Лабораторная работа №2.

Повышение эффективности низкотемпературных циклов. Применение компрессоров двухступенчатого сжатия. Расчет циклов.

Циклы холодильных машин, в зависимости от температуры кипения могут быть реализованы как одноступенчатый, так и двухступенчатый процесс. Уменьшение объемной холодопроизводительности, наблюдающееся при низких температурах кипения и высоких температурах перед регулирующим вентилем, приводит к увеличению объема рабочего тела, засасываемого компрессором, в условиях заданной холодопроизводительности. При очень малых коэффициентах подачи холодопроизводительность компрессора может понизиться настолько, что будет компенсировать только потери самой холодильной машины и практически станет равной нулю. Таким образом, при определенном температурном режиме получение холода одноступенчатым компрессором становится невозможным. Переход к двухступенчатому сжатию дает возможность увеличить эффективность холодильной машины как за счет более эффективного процесса сжатия (с большим КПД), так и за счет дополнительного переохлаждения конденсата (что увеличивает располагаемую холодопроизводительность). Двухступенчатое сжатие может быть реализовано различными способами: в компрессорах двухступенчатого сжатия и в отдельных одноступенчатых компрессорах, рассчитанных на верхнюю и нижнюю ступени сжатия. Сами по себе циклы двухступенчатого сжатия так же могут быть различны: цикл с экономайзаром, с промежуточным сосудом, с однократным и двухкратным дросселированием, с полным и неполным охлаждением пара и т.д. Наиболее простой цикл для реализации: цикл двухступенчатого сжатия с охлаждением пара экономайзером, причем сжатие производится в одном компрессоре (разные цилиндры).

Критерием перехода к двухступенчатому сжатию является (рассматриваются в комплексе):

отношение давления конденсации к давлению кипения ,

разность между давлением конденсации и кипения ,

и превышение температуры пара на выходе из компрессора для фреоновых установок 80 ⁰С, для аммиачных 120 ⁰С

Рисунок 1. Принципиальные схемы цикла одноступенчатой холодильной машины и цикла двухступенчатого сжатия с экономайзером.

Рисунок 2. Общий вид и принципиальная схема поршневого компрессора с экономайзером.

Рисунок 3. Разрез и принципиальная схема винтового двухступенчатого компрессора.

Расчет одноступенчатого цикла

1. Построение цикла.

Принимая перегрев пара перед компрессором составлял 5-7 ⁰С соответственно температуре кипения на диаграмме определяется точка 1. Для построения теоретического цикла предполагается, что в компрессоре влажный пар адиабатически сжимается при постоянной энтропии в процессе 1 – 2 от давления кипения Р_и до давления конденсации Р_к. Для осуществления процесса сжатия затрачивается работа сжатия l_сж . После компрессора сжатый сухой пар направляется в конденсатор, где конденсируется при постоянном давлении Р_к в процессе 2 – 3 за счет теплообмена с внешней охлаждающей средой (водой или воздухом). При этом от холодильного агента отводится теплота конденсации q_к. В процессе конденсации образуется насыщенная жидкость (в действительном цикле, для увеличения его эффективности жидкий хладагент переохлаждают на 5-10 ⁰С), которая затем поступает расширительный вентиль (в действительной холодильной машине- терморегулирующий вентиль). В вентиле хладагент адиабатически расширяется в процессе 3 - 4 от давления конденсации Р_к до давления кипения Р_о при постоянной энтропии. После вентиля холодильный агент направляется в испаритель, где жидкость кипит (испаряется) при постоянной температуре Т_и и постоянном давлении Р_и в процессе 4 - 1, отнимая теплоту q_о от охлаждаемой среды. Образовавшийся при кипении пар всасывается компрессором, и цикл повторяется вновь.

2. Расчет удельных характеристик цикла.

Находится теоретическая работа сжатия: l_т = (h₂ – h₁), кВт/кг

Удельная холодопроизводительность: q_o =h₁ – h₄, кВт/кг.

Удельная теплота конденсации q_к : q_к= h₂ – h₃, кВт/кг или q_к = l_т + q_о , кВт/кг

Эффективность теоретического цикла (холодильный коэффициент): .

3. Расчет массовых характеристик.

Массовые характеристики работы компрессора: Q_{к ,} Q_{o ,}L_т (N), кВт являются параметрами, отражающими действительные характеристики компрессора: необходимую производительность конденсатора, располагаемую холодопроизводительность, электрическую мощность, затрачиваемую на привод компрессора. Так же при расчете действительных характеристик необходимо определить объемную производительность компрессора: теоретическую и действительную, при расчете которой учитывается эффективность работы компрессора при различных рабочих температурах.

Холодопроизводительность находится как количество тепла, которое холодильная машина отнимает от охлаждаемой среды в единицу времени, определяется количеством хладагента G, проходящего в единицу времени (кг/с или кг/ч), и его массовой холодопроизводительностью q₀ кВт/кг :

Q₀ = G_Т × q₀ , кВт

4. Подбор компрессоров для одноступенчатого цикла.

Определив массовый расход хладагента переходят к расчету теоретической объемной производительности, исходя из которой подбирается компрессор.

Расчетная объемная производительность:

Все виды объёмных потерь в практических условиях учитываются коэффициентом подачи, величина которого равна:

Индикаторный коэффициент всасывания

где – коэффициент дросселирования, равный 0,95;

объёмный коэффициент

– относительная величина объёма вредного пространства, 2-6%;

конечная и начальная температуры процесса сжатия

– коэффициент плотности, равный 0,98

По объемной производительности подбираются компрессора по каталогам производителя. Действительный объем указывается в каталогах производителей. При выборе компрессора по действительному объему необходимо соблюдать следующее правило находился в пределах 0,6 – 0,92 и фактически обозначает количество рабочего времени компрессора в течении суток, которое не должно превышать 22 часов. При этом , м³/с – теоретическая объемная производительность - это расчетная величина производительности компрессора, определенная по характеристика теоретического цикла холодильной машины с учетом необратимых потерь. Действительный цикл паровой компрессорной машины отличается от теоретического наличием объёмных и энергетических потерь как в компрессоре, так и вне его. Объёмные потери уменьшают холодопроизводительность, энергетические – увеличивают затраты мощности по сравнению с теоритической. Объемные потери возникают в основном в компрессоре.

Физический смысл действительного объема, описываемого поршнем, определяется размерами цилиндра и частотой вращения вала: V_д= , м³/с

где V_Д – объем, описываемый поршнем компрессора, м3/с в формуле или м3/ч в формуле ; D – диаметр цилиндра, м; S – ход поршня, м; n – частота вращения вала компрессора, об/с в формуле; z – число цилиндров.