Лекція 10 розширювальні та нагнітальні машини холодильних установок

10.1 Призначення та класифікація розширювальних та нагнітальних машин

Нагнітальні машини призначаються для підвищення тиску й переміщення робочого тіла. Призначення й найменування нагнітальних машин визначаються, насамперед, стискальністю робочого тіла. У нагнітальних машинах стиснення завжди пов’язано з витратою зовнішньої роботи або рівноцінної їй енергії.

Машини, що працюють на практично нестисливих робочих тілах, – насоси й вентилятори – виконують в основному функцію переміщення.

Нестисливим робочим тілом вважають рідини з малою стис- кальністю й гази в області невеликих відносин тисків (до 1,2), при яких стискальністю можна зневажити.

Машини, що працюють на стисливому робочому тілі, – компресори – підвищують тиск робочого тіла й забезпечують його циркуляцію в установці.

Розширювальні машини – детандери (від французького слова detendre – знижувати, розширювати) – призначені для внутрішнього охолодження робочого тіла установки при його розширенні з віддачею зовнішньої роботи. Використання роботи, отриманої в розширювальній машині, має допоміжне значення, і по різних причинах, вона не завжди реалізується.

Часто нагнітальна й розширювальна машини, об’єднані не тільки в одній установці, але навіть й в одному агрегаті, мають аналогічні конструкції, технологію виготовлення й особливості експлуатації.

По принципу дії ці машини діляться на два класи (або дві групи): об’ємної і динамічної дії [44,45].

Робочі органи машин об’ємної дії стискають або розширюють певний об’єм робочої речовини завдяки зміненню замкнутого простору. Це машини дискретної дії, робочий процес в яких відбувається строго послідовно, повторюючись циклічно. Об’ємні машини умовно можна також назвати машинами статичної дії, оскільки переміщення робочої речовини в процесі стиску і розширення в них, відбувається порівняно повільно. До цих машин відносяться поршневі, ротаційні, гвинтові та спіральні нагнітачі й розширники.

У машинах динамічного принципу дії (кінетичної дії) зміна тиску та температури досягається шляхом використання інерційних сил у потоці робочого тіла. При гальмуванні потоку, що має запас кінетичної енергії, тиск робочого тіла зростає. При розширенні потоку із зовнішнім відводом енергії температура робочого тіла знижується. Це машини безперервної дії, до яких відносяться осьові і відцентрові компресори.

По характеру процесу всі машини діляться на адіабатні й неадіабатні.

В адіабатних компресорі й детандері відсутній спеціально організований теплообмін із зовнішнім середовищем.

Неадіабатний компресор – машина, у якій, навпаки, інтенсифікована тепловіддача від робочого тіла в зовнішнє середовище для зменшення роботи, затрачуваної на стиск. Неадіабатний детандер – машина, у якій у процесі розширення підводиться тепло від охолоджуваного об’єкта.

По числу ступенів розширення або стиску машини розподіляються на багатоступінчасті й одноступінчасті.

Введення багатоступінчастого процесу в нагнітальних і розширювальних машинах приводить до зниження втрат від необоротності, як при стиску так і при розширенні, внаслідок зменшення відносини тисків в окремих ступенях.

Ступінь підвищення тиску в одноступінчастому компресорі обмежується температурою самозапалювання мастила, яким змащують стінки циліндра компресора. При високих тисках нагнітання значно збільшується температура стисненого газу, понизити яку не вдається навіть при інтенсивному охолодженні. Це може викликати спалах масла й привести до аварії установки.

Максимально припустимий ступінь підвищення тиску в компресорі розглянемо на наступному прикладі.

Компресорне мінеральне мастило Clavus 100 фірми Shell (Англія) має температуру спалаху 488 К. Приймаючи запас рівним 36 К, одержимо, що можна припустити підвищення температури газу в циліндрі до 454 К. Компресор всмоктує повітря з атмосфери, тому Т_вс = 293 К. Припустивши найгірший варіант стиску, тобто що циліндр компресора не охолоджується й процес стиску відбувається по адіабаті, одержуємо

(10.1)

Таким чином, для ідеального компресора, що стискає повітря, при-пустиме відносне підвищення тиску _тах = 4,5 ÷ 4,6. Тому в одноступінчастих компресорах тиск нагнітання звичайно не перевищує 8–10 мПа.

У розширювальних машинах багатоступінчасте розширення з про- міжним підведенням тепла приводить до збільшення холодопро- дуктивності. Однак практична реалізація процесу багатоступінчастого розширення в машині з підведенням тепла при температурі Т < Т_з.с пов’язана із труднощами забезпечення теплообміну. Тому багато- ступінчасті розширювальні машини менш поширені, ніж нагнітальні.

Умови використання робочого тіла, зокрема відношення критичної температури до температури навколишнього середовища, позначаються на особливостях нагнітальних і розширювальних машин.

У парових компресійних холодильних машинах, що працюють на робочому тілі з Т_кр > Т_з.с (фреони, аміак, деякі вуглеводні) тиски нагнітання й усмоктування залежать від характерних температур установки Т_зс і Т₀.

Тиск нагнітання визначається температурою охолодного середовища Т_з.с (води, повітря) або робочого тіла верхнього ступеня каскаду, а тиск усмоктування – температурою випару робочого тіла Т₀ та, до деякої міри, тепловим навантаженням випарника. Компресори парових холодильних установок працюють у широкому діапазоні відносин тисків нагнітання й усмоктування.

При виборі того чи іншого холодоагенту треба звертати увагу на його критичну температуру.

Для більшості холодильних агентів критична температура значно вище температури навколишнього середовища, наприклад, для R407С t_kp = 72,1 ⁰С, R134а має критичну температуру t_kp = 101 ⁰С. На діаграмах критичний стан холодоагенту характеризується точкою K, вище якої робоче тіло може перебувати тільки в стані газу. Такий газ не може бути перетворений у рідину, який би тиск до нього не прикладали.

Для розуміння такого процесу розглянемо умови можливої конденсації вуглекислого газу, у якого t_kp = 31 ⁰С. Якщо температура навколишнього середовища (повітря) буде вище 31 ⁰С, наприклад 35 ⁰С, що характерно для країн з жарким кліматом, то процес конденсації в цих умовах не відбудеться. Для переводу вуглекислого газу в рідкий стан необхідно понизити температуру навколишнього середовища, застосувавши замість повітря середовище з більше низькою температурою, наприклад артезіанську воду.

Деякі гази мають украй низькі критичні температури, наприклад гелій і водень із критичними температурами відповідно - 267,9 ⁰С та - 239,9 ⁰С. У минулому столітті неможливість досягнення таких температур змусила фізиків припустити, що ці гази не можуть бути сконденсовані, звідси виникло невірне визначення для них - “постійні гази”. У цей час ці гази скраплюють у спеціальних кріогених установках.

По характеру зв’язку робочого об’єму машини із зовнішнім сере- довищем нагнітальні й розширювальні машини ропозділяються на герметичні й негерметичні. Герметичність машини диктується як доцільністю ізоляції її внутрішніх об’ємів від навколишнього середо- вища (щоб уникнути витоків робочого тіла або підсмоктувань повітря), так й в деяких випадках необхідністю відділення робочого об’єму від механізму руху, який змащується. Перша вимога особливо істотна для машин, що працюють на токсичному або вибухонебезпечному робочому тілі.

Забруднення робочого тіла змащенням завжди небажано; у деяких випадках (робота на кисні, використання машин у харчовій промисловості, медицині й для кондиціювання повітря) вимога герметичності стає однією з головних.