Тема 10. Многоступенчатые холодильные машины.

Лекция 1. Области применения многоступенчатых холодильных машин. Расчет циклов многоступенчатых холодильных машин.

При понижении температуры кипения или повышении температуры конденсации рабочего вещества увеличивается степень повышения давления Р_к/Р_о и разность давлений Р_к - Р_о. Это ведет к ухудшению объемных и энергетических коэффициентов компрессоров, что увеличивает ка­питальные и эксплуатационные за­траты на получение искусственно­го холода при использовании одноступенчатых паровых холо­дильных машин.

Т 2 7

3 Р_к Т_к

Р_о Т_о 1

4 Р_о^’ Т_о^’ 6

5

S

Рис. 27. Влияние степени повышения давления на работу цикла.

Увеличение степени повышения давления в компрессоре приводит к росту температуры нагнетания, что может вызвать недопустимые температурные деформации, пригорание масла в нагнетательных клапанах компрессора. Может возникнуть и крайне опасный слу­чай — самовозгорание масла. С ростом степени повышения давления уменьшается удельная холодопроизводительность цикла, что пока­зано на рис. 27. В цикле 1—2—3—4 удельная холодопроизводи­тельность qo == i₁ - i₄ , в цикле 6—7—3—5 q'o =i₆ – i₅. Очевидно, что qo > q'o.

С ростом отношения Р_к/Р_о , увеличиваются необратимые потери при дросселировании, а также потери, связан­ные с отводом теплоты перегрева рабочего вещества.

Все перечисленные выше факторы являются причинами, по кото­рым при Р_к/Р_о > 8 необходимо переходить к многоступенчатому сжатию. Однако это отношение не является строго постоянным и за­висит от конкретных условий: рабочего вещества, типа компрессора и аппаратов, от температуры внешних источников.

Двухступенчатая холодильная машина со змеевиковым промежуточным сосудом и неполным промежуточным охлаждением.

Принципиальная схема такой машины на рис.9, а циклы в тепло­вых диаграммах показаны на рис.10 и 28. Рабочее вещество кипит в испарителе VIII (процесс 11—1), сжимается в компрессоре первой ступени I (процесс 1—2), охла­ждается в промежуточном теплообменнике II (процесс 2—3), затем пар рабочего вещества в состоянии 3 смешивается с холодным паром состояния 8, идущим из промежуточного сосуда VI. После смешения состояние рабочего вещества перед всасыванием в компрессор вто­рой ступени III определяется точкой 4. Далее рабочее вещество сжимается в компрессоре второй ступени (процесс 4—5), охлаждается и конденсируется в конденсаторе IV (процесс 5—6) и направляется к промежуточному сосуду. Перед промежуточным сосудом рабочее вещество делится на два потока: большая часть рабочего вещества идет в змеевик про­межуточного сосуда, меньшая — дросселируется во вспомогатель­ном дроссельном вентиле V (процесс 6—7) до промежуточного давле­ния и поступает в промежуточный сосуд. В промежуточном сосуде за счет разности плотностей жидкости и пара происходит разделение влажного пара (состояние 7) на жидкость (состояние 9) и сухой насы­щенный пар (состояние 8). Сухой насыщенный пар засасывается компрессором второй ступени, а жидкость кипит (процесс 9—8) за счет теплоты, отбираемой от жидкого рабочего вещества, идущего по змеевику. Сухой насыщенный пар, образовавшийся при кипении в процессе 9—8, отсасывается компрессором второй ступени. Жидкое рабочее вещество, идущее по змеевику, при этом охлаждается (про­цесс 6—10) и затем дросселируется в основном дроссельном венти­ле VII (процесс 10-11) до давления Ро. После дросселирования рабочее вещество поступает в испаритель, где кипит при давлении Ро и температуре То.

Для того чтобы рассчитать двухступенчатую холодильную ма­шину со змеевиковым промежуточным сосудом и неполным проме­жуточным охлаждением, необходимо прежде всего вписать цикл в тепловую диаграмму. Значения Рк, Тк и Ро, То определяются в зависимости от внешних условий (или задаются). Промежуточное давление Рт определяется по методике, изложенной ранее. В точке 1

рабочее вещество может быть сухим насыщенным или перегретым

Рис.28. Циклы двухступенчатой холодильной машины.

(на 5—10 °С) паром. Температура рабочего вещества в точке 10 обусловливается недорекуперацией в процессе охлаждения жидкости в змеевике на 3—5 °С, т. е. t ₁₀ — t_т = 3—5 °С.

Состояние рабочего вещества в точке 4 определяется из уравнения смешения рабочего вещества, идущего из теплообменника // и из промежуточного сосуда

G^//_a i₄ = G^/_a i₃ + (G^//_a - G^/_a) i₈; (94)

i₄ = i₈ + G^/_a(i₃ – i₈) / G^//_a, (95)

где G^/_a, G^//_a —массовый расход рабочего вещества первой и второй ступеней.

G^/_a определяется по заданной холодопроизводительности,

G^/_a = Q_о /(i₁ – i₁₁) (96)

G^//_a определяется из материального баланса промежуточного сосуда

G^//_a = G^/_a + (G^//_a - G^/_a) x₇ + G'a (97)

где x₇; — степень сухости пара в точке 7; G'a — масса рабочего ве­щества, испаряющегося в промежуточном сосуде, определяется из уравнения

G'a(i₈ – i₉) = G^/_a(i₆ – i₁₀) (98)

Подставив в уравнение (91) значение G'a из уравнения (92) и выразив x₇ через энтальпии получим

G^//_a = G^/_a(i₈ – i₁₀) / (i₈ – i₇) (99)

После определения энтальпий в узловых точках цикла опреде­ляют теоретические объемные производительности компрессоров

первой и второй ступеней:

V^/ = G^/_a υ₁ / λ^/; V^// = G^//_a υ₄ / λ^// (100)

где υ₁ и υ₄— удельные объемы рабочего вещества при всасывании в компрессоры первой и второй ступеней; λ^/ , λ^//— коэффициенты, учитывающие объемные потери в компрессорах первой и второй ступеней.

Теоретическая работа, затрачиваемая в компрессорах первой

и второй ступеней L^/_а и L^//_а, определяется по уравнениям:

L^/_а= G^/_a(i₂ – i₁) ; L^//_а= G^//_a(i₅ – i₄) (101)

Холодильные коэффициенты теоретического и действительного циклов (εт и εд) определяются по выражениям:

εт= Q_о /( L^/_а +L^//_а) ; εд= Q_о /( L^/_а /η^/_е +L^//_а /η^//_е) (102)

где η^/_е и η^//_е – коэффициенты учитывающие энергетические потери компрессоров первой и второй ступеней.

Кроме рассмотренной схемы двухступенчатые холодильные машины могут быть:

• с двукратным дросселированием и полным промежуточным охлаждением,

• с двукратным дросселированием и неполным промежуточным охлаждением,

• с однократным дросселированием и неполным промежуточным охлаждением.

Лекция 2.Каскадные холодильные машины.

В каскадных холодильных машинах используются два рабочих вещества. Одно из них — рабочее вещество высокого давления (низкотемпературное рабочее вещество). Это связано с тем, что теоретический объем компрессора, работающего при низком давле­нии, значительно больше, чем у компрессора, работающего при более высоком давлении. Так, например, в двухступенчатых холо­дильных машинах V_т^/ / V_т^// = 3 — 4 и чем ниже давление, тем больше V_т^/, а это ведет к росту капитальных затрат, повышает мощность трения компрессора. Кроме того, при понижении давления всасы­вания газодинамические потери в клапанах становятся соизмеримы с работой сжатия компрессора. Это также ухудшает энергетическую эффективность холодильной машины. Одним из методов сниженияV_т компрессоров низкой ступени, снижения мощности привода ком­прессоров является использование рабочих веществ высокого давле­ния, таких, как хладон R13, хладон R14, этан и др. Однако при тем­пературе окружающей среды давление конденсации у таких рабочих веществ чрезмерно высоко и использование их в циклах двухступен­чатых или трехступенчатых холодильных машин затруднительно. Поэтому такие рабочие вещества применяют только в каскадных холодильных машинах.

Простейшая каскадная холодильная машина. Схема и цикл такой холодильной машины показаны на рис. 29. Машина состоит из двух одноступенчатых машин, называемых нижней и верхней ветвью каскада. В нижней ветви каскада используется рабочее вещество высокого давления, которое, получая теплоту в испари­теле VII от источника низкой температуры, кипит (процесс 4—1), пар сжимается в компрессоре I (процесс 1—2), охлаждается и кон­денсируется в конденсаторе-испарителе V (процесс 2—3), а затем дросселируется в дроссельном вентиле VI (процесс 3—4).

Теплота конденсации рабочего вещества нижней ветви каскада отбирается рабочим веществом холодильной машины верхней ветви каскада — как правило, это рабочее вещество среднего давления, которое кипит в конденсаторе-испарителе. Пар рабочего вещества верхней ветви каскада сжимается компрессором II (процесс 5—6), затем рабочее вещество верхней ветви каскада направляется в конденсатор III (процесс 6—7), дросселируется в дроссельном вентиле IV (про­цесс 7—8) и поступает в конденсатор-испаритель. Таким образом, рабочее вещество в машине нижней ветви каскада совершает цикл 1-2-3-4, а в машине верхней ветви каскада — цикл 5—6—7—8, и эти машины объединяются конденсатором-испарителем.

Как правило, рабочим веществом нижней ветви каскада яв­ляется R13, поэтому во время стоянки машины, когда температура всех ее частей сравняется с температурой окружающей среды, значительно повышается давление во всех элементах машины (при 25°С давление насыщенных паров R13 составляет 3,62 МПа).

Для предотвращения от чрезмерного повышения давления в холодильной машине нижней ветви каскада к системе подключают расширитель­ный сосуд VIII, рассчитанный так, чтобы при остановке машины давление во всех элементах машины не превышало расчетного пре­дельного значения.

lg P

i

Рис.29. Схема и цикл простейшей каскадной холодильной машины.

Таблица 2. Области применения каскадных и двухступенчатых холодильных машин.

Тип машины	Возможная область применения		Область выгодного применения
	min to	mах to	min to	mах to
Каскадная: нижняя ветвь — одна ступень на R13, верхняя ветвь на R22	-95	-40	-85	-40
Каскадная: нижняя ветвь — две сту­пени на R13, верхняя ветвь - одна ступень на R22	-110	-80	-100	-80
Каскадная: нижняя ветвь -одна ступень на R14, средняя ветвь — одна ступень на R13 и верхняя ветвь - одна ступень на R22	-140	-100	-135	-100
Двухступенчатая на R22	-80	Не огра- ничена	-45	-25