книги из ГПНТБ / Добровольский А.П. Теплотехнические испытания судовых холодильных установок

§ 5. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ЦИКЛ ТУРБОКОМПРЕССОРНЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН

За последнее время для обеспечения крупных потребителей холода на судах стали применять турбокомпрессорные холодильные машины. В этих машинах центробежные компрессоры в зависимости от температурного режима работы холодильной машины и холодиль­ ного агента выполнены с одним или несколькими рабочими коле-

Рис. 24. Схема холодильной машины с двойным регулированием и трехступенчатым центробежным компрессором.

самиОсобенно выгодно использовать центробежные компрессоры для получения низких температур благодаря простоте осуществле­ ния схем многоступенчатого сжатия и регулирования. Подобные схемы целесообразно применять даже для температурных режимов, при которых можно обходиться одноступенчатыми поршневыми компрессорами.

Широко применяются схемы холодильных машин с двухили трехступенчатыми центробежными компрессорами с двойным регу­ лированием. Схема и цикл холодильной машины с трехступенчатым центробежным компрессором и двойным регулированием показаны на рис24 и 25. В схеме не предусмотрено промежуточное охлажде­ ние между ступенями. Некоторое повышение эффективности цикла достигается только за счет снижения дроссельных потерь и отбора пара из промежуточного сосуда. При большом числе колес компрес-

28

г

соры выполняют в двух и более корпусах, причем применяют полное промежуточное охлаждение после нескольких ступеней сжатия.

Количество и объем пара холодильного агента перед каждой ступенью определяют, как и в многоступенчатых схемах, с поршне­ выми компрессорами.

Рис. 25. Цикл холодиль­ ной машины с двойным регулированием и трех­ ступенчатым центробеж­ ным компрессором в диа­

грамме i, lg р.

§ 6. ЗАВИСИМОСТЬ РАБОТЫ ПОРШНЕВОГО КОМПРЕССОРА ОТ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА. СРАВНИТЕЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ

В судовых холодильных машинах температура конденсации меняется в более широких пределах, чем в стационарных. Это объяс­ няется тем, что температура охлаждающей забортной воды зависит не только от времени года, но и от района плавания судна. Темпера­ тура кипения в судовых машинах рефрижераторных судов также меняется в широких диапазонах в результате поддержания в грузо­ вых трюмах различных температур в зависимости от рода перевози­ мого груза.

При рассмотрении отдельных режимов работы холодильного компрессора будем считать, что на его работу не влияют какиелибо второстепенные факторы, связанные с процессами, протека­ ющими в испарителе или конденсаторе (например, повышение давле­ ния в конденсаторе при недостаточной поверхности охлаждения, присутствие инертных газов в системе холодильного агента и т. д.).

Рассмотрим влияние температурного режима на изменение холо­ допроизводительности Qo и затрачиваемой мощности компрессора, имеющего часовой объем, описываемый поршнями Vh-

29

конденсацииТеоретическая холодопроизводительность компрессора в цикле 1—2—3—4 равна

Qo = Vhq0 = Vh - ± ^ - ,

ѵі

а затраченная мощность

Аналогично для цикла

1—2'—3'—4’

Qo = Vhq'v =--Vh h — 4’

Vl

Сопоставляя значения Q0 Qö, N а и N а, найдем

Из рис. 26 легко установить, что qö < <7о> а АГ > AI, следова­ тельно, с повышением давления в конденсаторе холодопроизводитель­ ность уменьшается, а затраченная мощность возрастает.

В реальных условиях уменьшение холодопроизводительности более ощутимо, так как А/ < А., а

На рис. 27 изображены два цикла (1—2—3—4 и Г —2'—3—4') с одинаковой температурой конденсации и различными температу­

Вследствие того что удельная объемная холодопроизводитель­ ность значительно уменьшается с понижением температуры кипения

(qö < Цо> а Ѵ ѵ > щ), холодопроизводительцоеть компрессора резко

30

большинства холодильных агентов, имеющих высокую критическую температуру, можно с достаточной степенью точности считать, что

L,,,ах соответствует условию р 0 ^ ~^~Рк- В действительных условиях

максимальное значение работы, а следовательно, и мощности будет в некоторой степени зависеть от практических коэффициентов ком­ прессора.

Произведенный анализ зависимости показателей компрессора от температурного режима его работы имеет большое практическое значение при выборе компрессоров, а также двигателей, поскольку их совместная работа должна осуществляться в различных эксплуата­ ционных условиях. Изменение производительности компрессоров и потребляемой мощности при изменении режима работы позволяет сопоставлять компрессоры только при одинаковых температурных условиях их работы. В качестве сравнительных температур приняты температуры кипения t0, конденсации tK (соответствующие темпе­ ратурам насыщения при давлении рвс и рн у патрубков компрессора),

В табл- 1 приведены восемь групп температурных условий, принятых в СССР для холодильных машин с одноступенчатыми и двухступенчатыми компрессорами: группа I — стандартные условия для одноступенчатых аммиачных компрессоров; группа II — стан­ дартные для фреоновых компрессоров; группа III — плюсовые для одноступенчатых фреоновых компрессоров; группа IV—VI — усло­ вия для двухступенчатых компрессоров; группы VII—VIII — усло­ вия для поджимающих компрессоров.

Следует отметить, что сравнительные условия групп I и II яв­ ляются обязательными. На некоторых заводах, особенно иностран­ ных, гарантированную холодопроизводительность приводят при условиях1, отличающихся от перечисленных. В дальнейшем под

32

условиями, при которых гарантируется холодопроизводительность компрессора, указанная Государственными стандартами, отраслевыми нормалями или отдельными заводами-изготовителями, мы будем понимать технические или спецификационные условия-

Максимально допустимое отклонение действительной холодопроизводительности компрессоров от паспортной не должно превы­ шать ±10% холодопроизводительности, указанной в паспорте компрессора-

Переход от холодопроизводительности при технических усло­ виях QoT у к так называемой рабочей холодопроизводительности Q0

(при условиях, соответствующих эксплуатационному режиму) можно осуществить с помощью следующего равенства:

^т. уЯѵт. у tyv

Выражение (1) позволяет выполнить и обратный переход от рабочей холодопроизводительности к производительности при тех­ нических условиях, что обычно требуется при подборе компрессоров в процессе проектирования холодильных установок.

§7. О С Н О ВН Ы Е С В Е Д Е Н И Я

ОС В О Й С Т В А Х ХОЛОДИЛЬНЫХ А Г Е Н Т О В

При выборе холодильного агента для судовой холодильной машины необходимо считаться не только с его физическими и тер­ модинамическими свойствами, но и с целым рядом факторов, к ко­ торым в первую очередь следует отнести воздействие холодильных агентов на человеческий организм, на металлы, а также их горю­ честь, воспламеняемость и взрывоопасность.

В начале развития холодильной техники на судах в качестве холодильных агентов применяли главным образом углекислоту, реже аммиак, хлористый метил и даже сернистый ангидрид, которые теперь полностью вытеснены новыми рабочими телами — фреонамиИсключение составляет'аммиак, до сих пор широко применяющийся в судовых холодильных установках.

Физические и термодинамические свойства холодильного агента

нием ркр, температурой затвердевания t3 и др. Основные физические свойства некоторых холодильных агентов приведены в табл. 2.

Из физических свойств весьма важными являются также вязкость, теплопроводность и теплоемкость холодильного агента в жидком и парообразном состояниях. Вязкость влияет главным образом на выбор скорости холодильного агента в клапанах компрессора и тру­ бопроводах и в значительной степени определяет конструктивные формы компрессора и сечения трубопроводов. Кроме того, вязкость3

34

вдыхании аммиака может развиться отек легких, понизиться кровя­ ное давление и т. д. В рабочих помещениях установлена предельно допустимая концентрация аммиака в воздухе— 0,02 мг/л.

Непосредственное воздействие фреонов на живой организм весьма слабо и возрастает с увеличением числа атомов фтораНо при со­ держании фреона в воздухе более 30% по объему появляются при­ знаки отравления организма вследствие недостатка кислорода.

Любой жидкий холодильный агент, попадая на кожу, вызывает обмораживание, он также чрезвычайно опасен для глаз.

Рассмотрим более подробно характеристики холодильных аген­ тов, регламентированных Правилами Регистра СССР и другими клас­ сификационными обществами.

Аммиак представляет собой вещество с резким запахом. К его достоинствам следует отнести сравнительно высокие значения удель­ ной объемной холодопроизводительности, умеренные давления и легкость обнаружения утечек. Аммиачный пар при атмосферном давлении легче воздухаАммиак является горючим и взрывоопасным холодильным агентом. При содержании его в воздухе до 11 % горения не наблюдается, при содержании 11— 14% аммиак горит и при со­ держании 16—27% смесь взрывоопасна. Аммиак разъедает цинк, медь, бронзу (кроме фосфористой бронзы) и другие сплавы меди. На сталь аммиак никакого воздействия не оказывает. Растворимость масла в аммиаке ограничена, и, если масло попадает в систему трубо­ проводов и аппараты вместе с аммиаком, теплопередача в аппаратах ухудшается. При температуре, превышающей 260° С, аммиак раз­ лагается на азот и водород. Предельное содержание влаги и загряз­ нений в аммиаке не должно превышать 0,2%.

Аммиак используют преимущественно в средних и крупных хо­ лодильных машинах с поршневыми компрессорами для температур кипения до —60° С и для температур конденсации до +40° С.

Фреоны представляют собой производные насыщенных углево­ дородов, содержащие фтор и хлорУглеводороды каждого ряда CmHrt могут образовывать производные O nH ^Clz, причем х + у + + z — п. Для различных фреонов установлены номерные обозначе­ ния и принят следующий порядок присвоения им номеров. Для соеди­ нений без атома водорода сначала записывают для метанового ряда цифру 1, этанового 11, пропанового 21, бутанового 31, а затем цифру, определяющую число атомов фтора; если имеются незамещенные атомы водорода для метанового ряда, к первой цифре, а для этано­ вого, пропанового и бутанового — ко второй цифре прибавляют число водородных атомов. Например: ряд метановый СН4 : CFC13

фреон-11; CF2C12 фреон-12; CF3C1 фреон-13; CHFC12 фреон-21; CHF2C1 фреон-22; CHF3 фреон-23;

ряд этановый С2Н6 : C2F3Clo фреон-113; C2F4C12 фреон-114; C2H 2F3C1 фреон-142; C2H3F3 фреон-143;

ряд пропановый С3Н8 : C2F6C12 фреон-216.

Во фреонах атомы хлора могут замещаться также атомами брома. Кроме того, в холодильных машинах можно использовать азеотроп­ ные смеси, составленные из различных холодильных агентов, веду­

36

щие себя как новые рабочие тела и обладающие промежуточными свойствами. В азеотропных смесях равновесные концентрации пара и жидкости одинаковы, поэтому смесь не разделяется в процессах кипения и конденсации.

У фреонов с возрастанием числа атомов фтора уменьшается дей­ ствие на металлы и другие материалы. Фреоны, молекула которых не содержит атомов водорода, в смеси с воздухом негорючи и не­ взрывоопасны. При наличии атомов водорода их воспламеняемость повышается с увеличением числа последних. Фреоны практически инертны к металлам, за исключением сплавов, содержащих более 2% магния. На обычную резину они воздействуют весьма активно.

Фреоны и масла взаимно растворяются, при этом вязкость масла понижается. С повышением давления и понижением температуры растворимость газообразных фреонов в масле повышается. Вода во фреонах почти не растворяется, однако даже при небольшом ее содержании у фреонов появляется некоторая способность воздейство­ вать на металлы. Наличие воды во фреонах нарушает нормальную работу установки. Значительная вязкость и большой удельный вес являются недостатками фреонов, так как приводят к необходимости снижать скорость их движения в различных элементах холодильной машины.

Все фреоны лишены запаха, который начинает ощущаться лишь при высоких концентрациях фреонов в воздухе. Это является до­ стоинством холодильного агента, но в то же время затрудняет обна­ ружение утечек фреонов, обладающих высокой проницаемостью. Парообразные фреоны при атмосферном давлении значительно тя­ желее воздуха.

Взрывобезопасность и относительная безвредность позволили фреонам, в частности фреону-12 и фреону-22, занять первое место по использованию в судовых холодильных установках.

с аммиаком он обладает более низкими давлениями и значительно меньшими значениями удельной объемной холодопроизводитель­ ности. Запах фреона-12 начинает слабо ощущаться при его кон­ центрации в воздухе более 20%. При температуре выше 400° С и открытом пламени фреон-12 разлагается с образованием хлористого и фтористого водородаЭти вещества действуют раздражающе на слизистые оболочки человека, однако, их присутствие можно быстро обнаружить. Содержание примесей во фреоне-12 не должно превы­

до —80° С и температур конденсации до +40° С. По рабочим давле­ ниям и удельной объемной холодопроизводительности фреон-22 приближается к аммиаку. В присутствии железа фреон-22 начинает разлагаться при 550° С. Содержание примесей в фреоне-22 не должно превышать: воды — 0,0025% и нелетучих осадков — 0,01%.

37