Сухой ход компрессора

Особенностью рассмотренных выше циклов с регулирующим вентилем и переохлаждением жидкого хладагента, является всасывание компрессором влажного пара и сжатие его до состояния сухого насыщенного пара, т.е. «влажный ход компрессора». Такой режим работы компрессора теоретически является выгодным, т.к. он приближает процесс холодильной машины к идеальному циклу Карно (машины).

В практических условиях компрессор работает «сухим ходом», т.е. всасывает сухой насыщенный или перегретый пар (хладагент), точка 1 на диаграмме, и сжимает его в области перегретого пара. В состоянии точки 2 перегретый пар с давлением конденсации и температурой перегрева поступает в конденсатор, в котором сначала охлаждается до температуры конденсации (сбив перегрева ), а затем конденсируется при постоянной температуре и постоянном давлении (процесс ). Из конденсатора жидкий хладагент поступает в переохладитель, где переохлаждается (процесс ) до температуре и направляется к регулирующему вентилю для дросселирования от давления до давления в процессе . При этом температура хладагента снижается до , соответствующей давлению кипения .

Для обеспечения сухого хода компрессора в схеме холодильной машины должен быть добавлен еще один элемент, вспомогательный аппарат – отделитель жидкости, в который поступает хладагент со степенью сухости состояния точки 1 на диаграмме, где в результате уменьшения скорости и изменения направления движения, капельки жидкости отделяются от образующегося пара. Жидкость в этом аппарате стекает вниз, откуда поступает обратно в испаритель. Здесь , она дополнительно кипит при постоянной температуре , соответствующей давлению , отнимающей тепло от охлаждаемой среды в процессе 4-1.

При сухом ходе компрессора холодопроизводительность увеличивается на , равной площади на диаграмме , соответственно увеличивается работа цикла на , равная площади на диаграмме , причем приращение работы больше увеличения холодопроизводительности .

Сухой ход в условиях действительного процесса оказывается практически выгодным. Во-первых, чем выше температура пара, засасываемого компрессором, тем мене интенсивен теплообмен пара со стенками цилиндров, который уменьшает холодопроизводительность компрессора и увеличивает расход электроэнергии на сжатие пара.

Поэтому на диаграмме практического цикла холодильной машины, сжатие начинается с точки .

Во-вторых, при сухом ходе компрессора исключается возможность гидравлического удара в цилиндрах при попадании в них хладагента.

В практических условиях, компрессор засасывает пар хладагента перегретым на 5…15С выше - для аммиака, и на 20…30С - для хладона-12.

Принципиальная схема и цикл одноступенчатой аммиачной холодильной машины

Принципиальная схема включает лишь основные элементы машины, необходимые для осуществления ее цикла. Вспомогательные элементы (аппараты, арматуру и др.), которые могут играть роль в обеспечении надежного и безопасного функционирования машины, на принципиальных схемах обычно не показывают.

Точка 1 соответствует состоянию перегретого пара, всасываемого компрессором. В целях предотвращения «влажного хода» пар в этой точке должен быть перегрет, т.е. иметь температуру на 5…10 ⁰С выше температуры насыщенного пара в точке 1”.

Процесс перегрева пара 1”-1 может происходить внутри испарителя, частично во всасывающем трубопроводе и во всасывающей полости самого компрессора. Обычно перегрев в трубопроводе при рассмотрении принципиальных схем и циклов не учитывают. На схеме показано, что точка 1” находиться «внутри» испарителя.

Процесс сжатия пара 1-2 осуществляется в компрессоре. Пар сжимается от давления кипения Р₀ до давления конденсации Р_к. Этот процесс считают изоэнтропным (s=const), протекающим без трения между молекулами и без теплообмена с окружающей средой,- особый случай адиабатного процесса.

В точке 2 хладагент находиться в состоянии сильно перегретого пара при давлении Р_к. Для совершения процесса сжатия 1-2 необходимо затратить работу l в кДж/кг, которую можно определить как разность энтальпий в конце и начале процесса:

.

Для того чтобы осуществить процесс конденсации, необходимо сначала понизить температуру перегретого пара до температуры насыщенного пара при давлении Р_к. Процесс охлаждения пара (сбив перегрева) 2-2” может происходить в конденсаторе и частично в нагнетательном трубопроводе.

Процесс конденсации 2”-3’, т.е. превращения насыщенного пара в насыщенную жидкость, происходит при постоянных давлении Р_к и температуре t_к и сопровождается отдачей теплоты среде, охлаждающей конденсатор. Это скрытая или удельная теплота конденсации .

После завершения процесса конденсации при наличии соответствующих условий жидкий хладагент может быть здесь же, в конденсаторе, переохлажден (процесс 3’-3) от температуры насыщенной жидкости до более низкой температуры при том же давлении Р_к.

Так как процессы 2-2”, 2”-3’ и 3’-3 протекают в конденсаторе, общая удельная теплота q_кд в кДж/кг, отводимая в конденсатор:

.

Переохлажденный жидкий хладагент поступает в регулирующий вентиль, где осуществляется процесс дросселирования 3-4. При этом давление падает от Р_к до Р₀, а температура понижается от t₃ до t₀.

В процессе дросселирования полезная работа не совершается, а энергия в виде теплоты передается хладагенту и расходуется на частичное испарение жидкости. Поэтому при неизменной энтальпии возрастает его энтропия.

Процесс кипения 4-1” хладагента происходит в испарителе при постоянных давлении Р₀ и температуре t₀ и, так же как и процесс конденсации, является одновременно изобарическим и изотермическим. В процессах кипения 4-1” и перегрева 1”-1 энтальпия хладагента возрастает от i₄ до i₁. Величину , в кДж/кг называют удельной массовой холодопроизводительностью машины.

Удельная теплота, отводимая в конденсатор, равна сумме удельной массовой холодопроизводительности машины и рабы сжатия:

.

Последнее уравнение отражает тепловой баланс холодильной машины, соответствующий первому закону термодинамики.