Здавалка
Главная | Обратная связь

Принцип действия паровых компрессионных



Холодильных машин

 

Одноступенчатые холодильные машины.При работе паровых ком­прессионных холодильных машин цикл совершается в области влаж­ного пара холодильного агента, где изобары совпадают с изотер­мами, что позволяет теоретически рассмотреть цикл Карно.

Функциональная схема паровой одноступенчатой холодильной машины и обратимый цикл Карно, совершаемый ею, приведены на рис. 3.

 

Рис. 3. Функциональная схема паровой одноступенчатой холодильной

машины с детандером и дросселем и циклы ее работы:

а — схема машины; б — диаграмма работы машины

 

Жидкий холодильный агент кипит в испарителе И при посто­янной температуре ТK (процесс 4—1), в результате чего от охлаж­даемого тела, например воздуха, отводится теплота. При кипении холодильного агента происходит поглощение значительного количества теплоты.

Образовавшийся пар вместе с небольшим количеством неиспарившегося холодильного агента адиабатически сжимается в компрессоре КM до давления РK (процесс 12) и поступает в кон­денсатор Кн, конденсируясь при постоянной температуре Тк (процесс 2— 3) и отдавая поглощенную в испарителе теплоту окружа­ющей среде — воздуху или воде. Жидкий холодильный агент ади­абатически расширяется в детандере Д до давления Ро (процесс 3—4), совершая при этом полезную работу.

Количество отведенной 1 кг холодильного агента теплоты q0 в испарителе определяется на S—T-диаграмме площадью а—4—1—b и может быть представлено как разность энтальпий i1 – i4. Количество теплоты qобр, отданное 1 кг холодильного агента в конденсаторе, определяется площадью a — 3—2—b или разностью энтальпий i2 - i3.

Работа цикла lобр может быть определена разностью работ комп­рессора и детандера:

 

lобр = lK – lp. (10)

 

Работа компрессора и детандера может быть записана

 

lk = i2 i1 и lр = i3 – i4. (11)

 

Холодильный коэффициент цикла εобр0 может быть выра­жен как

 

εобр0 = qобр0 /lобр = (i1 – i4) / [(i2 – i1) – (i3 – i4)]. (12)

 

Рассмотренный цикл Карно является обратимым. Однако осу­ществить его практически трудно, так как работа, полученная в детандере, значительно меньше работы, затраченной в компрес­соре, ибо жидкость практически несжимаема, а удельные объемы жидкости и пара различаются в сотни раз.

Следует иметь в виду и то, что часть работы детандера тратится на преодоление сил трения, поэтому вместо детандера в паровой холодильной машине используется дроссельный (регулирующий) вентиль ДВ, изображенный на рис. 3 штрихами. Дроссельный вен­тиль прост в устройстве и надежен в эксплуатации.

Вследствие замены детандера дроссельным вентилем в цикле появляется необратимый процесс дросселирования 3—4, прохо­дящий без производства работы и теплообмена с окружающей средой, т.е. при постоянной энтальпии, поэтому i = i4.

При адиабатическом дросселировании работа расширения пе­реходит в теплоту трения, поэтому часть циркулирующего жид­кого холодильного агента, пропорциональная выделенной тепло­те, превращается в пар. В испаритель холодильный агент поступа­ет в виде парожидкостной смеси. Поэтому только часть циркули­рующего холодильного агента кипит в испарителе, воспринимая теплоту от охлаждаемого тела, вследствие чего удельная массовая холодопроизводительность холодильного агента уменьшается на величину, соответствующую площади а—4—4'—с:

 

Δq0 = i4’ – i4. (13)

 

Удельная массовая холодопроизводительность холодильного агента в этом случае:

q0 = qобр0 - Δq0 = (i1 – i4) – (i4’ – i4) = i1 – i4’. (14)

 

Работа цикла будет больше, чем обратимого:

l = lк – lобр + lp = i2 – i1. (15)

 

Холодильный коэффициент цикла

 

ε = q0 / l = (i1 – i4’) / (i2 – i1). (16)

 

Как видно, замена детандера дроссельным вентилем приводит к уменьшению удельной массовой холодопроизводительности хо­лодильного агента, холодильного коэффициента и увеличению работы цикла.

В циклах 1—2—3—4 и 1—2—3—4’ влажный пар выходит из испарителя и поступает в компрессор. Это уменьшает производи­тельность компрессора вследствие повышения удельного объема всасываемого пара и падения давления, возникает опасность ава­рии компрессора в результате гидравлического удара. Чтобы избе­жать этого, холодильные машины должны работать так, чтобы из испарителя выходил сухой насыщенный или перегретый пар, а в компрессор поступал перегретый пар холодильного агента. Это можно осуществить в цикле 1’— 2’— 3— 4’ со всасыванием в комп­рессор сухого насыщенного пара.

Для сжатия пара обратимым путем необходимо провести два процесса сжатия: адиабатическое 1’ — 2" и изотермическое 2” — 2, для чего требуется два компрессора. Хотя необратимые потери в цикле 1’—2’—3—4’ больше, чем в цикле 1’—2’’—3—4’, так как холодильный агент передает теплоту окружающей среде в про­цессе 2’— 2 при конечной разности температур, на практике реа­лизуют цикл 1’2’—3—4’, так как для него достаточно одного компрессора.

Удельная массовая холодопроизводительность холодильного агента в обоих циклах одинакова:

 

q0 = i1’ – i4’. (17)

 

Но количество теплоты, отданной 1 кг холодильного агента в конденсаторе окружающей среде, и работа цикла 1’ —2’— 3—4’ будут больше, чем в цикле 1’—2’’—3--4’, на величину площади 22’—2’’. Холодильный коэффициент цикла 1’—2’—3—4’ определяется как

ε = (i1’ – i4’) / (i2’ – i1’). (18)

 

и будет меньше, чем коэффициент цикла 1’— 2’’ --3—4’.

При всасывании в компрессор перегретого пара (цикл 1а — 2а 3—4’) удельная массовая холодопроизводительность холодильного агента увеличивается, но в большей степени возрастает работа цикла, поэтому необратимые потери увеличиваются. Их можно сократить. Так, необратимые потери, связанные с дроссе­лированием хладагента, могут быть уменьшены его охлаждением перед дросселированием (процесс 3—3') до температуры ниже температуры окружающей среды. Это можно осуществить, напри­мер, артезианской водой, температура которой ниже температу­ры окружающей среды. В таком случае удельная массовая холодо-производительность холодильного агента возрастет на величину i4 – i4’’, а величина работы цикла не изменится.

Жидкий холодильный агент перед дросселированием можно охладить также паром, выходящим из испарителя в регенератив­ном теплообменнике, осуществив цикл, называемый регенера­тивным. Однако при этом температура всасываемого в компрес­сор (точка вместо 1’) и нагнетаемого в конденсатор (точка вместо 2') пара повышается, что увеличивает необратимые поте­ри так называемого перегрева.

Теоретически выгоднее влажный ход компрессора, так как при этом цикл ближе к идеальному циклу Карно. Однако практически производительность компрессора при влажном ходе всегда и для всех холодильных агентов значительно ниже, чем при сухом ходе, т.е. при всасывании сухих насыщенных паров или несколько пе­регретых при том же давлении кипения Ро. Отсюда получаем тео­ретический цикл современной паровой компрессионной машины на S—T-диаграмме в виде 1а — 2а—3’— 4". Сейчас почти во всех холодильных машинах компрессоры работают при сухом ходе.

В машинах, работающих на аммиаке, этот режим работы ком­прессора достигается при помощи специального аппарата — от­делителя жидкости либо путем регулирования подачи холодиль­ного агента в испаритель. Отделитель жидкости включается во всасывающую линию холодильной установки между испарителем и компрессором.

В хладоновых установках сухой ход компрессора достигается при помощи специальных теплообменников или путем регулирования подачи холодильного агента в испаритель.

Эффективность работы машины оценивается ее холодильным коэффициентом и холодопроизводительностью, которые зависят от типа и конструкции установки, вида и свойств холодильного агента, конструкции компрессора, а также условий работы. Под условиями работы холодильной машины подразумевают темпера­туру кипения холодильного агента в испарителе t0, температуру конденсации сжатых паров агента в конденсаторе tK, температуру переохлаждения жидкого холодильного агента, поступающего в регулирующий вентиль tп.

Чем выше температура кипения t0, чем ниже температура кон­денсации паров tK и температура переохлаждения tп, тем больше холодопроизводительность установки. Однако все эти изменения надо проводить в разумных пределах. Так, например, понижение температуры кипения холодильного агента t0 в хладоновой комп­рессионной машине с -15 до -30 °С не повысит, а понизит ее холодопроизводительность в 2 раза. Это объясняется тем, что с понижением t0 уменьшаются давление кипения Ро и удельный вес паров, поступающих в компрессор. В результате снижается произ­водительность компрессора.

Следовательно, без необходимости не нужно переводить хо­лодильную машину на работу с более низкой температурой ки­пения.

Многоступенчатые холодильные машины.Одноступенчатые компрессорные машины применяют при Рк09, что соответ­ствует температуре кипения -20 °С и конденсации 30 0С. При боль­ших значениях отношения давлений холодопроизводительность значительно снижается, поэтому вместо одноступенчатых приме­няют двух-, трехступенчатые и каскадные холодильные машины. Кроме того, при больших значениях отношения Рк0 температу­ра пара в конце сжатия в одноступенчатой машине чрезмерно высока, что приводит к потере маслом смазочных свойств, его самовозгоранию, повышению износа деталей компрессора.

Переход к многоступенчатому сжатию обусловлен и необходи­мостью соблюдения условий прочности, так как по расчетам раз­ность давлений Рк - Ро компрессоров не должна превышать 1,7 МПа. В многоступенчатых машинах температура паров холодильного аген­та в конце сжатия первой ступени компрессора обычно выше тем­пературы окружающей среды, поэтому приходится охлаждать пе­регретый пар прямоточно в водяном межступенчатом холодиль­нике. Кроме водяного применяют промежуточное охлаждение хо­лодильным агентом, что увеличивает холодильный коэффициент. Многократное дросселирование холодильного агента с промежу­точным отбором пара снижает энергетические потери.

Холодильный агент сжимается до давления конденсации по­следовательно в две или более ступеней с промежуточным охлаж­дением частично сжатых паров. На каждой ступени отношение давления нагнетания к давлению всасывания меньше, чем Рк0 для полного цикла данной машины.

В схемах с многократным дросселированием промежуточное охлаждение между ступенями сжатия может быть полным и не­полным (рис. 4).

 

Рис. 4. Принципиальные схемы многоступенчатых парокомпрессионных машин:

а — с неполным промежуточным охлаждением;

6 — с полным промежуточным охлаждением

 

Неполное промежуточное охлаждение осуществляется водой. В этом случае (см. рис. 4, а) температура сжатого пара после ци­линдра низкого давления (ЦНД) — процесс 1— 2 - снижается в водяном межступенчатом холодильнике I до состояния 3' сухого перегретого пара, а затем пар поступает в цилиндр высокого дав­ления (ЦВД). Состояние 4' на S—T-диаграмме (рис. 5) соответствует состоянию пара после сжатия в ЦВД в двухступенчатой холодильной машине без промежуточного отбора пара.

Промежуточный отбор пара осуществляется из промежуточно­го сосуда II, в который поступает парожидкостная смесь после первого дросселирования в РВ1. Жидкость на РВ1 подается из кон­денсатора III придавлении конденсации Рк, соответствующем дав­лению пара в ЦВД, и снижается после дросселирования до про­межуточного давления Р'o (см. рис. 5) и соответствующей темпера­туры T0'.

Сухой насыщенный пар из промежуточного сосуда (состоя­ние 3) поступает в ЦВД. В результате смешивания сухого насы­щенного и перегретого паров после холодильника всасываемый в ЦВД пар переходит в состояние 3", а после сжатия — в 4" (про­цесс 3"—4", см. рис. 5).

Рис. 5. Цикл многоступенчатой парокомпрессионной машины

Жидкость из промежуточного сосуда используется для кипе­ния в испарителе V (рис. 4) при более низкой температуре То и давлении P"0 после вторичного дросселирования в РВ2, но может использоваться и для кипения в испарителе IV при более высокой температуре кипения Т"о и давлении P'0 в цикле после первого дросселирования в РВ1. Из испарителя IV сухой насыщенный пар (точка 3)выходит в том же состоянии, что и из промежуточного сосуда.

При полном промежуточном охлаждении состояние рабочего тела перед всасыванием в компрессор более высокой ступени со­ответствует состоянию сухого насыщенного пара.

Сжатый в ЦНД пар после межступенчатого водяного холодиль­ника (точка 3', рис. 4, б) поступает на доохлаждение в промежу­точный сосуд II, где приходит в состояние насыщенного пара (точка 3, рис. 5). Из промежуточного сосуда сухой насыщенный пар отсасывается в ЦВД. При наличии испарителя IV из него в ЦВД также поступает сухой насыщенный пар. Процесс сжатия пара в ЦВД характеризуется линией 3—4 (см. рис. 5), температура конца сжатия в этом случае более низкая, чем при других двух­ступенчатых схемах.

Через разные элементы многоступенчатых схем с промежу­точным отбором пара циркулирует неодинаковое количество ве­щества. Следовательно, изображение процессов в многоступен­чатых холодильных установках на термодинамических диаграм­мах носит условный характер, так как каждый процесс в них относится к изменению состояния 1 кг вещества. Поэтому мас­совые потоки в элементах многоступенчатых машин при их рас­чете относят к 1 кг рабочего тела, проходящего через низкотем­пературный испаритель.

Для получения очень низких температур применения одного рабочего тела недостаточно из-за давлений кипения рабочего тела, близких к глубокому вакууму, затвердевания его при низкой тем­пературе кипения в испарителе и по другим причинам. В этих слу­чаях приходится использовать каскадные холодильные машины, в каждой ступени которых применяют свое рабочее тело. При этом испаритель каждой следующей ступени является конденсатором предыдущей. Холодильный коэффициент цикла холодильной ма­шины, приведенный выше, который называют теоретическим, составляет примерно 80 % холодильного коэффициента идеаль­ного цикла Карно при тех же значениях Тк и То. Холодильный коэффициент реального цикла хо­лодильной машины, в свою очередь, еще меньше из-за объемных и энергетических потерь.

Рассмотрим работу поршнево­го компрессора двойного действия (рис. 6).

При движении поршня П в цилиндре слева направо давле­ние пара над поршнем становит­ся несколько ниже, чем давле­ние в сборнике пара низкого дав­ления Г, вследствие чего откры­вается самодействующий всасывающий клапан Е1 и пар заполняет полость цилиндра А. Пар рабоче­го вещества заполняет весь цилиндр, когда поршень достигает крайнего правого положения (нижняя мертвая точка — н.м.т.). Да­лее поршень сжимает пар, перемещаясь справа налево (к верхней мертвой точке — в.м.т.). Давление пара повышается, вследствие чего всасывающий клапан Е1 закрывается. Поскольку рассматрива­ется схема компрессора двойного действия, аналогичные процес­сы, смещенные по фазе, происходят в цилиндре и под поршнем (полость Б). При дальнейшем движении поршня к в.м.т. давление в цилиндре возрастает, и пар, сжимаясь, совершает соответствую­щий условиям термодинамический процесс (изотермический, ади­абатический или политропический) до величины давления, не­сколько превышающего давление в сборнике Д. Тогда открывается нагнетательный клапан Ж1, и сжатый пар по мере движения поршня к в.м.т. поступает в сборник Д. По достижении поршнем в.м.т. пар полностью вытесняется из полости А цилиндра, а в полости Б в этот момент завершился процесс всасывания, и в компрессоре повторяются все описанные выше процессы.

Рис. 6. Схема поршневого компрессора двойного действия

 

Рис. 7. Теоретическая индикатор­ная диаграмма поршневого комп­рессора

 

Происходящие в рабочей полости цилиндра компрессора про­цессы анализируют с помощью индикаторной диаграммы, постро­енной в координатах давление пара Р — объем цилиндра V (рис. 7).

При этом принимают, что объем, описанный поршнем, в точ­ности равен объему цилиндра, давление всасывания и давление нагнетания в цилиндре равны соответственно давлению в испа­рителе Ро и давлению в конденсаторе Рк, параметры состояния пара в процессах всасывания и нагнетания не изменяются, про­цесс сжатия происходит по адиабатическому закону.

При движении поршня из крайнего левого положения вправо открывается всасывающий клапан и пары холодильного агента заполняют рабочую полость цилиндра. Всасывание происходит при постоянном давлении, равном давлению кипения Ро в испарителе (линия 4— 1), и заканчивает­ся в крайнем правом положении поршня (н.м.т.). Всасывающий клапан в этот момент закрыва­ется.

При обратном движении поршня происходит адиабати­ческое сжатие паров холодиль­ного агента (линия 1—2) до дав­ления, равного давлению кон­денсации Рк в конденсаторе. При достижении давления Рк внутри цилиндра открывается нагнета­тельный клапан, через который сжатые пары вытесняются пор­шнем из цилиндра при Рк = const (линия 2—3).

При рассмотрении теоретического процесса принимают так­же, что между поршнем, достигшим крайнего левого положения (в.м.т.), и крышкой компрессора не осталось пространства, сле­довательно, весь холодильный агент выталкивается из цилиндра, т.е. не остается вредного (мертвого) пространства.

Теоретическую холодопроизводительность компрессора мож­но определить по формуле

QT=Vc qv; (19)

 

Vc= Vh n Z = 0,25 π D2 s n Z, (20)

 

где Vc — объем, описываемый поршнями компрессора; qv — удель­ная объемная холодопроизводительность холодильного агента; Vhобъем цилиндра без мертвого пространства; п — частота враще­ния коленчатого вала; Z — число цилиндров компрессора; D — диаметр цилиндров; s — ход поршня.

Однако действительные процессы, протекающие в компрессо­ре, сопровождаются рядом потерь, вызываемых гидравлическим сопротивлением в клапанах и трубопроводах, теплообменом меж­ду парами холодильного агента и внутренними стенками цилинд­ров, наличием вредного пространства в цилиндрах, трением, про­никновением паров холодильного агента через неплотности и дру­гими причинами.

Индикаторная диаграмма действительного рабочего процесса значительно отличается от теоретической (рис. 8).

 

Рис. 8. Индикаторная диаграмма действительного рабочего

процес­са в цилиндре компрессора

 

Из диаграммы видно, что между крышкой компрессора и порш­нем, находящимся в в.м.т., имеется мертвый объем V0, который уменьшает объем всасываемого пара. Процесс расширения сжа­тых паров холодильного агента из мертвого пространства изобра­жен кривой 3—4, представляющей собой политропу.

Точка 4 на диаграмме соот­ветствует моменту открытия вса­сывающего клапана компрессо­ра и началу процесса всасыва­ния. Процесс всасывания ото­бражает линия 4—1, располо­женная ниже уровня Ро на вели­чину ΔР0 из-за сопротивлений во всасывающих трубопроводах, клапанах и каналах.

Точка 1 характеризует конец процесса всасывания, закрытие всасывающего клапана и начало процесса сжатия. Сжимаются пары холодильного агента по по­литропе 12 до давления, пре­вышающего давление конденсации Рк на величину ΔРК, равную гидравлическому сопротивлению в каналах, клапанах и трубопро­водах нагнетательной стороны компрессора. Точка 2 соответствует моменту открытия нагнетательного клапана, а линия 2 — 3 ото­бражает процесс нагнетания.

Точка 3 показывает момент окончания процесса нагнетания, закрытие нагнетательного клапана и начало процесса расшире­ния паров холодильного агента, оставшихся в мертвом простран­стве, т.е. момент, когда поршень занимает в.м.т.

Отрезок Vh пропорционален рабочему объему цилиндра, а от­резок Vo — объему мертвой зоны. Величина Vcl пропорциональна той части рабочего объема цилиндра, которая теряется из-за на­личия мертвого пространства, а величина Vc2 = Vh - (V1 + Vc1) - части рабочего объема цилиндра, которая теряется из-за гидрав­лического сопротивления на стороне всасывания.

Объемные потери, обусловленные наличием мертвого простран­ства, зависят от его объема и отношения давлений Рк0 и оцени­ваются объемным коэффициентом

 

λc=1 – Vc1 / Vh. (21)

Для всасывания пара в цилиндр давление в нем должно быть меньше, чем в испарителе, а при выталкивании выше, чем в кон­денсаторе (см. рис. 8). Объемные потери вследствие дросселирова­ния учитываются соответствующим коэффициентом

 

λдр= 1 - [(1 + Vc /Vh) Δp0 / λc); (22)

 

Δp0 = о - Рвс)/Р0, (23)

 

где Δр0 — относительная величина потери давления всасывания в каналах (Δр0 = 0,02 — 0,05).

В действительном процессе стенки цилиндров компрессора на­греты, пары во время всасывания подогреваются и их удельный объем увеличивается, масса уменьшается, что учитывается коэф­фициентом подогрева

λП0 К, (24)

 

где Tо и Тксоответственно температуры кипения и конденса­ции холодильного агента.

Интенсивность теплообмена больше при всасывании в цилинд­ры компрессора влажного пара, чем сухого. Кроме того, она зави­сит от отношения давлений Р0 к и частоты вращения коленчато­го вала компрессора. Чем меньше это отношение и быстроходнее агрегат, тем меньше теплообмен в его цилиндрах.

Действительный объем паров холодильного агента, проходя­щих через цилиндр компрессора, определяют по формуле

 

Vd = Vh λ = Vh λc λдр λп λпл; (25)

λ = f (PK / P0),

 

где λ — коэффициент подачи; λплкоэффициент плотности, учитывающий потери объема всасываемого холодильного агента от неплотностей в поршневых кольцах и клапанах пл = 0,96 — 0,98).

Производительность компрессора холодильной машины долж­на обеспечивать отсасывание пара из испарителя с той же интен­сивностью, с которой он образуется в результате кипения жидко­го холодильного агента. Если холодильный агент кипит быстрее, чем компрессор может отводить пар, то избыточное количество пара накапливается в испарителе, давление увеличивается, в ре­зультате повышается температура кипения.

Температура кипения холодильного агента в испарителе — главный фактор, влияющий на производительность компрес­сора. Если она повышается при постоянной температуре кон­денсации, то степень сжатия Рк0 уменьшается, коэффициент подачи компрессора возрастает и его производительность уве­личивается.

Если производительность компрессора такова, что пар отво­дится из испарителя слишком быстро, то давление в испарителе уменьшается, температура кипения снижается и увеличивается удельный объем холодильного агента. Все это приводит к умень­шению холодопроизводительности компрессора. При повышении температуры конденсации при постоянной температуре кипения степень сжатия Рк0 увеличивается, коэффициент подачи комп­рессора снижается. В результате действительный объем перемеща­емого компрессором пара в единицу времени уменьшается, холодопроизводительность компрессора снижается.

Паровые компрессионные холодильные машины входят в со­став холодильных установок. Схемы холодильных установок по­мимо холодильных машин включают системы охлаждения объек­та, например холодильника, рефрижераторного поезда и т.д.







©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.