5.2. Цикли і принципові схеми багатоступеневих компресорних холодильних машин

5.2.1. Причини переходу до багатоступеневого стискання

При зниженні температури кипіння або підвищенні температури конденсації робочої речовини збільшується ступінь підвищення тиску і різниця тисків p_к-p₀. Це веде до погіршення об'ємних і енергетичних коефіцієнтів корисної дії компресорів, що збільшує капітальні й експлуатаційні витрати на одержання штучного холоду у випадку використання одноступеневих компресійних холодильних машин.

Збільшення у компресорі призводить до зростання температури нагнітання, що може викликати неприпустимі температурні деформації, пригорання мастила в нагнітальних клапанах компресора та їхнє руйнування. Може виникнути і вкрай небезпечний випадок – самозаймання мастила. Одночасно зменшується питома холодопродуктивність циклу, що видно з рис.5.15. У циклі 1-2-3-4 питома холодопродуктивність , а у циклі

6-7-3-5 . Очевидно, що > .

Рис.5.15. Вплив перепаду тисків на характеристики циклу

З ростом відношення р_к/р₀, як відзначалося раніше, збільшуються необоротні втрати під час дроселювання, а також втрати, пов’язані з відведенням теплоти перегрівання робочої речовини.

Все вище сказане обумовлює необхідність переходу до багатоступеневого стискання. За результатами численних досліджень було визначено, що у випадку багатоступеневе стискання є ефективнішим від одноступеневого ( при об’ємний коефіцієнт корисної дії компресора стає меншим 0,5). Проте у деяких випадках компресори працюють з більшим перепадом тисків. Все залежить від умов роботи холодильної машини: робочої речовини, типу компресора й теплообмінних апаратів, температур зовнішніх джерел. Наприклад, низькотемпературні компресори можуть працювати з перепадом тисків близьким 20.

5.2.2. Вплив багатоступеневого стискання і дроселювання на необоротні втрати в циклі

Як відзначалося, із підвищенням відношення р_к/р₀ збільшуються втрати при дроселюванні. Пара, що утворилася під час дроселювання, потрапивши у випарник, не здійснює ефекту охолодження, однак на її наступне стискання в компресорі доводиться витрачати роботу. Більше того, ця пара погіршує інтенсивність теплообміну в процесі кипінні робочої речовини, що, у свою чергу, призводить до росту необоротних утрат. Чим більше різниця тисків р_к-р_о, тим більше пари утвориться і, отже, зросте частка роботи, що витрачається на стискання цієї пари. Окрім зазначеного пара, утворена під час дроселювання, спричиняє експлуатаційні проблеми в роботі холодильних машин, викликаючи гідравлічні удари в трубопроводах та теплообмінному обладнанні. З цих причини доцільно дроселювання здійснювати не в повному перепаді тисків від р_к до р₀, а ділити цей перепад на декілька частин. Причому після кожного дроселювання необхідно здійснювати відбирання пари, що утвориться у процесі дроселювання, і стискати її у компресорі, як це показано на рис.5.15.

Рис.5.16. Багатоступеневе дроселювання в Т-s діаграмі

Розглянемо, як вплине заміна одноступеневого дроселювання багатоступеневим на необоротні втрати, на прикладі двоступене дроселювання з відбиранням пари, що утвориться після першого дросельного вентиля. На рис.5.16. показано цикл 1-2-3-4 з однократним дроселюванням. Всі процеси цьому циклі, окрім процесу дроселювання 3-4, оборотні. Необоротні втрати, пов’язані з процесом дроселювання, еквівалентні площі 4-k-3-b-4.

Якщо замінити однократне дроселювання двократним, то наприкінці першого процесу дроселювання (процес 3-с) утвориться х_с кг пари, що відсмоктується проміжним компресором. При цьому необоротні втрати будуть еквівалентні площі с-d-3-a. Рідина, що залишилася після першого дроселювання у кількості (1-х_с) кг (стан а) дроселюється другий раз – процес а-7. Необоротні втрати, що виникають у процесі а-7 еквівалентні площі 7-е-а-b, помноженої на (1-х_с). Таким чином, сума необоротних утрат при дворазовому дроселюванні еквівалентна пл.с-d-3-a +(пл.7-е-а-b)(1-х_с). Так як х_с<1, то ця сумарна площа менша площі 4-k-3-b-4, і, відповідно, меншими будуть необоротні втрати.

Розглянемо, як впливає ступінчасте дроселювання з проміжним відбиранням пари на роботу стискання робочої речовини (рис.5.17). На рис.5.18 показана принципова схема холодильної машини, в якій число ступенів дроселювання дорівнює n і після кожного дроселювання, пара, що утворюється відбирається на стискання відповідним компресором. Умовно розділимо роботу стискання на дві частини

, (5.53)

де – робота, що витрачається на стискання пари робочої речовини, яка утворилася під час дроселювання (однократного або багатократного); – робота, що витрачається на стискання пари робочої речовини, яка утворилася при кипінні у випарнику.

Рис.5.17. Багатоступеневе стискання в Т-s діаграмі

Рис.5.18. Схема багатоступеневого стискання та дроселювання

Порівняємо при однократному і багатократному дроселюванні. Якщо з конденсатора до першого дросельного вентиля підводиться 1 кг рідкої робочої речовини (стан 3), то в результаті першого дроселювання утвориться х₁ кг пари, причому х₁ значно менше, ніж х₄. Крім того, стискання х кг пари відбувається в меншому інтервалі тисків і робота, затрачена на його стискання, рівна . Ця робота значно менша роботи, яку необхідно було б затратити при стисканні х₁ кг пари від тиску р₀ до р_к – , оскільки . Крім того, х₁ кг пари охолоджується після стискання до температури конденсації від стану 2₁, а не від стану 2, тобто процес теплообміну робочої речовини з навколишнім середовищем відбувається за меншої різниці температур. Кількість теплоти, відведеної в цьому процесі в навколишнє середовище, менша, що призводить до скорочення необоротних втрат пов’язаних з відведенням теплоти перегрівання.

До другого дросельного вентиля надійде вже не 1 кг рідини, а менше – (1-х₁) кг і тоді після другого дросселя утвориться кількість пари, рівна (1-х₁)х₂ кг. Хоча стискання цієї пари відбувається в дещо більшому інтервалі тисків, ніж пари х₁, усе ж робота, витрачена на його стискання, – буде значно меншою, ніж якби ця ж кількість пари стискувалася від стану 1 до стану 2, тобто в повному інтервалі перепаду тиску від р_к до р₀. У цьому випадку також скорочуються необоротні втрати пов’язані з відведенням теплоти перегрівання.

Таким чином, для випадку n ступінів дроселювання

, (5.54)

а саме, робота, що витрачається на стискання пари, яка утворилася при багатократному дроселюванні при її східчастому відведенні і стисканні, менша роботи, яка витрачається на стискання пари, яка утворюється при однократному дроселюванні.

Для того щоб з’ясувати співвідношення між роботою , що витрачається на стискання пари, що утворилася при кипінні робочої речовини у випарнику при однократному

(5.55)

і роботою при східчастому дроселюванні

, (5.56)

необхідно визначити, чи змінюється кількість рідини, що надходить у випарник при різних способах дроселювання, так як питома робота стискання від тиску р_к до р₀, в обох випадках однакова. Розглянемо нерівність

<> . (5.57)

У лівій частині цієї нерівності – кількість рідкої робочої речовини, що надходить у випарник при ступеневому дроселюванні; у правій частині - кількість рідкої робочої речовини, що надходить у випарник при однократному дроселюванні.

Якщо знехтувати кінетичною енергією, що виноситься з парою в кожному із компресорів під час проміжного відбирання пари, то спеневому процес дроселювання за виходом рідини може розглядатися як сума диференціальних процесів дроселювання в порівнянні з інтегральним процесом дроселювання 3-4 і, отже, нерівність (5.57) перетвориться в рівність, тобто

. (5.58)

Розрахунки, проведені з урахуванням кінетичної енергії, що виноситься парою при ступеневому дроселюванні, показали, що в цьому випадку ліва частина аналізованої нерівності (5.57) лише незначно збільшується в порівнянні з правою частиною, що, як правило, не має практичного значення. Отже, робота , що витрачається на стискання пари робочої речовини, що утворилася у випарнику в циклах з однократним і ступеневим дроселюванням, однакові.

Таким чином робота , що витрачається на стискання робочої речовини в циклі зі східчастим дроселюванням, буде менше, ніж у циклі з однократним дроселюванням, оскільки в обох випадках рівні між собою, а при східчастому дроселюванні відповідно до формули (5.54) менша, ніж при однократному дроселюванні.

Висновок: при багатократному дроселюванні скорочується робота стискання робочої речовини, скорочуються необоротні втрати під час: теплообміну робочої речовини і джерела низької температури, відведення теплоти перегрівання, дроселювання. Цикли з однократним і багатократним дроселюванням розглядаються при однакових зовнішніх джерелах, тому робота циклу-зразка для них буде однакова. Так як необоротні втрати циклу з багатократним дроселюванням менші, ніж у циклі з однократним дроселюванням, то коефіцієнт оборотності циклу з багатократним дроселюванням буде вищим, ніж у циклі з однократним дроселюванням.

Зменшити роботу, яка втрачається у багатоступеневих холодильних машинах можна, також, здійснюючи охолодження пари, після кожної ступені стискання – проміжне охолодження. Розглянемо проміжне охолодження на прикладі двоступеневого стискання. Схема та процеси такого стискання зображені в діаграмах р-V та Т-s наведено на рис. 5.19. Пар під тиском р_о засмоктується компресором першого ступеня КМ1, адіабатно стискається (процес 1-2) до тиску р_m та надходить на проміжний теплообмінник ПТО, де охолоджується за постійного тиску (процес 2-3) до температури t₃. Після ПТО пара засмоктується компресором другого ступеня КМ2, у якому адіабатно стискається (процес 3-4) до тиску р_к. Затрачена роботи у компресорі при одноступеневому стисканні в межах тисків р_о та р_к на діаграмі р-V дорівнює площі 1-2'-с-а. У випадку двоступеневого стискання із проміжним охолодженням у ПТО загальна витрата роботи дорівнює сумі робіт кожного ступеня стискання на діаграмі р-V відповідає площі 1-2-3-4-с-а. Економія роботи, яка визначається площею 2-2'-4-3 буде лише у випадку проміжного охолодження, і чим воно глибше тим більша економія. Охолодження може бути повним та неповним.

При повному охолодженні пара у проміжному теплообміннику охолоджується до стану сухої насиченої (точка 3'). Таке охолодження може бути здійснене рідким холодильним агентом, який кипить за тиску р_m. При неповному охолодженні на всмоктування у компресор другого ступеня надходить перегріта пара (точка 3). Таке охолодження здійснюється водою, шляхом змішування з холодною парою тиском р_m або з використанням обох способів одночасно. Слід зазначити, що водяний ПТО у схеми холодильних машин включається лише у випадку, коли температура пари після компресора першого ступеня значно вища температури води, яка є для охолодження.

Рис.5.19. Двоступеневе стискання з проміжним охолодженням