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

вызываемые ими поломки деталей компрессора, т. е. создает более

безопасные условия работы.

Основной теоретический цикл одноступенчатой паровой комп­

паном, состояние холодной парожндкостной смеси, поступающей в испаритель из регули­ рующего клапана (см. рис. 5): 1-2 — адиа­ батное сжатие в компрессоре: 2-3 — изобар' ное охлаждение в конденсаторе:. 2-а — сня­ тие перегрева пара при р =const;a—Ъ — изо­ барно-изотермическая конденсация: Ь-3 — пе­

На практике непосредственно в испарителе пар слегка перегре­ вают по линии с-1 до температуры ti в точке 1 (которая лежит не на кривой насыщения, а несколько сдвинута в область перегретого пара). Перегревание пара в испарителе перед всасыванием его компрессором увеличивает холодопроизводительность на величину Д3^о=пл. с-1-d-h, а также потребляемую работу на величину Д2Л /= = пл. l-2-j-c.

Пар может также перегреваться дополнительно или по той же линии с-1 не в испарителе, а во всасывающем трубопроводе из-за теплопритоков и трения по пути от испарителя к компрессору. Бесполезный перегрев во всасывающем трубопроводе, например по линии с-1, -сказывается отрицательно на работе холодильной ма­

представляющую холодопроизводительность (/о) • В связи с тем что холодопроизводительность q0 остается прежней, а работа возраста­ ет на величину Д2А1, холодильный коэффициент уменьшается. Поэтому такой перегрев пара является вредным, его нужно сни­ жать сокращением длины всасывающего трубопровода и улучше­ нием изоляции последнего.

Из курса термодинамики известно, что количество тепла, под­

определять как разность энтальпий в конечных точках отдельного процесса.

20

Поэтому удельная массовая холодопроизводительность

Яо = пл. 4-c-l-d-e = ix — Ц ккал/кг (кДж/кг).

Здесь и дальше площади можно выражать через разности эн­ тальпий (и наоборот) потому, что, как известно, в диаграмме sT, например, энтальпия i\ может быть представлена площадью

О-О'-f-c-l-d, а энтальпия г'4= п л . 0-0'-f-4-e.

Работа в тепловых единицах, затрачиваемая на адиабатное сжатие 1 кг хладагента в компрессоре, совпадающая с работой цикла,

А1К— А1 — пл. l-2-a-b-f-c-l = пл. l-2-a-b-3-g-e-4-c-\ =

= г2 — h ккал/кг.

Общее количество тепла, отдаваемое 1 кг хладагента забортной воде в конденсаторе при постоянном давлении р,

Я = do + А1 = пл. 2-a-b-3-g-d = г2 — Дз ккал/кг (кДж/кг).

Отсюда следует, что тепловой баланс теоретического цикла па­ ровой компрессорной машины остается таким же, как и в цикле Карно.

Холодопроизводительность 1 м3 пара, всасываемого компрессо­ ром, qv называют удельной объемной холодопроизводительностью. Эта (величина представляет собой количество получаемого холода, приходящееся на 1 м3 засасываемого компрессорсж пара,

где V\ — удельный объем пара во всасывающем патрубке ком­ прессора (в точке 1 на рис. 9), м3/кг.

Теоретическая мощность, затрачиваемая на адиабатное сжатие в холодильном компрессоре,

где Ga — количество циркулирующего хладагента, кг/ч. Холодильный коэффициент теоретического цикла

Цикл паровой компрессорной машины отклоняется от цикла Карно не так сильно, как цикл воздушной машины. Поэтому па­ ровые холодильные машины отличаются высокой экономичностью.

Так как теплота парообразования жидкости г велика, то холодо­ производительность 1 кг агента qо, получаемая за счет ее (Яо<г), также оказывается большой. Вследствие этого при одинаковой холодопроизводительности Qo объем цилиндра паровой машины

21

получается во много раз меньше, чем воздушной. Компактность паровых компрессорных холодильных машин является еще одним большим их преимуществом по сравнению с воздушными и други­

ми холодильными машинами.

По этим причинам паровые компрессорные машины получили наибольшее распространение в холодильной технике. На речном флоте устанавливают по существу только такие машины.

Применяют и более сложные циклы паровых компрессорных

производства холода затрачивается извне не механическая, а теп­ ловая энергия (в паровом котле).

В качестве хладагента в эжекторных машинах обычно приме­ няют воду или рассолы, т. е. водные растворы хлористого кальция СаС12 или поваренной соли NaCl. Соль добавляют для понижения температуры замерзания рассола. Воду употребляют при положи­ тельных температурах кипения U, а рассолы — при отрицательных.

Чтобы вода закипела при низкой температуре to, в испарителе нужно поддерживать глубокий вакуум; например, даже при поло­ жительных температурах кипения t0— + (4-МЗ)°С абсолютное дав­ ление в нем ро= 0,008-т-0,015 кгс/см2. При таких низких давлениях водяной пар имеет чрезвычайно большой удельный объем v" (рав­ ный 160-^-90 м3/кг соответственно). Для сжатия громадных объе­ мов пара поршневой компрессор совершенно непригоден, так как размеры его получились бы чрезмерно большими. Поэтому в эжек­ торных машинах поршневой компрессор заменяют струйным — эжектором, т. е. термокомпрессором. Эжектор одновременно вы­

Тепловая машина, осуществляющая прямой цикл, содержит гене­ ратор пара, т. е. паровой котел, КТ, эжектор Э, конденсатор КД и питательный насос ПН. Система охлаждения помещения ОП со­ стоит из охлаждающей батареи ОБ, первого регулирующего кла­ пана РК1, испарителя И и насоса холодной воды НХВ. В водяной (или рассольной) эжекторной машине вода одновременно исполь­ зуется в качестве хладагента и промежуточного теплоноси­ теля.

22

Помещение ОП охлаждается холодной рабочей водой, забирае­ мой из нижней части испарителя и центробежным насосом НХВ направляемой в охлаждающие батареи ОБ помещения ОП. Прохо­ дя через помещение, рабочая вода нагревается на 2—3°С, а само помещение при этом охлаждается. Отепленная рабочая вода через регулирующий клапан РК1 подсасывается вследствие вакуума в верхнюю часть испарителя для охлаждения.

щийся при испарении воды, а также воздух, всасывающийся через неплотности соединений. Рабочая вода возвращается в испаритель через сливную трубу, разбрызгивающую ее в виде дождя. В испа­

верхности капель дождя часть воды быстро испаряется с поверх­ ности капель, падающих вниз. Тепло Qо, необходимое для парооб­ разования, вода отнимает от себя (так как снаружи корпус испа­ рителя покрыт тепловой изоляцией). Поэтому неиспарившаяся часть воды охлаждается. Тепло Qo рабочая вода приносит из ох­ лаждаемого помещения (это количество тепла равно часовой холодопроизводительности машины). Чем глубже вакуум в испарителе, тем ниже температура рабочей воды.

Рабочий пар, необходимый для эжекции, получают в котле КТ за счет затраты тепла Qr. Обычно давление рабочего (не перегре­ того) пара, поступающего в сопло эжектора, рг=5-г-10 кгс/см2. При более высоком давлении пар, вырабатываемый судовым котлом, предварительно дросселируют в редукционном клапане.

23

Эжектор Э состоит из сопла с, камеры всасывания и смеше­ ния к и диффузора д. В сопле с тепловая энергия преобразуется в кинетическую (механическую) энергию струи пара, выходящей из

противлений между испарителем и камерой к эжектора давление рабочего пара в конце расширения должно быть чуть меньше дав­ ления в испарителе ро- Движущаяся с высокой скоростью струя рабочего пара отсасывает из испарителя через камеру к эжектора холодный пар и воздух, смешиваясь с ними вследствие трения и увлекая их в диффузор. При смешении скорость струи понижает­ ся, т. е. часть кинетической энергии рабочего пара затрачивается на всасывание из испарителя холодного пара и воздуха. Диффузор

потенциальную энергию, т. е. понижает скорость смеси и повышает

Ро<Р<.рт). Холодный пар уносит из испарителя тепло Qo.

Из диффузора сжатый пар и воздух поступают в поверхност­ ный конденсатор КД обычного судового типа. Здесь смесь холод­ ного и рабочего пара превращается в воду, отдавая тепло­ ту конденсации Q охлаждающей забортной воде, прокачиваемой через конденсатор циркуляционным насосом. Обычно абсолютное давление конденсации, определяемое температурой воды, /? = 0,03э- -Ь0,06 кгс/см2. Для удаления из конденсатора воздуха и поддержа­ ния в нем вакуума служит двухступенчатый воздушный эжектор (не

Из конденсатора КД часть жидкости через регулирующий клапан РК2 холодильной машины возвращается в испаритель И, для восполнения испарившейся воды. Другая часть жидкости, соответствующая количеству рабочего пара, непрерывно подает­ ся центробежным питательным насосом ПН в котел КТ. Пита­ тельный насос потребляет работу, эквивалентную количеству теп­ ла Л.Тц.

Таким образом, на работу эжекторной машины затрачивается тепло Qr в котле. Однако не оно непосредственно осуществляет холодильный цикл. Вначале в прямом цикле тепловой машины (в сопле эжектора) тепловая энергия рабочего пара превращается в механическую энергию движения потока, которая затем в об­ ратном цикле холодильной машины (в диффузоре эжектора) про­ изводит механическую работу сжатия отсасываемого из испари­ теля холодного пара. Благодаря сжатию тепло Q0 переносится от охлаждаемой среды с низкой температурой 0О к окружающей среде с более высокой температурой tB.

24

Для составления теплового баланса эжекторной холодильной машины приравняем количества тепла, отводимого и подводимого в отдельных элементах машины:

Q = Qo + Q r + A U .

Экономичность работы теплоиспользующих машин (как эжек­ торных, так и абсорбционных) характеризуется не холодильным, а тепловым коэффициентом £, представляющим отношение коли­

агенте —• на воде. К достоинствам эжекторных машин можно так­ же отнести простоту ухода за ними.

Вследствие того, что тепловая энергия преобразуется в меха­ ническую работу сжатия в самой машине (в эжекторе с низким к. п. д.), она мало экономична; это основной ее недостаток. Эко­ номичность работы эжекторных машин значительно ниже, чем паровых компрессорных. Кроме того, размеры эжекторных ма­ шин относительно велики.

Существенным недостатком водяных эжекторных машин яв­ ляется также глубокий вакуум в испарителе. Необходимость от­ сасывания воздуха из испарителя главным эжектором и удаления его из конденсатора в атмосферу вспомогательным двухступенча­ тым пароструйным эжектором значительно увеличивает расход ра­ бочего пара и, следовательно, понижает экономичность машины.

Водяные эжекторные машины непригодны для получения низ­ ких отрицательных температур (ниже— 15°С), так как при этом эжектор практически не поддерживает нужного вакуума в испа­ рителе Вследствие последнего недостатка, а также малой эконо­ мичности эжекторные машины не применяют для охлаждения ре­ фрижераторных трюмов. На судах их иногда используют <в уста­ новках для кондиционирования воздуха, так как последние рабо­ тают при положительных температурах кипения и, значит, не тре­ буют слишком глубокого вакуума в испарителе; кроме того, при кондиционировании воздуха хладагент должен быть безвредным.

Вода — не единственный хладагент, на котором работают эжекторные машины. В качестве агента можно использовать, на­ пример, фреон-12, а также другие легкокипящие вещества. В дан­ ном случае хладагент, кипящий в испарителе, и охлаждаемую среду необходимо разделять стенками трубок, т. е. конструкцию испарителя следует выполнять такой же, как в обычной паровой

25

компрессорной машине (см. рис. 5). Во фреоновой эжекторной ма­ шине получают низкие температуры без разрежения в испарителе. Для судов фреоновые эжекторные машины могут оказаться пер­ спективными при работе генератора фреонового пара (котла) на бросовом тепле (пара, отработавшего в турбинах; газов, отошед­ ших от ДВС, или горячей воды, охладившей двигатели).

§5. АБСОРБЦИОННЫЕ ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ

Вотличие от рассмотренных абсорбционные холодильные ма­ шины работают на двух веществах — на бинарных смесях. Одно из рабочих веществ служит хладагентом, а другое — абсорбентом (поглотителем хладагента). При одинаковом давлении температу­

ра кипения (и конденсации) хладагента должна быть значитель­ но ниже абсорбента. Последний же должен быть способным интен­ сивно поглощать более холодный пар хладагента.

Основная особенность бинарной смеси состоит в том, что при одном и том же давлении она кипит (или поглощает хладагент) при разных температурах, в зависимости от концентрации раство­ ра, (т. е. содержания хладагента в нем).

Чаще всего применяют водоаммиачные абсорбционные маши­ ны, в которых хладагентом служит аммиак NH3, а абсорбентом —

тепла Qr, подводимого отработавшим паром или уходящими газа­ ми ДВС, или же горячей водой, охлаждающей эти двигатели. Ес­ ли раствор нагревается уходящими газами, то генератор пред­ ставляет собой утилизационный котел. Следовательно, на работу

аммиак имеет более низкую температуру кипения, чем водоамми­ ачный раствор, то при нагревании из него в первую очередь вы­ деляется аммиачный пар (с небольшой примесью водяного пара). При прохождении раствора через генератор содержание аммиака в нем уменьшается, т. е. в генераторе образуется слабый (бед­ ный) раствор. Таким образом, при нагревании горячий аммиач­ ный пар из генератора Г поступает в конденсатор КД. Давление в генераторе практически равно давлению в конденсаторе р (оп­ ределяемому температурой забортной воды ts).

В конденсаторе КД охлаждающая забортная вода отводит от аммиака тепло Q, вследствие чего он сжижается. Затем жидкий, аммиак дросселируется в регулирущщем клапане РК1 от давления

26

в конденсаторе и генераторе р до давления в испарителе и абсор­

Холодный аммиачный пар отсасывается из испарителя И ин­ тенсивным поглощением его теплым водоаммиачным раствором, находящимся в абсорбере (поглотителе) А. Абсорбция сопровож­ дается выделением большого количества тепла Qa, называемого теплотой абсорбции. Это тепло необходимо непрерывно отводить, чтобы абсорбент лучше поглощал хладагент, вследствие чего че­ рез абсорбер также циркулирует охлаждающая забортная вода. При прохождении через абсорбер концентрация водоаммиачного раствора повышается, т. е. в абсорбере образуется крепкий (бо­ гатый) раствор.

Слабый раствор, полученный в генераторе Г после выпарива­ ния, через теплообменник ТО и второй регулирующий клапан РК2 переходит в абсорбер А. Здесь слабый раствор поглощает холод­ ный аммиачный пар из испарителя. Регулирующий клапан РК2 устанавливает необходимый перепад давлений (от р до ро).

27

Дросселирование в этом клапане не изменяет общей концентрации слабого раствора и его энтальпии.

Образующийся в абсорбере А крепкий раствор водоаммиач­ ным насосом Н, поднимающим давление от ро до р, через тепло­ обменник ТО возвращается обратно в генератор Г (через ректи­ фикатор рф) для нового выпаривания из него аммиака. По срав­ нению с количеством тепловой энергии Qr, затрачиваемой в гене­

выделяемого из генератора пара хладагента, для водоаммиачных абсорбционных машин равна 5—10.

Процессы в конденсаторе КД, регулирующем клапане РК1 и испарителе И абсорбционной машины ничем не отличаются от процессов, происходящих в этих же элементах паровой компрес­ сорной машины. Однако в абсорбционной машине пар хладагента нагнетается в конденсатор и всасывается из испарителя не компрессором, а соответственно генератором и абсорбером (ко­ торые выполняют функции компрессора). Таким образом, в аб­ сорбционных машинах производится термохимическое сжатие па­ ра хладагента от давления кипения в испарителе ро до давления

ром для повышения экономичности работы машины. Слабый раст­ вор, перетекающий через клапан РК2 из генератора в абсорбер, имеет высокую температуру, так как он нагревается в генераторе. Крепкий же раствор, перекачиваемый насосом Н из абсорбера в генератор, имеет более низкую температуру, так как в абсорбере он охлаждается. Поэтому, используя противоток в теплообмен­ нике, можно за счет охлаждения горячего слабого раствора на 50—70°С предварительно подогреть холодный крепкий раствор на 40—50°С. Обмен теплом перед поступлением в аппараты умень­ шает количество тепла Qr, затрачиваемое в генераторе на работу машины, а также количество тепла Qa, отводимое водой в абсор­ бере. Таким образом, при установке теплообменника теплота сла­ бого раствора, идущего из генератора, не уносится бесполезно охлаждающей водой в абсорбере, что значительно повышает теп­ ловой коэффициент абсорбционной машины £.

Одним из основных критериев пригодности бинарной смеси для абсорбционной машины служит разность между температу­ рами кипения ее чистых компонентов при атмосферном давлении. Чем больше эта разность, тем меньше соиспаряемость хладагента и абсорбента. Для абсорбционных машин больше подходят такие

28

бинарные смеси, у которых соиспарение абсорбента меньше (на­ пример, водный раствор бромистого лития).

При атмосферном давлении аммиак кипит при — 33°С, вода— при 100°С [а водоаммиачный раствор при давлении в генераторе р=12-Ы З кгс/см2 (1,2ч-1,3 МПа) начинает кипеть при температуре 98'—99°С]. Следовательно, температуры кипения воды и аммиака недостаточно резко отличаются (всего на 133°С). Поэтому при нагревании водоаммиачного раствора в генераторе из него выде­ ляется не только аммиачный пар, но и 10—15% водяного пара. На бесполезное испарение абсорбента в генераторе затрачивается дополнительное количество тепла, что понижает экономичность работы водоаммиачной абсорбционной машины. Вода через кон­ денсатор попадает в испаритель и накапливается в нем, вследст­

дренаж, что усложняет эксплуатацию машины. Поэтому водяной пар необходимо отделять от аммиачного.

Таким образом, значительная соиспаряемость аммиака и воды является одним из существенных недостатков водоаммиачной аб­ сорбционной машины, который уменьшает ее тепловой коэффици­ ент %и требует ректификации, т. е. очистки хладагента от аб­ сорбента.

Для отделения водяного пара от аммиачного между генерато­ ром и конденсатором устанавливают ректификатор рф и дефлег­

Смесь аммиачного и водяного паров вначале охлаждают в ректи­ фикационной колонне крепким раствором, поступающим из тепло­ обменника (более холодным, чем смесь паров), а затем дополни­ тельно в дефлегматоре еще более холодной забортной водой. Рас­

генератор. Остающийся после отделения флегмы аммиачный пар уходит в конденсатор.

Ректификационная колонна обычно располагается в верхней части корпуса генератора (как сухопарник). В нижней части рек­ тификационной колонны установлена решетка, на которой нахо­ дится слой фарфоровых или керамических колец диаметром 15— 20 мм. Сверху кольца орошаются крепким водоаммиачным раст­ вором, подаваемым из абсорбера А насосом Н через теплообмен­ ник ТО по трубе с мелкими отверстиями. Смесь паров из генера­

29