3. Многоступенчатые и каскадные хм

Когда в охлаждаемом помещении необходимо значительно понизить температуру (например, в камерах замораживания продуктов получить –(25..35) ⁰С), в испарителе ХМ поддерживают низкую температуру кипения при соответствующем низком давлении. В таких случаях значительно возрастает степень повышения давления и применение одноступенчатого компрессора становится экономически невыгодным. Поэтому применяют 2-х-ступенчатые ХМ (при ε>7). При этом предусматривают межступенчатое охлаждение паров ХА водой или жидким ХА. Водой пар охлаждается относительно мало, пар не доходит до насыщения, такое охлаждение называется неполным промежуточным охлаждением. Полное промежуточное охлаждение до состояния насыщения осуществляется жидким ХА.

При температурах -60 ⁰С и ниже 2-х-ступенчатые ХМ оказываются также неэкономичными, т.к. степени сжатия в ступенях становятся большими, а рабочие коэффициенты (в первую очередь – коэффициент подачи) - низкими. Поэтому переходят к 3^х ступенчатому сжатию или каскадным ХМ. Так, например, для производства сухого льда (СО₂) применяется 3^х ступенчатая ХМ.

1. Цикл двухступенчатой хм с одноступенчатым дросселированием

Наиболее простой является двухступенчатая ХМ с водяным промежуточным охлаждением и одноступенчатым дросселированием.

Пар из испарителя И в состоянии 1 засасывается компрессором низкого давления КМ₁ при давлении P₀ и адиабатически сжимается до промежуточного давления P_пр. Затем пар охлаждается в промежуточном водяном холодильнике ПХ при постоянном давлении P_пр до состояния 3 (процесс 2-3). Такое промежуточное охлаждение является неполным, т.к. пар остается перегретым (т.3) и не достигает состояния насыщения (т.3^’). Далее пар адиабатически сжимается во второй ступени компрессора КМ₂ (процесс 3-4). Сжатый пар конденсируется в КД (процесс 4-5) и в состоянии 5 поступает к регулирующему вентилю РВ, где дросселируется до P₀ (процесс 5-6). Хладагент в состоянии 6 поступает в испаритель И и даёт холодильный эффект. В сравнении с одноступенчатым сжатием (процесс 1-2^’) наблюдается экономия в затрате работы (площадь 22^’43).

Рис. 21. Схема и цикл двухступенчатой ХМ с одноступенчатым дросселированием

В ХМ, работающих на таких схемах, через каждую ступень компрессора проходит одно и то же количество пара

Минимальная работа сжатия и max холодильный коэффициент получается при одинаковых степенях сжатия.

Работа сжатия в первой ступени:

Работа сжатия во второй ступени:

Холодильный коэффициент:

Машины, работающие по такой схеме, просты в монтаже и требуют меньших капитальных затрат. Однако, повышение температуры при всасывании и нагнетании во второй ступени неблагоприятно сказываются на работе аммиачных машин (ухудшаются условия смазки, возникают значительные температурные деформации). Схема сжатия с двумя степенями и неполным промежуточным охлаждением используется для фреоновских ХМ, где всасывание перегретых паров в каждую ступень компрессора является испарительным (перегрев всасывания пара заметно увеличивает коэффициент подачи фреоновских компрессоров).

ЦИКЛ ДВУХСТУПЕНЧАТОЙ ХМ С ДВУХСТУПЕНЧАТЫМ ДРОССЕЛИРОВАНИЕМ С ПОЛНЫМ ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ

Х М, работающая по такой схеме, может обеспечить одну или две разных температуры кипения хладагента: можно охлаждать два помещения, поддерживая в них разные температуры.

Рис. 22. Схема двухступенчатой ХМ с двухступенчатым дросселированием с полным промежуточным охлаждением

Особенность схемы – неодинаковое количество пара, поступающего в отдельные ступени сжатия.

Рис. 23. Цикл двухступенчатой ХМ с двухступенчатым дросселированием с полным промежуточным охлаждением

В конденсатор КД из второй ступени КМ₂ поступает G кг хладагента, где конденсируется и переохлаждается до состояния 5, а затем дросселируется в РВ₁ (процесс 5-6), понижается давление и температура. Влажный пар со степень сухости х в состоянии 6 поступает в промежуточный сосуд ПС, где насыщенный сухой пар (состояние 3) отделяется от капельной жидкости (состояние 7). При этом вместо G кг влажного пара образуется G·х кг сухого пара и G·(1-х) кг жидкости. Далее часть жидкости G₂ в состоянии 7 направляется в промежуточный испаритель И₁, где она кипит при давлении P_пр и температуре t_пр (процесс 7-3), охлаждая заданный объект. Другая часть жидкости G₁ вторично дросселируется в РВ₂ (процесс 7-8) и поступает в испаритель низкого давления И₂. В испарителе И₂ хладагент кипит при P₀ и t₀ (процесс 8-1), отнимая тепло от охлаждаемого помещения. Полученный пар в состоянии 1 засасывается компрессором первой ступени КМ₁ и адиабатно сжимается до P_пр (процесс 1-2), после чего поступает в промежуточный водяной холодильник ВХ, где охлаждается до состояния 3^’. Для обеспечения полного промежуточного охлаждения (т.е. для охлаждения до состояния сухого насыщенного пара, сост. 3), пар направляется в ПС, где за счет испарения части жидкости G^’ (процесс 3-3^’) от пара отнимается тепло G₁·(i₃^’-i₃). При этом

Количество пара, отсасываемое компрессором КМ₂ из ПС, составит:

В КМ₂ пар сжимается адиабатически (процесс 3-4) и снова нагнетается в КД, где конденсируется (процесс 4-5).

При двух ступенях получается экономия в работе по сравнению с одноступенчатым сжатием (процесс 1-9) равная площади 2943 на TS-диаграмме.

Холодильный коэффициент:

В цикле с двухступенчатым дросселированием значение ε выше, чем в цикле с одноступенчатым дросселированием. Пар, образующийся при дросселировании от P_k до P_пр, сжимается только компрессором второй ступени, а при одноступенчатом дросселировании (процесс 5-10 на lgP-i- диаграмме). Этот пар сначала транзитом проходит через испаритель, затем сжимается компрессором первой ступени и только после этого поступает во вторую ступень. Это снижает холодильную производительность компрессора первой ступени увеличивает затрату мощности на сжатие в нём пара. Цикл с двухступенчатым сжатием является более экономичным, чем цикл с одноступенчатым сжатием и двухступенчатым сжатием с одноступенчатым дросселированием.