книги из ГПНТБ / Цейтлин Ю.А. Установки для кондиционирования воздуха в шахтах [Текст] 1974. - 166 с

Величины Qx, QK, Nr и Кк служат для подбора или расчета ха­ рактеристик теплообменных аппаратов и компрессора установ­ ки (см. п. 6 данной главы).

В случаях, когда холодильная установка представляет собой единый блок и подбор ее осуществляется по величине холодиль­ ной мощности, возникает необходимость в пересчете холодиль­ ной мощности для других условий, т. е. определение мощности установки, обеспечиваемой в одних условиях (/,, и tK), если из­ вестна холодильная мощность этой установки при других усло­ виях. Такой пересчет осуществляется по формуле

удельный объем перед компрессором.

Значения qx, q^, Ѵ\ и ѵ[ определяются по диаграмме соответст­

вующих циклов (на і—Igp-диаграмме). Коэффициенты подачи рассчитываются по уравнениям (50), (51), (52), (53), (54).

Если необходимо определить режим работы ПКХУ в кон­ кретных условиях, то это можно сделать после построения ха­ рактеристик ПКХУ и охлаждаемого объекта.

90

Г л а в а I I I

ВОЗДУШНЫЕ ХОЛОДИЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ 1. Схема и теоретический рабочий процесс

Парокомпрессорные холодильные установки экономичны и компактны, однако необходимость применения специальных хладагентов является их серьезным недостатком. Этих недостат­ ков нет у воздушных холодильных установок (ВХУ).

Воздушная холодильная установка (рис. 34, а) состоит на компрессора, теплообменника ТОи в котором сжатый в ком­ прессоре воздух отдает тепло или непосредственно окружающей среде, или охлаждающей воде; детандера Д и теплообмен­ ника Т02 (холодильной камеры), в котором холодный воздух после расширения в детандере отбирает тепло от охлаждаемой среды.

Теоретический (идеальный) рабочий процессе холодильной установки в координатах Т — 5 показан па рис. 43,6. В идеаль­ ном случае сжатие и расширение воздуха происходит адиабатно, теплообмен в аппаратах ГО, и Т02— изобарно. В отличие от ПКХУ, в воздушной установке невозможен изотермический подвод и отвод тепла, поэтому даже теоретический цикл такой установки отличается от цикла Карно.

детандере, ° К;

где Т2 и Т&— абсолютные температуры окружающей среды и воздуха после адиабатного сжатия в компрес­ соре, °К.

92

Теоретическая мощность, затрачиваемая при работе компрес­ сора (при условии, что потери энергии и охлаждение воздуха при сжатии отсутствуют),

Теоретическая мощность на валу детандера при вышепри­ веденных условиях

Рис. 43. Воздушная холодильная установка:

а — схема: б — теоретический рабочий процесс

Тогда холодильный коэффициент рассматриваемого цикла

Пренебрегая различием изобарных теплоемкостей, входящих в это уравнение, получим *

Так как для адиабатных процессов сжатия и расширения воз­ духа имеем

то

(112)

где ß= — — степень изменения давления воздуха в цикле.

Р \

Холодильный коэффициент обратного цикла Карно и анало­ гичных условиях составил бы

Тх

Из анализа уравнений (112) и (113) видно, что идеальный холодильный коэффициент цикла ВХУ всегда меньше, чем цикла Карно. Снижение холодильного коэффициента рассматривае­ мого цикла объясняется необходимостью увеличения темпера­ туры воздуха в компрессоре сверх Т2 и уменьшения температуры в детандере ниже Т} для обеспечения изобарного теплообмена в аппаратах ТО\ и Т02. Как видно из уравнения (112), снижение степени повышения давления в компрессоре увеличивает эконо­ мичность цикла, однако в этом случае снижается и удельная холодопроизводительность, т. е. при той же холодильной мощ­ ности установки необходимо увеличивать производительность компрессора.

Из-за малой теплоемкости воздуха даже при сравнительно небольших холодильных мощностях ВХУ необходимая произво­ дительность компрессора велика, поэтому в этих установках используются турбокомпрессоры.

2. Фактический рабочий процесс холодильной установки

Реальный цикл воздушной холодильной установки отличается от теоретического идеализированного цикла, рассмотренного в предыдущем параграфе.

В первую ^очередь отличие это объясняется потерями (дисси­ пацией) энергии в реальной установке. В основном потери энергии имеют место в компрессоре и детандере. '

В воздушной холодильной установке для сжатия воздуха используются турбокомпрессоры. Теоретический рабочий процесс неохлаждаемого нагнетателя (компрессора) представляет собой обратимый процесс адиабатного сжатия — линия / — а (рис. 44). Удельная работа, затрачиваемая на получение сжатого воздуха в этом случае, эквивалентна площади С — а — 3 — Е и равна

В реальной машине вследствие сопротивления проточной части компрессора часть энергии, подводимой к газу, расхо­ дуется на преодоление сопротивлений. Эта энергия, как известно, преобразуется в тепло, которое сообщается потоку газа (пере­ дачей тепла в окружающую среду можно пренебречь). При анализе обычно принимают (см. п. 4 главы II), что сжатие воз­ духа происходит без потерь, но с подводом тепла, эквивалент­

9 4

ного энергии, затрачиваемой на преодоление сопротивлений. В таком случае процесс сжатия будет представлять собой п.олитропный процесс о m>k, изображаемый отрезком 1 — а'. Удель­ ная работа, затрачиваемая на сжатие воздуха, при этом экви­ валентна площади С — 1 — а' — 3 — Е и равна

(115)

т — 1

где т — показатель процесса сжатия газа.

На преодоление сопротивлений расходуется работа, эквивалент­ ная площади D—а —1— С

(равная теплу, подводимо­ му к газу при сжатии).

Полная удельная рабо­ та, затрачиваемая в реаль­ ном компрессоре на полу­ чение сжатого воздуха (без учета механических и объ­ емных потерь), будет экви­ валентна площади D—а'— 3—Е и может быть рассчи­ тана по формуле

I= - ± - R ( T ' a- T 1). (116)

к— 1

к. п. д., представляющий собой отношение фактической работы,

где т)ок и г)М|{ — соответственно объемный и механический к. п. д.

компрессора.

При анализе работы неохлаждаемых воздушных турбоком­ прессоров, так же как и для поршневых машин, используют адиабатный к. п. д. [см. уравнение (60) в предыдущей главе]

95

Полный адиабатный к. п.д. компрессора определяют по фор­ муле (61).

Потери энергии имеют место и в детандере. Теоретический процесс расширения воздуха в детандере — обратимый адиабат­ ный процессе (линия 2 — Ь рис. 44). Работа, совершаемая воз­ духом, в этом случае эквивалентна площади А — 2 — 5 — G и может быть определена по формуле

<120)

Наличие сопротивлений приводит к тому, что часть энергии воздуха затрачивается на их преодоление и в результате преоб­ разуется в тепло. При отсутствии охлаждения детандера это тепло сообщается расширяющемуся воздуху. Принимая условно, что в детандере отсутствуют потери, по к воздуху подводится тепло, эквивалентное им, получим процесс расширения 2■— b'. Работа, совершаемая воздухом в детандере, будет эквивалентна площади В — Ь' — 2 — 4 — /"и равна

Потери энергии, эквивалентные теплу, подводимому к воз­ духу, определяются площадью В — Ь' — 2 — А. Таким образом, полезная работа воздуха, эквивалентная площади Л — 2 — 4 — F, будет

Внутренний к. п.д. детандера, определяющий его аэродинамиче­ ское совершенство,

где г|од и іуМд — соответственно объемный и механический к .п.д.

агрегата.

При расчетах используют и адиабатный к. п.д. детандера

Т 1 Т « 1 Ъ - т1

96

Полный адиабатный к. п.д. детандера

Реальный цикл ВХУ отличается от теоретического не только наличием потерь энергии в элементах установки. В реальной установке для обеспечения теплообмена между воздухом и ох­ лаждающей или охлаждаемой средой необходимо, чтобы конеч­ ная температура воздуха, выходя­ щего из теплообменника ТО\ (см.

рис. 43, я), была выше темпера­ туры охлаждающей среды (Т2), а температура воздуха, выходящего из холодильной камеры (ТОі), была ниже температуры охлаж­ даемой среды (Г'і). Реальный цикл ВХУ имеет вид 1'—а'— 2'—Ь' (рис. 45). На этом же ри­ сунке пунктиром показан идеаль­ ный цикл установки в аналогич­ ных условиях (линия 1—а—2—Ь). Как видно из рисунка, в реаль­ ном цикле за счет потерь в де­ тандере и конечной разности тем­ ператур в холодильной камере снижается удельная холодопроиз­ водительность установки (пло­ щадь В—Ь'—1'—С вместо А—

b—1—С в идеальном цикле. Удельная работа никла, наоборот, увеличивается (площадь В—Ь'—I'—С—D—а'—2'—А вместо ) —а—2—Ь).

Учитывая потери энергии в компрессоре и детандере, полу­ чим следующее выражение холодильного коэффициента реаль­

ляющий собой отношение теоретической мощности, потребляемой компрессором на его валу при обра­ тимом адиабатном (S = const) сжатии воздуха, к фактической мощности на валу машины;

г)адj — полный адиабатный к.п.д. детандера, представ­ ляющий собой отношение фактической мощности на

,его валу к теоретической мощности при обратимом адиабатном расширении воздуха.

Анализ уравнения (127) показывает, что в отличие от идеаль­ ного цикла, холодильный коэффициент которого тем выше, чем меньше степень изменения давления в установке, в реальном цикле максимальное значение холодильного коэффициента до­ стигается при определенной (оптимальной) степени изменения давления воздуха в цикле,

П р и м е р 11. Определить основные показатели работы ВХУ для сле­ дующих данных: необходимая холодильная мощность 50 квт; температура

(внутренний к. п. д. этих машин 0,9); разность температур воздуха окру­ жающей Atz и охлаждаемой At, сред 5° С.

Т[ = 270 — 5 = 265° К,

Т 2 = 300 + 5 = 305° К.

По известным из термодинамики соотношениям между температурой и давлением газа в адиабатном процессе рассчитываем температуры Та и

* 4

Аналогично из (125) получаем температуру воздуха после детандера (с учетом того, что вместо Г2 в уравнение (125) подставляем Г2 и вместо

Г„ г ;):

Г' = То — ( То — Г") т)' = 305 — (305 — 223) 0,9 = 231° К.

Удельная холодопроизводительность цикла

qx = ср (Т[ — Га) = 1 (265 — 231) = 34 кдж/кг.

Необходимый массовый расход воздуха

50 М = = 1,47 кг/сек = 87,3 кг/мин.

34

98

Объемная производительность компрессора, приведенная к условиям вса­ сывания,

При таких же условиях показатели работы идеальной уста­ новки, рассчитанные по формулам (108) —(112) следующие: затрачиваемая мощность 18,7 квт, объемная производительность компрессора 45,5 м3/мин, холодильный коэффициент 2,67. Таким образом, в реальной установке необходимая производитель­ ность компрессора примерно в полтора раза превышает теоре­ тическую, затрачиваемая мощность превышает теоретическую более чем в четыре раза, а холодильный коэффициент меньше теоретического в четыре раза.

3. Способы повышения экономичности работы установки

Для повышения экономичности работы ВХУ широко приме­ няется регенерация тепла. Схема с регенерацией тепла показана на рис. 46, а. Кроме теплообменных аппаратов ТОі и Т 02 в уста­ новке предусматривается использование еще одного теплооб­ менника— Р (регенератора), в котором происходит теплообмен между воздухом, выходящим из ТО\ и Т02. Теоретический рабочий процесс такой установки показан на рис. 46, б. Пункти­ ром показан теоретический цикл ВХУ без регенерации при тех же температурах Ті и Т2. Холодильный коэффициент теоретиче­ ских циклов с регенерацией и без регенерации тепла одинаков. При регенерации тепла затрачиваемая работа определяется площадью b — Г — а' — 3 и равна

4* 99