4.5. Определение параметров испарения и конденсации в холодильныхмашинах

В реальных установках всегда имеются энергетические потери из-за необратимости процессов теплообмена в конденсаторе и испарителе. Необходим температурный напор для обеспечения процессов теплопередачи между ХА и охлаждаемой и охлаждающей средами. Чем этот напор меньше, тем ХМ термодинамически совершеннее. Но из-за роста теплообменных поверхностей технико-экономические показатели могут снижаться.

Практика показала, что превышение температуры конденсации над температурой теплоприемника (температура воды Т_w, воздухаТ_в) на горячем конце аппарата (см. рис.4.4) целесообразно поддерживать в пределах:

Т_к=Т_к-Т_w 46 градусов, если охлаждение конденсатора водой;

Т_к=Т_к-Т_в 1015 градусов, если охлаждение воздухом.

Аналогично, в испарителе. Превышение температуры кипения ХА над температурой теплоотдатчика на холодном конце аппарата (ХН или технологический продукт) обычно составляет:

Т_и=Т₀-Т_s2 35 градусов для ХН и для жидкого технологического продукта.

Таким образом значения температур конденсации Т_к и испаренияТ₀оцениваются:

Т_к=Т_w2+Т_к– при охлаждении конденсатора водой, или

Т_к=Т_в2+Т_к– при охлаждении воздухом;

Т₀= Т_s2-Т_и– при охлаждении в испарителе хладоносителя.

Рис.4.4. Цикл ХМ с диаграммой изменения температур воды в конденсаторе и ХН в испарителе

Линии Т_к=constиT₀=constявляются базовыми при построении цикла вT,s-диаграмме.

4.6. Методы повышения эффективности циклов холодильных машин

4.6.1. Организация цикла со сжатием ХА по правой пограничной кривой

Схема такой машины и ее рабочий цикл вT, s- иP, i-диаграммах приведен на рис. 4.5.

Рис.4.5. Принципиальная схема ХМ с впрыском ХА в полость сжатия

Сжатие (процесс 1-2) происходит так, что за счет впрыскивания в полость цилиндра компрессора жидкого ХА и его испарения там, сжимаемый пар все время остается в состоянии сухого насыщения.

Как видно из цикла, такой процесс уменьшает работу сжатия пропорционально площадке 1-2-2. Расчет показывает, что энергетический эффект такого цикла для фреонов невелик – 3-5%. Для аммиака же он значителен – более 12%.

Цикл разработан в С.-Петербургском технологическом институте холодильной промышленности [3] применительно к поршневым ХМ. Из-за возможных гидроударов в цилиндре он не нашел применения в свое время. При широком внедрении винтовых и турбокомпрессорных ХМ сжатие по линии насыщения следует считать очень перспективным.

4.6.2. Ступенчатое охлаждение теплоотдатчика

Если теплоотдатчик (ХН или технологический продукт) охлаждается от Т_о.сдо конечной температурыТ_кон, то необратимые потери в цикле можно сократить ступенчатым охлаждением в нескольких ХМ.

Представим схему из двух машин (см. рис.4.6). Для простоты предположим, что в ХМ используется одно и то же рабочее вещество.

В случае работы одной машины (цикл 1-2-3-4) затраты энергии при охлаждении теплоотдатчика от температуры Т_о.сдоТ_конопределяются величиной холодильного коэффициента_1-2-3-4:

, откуда

, (4.10)

где с– теплоемкость теплоотдатчика;G– массовый расход охлаждаемой среды;T_m– промежуточная температура.

Рис.4.6. Схема и цикл последовательного охлаждения теплоотдатчика

Предполагается, что Gис постоянны. При использовании двух машин можно с помощью машины, работающей по циклу 5-6-3-7, охладить поток отТ_о.сдоТ_m, а второй машиной, работающей по циклу 1-2-3-4, отвести оставшуюся часть теплоты и охладить теплоотдатчик до температурыТ_кон. Затраченная работа в этом случае определится уравнением

. (4.11)

Так как с помощью ХМ, работающей по циклу 5-6-3-7, осуществляется перенос теплоты в меньшем интервале температур, чем машиной, работающей по циклу 1-2-3-4, то _5-6-3-7_1-2-3-4, и поэтомуLL.

4.6.3. Использование бинарных неазеатропных (зеатропных) смесей в качестве рабочих веществ

Неазеатропные смеси характеризуются различием равновесных концентраций компонентов в жидкой и паровой фазах. Кипение и конденсация протекают при переменных температурах. Неизотермичность процесса кипения (глайд) Т может достигать 8-9 градусов. Используя это свойство можно сократить необратимые потери, связанные с теплообменом в испарителе и конденсаторе.

Рис.4.7. Цикл парово-жидкостной ХМ, работающей на азеатропной и неазеатропной смеси в T,s-диаграмме:

  вода;

  хладоноситель

На рис.4.7 приведены циклы ХМ, работающих на обычном (азеатропном) ХА – 1-2-3-4 и на зеатропной смеси – 1-2-3-4. На этом же рисунке условно изображен процессы охлаждения теплоотдатчика (ХН) в испарителе и нагрева воды в конденсаторе.

Как видно из цикла, применение зеатропных смесей позволяет снизить средний температурный напор в аппаратах и удельную работу сжатия в компрессоре. Это снижает необратимые потери и уменьшает энергозатраты в холодильной машине.

Опыты проведенные в С.-Петербургском технологическом институте холодильной промышленности показали, что при охлаждении молока (теплоотдатчик) в холодильной установке с зеатропной смесью можно сэкономить до 40% электроэнергии [3]. Неизотермичность (глайд) этой смеси (R409а=R22+R124+R142в) составляет 8,5 К.

Контрольные вопросы:

1. Какие типы компрессоров используются в парожидкостных компрессорных холодильных машинах?

2. Перечислите минимально необходимые составные элементы компрессорной холодильной машины?

3. Чем отличается удельная массовая холодопроизводительность ХА от холодопроизводительности цикла ХМ?

4. Что представляет собой энергетический (тепловой) баланс ХМ?

5. Как изменится цикл (на примере простейшей одноступенчатой компрессорной ХМ), если учитывать "переохлаждение" конденсата ХА в конденсаторе и перегрев паров ХА на входе в компрессор?

6. Какие положительные и отрицательные явления в работе компрессорных ХМ возникают при внедрении регенеративного охлаждения жидкого хладагента?

7. Чем ограничивается значение степени повышения давления в компрессорах холодильных машин?

8. Какой физический смысл заложен в понятиях удельного расхода энергии и холодильного коэффициента в холодильных машинах?

9. Как оценивается значение температуры конденсации ХА в конденсаторе ХМ?

10. Как определяется необходимое значение температуры кипения ХА в испарителе ХМ?

11. Как организовать сжатие паров ХА по линии насыщения и что это дает?

12. Как и для чего организовывается ступенчатое охлаждение теплоотдатчика?

13. Как можно использовать неизотермичность кипения и конденсации зеатропных рабочих веществ в холодильных машинах?