5.1.7. Розрахунок одноступеневих холодильних машин

Для теплового розрахунку холодильної машини необхідно знати її холодопродуктивність Q₀ (теплову потужність – кількість теплоти, яка відводиться під час роботи машини в одиницю часу, Вт) та умови роботи. Останні задаються у вигляді температур джерел теплоти: охолодного та навколишнього та схемою машини. Температури джерел визначають режим роботи парової компресорної холодильної машини, яка характеризується температурами: кипіння , конденсації , переохолодження , перед РВ , всмоктування .

Якщо теплота конденсації відводиться водою, температура конденсації приймається на 5…8°С вищою середньої температури води, якщо повітрям – на 10…20°С вищою середньої температури повітря. Якщо у випарнику охолоджується рідина, то температура кипіння приймається нижчою на 5…8°С від її середньої температури, якщо повітря чи інший газ – на 10°С нижчою від його середньої температури. (Вказані різниці температур є орієнтовними і можуть бути змінені за результатами техніко-економічного обґрунтування вибору типу холодильної машини та умов її роботи. При цьому необхідно пам’ятати, що зменшення різниці температур, як правило, пов’язане із збільшенням площі теплообмінних апаратів (капітальні витрати) та витрати електроенергії на переміщення середовище(експлуатаційні витрати). Разом з тим, таке зменшення скорочує витрати на стискання робочої речовини у компресорі).

Температуру переохолодження робочої речовини в конденсаторі,C, приймають такою, що дорівнює

. (5.34)

Величину перегрівання пари робочої речовини перед всмоктуванням у компресор, C, рекомендується приймати в таких межах

а) аміачні одноступеневі машини –

(5.35)

б) перша ступінь аміачних двоступеневих машин –

(5.36)

в) друга ступінь аміачних двоступеневих машин –

(5.37)

г) фреонових машин –

(5.38)

Вказані значення температур та їхньої різниці є орієнтовними. Під час точних розрахунків необхідно враховувати характер та властивості середовищ, типи і конструктивні особливості теплообмінних апаратів, схему холодильної машини. Фактично необхідно провести техніко-економічний розрахунок, за результатами якого вибирається найкращий варіант.

За отриманими температурами будують цикл холодильної машини на діаграмі lgр–h (рис.5.12) відповідного холодильного агента та визначають значення параметрів у вузлових точках (тиск, температуру, ентальпію, питомий об’єм, степінь сухості).

Рис.5.12. Розрахунковий теоретичний цикл одноступеневої холодильної машини

в lgp-h діаграмі

Користуючись значеннями параметрів визначають:

питому масову холодопродуктивність у холодильних машинах, які працюють на фреонах (перегрівання пари на виході з випарника враховують обов’язково), кДж/кг, за рівнянням

; (5.39)

в холодильних машинах, які працюють на аміаку, приймають, що з випарника виходить суха насичена пара та використовують рівняння

; (5.40)

питому об’ємну холодопродуктивність, кДж/м³,

; (5.41)

питому теоретичну робота компресора, кДж/кг,

; (5.42)

питоме теоретичне навантаження конденсатора, кДж/кг,

(5.43)

холодильний коефіцієнт циклу

. (5.44)

Масова продуктивність компресора, кг/с, визначається за формулою

. (5.45)

Об’ємну продуктивність компресора (об’ємна подача), м³/с,

. (5.46)

Порядок розрахунку холодильної машини з економайзером (рис.5.13) подібний до попереднього. Однак, має ряд відмінностей. Положення точки 3 визначають за температурою переохолодження , знайденою за формулою (5.34). Стан холодильного агента в точці 4, визначають за температурою

, °С. (5.47)

Рис.5.13. Розрахунковий теоретичний цикл одноступеневої холодильної машини

з економайзером у lgp-h діаграмі

Витрата робочої речовини на охолодження основного потоку, що прямує у випарник, знаходять з теплового балансу економайзера

, кг/с, (5.48)

де - витрата холодильного агента через випарник .

Масова продуктивність компресора, кг/с,

. (5.49)

Розрахунок інших величин не відрізняється від розрахунків попередньої схеми.

Порядок розрахунку регенеративної холодильної машини (рис.5.14) проводять так. Положення точки 3 визначають за температурою переохолодження , знайденою за формулою (5.34). Стан холодильного агента в точці 4, визначають з рівняння теплового балансу регенеративного теплообмінника, нехтуючи втратами в навколишнє середовище:

, кДж/кг. (5.50)

На діаграмі точка 4 міститься на перетині ізобари та ізоентальпи .

Рис.5.14. Розрахунковий теоретичний цикл одноступеневої холодильної машини з регенеративним теплообмінником в lgp-h діаграмі

При цьому приймається, що точка 1’ знаходиться на правій пограничній кривій (суха насичена пара), а положення точки 1 визначається за температурою холодильного агента після РТО. У теоретичному циклі температура робочої речовини у точці 1 може бути рівною температурі у точці 3. Однак, для здійснення такого теплообміну, необхідно мати РТО нескінченно великих розмірів, а це пов’язано з великими капітальними затратами. З цієї причини температуру на всмоктуванні у компресор приймають за величиною недорекуперації, яка може бути врахована коефіцієнтом корисної дії РТО значення якого визначається за формулою

. ( 5.51)

Значення коефіцієнта залежить від виду холодильної машини і приймається рівним:

для низькотемпературних холодильних машин – 0,5…0,65;

для середньотемпературних – 0,65…0,8;

для високотемпературних – 0,8…0,9.

Теплоємність рідких холодильних агентів у 1,5…3 рази більша теплоємності перегрітої пари, тому вони будуть охолоджуватися у РТО значно менше, ніж пара нагріватися.

Якщо машина працює за циклом теплового насосу, то задаються тепловим навантаженням насосу Q_к і витрату холодильного агента проводять за рівнянням

. (5.52)

У більшості випадків, разом з холодильним агентом у холодильній машині циркулює мастило, яке необхідне для зменшення тертя у компресорі. Воно спричиняє вплив на температури та характер процесів теплообміну. Врахування присутності мастила значно ускладнює розрахунки, однак незначно впливає на визначення основних величин.