильной машины является вихревая труба (рис. 2). Вихревая труба проста по устройству. Это отрезок цилиндрической трубы, разделенный на две полости диафрагмой 3 с отверстием, концентричным геометрической оси трубы. В непосредственной близости от диафрагмы 3

24

есть сопло 2 для подачи сжатого воздуха, расположенное тангенциально относительно внутренней поверхности трубы. Часть трубы, расположенная справа от диафрагмы и имеющая свободный выход, называется холодным концом трубы, а левая ее часть с дроссельным вентилем 1 — горячим концом.

1.2. Паровые компрессионные холодильные машины

Основное преимущество паровой компрессионной холодильной машины перед воздушной заключается в том, что рабочий цикл ее полностью или в основном реализуется в области насыщения — между пограничными кривыми. Это позволяет осуществлять процесс с большим приближением к циклу Карно, так как в области насыщения изобары совпадают с изотермами. Рабочим веществом в паровой холодильной машине служит легко кипящая жидкость (хладагент).

Процесс в паровой компрессионной машине, работающей по обратному циклу Карно, может быть реализован с помощью расширительного цилиндра (детандера).

Цикл с детандером. В охлаждаемом помещении установлен теплообменный аппарат — испаритель И (рис. 1.3, а), в который поступает хладагент в виде влажного пара с большим содержанием жидкости. В этом аппарате при постоянном давлении р0 и соответствующей низкой температуре t0 жидкость кипит, причем необходимая для этого теплота отнимается от охлаждаемого помещения. Образующиеся при кипении пары из испарителя И засасываются компрессором Км, сжимаются в нем и нагнетаются в конденсатор Кд, в котором они под действием охлаждающейся воды конденсируются при постоянном давлении рк и соответствующей ему температуре tк. Жидкость из конденсатора Кд поступает в расширительный цилиндр Д, где ее давление понижается от рк до ро. В результате жидкость снова способна кипеть в испарителе И при низкой температуре и отводить теплоту от охлаждаемого помещения.

Рис. 1.3. Схема (а) паровой хо-

лодильной компрессионной машины и обратный цикл Карно в области насыщения (б):

Км — компрессор; Кд — конденсатор; Д—детандер (расширительный цилиндр); И— испаритель

При наличии расширительного цилиндра Д паровая компрессионная машина работает по обратному циклу Карно (рис. 7, б), определяемому двумя изотермами 4— 1 и 2—3 (в испарителе и конденсаторе) и двумя адиабатами 1— 2 и 3—4 (в компрессоре и расширительном цилиндре).

Цикл с регулирующим вентилем. На практике цикл паровой холодильной компрессионной машины отличается от цикла Карно. Прежде всего взамен адиабатного процесса расширения в расширительном цилиндре вводится процесс дросселирования в регулирующем вентиле РВ (рис. 1.4).

25

Замена расширительного цилиндра регулирующим вентилем необходима по практическим соображениям. Во-первых, выполнить расширительный ци-

Рис. 1.4. Схема (а) и цикл (б) паровой хо-

лодильной компрессионной машины с регулирующим вентилем: Км — компрес-

сор; Кд — конденсатор; РВ – регулирующий вентиль; И— испаритель; б – рабочий цикл

линдр сложно из-за очень малых его размеров, которые должны соответствовать небольшому объему протекающей жидкости.

Кроме того, работа, которая может быть получена при адиабатном расширении жидкости, для наиболее распространенных хладагентов (R12, R717 и др.) очень мала, а механические потери, неминуемые в расширительном цилиндре, поглотят значительную долю этой работы. Регулирующий вентиль, не вносящий в процесс существенных потерь, позволяет просто и удобно регулировать подачу хладагента в испаритель холодильной машины в различных условиях ее эксплуатации. Паровая холодильная машина с регулирующим вентилем в конструктивном отношении намного проще, чем с расширительным цилиндром. Вместе с тем такая замена приводит к потерям: теряется полезная работа расширения и уменьшается холодопроизводительность.

Наименьшие потери от применения регулирующего вентиля имеют место в холодильных машинах, работающих на аммиаке.

1.3. Водоаммиачная абсорбционная машина.

В абсорбционных холодильных машинах в качестве рабочих веществ используют растворы, состоящие из двух компонентов с резко различными температурами кипения при одинаковом давлении. Собственно хладагентом является компонент с низкой температурой кипения. Второй компонент со значительно большей температурой кипения называют абсорбентом. В качестве хладагента применяют чаще всего аммиак, а в качестве абсорбента — воду, которая имеет свойство жадно поглощать, или абсорбировать, пары аммиака.

Схема абсорбционной водоаммиачной холодильной машины дана на рис. 1.5. В этой машине, как и в паровой (компрессионной), холод получается благодаря кипению аммиака в испарителе при низкой температуре. Роль конденсатора, регулирующего вентиля и испарителя ничем не отличается от роли этих элементов в компрессионной холодильной машине. После конденсации паров аммиака в конденсаторе 2 жидкий аммиак дросселируется в регулирующем вентиле 1 и затем кипит в испарителе 7 в результате подвода теплоты Q0 от охлаждаемой среды. Перенос паров хладагента из испарителя в конденсатор совершается с помощью абсорбента, непрерывно циркулирующего между абсорбером 6 и кипятильником 4 (генератором).

26

Пары аммиака из испарителя 7 непрерывно засасываются в абсорбер 6, где поглощаются слабым водоаммиачным раствором, притекающим сюда из кипятильника 4 через регулирующий вентиль 3. Абсорбция происходит при постоянном давлении р0, немного меньшем давления в испарителе. Этот процесс сопровождается выделением теплоты абсорбции Qa, которая отводится от абсорбера с помощью охлаждающей воды. Образовавшийся в абсорбере крепкий раствор насосом 5 подается в кипятильник 4. На перемещение жидкости из области низкого давления р0 в абсорбере в область высокого давления р в кипятильнике затрачивается работа lр.

В кипятильнике 4 водоаммиачный раствор выпаривается при постоянном давлении, немного большем, чем давление в конденсаторе (на величину сопротивлений в трубопроводах). Для этого расходуется теплота Qh, отбираемая от греющего водяного пара или другого источника. В результате кипения раствора выделяются пары аммиака, которые поступают в конденсатор 2 и в нем сжижаются под воздействием воды, отводящей теплоту конденсации Q. Кроме того, образуется слабый раствор, который дросселируется в регулирующем вентиле 3 и при пониженном давлении вновь возвращается в абсорбер для поглощения паров аммиака из испарителя.

Таким образом, в этой машине аммиак непрерывно циркулирует между основными элементами — конденсатором, регулирующим вентилем, испарителем и системой абсорбер — кипятильник. Одновременно водоаммиачный раствор циркулирует между абсорбером, насосом, кипятильником и регулирующим вентилем.

Уравнение теплового баланса абсорбционной машины:

QK+Qa = Q0 + Qh + lр (7)

где Qк — теплота, отведенная водой из конденсатора; Qa — теплота, отведенная водой из абсорбера; Q0 — тепловая нагрузка испарителя; Qh, — теплота, подведенная в кипятильник; lр – работа насоса.

Рис. 1.5. Схема абсорбционной холодиль-

ной машины: 1, 3 – регулирующие вентили; 2 – конденсатор; 4 – кипятильник (генератор); 5 – насос для раствора; 6 – абсорбер; 7 - испаритель

Величина lр очень мала и ею в расчетах обычно пренебрегают. Обозначим общее количество затраченной энергии Qh + lр = Qw. Тогда уравнение теплового баланса примет вид

28

личестве, равном массовой подаче активного пара, нагнетается насосом Н в генератор (процесс 5—6), нагревается (процесс 6 - 7), и образовавшийся в результате кипения (процесс 7—1) пар состояния 1 направляется в эжектор Э. Далее процессы повторяются.

Из рассмотренного выше следует, что в эжекторе соединяются процессы прямого и обратного циклов: работа прямого цикла получается в сопле (процесс 1—2), подводится к обратному циклу в камере смешения (процесс 2—3—9) и тратится в обратном цикле в диффузоре (процесс 3—4). В пароэжекторной холодильной машине осуществляются прямой 1—11—5—6—7—1 и обратный

9— 10—5—8—9 циклы.

Для термодинамического анализа работы пароэжекторной холодильной машины необходимо знать соотношение массовых подач активного М и пассивного М0 пара. Принимая, что для отвода 1 кг пассивного пара из испарителя расходуется ат активного пара, получим коэффициент расхода (кратность циркуляции) активного пара.

Qт = M/M0 .

Считая, что работа прямого цикла

l = (i1 – i11) – (i6 – i5)

без потерь подводится в обратном цикле

l0 = i10 – i9,

получим

Тепловой баланс пароэжекторной холодильной машины будет иметь

вид

где q = (1+ат)(i4 – i5 )—отведенная теплота в конденсаторе; q0 =i9 – i8 — удельная массовая холодопроизводительность; qг = ат(i1 – i6) — подведенная теплота в генераторе; qн = ат(i6 – i5) — тепловой эквивалент работы насоса.

Термический коэффициент прямого цикла

Термодинамическая эффективность работы машины может быть оценена тепловым коэффициентом, равным отношению теплоты, отведенной в обратном цикле, к теплоте, подведенной в прямом цикле:

Следовательно, термодинамическая эффективность работы пароэжекторной холодильной машины не может быть выше, чем холодильной, осуществляющей только холодильный цикл, при прочих равных условиях.

29

Реальные схемы пароэжекторных машин помимо основных элементов, осуществляющих цикл, содержат вспомогательные эжекторы, которые отводят из машины воздух (паровоздушная смесь), проникающий через неплотности системы, и подают холодный пар из испарителя в камеру смешения. Термодинамическая эффективность реальной пароэжекторной машины ниже, чем эффективность теоретической, вследствие необратимых потерь. Степень совершенства пароэжекторной реальной машины оценивают по отношению к идеальной машине

/ обр .

Пароэжекторные холодильные машины применяют преимущественно для охлаждения воды (5…15°С), используемой для кондиционирования воздуха на предприятиях, где есть дешевые источники высоко потенциальной теплоты. Эти машины просты по конструкции, надежны и безопасны в эксплуатации.

Контрольные вопросы и задания:

1.В чем состоит назначение регулирующего вентиля в схеме паровой компрессионной холодильной машины?

2.Изобразите процесс переохлаждения хладагента в s – Т-диаграмма.

3.Каков принцип действия абсорбционной холодильной установки? Перечислите ее преимущества и недостатки. Назовите область рационального использования таких машин.

4.Как работает пароэжекторная холодильная машина?

2.ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА И РАСЧЕТ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО РАБОЧЕГО ЦИКЛА ОДНОСТУПЕНЧАТОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ МАШИНЫ

2.1. Переохлаждение жидкости и «сухой ход» компрессора.

2.2. Принципиальная схема паровой холодильной компрессионной

машины и ее теоретический рабочий цикл.

2.3. Построение цикла по заданным рабочим параметрам. Тепловой расчет цикла.

2.1. Переохлаждение жидкости и «сухой ход» компрессора.

Важное значение в практическом осуществлении цикла паровой холодильной компрессионной машины имеет охлаждение жидкости перед дросселиро-

30

В результате переохлаждения без дополнительной затраты работы холодопроизводительность 1 кг хладагента возрастает на величину Δq0 = i3 +i'3 = i4 + i'4 соответствующую площадке b—4'—4—с—b.

Положительное влияние переохлаждения сказывается сильнее, когда применяемый хладагент имеет сравнительно низкую критическую температуру, близкую к условиям рабочего процесса. В таком случае достаточно даже небольшого переохлаждения, чтобы получить заметный эффект увеличения холодопроизводительности.

Характерная особенность описанного цикла паровой компрессионной машины — всасывание компрессором влажного пара и сжатие его в области насыщения, т. е. «влажный ход» компрессора. Такой режим работы при условии получения в конце адиабатного сжатия сухого насыщенного пара в теоретическом отношении наиболее выгодный, так как он приближает рабочий процесс холодильной машины к обратному циклу Карно. Однако в практических условиях предпочтителен «сухой ход» компрессора. Для осуществления сухого хода компрессора пары хладагента из испарителя направляют во вспомогательный аппарат, называемый отделителем жидкости. Отделившаяся жидкость возвращается обратно в испаритель и там производит холодильное действие, а сухой насыщенный пар поступает в компрессор. Всасываемый пар (точка 1 на рис. 2.2) компрессор сжимает в области перегретого пара до пересечения адиабаты сжатия 1—2 с кривой постоянного давления 2—2', которая в области перегрева уже не совпадает с изотермой. В состоянии точки 2 пар поступает в конденсатор, в котором вначале охлаждается до температуры насыщения (линия 2—2') и затем конденсируется при постоянной температуре.

При переходе от «влажного хода» компрессора к «сухому ходу» мы имеем, с одной стороны, увеличение холодопроизводительности Δq0, характеризуемое приростом площадки d—1'—1—a—d, а с другой стороны — увеличение затраты работы Δl, характеризуемое приростом площадки 1-2-2'-1'-1.

По сравнению с циклом Карно переход в область перегрева приводит к снижению холодильного коэффициента, так как приращение холодопроизводительности происходит при этом медленнее, чем увеличение работы. В целом переход к «сухому ходу» в теоретическом цикле с термодинамической точки зрения представляется малоцелесообразным.