22

Центр дистанционного обучения

Процессы и аппараты химической технологии

Лекция №22

ФИО преподавателя: Захаров Михаил Константинович

e-mail: Zaharov_m@mirea.ru

Online-edu.mirea.ru

1 online.mirea.ru

Центр дистанционного обучения

Воздушная компрессионная

холодильная машина

Двухфазные (жидкость – пар) циклы исключают по техническим соображениям применение детандеров, уменьшающих общие затраты энергии. Детандеры применяют лишь в однофазных газовых циклах. Примером такого процесса в области умеренного холода является воздушная компрессионная холодильная машина, призванная использовать доступное и дешевое рабочее тело – воздух – и возвратить в цикл энергию расширяющегося в детандере газа. Эта машина отличается от парокомпрессионных тем, что РТ в рабочем цикле не конденсируется и не испаряется.

Схема цикла и его изображение в диаграмме T–s представлены на рис.5.

Рис.5 Воздушная компрессионная холодильная машина: а - принципиальная схема, б - диаграмма T–s;

I - воздух, II - охлаждаемая среда, III - охлаждающая среда; К - компрессор, Х - холодильник, Н - нагреватель, Д - детандер

2online.mirea.ru

Центр дистанционного обучения

Рис.5 Воздушная компрессионная холодильная машина: а - принципиальная схема, б - диаграмма T–s;

I - воздух, II - охлаждаемая среда, III - охлаждающая среда; К - компрессор, Х - холодильник, Н - нагреватель, Д - детандер

В схеме на рис.5,а вместо холодильника-конденсатора и испарителя функционируют два теплообменника – холодильник Х и нагреватель Н. Воздух (поток I) сжимается компрессором К (условно – адиабатически) от р1 до р2, температура его повышается от T1 до T2 (рис.5,б). Далее он изобарически (при давлении р2= const) охлаждается (холодной водой – поток III) в холодильнике Х до температуры T3. Сжатый и охлажденный воздух расширяется в детандере Д, при этом его давление падает до р1, а температура снижается до T4. Из детандера охлажденный газ поступает в теплообменник Н, где изобарически (р1= const) нагревается до T1, отнимая теплоту у потока II – целевой охлаждаемой среды.

3online.mirea.ru

Центр дистанционного обучения

4online.mirea.ru

Центр дистанционного обучения

Холодильный коэффициент воздушного цикла хв определяется по общей формуле

(1). Обозначим массовую удельную теплоемкость воздуха – (она мало меняется с изменением давления и температуры). Удельная теплота, получаемая РТ в нагревателе

После преобразований (см. учебник) приходим к выражению:

Формально совпадающую с выражением холодильного коэффициента для обратного

5online.mirea.ru

Центр дистанционного обучения

В воздушной машине температурный уровень РТ определяется (по условиям теплообмена с охлаждаемой и охлаждающей средами) конечными температурами T1 и T3 – на выходе РТ из теплообменных аппаратов Х и Н. Естественно, T4<T1, а T2>T3. Это означает, что в воздушном цикле средняя температура нижнего источника Tн<T1, а средняя температура верхнего источника Tв>T3. Напомним, что понижение Tн и повышение Tв приводят к уменьшению холодильного коэффициента. Поэтому хв получается значительно меньше, нежели х для обратного цикла Карно.

Из изложенного выше следует, что воздушная холодильная машина энергетически значительно менее выгодна, чем идеальная; ее эффективность также ниже, чем у компрессионных машин, работающих по парожидкостным циклам.

6online.mirea.ru

Центр дистанционного обучения

Воздушная холодильная машина обладает и другими недостатками; основные из них:

–малые объемные теплоемкости и разности энтальпий воздуха, а следовательно, и малые тепловые потоки на единицу его объема в сочетании с небольшой его плотностью требуют больших объемных потоков РТ для обеспечения заданной

холодопроизводительности Q0, значит – больших затрат энергии и применения крупногабаритных компрессоров и другой аппаратуры;

–невысокая молярная масса воздуха затрудняет использование высокопроизводительных турбокомпрессоров при степенях сжатия порядка 10;

–низкие коэффициенты теплоотдачи для воздуха приводят к необходимости применения теплообменников (Х и Н) с весьма развитыми поверхностями.

В связи с указанными недостатками воздушных холодильных машин, несмотря на дешевизну и экологическую безопасность РТ, на практике применяют преимущественно двухфазные компрессионные циклы, т.е. используют холодильные установки с фазовыми переходами РТ типа жидкость-пар.

7online.mirea.ru

Центр дистанционного обучения

Двухступенчатая паровая компрессионная холодильная машина

Ряд технологических процессов требуют достижения весьма низких температур охлаждаемой среды, а значит, и рабочего тела в испарителе цикла умеренного охлаждения. При этом температурный уровень в холодильнике-конденсаторе, определяемый температурами охлаждающего агента (воды, воздуха) остается прежним. В такой ситуации вслед за увеличением различия температур РТ в конденсаторе и испарителе будет расти и разница давлений в этих теплообменниках. Следовательно, будет повышаться и необходимая степень сжатия РТ от давления в испарителе до давления в холодильнике-конденсаторе. Но работа с высокими степенями сжатия приводит к недопустимым:

–возрастанию температур газа в конце стадии сжатия;

–понижению объемного КПД компрессора, а с ним – к падению его производительности, значит, и всего цикла.

8online.mirea.ru

Центр дистанционного обучения

В этом случае целесообразно изменить схему цикла: перейти от одноступенчатых холодильных машин к многоступенчатым, реально чаще всего – к двухступенчатым, с охлаждением сжимаемого РТ между ступенями компрессора. Это позволяет уменьшить затраты энергии в холодильном цикле и повысить его общий холодильный коэффициент. Кроме того, при уменьшении степени сжатия в каждой ступени компрессора возрастает его объемный КПД, а с ним – производительность цикла.

Применение двухступенчатых компрессионных машин позволяет получать холод на двух разных температурных уровнях в одной машине. Эти температурные уровни соответствуют давлениям всасывания ступеней компрессора.

9online.mirea.ru