5.2.5. Схеми двоступеневих холодильних машин із багаторазовим дроселюванням

Розглянуті схеми холодильних машин за своїми енергетичними поканиками є кращими від машин з одноступеневим стисканням. Однак існує можливість підвищити їхню ефективність ще більше, використавши багатоступеневе дроселювання.

Двоступенева холодильна машина із дворазовим дроселюванням та неповним проміжним охолодженням. Принципова схема такої машини і цикл у теплових діаграмах наведено на рис.5.25.

Рідка робоча речовина, що виходить із конденсатора КД (стан точка 6) дроселюється у регулювальному вентилі РВ1 до тиску р_m (процес 6-7) та надходить у середину проміжної посудини ПП де за рахунок різниці густини розділяється на вологу насичену рідину (стан 8) і суху насичену пару (стан 10). Суха насичена пара засмоктується компресором другого ступеня КМ2, а рідина дроселюється у РВ2 до тиску р₀ (процес 8-9) та поступає у випарник В де кипить, відбираючи теплоту від охолодного середовища (процес 9-1). Пара, що при цьому утворюється, всмоктується компресором першого ступеня КМ1, стискається до тиску р_m (процес 1-2) та надходить до проміжного теплообмінника ПТО де охолоджується водою (процес 2-3). Після теплооблінника потік пари (стан 3) змішується з потоком пари, що прямує з проміжної посудини (стан 10). Суміш парів (стан 4) засмоктується компресором другого ступеня КМ2, стискається до тиску конденсації р_к (процес 4-5) та нагнітається до конденсатора, у якому робоча речовина охолоджується, конденсується (процес 4-5') та переохолоджується (процес 5'-6), віддаючи теплоту навколишньому середовищу.

Масова витрата холодильного агента через компресор першого ступеня

. (5.99)

Масову витрату холодильного агента через компресор КМ2 визначають склавши матеріальний або тепловий баланс проміжної посудини.

Рис.5.25. Цикл та схема двоступеневої холодильної машини з дворазовим дроселюванням та неповним проміжним охолодженням

Матеріальний балансом проміжної посудини має вид

, (5.100)

де – степінь сухості пари в точці 7. Тоді

. (5.101)

Підставивши у (5.103) вираз для x₇ виражене через ентальпії отримаємо

. (5.102)

Такий же результат отримуємо склавши тепловий баланс проміжної посудини

. (5.103)

Стан робочої речовини на всмоктуванні до КМ2 (точка 4) визначать склавши тепловий баланс процесу змішування

. (5.104)

. (5.105)

Визначивши положення інших точок на діаграмі стану, за рекомендаціями розглянутими вище, можна провести повний тепловий розрахунок холодильної машини.

Холодильний коефіцієнт циклу

. (5.106)

Двоступенева холодильна машина із дворазовим дроселюванням та повним проміжним охолодженням. Відмінність цієї холодильної машини від попередньої у тому, що пара після проміжного теплообмінника ПТО надходить під рівень рідкого холодильного агента у проміжну посудину ПП, проходячи через який, вона охолоджується до сухого насиченого стану (точка 4). Теплота, яка при цьому відводиться від пари, спричиняє випаровування частини рідини. Схема та цикл холодильної машини наведено на рис.5.26.

Матеріальний балансом проміжної посудини має вид

, (5.107)

де – масова витрата робочої речовини, яка випаровується у проміжній посудині за рахунок поглинання теплоти охолодження (процес 3-4) визначається за рівнянням

. (5.108)

Масова витрата через компресор КМ1

. (5.109)

Тепловий баланс проміжної посудини

, (5.110)

звідки . (5.111)

Знайшовши стан робочої речовини у вузлових точках відповідно до рекомендацій даних для пепередніх схем проводять повний тепловий розрахунок холодильної машини.

Рис.5.26. Цикл та схема двоступеневої холодильної машини з дворазовим дроселюванням та повним проміжним охолодженням

Холодильний коефіцієнт циклу

. (5.112)

Оцінити енергетичну ефективність циклів з неповним 1-2-3-4-5-8-9-12-13 та повним проміжним охолодженням 1-2-3-6-7-8-9-12-13 (рис.5.27) можна порівнявши значення холодильних коефіцієнтів цих циклів та :

,

звідки .

Рис.5.27. Цикли двоступеневих холодильних машин з повним та неповним проміжним охолодженням

Таким чином, енергетична ефективність залежить не лише від зовнішніх умов, але й від термодинамічних властивостей робочих речовин. Як було розглянуто раніше, робочі речовини з великою молекулярною масою мають менші втрати пов’язані з відведенням теплоти перегрівання ніж низькомолекулярні, тому деяке перегрівання на всмоктуванні призводить до зростання . Для низькомолекулярних робочих речовин, таких як аміак, на практиці використовують машини з повним проміжним охолодженням.

Порівняння циклу з однократним дроселюванням та змієвиковою проміжною посудиною 1-2-6-7-8-10-11-1 та циклу з двократним дроселюванням 1-2-6-7-8-12-13 показує, що перший цикл менш ефективний, через необоротні втрати процесу теплообміну між робочою речовиною, яка проходить змійовиком, та киплячою речовиною у проміжній посудині. Втрати будуть тим більшими, чим більша різниця температур.

Однак така схема, у випадку використання робочих речовин погано розчинних у мастилі, наприклад аміаку, запобігає потраплянню у випарник мастила з компресора першого ступеня, яке залишається у проміжній посудині. Це покращує теплообмін у випарнику та зменшує необоротні втрати теплообміну між охолодним середовищем та робочою речовиною.

Двоступенева холодильна машина на дві температури кипіння. Ця схема (рис.5.28) відрізняється від попередніх тим, що частина рідкої робочої речовини з проміжної посудини ПП поступає у другий випарник ВП2, де кипить при тиску р_m і температурі t_m, відбираючи теплоту від другого охолодного середовища (процес 9-5). Пара, яка утворюється у ВП2, змішується із парою після проміжного теплообмінника ПТО та поступає під рівень рідини у проміжну посудину ПП.

Рис.5.28.Схема та цикл двоступеневої холодильної машини

на дві температури кипіння

Стан 4 пари після змішування визначають з рівняння змішування

. (5.113)

Масові витрати робочої речовини через випарники визначаються за відомими чи заданими значеннями холодопродуктивності та :

; . (5.114)

У проміжній посудині пара охолоджується до стану 5 (процес 4-5), віддаючи теплоту рідині, яка випаровується у кількості . З проміжної посудини пара засмоктується компресором другого ступеня КМ2. Кількість цієї пари може бути знайдена з матеріального чи теплового балансу проміжної посудини:

матеріальний баланс

, (5. 115)

де – степінь сухості пари в точці 8,

тепловий баланс

, (5.116)

звідки . (5.117)

Визначення стану робочої речовини у інших точках циклу, побудова його у діаграмі та тепловий розрахунок проводять аналогічно попереднім схемам.