Циклы двухступенчатой холодильной установки
Для получения низких температур в охлаждаемых объектах необходимы низкие температуры кипения t0, т. е. в испарителе приходится поддерживать и низкое давление P0. Это приводит к увеличению значения отношения давлений Рк / Р0 и к трем нежелательным явлениям: увеличению температуры нагнетания компрессора, возрастанию объемных потерь в компрессоре и увеличению дроссельных потерь в регулирующем вентиле, что вызывает уменьшение холодопроизводительности установки. Для современных быстроходных аммиачных поршневых компрессоров температура нагнетания хладагента не должна превышать 160 °С, так как дальнейшее ее повышение приводит к нарушению нормальной смазки, вызывает пригорание масла и его самовозгорание. Снижение производительности компрессора при больших значениях отношения давлений Рк / Р0 связано с уменьшением коэффициента подачи. На основании опытных данных установлено, что при Рк / Р0 > 8 целесообразно применять многоступенчатое сжатие хладагента в двух (и более) последовательно соединенных цилиндрах или компрессорах. Для ограничения роста температуры нагнетания в результате последовательных сжатий (после каждой ступени сжатия) пар хладагента охлаждается либо водой в промежуточном холодильнике, либо кипящим хладагентом в специальном теплообменном аппарате.
Наиболее распространенной двухступенчатой схемой является схема двухступенчатого сжатия со змеевиковым промежуточным сосудом и промежуточным охлаждением пара (рис. 59). Пар хладагента после сжатия в цилиндре низкого давления ЦНД до промежуточного давления РПР поступает в промежуточный сосуд ПС ниже уровня кипящего хладагента и охлаждается до состояния насыщения, барботируя через слой жидкости. Выходя из ПС, пар перегревается во всасывающем трубопроводе перед цилиндром высокого давления ЦВД и в перегретом состоянии поступает в него. Следует отметить, что даже в цикле с полным промежуточным охлаждением пар должен поступать в компрессор высокого давления (так же, как и в компрессор низкого давления) в перегретом состоянии, что является обязательным требованием техники безопасности. После сжатия в ЦВД до давления конденсации РK, пар конденсируется в конденсаторе КД, после чего жидкость высокого давления разделяется на два потока (точка 5′). Основной поток поступает в змеевик ПС, где переохлаждается, отдавая теплоту кипящей жидкости, и в состоянии глубокого переохлаждения поступает через регулирующий вентиль РВ2 в испаритель. Другой поток жидкости дросселируется в РВ1 от РK до промежуточного давления Рпр и поступает в промежуточный сосуд. Таким образом, в промежуточном сосуде происходит сбив перегрева пара между компрессорами низкого и высокого давления, а также переохлаждение жидкости перед РВ2 за счет кипения жидкого хладагента при РПР. Для анализа работы двухступенчатых схем и построения цикла в диаграмме необходимо определить промежуточное давление РПР. При минимальной работе компрессоров низкого и высокого давления определяют РПР из равенства отношений давлений в обеих ступенях сжатия по формуле
На диаграмме (рис. 59) проводят три изобары: Р0, РПР и РK , которым соответствуют три температуры насыщения: t0, tПР и tK . Задавшись значением перегрева пара на всасывании перед ЦНД, строят точку 1. Из этой точки по адиабате идет процесс сжатия до изобары РПР — (точка 2). В промежуточном сосуде пар охлаждается до состояния насыщения 3» , а затем перегревается во всасывающем трубопроводе (точка 3). Температуру перегрева пара перед ЦВД следует принимать в пределах 5…10°С, тогда t3 = tПР + (5…10 °С). Из точки 3 проводится адиабата до пересечения с изобарой РK (точка 4). Это конечная температура нагнетания пара двухступенчатого сжатия. Из диаграммы видно, что если бы было применено одноступенчатое сжатие 1 — 2′ , то конечная температура нагнетания была бы значительно выше (сравните точки 2′ и 4). Процесс 4 — 5′ происходит в конденсаторе при РK = const , и жидкость высокого давления в точке 5′ разделяется на два потока. Процесс дросселирования в РВ1 изображается вертикалью, опущенной из точки 5′ до пересечения с изобарой РПР . Парожидкостная смесь состояния точки 6 поступает в промежуточный сосуд, где кипит при промежуточных параметрах (процесс 6 — 3′′). Переохлаждение в змеевике ПС происходит при давлении конденсации, поэтому точка 7, определяющая состояние хладагента на выходе из змеевика, лежит в области переохлажденной жидкости на изобаре РK . Температура точки 7 определяется из выражения t7 = tПР + (2…3 °С) . Дросселирование в РВ2 изображается вертикалью, опущенной из точки 7 до пересечения с изобарой Р0 . Парожидкостная смесь состояния точки 8 поступает в испаритель, где кипит (процесс 8 — 1′′).
На диаграмме (рис. 59):
1′′ — 1 — перегрев пара на всасывании в ЦНД при Р0 = const ;
1 — 2 — адиабатическое сжатие в ЦНД от Р0 до РПР ;
2 — 3′′ — сбив перегрева пара в промежуточном сосуде при РПР = const ;
3′′ — 3 — перегрев пара на всасывании в ЦВД при РПР = const ;
3 — 4 — адиабатическое сжатие в ЦВД от РПР до РK ;
4 — 4′′ — сбив перегрева пара в конденсаторе при РK = const ;
4′′ — 5′ — конденсация в конденсаторе при РK = const , tK = const ;
5′ — 6 — дросселирование в РВ1 от РK до РПР при i = const ;
6 — 3′′ — кипение в ПС при РПР = const и tПР = const ;
5′′ — 7 — переохлаждение жидкости в змеевике ПС при РK = const ;
7 — 8 — дросселирование в РВ2 от РK до Р0 при i = const ;
8 — 1′′ — кипение в испарителе при Р0 = const , t0 = const .
Массовая подача компрессора высокого давления M2 больше, чем компрессора низкого давления M1 , так как, кроме пара, поступающего из компрессора низкого давления в количестве M1 в него поступает еще и пар, образуемый при кипении жидкости в промежуточном сосуде. Объемная холодопроизводительность компрессора высокого давления меньше примерно в три раза из-за уменьшения объема пара при сжатии в компрессоре низкого давления. Массовая подача ЦНД, кг/с, определяется по формуле M1 = Q0 / q0, где Q0 — холодопроизводительность, кВт; q0 — удельная холодопроизводительность, кДж/кг: q0 = i1′ — i8 .
Массовая подача ЦВД, кг/с, находится из соотношения M2 = M1 (i2 — i7)(i3 — i6) .
Удельная работа сжатия ЦНД, кДж/кг, равна l1 = i2 — i1 ;
удельная работа сжатия ЦВД, кДж/кг, l2 = i4 — i3;
удельная нагрузка на конденсатор, кДж/кг, qK = i4 — i5 ;
холодильный коэффициент равен ε = q0/(l1 + l2) .
Иногда применяют цикл двухступенчатого сжатия с двойным дросселированием и полным промежуточным охлаждением (рис. 60). Такая схема применена, например, на холодильных установках для зверосовхозов, поставляемых финской фирмой «Хуурре». В отличие от схемы, представленной на рис. 59, вся жидкость после конденсатора (состояние точки 5) дросселируется в РВ1 до промежуточного давления РПР и поступает в ПС в состоянии точки 6. Паро-жидкостная смесь этого состояния разделяется в сосуде на насыщенный пар состояния точки 3′′, который отсасывается ЦВД, и насыщенную жидкость, которая частично выкипает в ПС (процесс 6 — 3′′). Оставшаяся насыщенная жидкость состояния точки 7 поступает к РВ2 , где дросселируется от промежуточного давления РПР до давления кипения Р0 и поступает в испаритель. Изображение цикла с двукратным дросселированием в диаграмме показано на рис. 60. В этой схеме к вентилю РВ2 поступает насыщенная жидкость, а не переохлажденная. Это является недостатком таких схем и позволяет их использовать только в небольших установках. Поэтому схема со змеевиковым промежуточным сосудом более предпочтительна. Массовый расход хладагента через ЦНД определяется как, кг/с, M1 = Q0 / q0 . Массовый расход хладагента на полное промежуточное охлаждение, кг/с, m′ = M1 (i2 — i3)(i3′′ — i6) ; массовый расход пара через ЦВД, кг/с, M2 = (M1 + m′ )(1 — x6 ) , где x6 — паросодержание хладагента в точке 6 после первого дросселирования.
Остальные характеристики цикла определяются по формулам, указанным выше.
В связи со все расширяющимся применением на холодильных установках винтовых агрегатов интерес представляют схема и цикл двухступенчатого сжатия с одноступенчатым винтовым компрессором с промежуточным отбором пара (рис. 61). Холодильный агент в состоянии точки 1 поступает в винтовой компрессор КМ, заполняя его полость всасывания. Затем давление в компрессоре повышается за счет уменьшения объема рабочей полости, и, когда оно достигает промежуточного значения РПР (процесс 1 — 2 ), в полость сжатия через специальное окно поступает пар хладагента состояния 3» из теплообменника ТО. В результате смешения получается пар, соответствующий состоянию точки 3, который далее сжимается до конечного давления РK (процесс 3 — 4 ). Следует отметить, что процессы 1 — 2 и 3 — 4 не являются адиабатическими, так как охлажденное масло, впрыскиваемое в полость сжатия винтового компрессора, отводит часть теплоты сжатия, и процесс сжатия становится политропным. Значение температуры нагнетания при этом находится в пределах 50…80°С и зависит от количества и температуры вспрыскиваемого масла. Для сравнения показано изображение адиабатического сжатия точки 2′ и 4′. После конденсатора КД жидкий холодильный агент состояния 5′ разделяется на два потока: меньшая часть дросселируется во вспомогательном регулирующем вентиле РВ1 (процесс 5′ — 6 ) и поступает в межзмеевиковое пространство ТО, большая часть жидкости идет по его змеевику, где переохлаждается (процесс 5′ — 7 ) в результате теплообмена с кипящим в межзмеевиковом пространстве при промежуточных параметрах РПР и tПР хладагентом, пар которого затем поступает в специальное окно компрессора. Состояние в точке 7 определяется из условий недорекуперации тепла на холодном конце теплообменника на 3…5°С, т. е. t7 = tПР + (3…5 °С). Переохлажденная жидкость дросселируется в основном регулирующем вентиле РВ2 и поступает в испаритель И. Таким образом, в данной схеме двухступенчатое сжатие рабочего вещества с промежуточным охлаждением за счет холодного пара, поступающего из теплообменника, происходит в одном компрессоре. Она отличается от обычной схемы двухступенчатого сжатия с однократным дросселированием и промежуточным отбором пара тем, что пар между ступенями сжатия в теплообменнике не охлаждается.
Источник
КАТЕГОРИИ:
Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)
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 изобаре Рпр), 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 давлений Рк и Р0, при той же величине удельной массовой холодопроизводительности q0 теоретическая работа сжатия (площадь цикла) больше на величину, эквивалентную площади 2, 2‘, 4, 3. Ниже в цикле и температура конца сжатия в компрессоре (t4 < t2‘), что также является важным при оценке качества цикла холодильной машины.
При построении цикла (рис. 3.10) необходимо задаться величиной промежуточного давления Рnp. Можно показать, что целесообразно выбирать Рпр из условий равной степени сжатия в компрессорах СНД и СВД, т.е. Рпр/Р0 = Рк/Рпр откуда 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 Р0 до Рпр. Отсюда перегретый пар в состоянии 2 поступает а промежуточный холодильник II, где (насколько это возможно) переохлаждается проточной водой в изобарном процессе 2, 2‘ и проходит через промсосуд III. Последний представляет собой вертикально ориентированный пустотелый сосуд, частично заполненный кипящей жидкостью при давлении Рпр (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 пара G’). Вместе с основным потоком пара G, прошедшим через компрессор ступени СНД, этот пар поступает в компрессор ступени СВД, где сжимается по адиабате 3, 4 от давления Рпр до Рк. 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 в PBI (5, 6).
Образовавшаяся в результате дросселирования парожидкостная смесь состояния 6 механически разделяется в промсосуде III: более легкий пар (состояние 3) в количестве G” собирается в верхней части промсосуда III и откачивается компрессором СВД, а более тяжелая жидкость (состояние 7) идет на дросселирование в РВ VII (7, 8) и испаритель VIII, где кипит при низком давлении Р0 (8, 1). Компрессор ступени СНД откачивает из испарителя образовавшийся пар и тем самым поддерживает в нем низкое давление Р0.
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;
LСНД, LСВД – работа сжатия в течение 1 с, т.е. теоретическая мощность каждой из ступеней.
Сократив в (3.6) G, получим формулу для расчета e через удельную холодопроизводительность:
,
где a = G’/G – относительное количество пара, образовавшееся в процессе барботажа;
b = G”/G – относительное количество пара, образовавшееся в процессе дросселирования 5, 6 (фактически b – степень сухости влажного пара в состоянии 6).
Поскольку , а , то выражение (1 + a + b) 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 V3 значительно меньше V1.
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 сосуд III поступает 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, что t7 = t8).
Практически, однако, t7 всегда выше t8 на 3…5 °С, что приводит к необратимым потерям и незначительному снижению величины e.
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 t0 и конденсации tк. Вначале по Р, i – диаграмме заданного холодильного агента определяют давления Р0 и Рк и по формуле (3.5) – промежуточное давление в цикле Рпр. Эти линии наносят на диаграмму и последовательно определяют параметры точек 1, 2, 3, 4, 5, 6. Параметры точки 3 находят на пересечении изобары Рпр и адиабаты 3, 4 (температура t3 на 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, tк = +35 °С, t0 = –30 °С):
1. В диаграмме lg Р, і для аммиака наносят изотермы t0, tк и определяют соответствующие им значения давлений Р0 и Рк. Определяют параметры точек 1 и 5.
2. По формуле (3.5) определяют значение давления Рпр и наносят на диаграмму. Определяют параметры точки 3.
3. На пересечении соответствующих линий определяют параметры точек 2 и 4.
4. На пересечении изотермы tпр и изобары Рк определяют параметры точки 7. Параметры найденных точек вносят в таблицу.
| № точки | t, °С | Р, МПа | V, м3/кг | I, кДж/кг | S, Дж/(кг·К) |
| минус 30 | 0,13 | 0,88 | 9,22 | ||
| 0,42 | 0,37 | 9,22 | |||
| минус 2 | 0,42 | 0,30 | 8,88 | ||
| 1,35 | 0,12 | 8,88 | |||
| 1,35 | – | – | |||
| минус 2 | 0,42 | – | – | ||
| 1,35 | – | – | |||
| 0,42 | – | – | |||
| минус 30 | 0,13 | – | – |
Далее определяют:
5. Удельную массовую холодопроизводительность:
q0 = і1 – і9 = 1648 – 420 = 1128 кДж/кг.
6. Удельную работу сжатия в компрессорах СНД и СВД:
lСНД = і2 – і1 = 1820 – 1648 = 172 кДж/кг.
lСВД = 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.
Дата добавления: 2014-01-04; Просмотров: 4907; Нарушение авторских прав?
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Рекомендуемые страницы:
Читайте также:
Источник