книги из ГПНТБ / Нестеров, Ю. Ф. Судовые холодильные установки учебник для институтов водного транспорта

в паровой поршневой машине, перемещая поршень, который своим шатунным механизмом помогает двигателю вращать вал. Так как при выходе из расширительного цилиндра воздух имеет более низ­ кую температуру (г^), а следовательно, и меньший объем, чем при входе в компрессор, диаметр расширительного цилиндра ока­

гателю лишь часть той работы, которая затрачивается на сжатие воздуха в компрессоре.

Расширительный цилиндр снабжен отсекательным золотником, позволяющим изменять его степень наполнения (обычно равную 0,2-1-0,4) и таким путем легко регулировать температуру холодно­ го воздуха ti в широких пределах, до —110°С (что, кстати, явля­ ется одним из преимуществ воздушных машин).

Как компрессор, так и расширитель всасывают и выталкивают воздух при неизменных давлениях (ро и р ). При наполнении и опо­ рожнении количество воздуха в обоих цилиндрах меняется. Поэто­ му на индикаторных диаграммах (ем. рис. 4) линии всасывания а-1, Ь-3 и выталкивания 2-Ь, 4-а не изображают термодинамические процессы. Термодинамическими будут лишь процессы адиабатного сжатия и расширения 1-2 и 3-4 (в которых количество воздуха остается неизменным). Площадь теоретической индикаторной диа­ граммы компрессора a-l-2-b в некотором масштабе характеризует работу /к, поглощаемую компрессором, а площадь диаграммы де­ тандера Ь-З-4-а — работу /р, возвращаемую расширительным ци­ линдром. Разность этих двух площадей, т. е. площадь 1-2-3-4, оп­ ределяет работу I, затрачиваемую двигателем: 1— 1к—/Р.

Объем воздуха, поступающего в помещение, определяется отрез­ ком 4-а, а выходящего из него, — отрезком а-1. Объем увеличился потому, что воздух нагрелся. Если отнести линию 4-1 к охлажда­ емому помещению, то при установившейся работе машины она будет соответствовать термодинамическому изобарному процессу нагревания воздуха.

При температуре конца сжатия t2 воздух занимает объем, опре­ деляемый отрезком 2-Ь, а после охлаждения в холодильнике — от­ резком Ь-3. Линия 2-3, отнесенная к холодильнику, изображает тер­ модинамический изобарный процесс охлаждения воздуха.

Таким образом, теоретический цикл воздушной машины 1-2-3-4

воздушной машины процессы теплообмена являются изобарными,

11

Карно.

Воздушные холодильные машины имеют еще один большой не­ достаток. Теплоемкость воздуха при постоянном давлении очень мала: ср= 0,24 ккал/кг-С. Поэтому для обеспечения заданной холодопроизводительности через машину приходится пропускать в единицу времени громадное количество воздуха. Вследствие этого она получается громоздкой, тяжелой, металлоемкой и, следователь­ но, дорогой.

Исторически воздушные машины первыми нашли применение на судах. Однако в связи с низкой экономичностью и громозд­ костью уже в конце прошлого века они были почти полностью вы­ теснены паровыми компрессорными машинами; обладающими более высокими холодильными коэффициентами. Воздушные ма­ шины применяют в машиностроении для термической обработки металлов холодом — для обработки режущего инструмента с целью повышения его износоустойчивости, для закаливания метал­ лов, осуществления холодных посадок втулок, валов и т. п.

В последние годы в связи с развитием турбокомпреосоростроения появилась тенденция к возрождению воздушных холодильных машин, так как замена поршневых механизмов турбинными уменьшает размеры и массу этих машин. Принцип действия турбовоздушной машины ничем не отличается от принципа работы поршневой машины.

Быстроходность двигателя и является причиной значительного уменьшения размеров и массы турбовоздушной машины по срав­ нению с поршневой. Однако воздушная машина в турбинном испол­ нении по-прежнему остается неэкономичной.

§ 3. ПАРОВЫЕ КОМПРЕССОРНЫЕ ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ

Схема и принцип действия машины. Паровые машины работа­ ют на легкокипящих веществах (аммиаке, фреонах и др.), чтобы изобарные процессы теплообмена в холодильных аппаратах сде­ лать в большой степени изотермическими. Возвращение к изотер­ мическим процессам — основное преимущество паровой машины по сравнению с воздушной, позволяющее получать высокие холо­ дильные коэффициенты &t-

В паровых машинах тепло подводится к хладагенту от воздуха охлаждаемого помещения и отводится от него забортной водой (или окружающим воздухом) в конденсаторе при фазовых пре­ вращениях агента (кипении и конденсации). Таким образом, в от­ личие от цикла воздушной машины, где агрегатное состояние аген­ та не меняется, в цикле паровой машины хладагент непрерывно

переходит из жидкого состояния в парообразное и из парообразно­ го в жидкое.

12

на рис. 9). В испарителе И жидкий хладагент кипит при постоян­ ном давлении ро, которому соответствует температура насыщения t0 (процесс 4-1). Необходимое для кипения тепло qo (или Q0 —

Жидкого промежуточного теплоносителя, т. е. от рассола, прокачи­ ваемого через специальный испаритель). При этом помещение ОП охлаждается. Образовавшийся в змеевике испарителя сухой на­ сыщенный или слегка перегретый, яо холодный пар (состояния 1) непрерывно отсасывается компрессором КМ. Температура кипения t0 зависит от давления ро, которое будет поддерживаться в испа­ рителе над кипящей жидкостью. В компрессоре пар адиабатно сжи­ мается (процесс 1-2) до давления нагнетания, теоретически рав­ ного давлению конденсации р. При сжатии температура пара силь­ но возрастает и он перегревается. Затем сжатый перегретый (горя­ чий) пар (состояния 2) отводится в конденсатор КД. Через кор­ пус конденсатора циркуляционным насосом прокачивается охла-

13

ждающая забортная вода. Вследствие этого в конденсаторе при по­ стоянном давлении р пар вначале охлаждается (снятие перегрева

тальпии i— const (процесс 3-4), так как t3 —i4. В результате дрос­ селирования теплая жидкость (состояния 3) превращается в холод­ ную парожидкостную смесь (состояния 4), которая снова возвра­ щается в испаритель. Далее цикл повторяется в гой же последова­ тельности.

Теоретический цикл действительной паровой компрессорной ма­ шины (см. рис. 9) отличается от исходного идеального цикла Кар­ но (см. рис. 2) следующим:

действительному циклу присущи потери от внешней и внутрен­ ней необратимости;

вдействительных холодильных машинах расширительный ци­ линдр заменен регулирующим клапаном;

вконденсаторе (перед регулирующим клапаном) введено пере­ охлаждение жидкого хладагента;

вхолодильном компрессоре применен не влажный, а сухой про­ цесс адиабатного сжатия.

Рассмотрим эти отклонения от идеального обратного цикла Карно.

Влияние регулирующего клапана и внутренняя необратимость в цикле. Основная причина замены расширительного цилиндра ре­ гулирующим клапаном заключается в том, что клапан значительно упрощает и удешевляет машину, позволяет ее легко регулировать и автоматизировать.

Удельный объем жидкого хладагента, поступающего в цилиндр (в состоянии 3' на рис. 6), незначителен. Поэтому цилиндр ока­ зывается слишком малым, Вследствие небольших размеров ци­ линдра и необходимости устройства специального золотникового

14

или клапанного механизма для отсечки впуска жидкости в па­ ровых машинах расширительный цилиндр трудно сконструи­ ровать.

Даже теоретическая работа (без потерь), возвращаемая расши­ рительным цилиндром, мала по сравнению с работой, потребляе­ мой компрессором. Из-за индикаторных и механических потерь действительная работа расширительного цилиндра будет еще мень­ ше, чем теоретическая. Она оказывается настолько малой, что практически вся расходуется на трение в механизме. Вследствие всех этих причин в паровых машинах от расширительного цилин­ дра отказались и заменили его регулирующим клапаном.

Чтобы установить влияние регулирующего клапана, обратимся к диаграмме sT (см. рис. 6) и сопоставим в ней идеальный цикл Карно 1'-2'-3'-4', полностью лежащий в области влажного насы­ щенного пара, и цикл паровой компрессорной холодильной машины с регулирующим клапаном 1'-2'-3'-4".

При замене цилиндра регулирующим клапаном точка 3' опре­ деляет состояние жидкого хладагента перед этим клапаном. Что­

4", характеризующую конечное состояние парожидкостной смеси за регулирующим клапаном. Процесс дросселирования необратим (и поэтому, несмотря на адиабатность, сопровождается возраста­ нием энтропии s). Вследствие необратимости процесса промежу­ точные точки линии 3'-4" носят условный характер и только ее крайние точки соответствуют практически равновесному состоянию агента в начале и конце процесса дросселирования. Поэтому и пло­ щади, ограничиваемые линией дросселирования 3'-4", физическо­

ветствии с законом сохранения энергии усваивается им в регули­ рующем клапане в виде тепла трения и вызывает частичное до­ полнительное (по сравнению с адиабатным расширением) парооб­ разование. Поэтому в испаритель поступает парожидкостная смесь

сбольшей степенью сухости, чем в цикле-Карно, Так как точка 4" лежит правее точки 4', удельная холодопроизводительность цикла

срегулирующим клапаном уменьшается по сравнению с циклом

Карно на величину Aqo, измеряемую в диаграмме sT площадью прямоугольника 4'-4"-e-g под линией 4'-4". Таким образом, ко­ личество жидкости, выкипающее в испарителе, уменьшается. По­ этому в цикле машины с клапаном холодопроизводительность 1 кг агента равна

<7о = <7о — Д<7о = пл. 4"-l'-d-e,

где q'o — удельная массовая холодопроизводительность в обрат­ ном цикле Карно (q'o= nji. 4'-l'-d-g).

15

Уменьшение q0—первый отрицательный результат замены ци­ линдра клапаном.

образом, отказ от расширительного цилиндра приводит к тому, что по сравнению с циклом Карно затрата работы на цикл с клапаном возрастает на величину АЛ/ = пл. 3'-4'-f в диаграмме sT (именно

Al = A h = AV + ДА1 = пл.

где А1'— .внешняя работа, потребляемая обратным циклом Карно

(А /'=пл. 1'-2'-3'-4' на рис. 6).

Увеличение затрачиваемой работы является вторым отрица­ тельным результатом внутренней необратимости процесса дрос­ селирования.

Перерасходованная работа АЛ/ численно равна недополучен­ ной холодопроизводигельности Aq0. Действительно, в обоих циклах количество тепла q= пл. 2'-3'-g-d, отдаваемое хладагентом за­ бортной воде в конденсаторе, остается неизменным. Из теплового баланса для цикла Карно

Следовательно, замена расширительного цилиндра регулирую­ щим клапаном приводит к уменьшению холодильного действия на величину Aqo и к увеличению затрачиваемой работы на величину АЛ/ (причем АЛ/=А^о).

Обе эти причины уменьшают теоретический холодильный ко­ эффициент для цикла с клапаном е; по сравнению с его значением для цикла Карно ею Для машины Карно

9о

I)

а для машины, имеющей регулирующий клапан,

qv_ = ?0 —

А1 АГ + д А1

Переохлаждение. Снижение температуры конденсата ниже тем­ пературы насыщения t, соответствующей постоянному давлению в

агент, так же как и температура конденсации t, зависит от средней температуры циркулирующей воды /в и ее количества. Чем мень­ ше расход охлаждающей воды, тем выше ее подогрев tB2—tBu а сле­ довательно, 'выше и соответствующая температура конденсации t

Г -2'-3-4.

Точку 3, характеризующую состояние хладагента после переох­ лаждения, можно найти по двум параметрам — температуре пере­ охлаждения /п и давлению конденсации р. В области жидкости вда­ ли от критической точки все изобары практически совпадают с ни­ жней пограничной кривой (х = 0). Поэтому эта кривая одновре­ менно является изобарой р в области жидкости, изобарой ра и лю­ бой другой изобарой. Следовательно, состояние агента после пере­ охлаждения определится пересечением изотермы ta с нижней по­ граничной кривой в точке 3. Линия З'-З изображает переохлажде­ ние жидкости при постоянном давлении р. Теперь линию дроссе­

Введение переохлаждения после конденсации уменьщ ^т^дал[ц^1с пию жидкого хладагента перед регулирующим клап!анй’Мбд0овеян-сс чины 13= 14, вследствие чего уменьшается бесполезное п4р®обр"а>':Я?

{ ЧИТАЛьИОГ& 3

зование в клапане. Поэтому после клапана, в состоянии 4, пар оказывается менее сухим, чем в состоянии 4". По указанной при­ чине в результате переохлаждения холодопроизводительность

влажный насыщенный пар, то процесс его работы называется влаж­ ным. Когда же компрессор засасывает сухой насыщенный или слегка перегретый пар и при сжатии его сильно перегревает, то процесс работы компрессора называют сухим.

В рассмотренных выше циклах паровой машины, протекавших

ты парообразования в испарителе. Поэтому все действительные паровые компрессорные машины работают не по влажному, а по сухому процессу.

Сухой процесс работы компрессора обеспечивают регулирова­ нием подачи жидкости (смеси) в испаритель. Иногда для отделе­ ния жидкости в судовых испарителях применяют сухопарники или сепараторы (во фреоновых машинах для перегревания пара обыч­

сора к сухому и сопоставим между собой соответствующие циклы Г -2'-3-4 и 1"-2"-3-4. Линия 1'-2' соответствует адиабатному сжатию в случае влажного процесса, а линия 1"-2" — в предельном случае сухого процесса. При сухом ходе компрессора адиабата сжатия полностью лежит в области перегретого пара. Из диаграммы sT видно, что переход от влажного процесса работы компрессора к сухому увеличивает холодильное действие на величину Д2<7о = пл.

18

Г-Г'-d-d', но при этом дополнительно затрачивается работа д, A l— пл. 1"-2"-2'-1'.

Теоретически влажный процесс выгоднее сухого, потому что он не вносит отклонений от идеального цикла Карно (при влажном процессе тепло отдается холодной воде в конденсаторе при посто­ янной температуре).

Сжатие же в области перегретого пара понижает теоретичес­

ное приращение удельной холодопроизводительности А2<7о/<?^о и по­

становится значительно выше температуры охлаждающей воды tB. Переход заданных температурных границ t и to противоречит основному правилу холодильной техники, изложенному в § 1. Сня­ тие перегрева в конденсаторе по линии 2"-2' при чрезмерно боль­ ших и переменных перепадах между температурами агента и воды и приводит к тому, что по сравнению с циклом Карно работа А\А1 возрастает в большей степени, чем холодопроизводительность

А27о-

Однако на практике более выгодным оказывается все же су­

вследствие этого значительно увеличить удельную холодопроизво­ дительность (приблизительно па 20—25%).

Кроме того, сухой процесс улучшает все действительные про­ цессы в компрессоре и таким путем повышает общий коэффициент подачи его К, а также объемный коэффициент Кс (учитывающий влияние вредного пространства компрессора), коэффициент подо­ грева %w (учитывающий влияние теплообмена при всасывании пара компрессором) и другие рабочие коэффициенты компрессора. Преимущество сухого процесса заключается также в повышении действительного холодильного коэффициента ее. Действительные процессы, протекающие в холодильных компрессорах, будут рас­ смотрены ниже (в § 33).

Возрастание общего коэффициента подачи а при сухом процес­ се увеличивает объем пара, всасываемого компрессором в час, и, следовательно, уменьшает размеры компрессора, необходимые для обеспечения требуемой холодопроизводительности Qo. Если же за­ даны размеры компрессора, то при сухом процессе будет больше холодопроизводительность машины Qo.

Вот почему сухой процесс, теоретически менее выгодный, чем влажный, практически оказался более выгодным.

При сухом ходе в цилиндр не попадает жидкий хладагент. Поэтому сухой процесс предотвращает гидравлические удары и

19