Тема 3. Многоступенчатое сжатие.

Лекция 1. Причины перехода к многоступенчатому сжатию. Схема и цикл двухступенчатых ХМ.

При понижении температуры кипения или повышении температуры конденсации рабочего вещества увеличивается степень повышения давления Р_К/Р₀ и разность давлений Р_к – Р₀. Это ведет к ухудшению объемных и энергетических коэффициентов компрессоров, что увеличивает объемные и эксплуатационные затраты в одноступенчатых паровых ХМ.

Увеличение степени повышения давления ведет к росту температуры нагнетания, что может вызвать недопустимые температурные деформации, пригорание масла в нагнетательных клапанах, а также самовозгорание масла. С ростом степени повышения давления рис.8 уменьшается удельная холодопроизводительность цикла. В цикле 1-2-3-4 q₀=i₁ – i₄, в цикле 6-7-3-5 q₀^/=i₆ – i₅. Видно, что q₀ > q₀^/ .

С ростом отношения Р_К/Р₀ увеличиваются необратимые потери при дросселировании, а также потери связанные с отводом теплоты перегрева рабочего вещества.

Все перечисленные причины вызывают необходимость перехода к многоступенчатому сжатию при Р_К/Р₀>8.

Рис. 8. Цикл двухступенчатого сжатия.

Это отношение не является строго постоянным и зависит от рабочего вещества, типа компрессора, теплообменных аппаратов, температуры внешних источников. При использовании двухступенчатых ХМ, можно получить температуру кипения

t₀ = –80 ⁰C при работе на хладоне R22 и t_K = 25 ⁰C.

Двухступенчатая ХМ со змеевиковым промсосудом, неполным промежуточным охлаждением и однократным дросселированием.

Рис. 9.Схема двухступенчатой холодильной машины.

Км 1 и Км 2 – компрессоры первой и второй ступени;

ПТО – промежуточный теплообменник;

ПС – промсосуд; И – испаритель; Кд – конденсатор.

Рис. 10.Циклы двухступенчатой холодильной машины.

Хладагент кипит в испарителе И (процесс 11-1) рис.9,10, сжимается в компрессоре Км 1 (процесс 1-2), охлаждается в промежуточном теплообменнике ПТО (процесс 2-3), затем пар хладагента в состоянии 3 смешивается с холодным паром состояния 8, идущим из промсосуда ПС. Всасывание в компрессор Км 2 определяется точкой 4. Далее рабочее вещество сжимается в компрессоре Км 2(процесс 4-5), охлаждается в конденсаторе Кд (процесс 5-6) и направляется в промсосуд ПС. Перед промсосудом ПС хладагент делится на два потока: большая часть идет в змеевик промсосуда ПС, меньшая дросселируется во вспомогательном устройстве ДУ 1 (процесс 6-7) до промежуточного давления и поступает в промсосуд ПС. В промсосуде ПС 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 отсасывается компрессором Км 2, а жидкость кипит (процесс 9-8) за счет теплоты, отбираемой от жидкого хладагента, идущего по змеевику. Жидкий хладагент идущий по змеевику при этом охлаждается (процесс 6-10), а затем дросселируется в основном дроссельном устройстве ДУ 2 (процесс 10-11) до давления Р₀. После дросселирования рабочее вещество попадает в испаритель И, где кипит при давлении Р₀ и Т₀.

Лекция 2. Расчет двухступенчатой холодильной машины.

Для расчета двухступенчатой ХМ необходимо вписать цикл в тепловую диаграмму. Значения Р₀, Т₀, Р_К, Т_К определяются в зависимости от влияющих условий или задаются. Промежуточное давление определяется одним из трех способов.

Первый способ заключается в выборе условий минимальной работы, затраченной на сжатие рабочего вещества в обеих ступенях. После некоторых преобразований получаем:

(36)

Второй способ определения Р_m – по максимальному холодильному коэффициенту. Строят зависимость ε = f(P_m). определяют ε_max и промежуточное давление, которое соответствует максимальному холодильному коэффициенту.

Третий способ – по минимальной суммарной теоретической объемной производительности компрессоров первой и второй ступени ∑V_T. Задаются несколькими значениями P_m и определяют V_T для первой и второй ступени, строят зависимость ∑V_T = f(P_m). По минимальному значению ∑V_T выбирают P_m.

В точке 1 хладагент может быть сухим насыщенным или перегретым (на 5÷10⁰С) паром. Температура хладагента в точке 10 обуславливается недорекуперацией в процессе охлаждения жидкости в змеевике на 3÷5 ⁰С, то есть

(37)

Состояние хладагента в точке 4 определяется из уравнения смешения хладагента идущего из ПТО и из ПС:

(38)

где G_a^I и G_a^II – массовый расход рабочего вещества первой и второй ступеней.

(39)

G_a^II определяется из материального баланса ПС:

(40)

где G_a^/ – масса хладагента, испарившегося в ПС;

х₇ – степень сухости в точке 7.

(41)

Подставив G_a^/ и х₇ в предыдущее уравнение, получим:

(42)

После определения энтальпий в условных точках цикла, определяем теоретические объемные производительности компрессоров первой и второй ступеней:

(43)

где υ₁ и υ₄ – удельные объемы рабочего вещества при всасывании в компрессоры первой и второй ступеней соответственно;

λ^I и λ^II – коэффициенты подачи, учитывающие объемные потери.

Теоретическая работа компрессоров:

(44)

Холодильные коэффициенты теоретического и действительного цикла:

(45)

где η_е^I и η_е^II – коэффициенты учитывающие энергетические коэффициенты компрессоров.