4. Принципиальные схемы и циклы одноступенчатых компрессорных холодильных машин

Введение

Парожидкостные компрессорные ХМ являются наиболее распространенным типом холодильных машин. Холодопроизводительность таких машин охватывает диапазон от нескольких сотен Вт до десятков тысяч кВт.

Для сжатия рабочего вещества используются поршневые, винтовые, центробежные, осевые и пластинчатые компрессоры. Выбор цикла зависит от температуры получаемого холода, температуры конденсации, вида используемого ХА, типов компрессора и теплообменных аппаратов.

На практике используются три основные схемы одноступенчатых компрессорных ХМ.

4.1. Холодильная машина с дросселированием в области влажного пара и сжатием сухого пара

Принципиальная схема и рабочий цикл такой машины приведены на рис. 4.1. Она составлена из четырех минимально необходимых составных элементов, без которых не может работать ни одна парожидкостная компрессорная холодильная машина.

Рис.4.1. Схема и рабочий цикл простейшей одноступенчатой парокомпрессионной холодильной машины:

I– компрессор;II– конденсатор;III– дроссель (регулирующий вентиль);IV– испаритель.

Под действием теплоты теплоотдатчика (ХН) q₀в испарителе (как правило в межтрубном пространстве) кипит хладагент при температуреT₀давленииP₀. На выходе из испарителя (в т. 1) – сухой насыщенный пар с теми же параметрами. Этот пар поступает в компрессор, где сжимается до давленияР_к– процесс 1-2.

Перегретый пар с параметрами т.2 нагнетается в конденсатор, где он охлаждается и конденсируется, процесс 2-3. Конденсат рабочего тела дросселируется от давления Р_кдо давленияР₀, процесс 3-4, который протекает приi=const. В результате дросселирования часть жидкости вскипает. Это так называемые потери дросселирования.

Так как в цикле циркулирует всегда 1 кг рабочего вещества, то количество пара в т.4 может быть определено из соотношения (правило рычага):

, где G_п+G_ж=1. (4.1)

Оставшийся жидкий ХА поступает в испаритель, где он кипит под воздействием теплоты теплоотдатчика (ХН) q₀.

Удельное количество теплоты, подведенной в испарителе к рабочему агенту (холодопроизводительность цикла) определяется разностью q₀=i₁–i₄. Необходимо понимать, что холодопризводительность цикла из-за потерь дросселирования, всегда меньше удельной массовой холодопроизводительности ХА (при отсутствии питающего отделителя жидкости у испарителя). НаT,s–диаграмме холодопроизводительность цикла эквивалентна площади прямоугольникаa41ba.

Внутренняя удельная работа сжатия в неохлаждаемом компрессоре l_i=i₂-i₁, или определяется площадью 23'351bd2.

Теплота отведенная в конденсаторе равна сумме подведенной энергии к циклу: q_к=q₀+l_i,– это так называемое уравнение энергетического баланса цикла. НаT,s–диаграммеq_котображается площадью 2354ad2. Но так какi₃=i₄, то легко доказать, что площади 3f53 иacf4 равны, следовательноq_кэквивалентна площади 23cd2.

Холодильные машины такой схемы широко используются в народном хозяйстве. Это, как правило, крупные аммиачные агрегаты с винтовыми и поршневыми компрессорами траулеров, искусственных катков, крупных продуктохранилищ и др.

В действительности в конденсаторе происходит некоторое переохлаждение жидкого ХА (на 4-5 градусов). Оно зависит от температуры воды и интенсивности охлаждения. На всасывании происходит некоторый перегрев паров ХА за счет естественного теплопритока через теплоизоляцию и стенки всасывающих трубопроводов. Методы учета этих явлений показаны в рассмотрении последующих схем и циклов.

4.2. Холодильная машина с переохлаждением¹ рабочего вещества после конденсатора

Схема и цикл такой ХМ приведен на рис. 4.2.

Введение дополнительного охлаждения жидкого хладагента в охладителе IIIувеличивает холодопроизводительность ХМ с "переохладителем"q₀на величинуq₀по сравнению с ХМ без такого охладителя:

,

где- холодопроизводительность ХМ без "переохладителя".

Рис.4.2. Схема и рабочий цикл ХМ с дополнительным охлаждением конденсата ХА в аппарате III:I– компрессор;II– конденсатор;III– "переохладитель";IV– дроссель;V– испаритель

Процессы: 1-2 – сжатие в компрессоре; 2-3-3 – охлаждение и конденсация паров ХА в конденсаторе при давленииР_к; 3-4 – "переохлаждение" конденсата; 4-5 – дросселирование ХА с давленияР_кдоР₀; 5-6 – кипение ХА в испарителе при давленииР₀.

Чем ниже температура Т₄тем больше холодопроизводительность ХМ при неизменных энергозатратах в компрессоре, т.е. выше термодинамическая эффективность

Такая схема широко используется в аммиачных ХМ, если есть источник холодной (чаще артезианской, с температурой 9–12C) воды.

Уравнение теплового баланса ХМ: .