7.1.2 Многоступенчатые паровые холодильные машины

Получение более низких температур кипения t_О приводит к увеличению отношений давлений р_К/р_О и температур t_К/t_О в цикле, а также разности давлений р_К–р_О при прочих равных условиях. С увеличением значения р_К/р_О значительно возрастают необратимые потери, связанные с перегревом пара в процессе сжатия и дросселированием жидкости. Следовательно, уменьшается холодильный коэффициент, зависящий от t_К и t_О.

Учитывая то, что холодильный коэффициент тем выше, чем меньше разность t_К – t_О (а значит и р_К/р_О). Представляется целесообразным цикл с большим значением р_К/р_О заменить несколькими последовательными циклами с меньшим отношением давлений.

В таких холодильных машинах (например двухступенчатых) имеется ступень низкого давления (СНД) в которой пар сжимается от р_О и t_О до промежуточных давления р_ПР и температуры t_ПР, и ступень высокого давления (СВД) в которой пар сжимается от р_ПР и t_ПР до р_К и t_К.

Обычно температуру Т_ПР(К) находят как среднее арифметическое

Т_ПР = (Т_К + Т_О)/2, (7.14)

а давление р_ПР, как среднее геометрическое

. (7.15)

Существует много видов двухступенчатых холодильных машин, отличающихся схемой, типом отдельных элементов, например с промежуточным теплообменником или промежуточным сосудом, а также процессов, например с полным промежуточным охлаждением пара или неполным промежуточным охлаждением. В качестве примера рассмотрим двухступенчатую холодильную машину с промежуточным теплообменником. Эта холодильная машина работает с неполным промежуточным охлаждением, т. е. пар хладагента, нагнетаемый компрессором СНД, охлаждается до температуры, которая выше промежуточной t_ПР. Функциональная схема и цикл такой холодильной машины показан на рис. 7.5.

Сухой насыщенный пар хладагента (точка 1) поступает в компрессор СНД I, где изоэнтропно сжимается (процесс 1–2). Перегретый пар (точка 2) смешивается с сухим насыщенным (точка 3), поступающим из промежуточного теплообменника V, и температура его снижается (точка 4). В этом состоянии пар поступает в компрессор СВД II, где изоэнтропно сжимается (процесс 4–5) и в перегретом состоянии (точка 5) входит в конденсатор III, где конденсируется (процесс 5–6), отдавая теплоту воде. Затем поток жидкого хладагента перед входом в промежуточный теплообменник V разделяется. Меньшая часть потока дросселируется в регулирующем вентиле IV (процесс 6–7) и поступает в промежуточный теплообменник V, в котором жидкий хладагент кипит при промежуточной температуре t_ПР (процесс 7–3), переохлаждая большую часть потока жидкого хладагента (точка 8). Переохлажденный хладагент дросселируется в регулирующем вентиле VI (процесс 8–9) и поступает в испаритель VII, где кипит при температуре t_О (процесс 9–1), охлаждая, например воздух. Образовавшийся сухой насыщенный пар (точка 1) всасывается в компрессор СНД I.

Промежуточные температуру или давление определяют соответственно по уравнениям (7.14) или (7.15).

Обычно массовые потоки в двухступенчатом (многоступенчатом) цикле относят к 1 кг хладагента, циркулирующего через компрессор СНД. Этот массовый поток т_Н при требуемой холодопроизводительности Q_О равен

m_H = Q_О/q_О = Q_О /(i₁–i₉). (7.16)

Массовую подачу компрессора СВД можно определить из теплового баланса промежуточного теплообменника V т_Вi₆ = т_Нi₈ + (т_В–т_Н)i₃. Откуда находим

т_В = т_Н (i₃–i₈) / (i₃– i₆). (7.17)

Изоэнтропные мощности ступеней сжатия

N_А.Н = m_Н(i₂– i₁); (7.18)

N_А.В = m_В(i₅– i₄). (7.19)

Состояние перегретого пара в точке 4 можно найти из теплового баланса смешивающихся потоков пара т_Вi₄ = т_Нi₂ + (т_В–т_Н)i₃, откуда

i₄ = i₃ + т_Н(i₂– i₃)/т_В. (7.20)

Холодильный коэффициент цикла

 = Q_О/(N_А.Н + N_А.В). (7.21)

По принципу полного промежуточного охлаждения пара работает двухступенчатая холодильная машина со змеевиковым промежуточным сосудом и полным промежуточным охлаждением [1, с. 185]. Эта схема отличается от предыдущей тем, что вместо промежуточного теплообменника в ее состав входит змеевиковый промежуточный сосуд, который позволяет осуществить промежуточное охлаждение пара с меньшими необратимыми потерями от теплообмена при конечной разности температур.