Двухступенчатая холодильная машина с двукратным дросселированием и полным промежуточным охлаждением

На рис. 1.15 показана двухступенчатая холодильная машина с двукратным дросселированием и полным промежуточным охлаждением.

Рис.1.15. Схема двухступенчатой холодильной машины с двукратным дросселированием и полным промежуточным охлаждением (а), ее цикл в диаграмме s-T (б) и i-lg p (в)

Пар хладагента, сжимаясь в 1-й ступени компрессора (1–2), поступает в промежуточный сосуд ПС, где пропускается через слой жидкого хладагента с температурой t_п = 0 – 10 °С и промежуточным давлением p_п, охлаждаясь до состояния насыщения (2–3). В промежуточном сосуде жидкий хладагент кипит, отнимая теплоту от поступившего из 1-й ступени пара, образуя дополнительный пар, который вместе с основным охлажденным потоком всасывается 2-й ступенью компрессора и сжимается до давления конденсации p_к (3–4). После конденсатора КД жидкий хладагент дросселируется в РВ1 до промежуточного давления pп (5–6) и поступает в промежуточный сосуд ПС, где происходит отделение пара от жидкого хладагента. Пар с состоянием, характеризуемым точкой 3, идет на всасывание второй ступени компрессора, а жидкий хладагент дросселируется в РВ2 (7–8) и затем поступает в испаритель.

Как видно, при схемах двукратного дросселирования балластный пар, образующийся при дросселировании в РВ1, отделяется в промежуточном сосуде и используется для охлаждения сжатых паров хладагента. Поэтому окончательное дросселирование хладагента в РВ2 протекает при существенно сниженном побочном парообразовании, повышая удельную массовую холодопроизводительность и эффективность работы холодильной машины в целом.

3. Каскадная реконденсационная установка газовоза.

На газовозах, перевозящих сжиженный газ при давлении, близком к атмосферному, возникает необходимость получения температур ниже -100 °С и более. Для получения таких низких температур недостаточно использовать рассмотренные ранее двухступенчатые холодильные машины. Ввиду высоких перепадов давления, действующих на каждую ступень компрессора и приводящих к большим потерям в компрессоре, недопустимому повышению температуры в конце нагнетания и резкому снижению холодопроизводительности установки в целом, необходимо переходить на трехступенчатые и многоступенчатые холодильные машины. В любой многоступенчатой холодильной установке используется только один холодильный агент, который невозможно подобрать для большого диапазона температур, требующего весьма низкого давления в испарителе и имеющего высокие давления в конденсаторе.

Поэтому для целей охлаждения широкое распространение получили каскадные реконденсационные установки . Они используют различные виды хладагентов, каждый из которых работает в своем диапазоне температур и давлений. Установки состоят из двух ветвей каскада: нижней – отводящей теплоту от груза в области низких температур, и верхней, забирающей теплоту от нижней ветви и передающей ее забортной воде. В качестве хладагента в нижней ветви используется сам перевозимый груз, а в верхней ветви – хладагенты, применяемые в холодильной технике. Таким образом, теплота, взятая от груза в совокупности с теплотой, эквивалентной работе нижней ветви каскада, передается в испарителе-конденсаторе обычному хладагенту, который, в свою очередь, может ее передать забортной воде при умеренных параметрах.

Рис.1.16. Принципиальная схема каскадной реконденсационной установки газовоза.

Холодные пары этилена, хранящегося в танке Т при температуре -102 °С (рис.1.16), проходят через газовый теплообменник ГТО, в котором подогреваются горячими парами 2-й ступени компрессора до температуры -50 °С. Подобный предварительный подогрев всасываемого газа снижает температурные напряжения, действующие на компрессор. Сжатые пары в 1-й ступени компрессора с давлением 7,5 бар и температурой нагнетания +70 °С направляются в промежуточный охладитель ПО, где, проходя через слой кипящего этилена при промежуточном давлении 7,5 бар, охлаждаются до температуры +30 °С. Охлажденные пары сжимаются во 2-й ступени компрессора до давления конденсации 14 бар и с температурой нагнетания +140 °С направляются в газовый теплообменник ГТО, где охлаждаются холодными парами этилена до температуры +90 °С. Дальнейшее снижение температуры до +40 °С происходит в водяном теплообменнике ВТО, прокачиваемом забортной водой. В испарителе-конденсаторе И–КД, охлаждаемом кипящим хладагентом R22 при температуре -48 °С, происходит окончательное снижение температуры паров этилена до температуры конденсации -41°С и непосредственно сама конденсация. Поток жидкого этилена, проходя через ресивер Р, перед промежуточным охладителем ПО делится на две части. Меньшая часть, дросселируясь в РВ1 до промежуточного давления 7,5 бар, поддерживает уровень жидкого этилена, кипящего при температуре -60 °С. Основной поток жидкого этилена, проходя внутри змеевика промежуточного охладителя, переохлаждается до температуры -55 °С и дросселируется в регулирующем вентиле РВ2 до давления 1,11 бар. Образовавшаяся парожидкостная смесь возвращается в грузовой танк при температуре -102 °С.

Верхняя ветвь каскадной установки обеспечивает передачу теплоты, взятой в испарителе -конденсаторе И–КД, непосредственно забортной воде. Образовавшиеся на выходе И–К холодные пары хладагента с температурой -30 °С и давлением 0,7 бар сжимаются в 1-й ступени компрессора до промежуточного давления 4 бар. С температурой +70 °С горячие пары барботируют сквозь слой кипящего хладагента и полностью охлаждаются до 0 °С. Охлажденные пары окончательно сжимаются во 2-й ступени компрессора до давления конденсации 9 бар и с температурой +75°С направляются в конденсатор КД, прокачиваемый забортной водой. Образовавшийся конденсат с температурой +22 °С получает сильное переохлаждение до 8 °С в промежуточном охладителе (ПО), после чего дросселируется в РВ₄ до давления 0,7 бар. При этом давлении R22 кипит с температурой -48 °С, отводя теплоту у этилена. Через регулирующий вентиль РВ3 происходит подпитка хладагентом промежуточного охладителя до заданного уровня.

Пример. По данным, изложенным в §1.4, построить цикл каскадной реконденсационной установки.

На диаграмме i–lg p для этилена (рис. 1.16.) нанесем барометрические границы нижней ветви каскада: p₀ = 1,12 бар (находится по температуре хранения -102 °С), p_п = 7,5 бар и p_к = 14 бар. Точка 1, характеризующая состояние паров этилена на всасывании 1-й ступени компрессора, находится на пересечении изобары хранения груза p₀ = 1,12 бар и изотермы, соответствующей температуре всасывания t_вс = -50 °С. Точки 2 и 3 находятся на пересечении изобары промежуточного давления p_п = 6,5 бар с изотермами +70 °С и +30 °С. Пересечение изобары p_к = 14 бар с изотермами +140 °С, +90 °C, +40 °С и -55 °С дает, соответственно, состояния пара после сжатия во второй ступени компрессора – точка 4, после газового теплообменника – точка 5, на выходе из водяного теплообменника – точка 6 и состояние жидкого этилена после испарителя-конденсатора И–К – точка 7. Вертикаль (7–8) показывает процесс дросселирования в РВ1, а (9–10) – в РВ2. Отрезок (7–9) показывает переохлаждение жидкого этилена после промежуточного охладителя. Точка 9 лежит на пересечении изотермы -55 °C и изобары конденсации. Парожидкостная смесь с состоянием, характеризуемым точкой 10, направляется обратно в грузовой танк при температуре -102 °С.

Верхняя ветвь каскада строится на диаграмме i–lg p для хладагента R22. На нее также наносятся барометрические границы цикла p₀ = 0,7 бар, p_п = 5 бар и p_к = 10 бар.

Построение верхней ветви каскада аналогично построению, изложенному ранее (на рисунке не показано). Нанесем условно нижнюю барометрическую границу p₀ = 0,7 бар построенного цикла верхней ветви каскада штриховой линией на диаграмму i–lg p для этилена. Как видно, температурный напор в И–КД, равный 7 °С, позволяет передавать теплоту от нижней ветви каскада верхней. Таким образом, рассмотренная каскадная УПСГ может обеспечить перевозку любых грузов, хранящихся при температурах до -102 °С.

Рис.1. 17. Цикл для этилена.