Хладотранспорт / 02-Студентам Хладотранспорт и доставка-2013-2 / 01-Учебник / 2-Главы 4-6-У

–турбокомпрессорами. Здесь используют центробежный способ повышения давления, который заключается в преобразовании части кинетической энергии потока паров хладагента на профилированных лопатках вращающегося диска в потенциальную энергию в диффузоре;

–поршневыми, которые создают возвратно-поступательные движения поршня в цилиндре. Здесь с помощью системы клапанов происходит разрежение в одной части контура хладагента и давление в другой.

Более 90% всех паровых компрессионных холодильных машин оснащено поршневыми компрессорами, поэтому их работа изучается достаточно подробно.

Рассмотрим рабочий процесс поршневого компрессора. Движение поршня обеспечивается от внешнего привода (дизель, электродвигатель и др.) через маховик и кривошипно-шатунный механизм (рисунок 4.23, в).

В крышке цилиндра расположены всасывающий 1 и нагнетательный 2 клапаны. За один оборот маховика, т. е. за два хода поршня 4, в цилиндре 3 совершается полный цикл рабочего процесса (всасывание, сжатие, нагнетание и расширение).

В идеальном (теоретическом) компрессоре поршень доходит до крышки цилиндра, т. е. не имеет зазора, называемого вредным пространством. Поэтому клапан 1 открывается сразу же с началом движения поршня 4 вправо вследствие создающегося под поршнем разрежения, и всасывание паров хладагента из испарителя в цилиндр 3 происходит при постоянном

давлении pо на всём протяжении хода поршня (пол-оборота маховика, ли-

ния а-b на рисунке 4.23, а). Объём всасываемого пара равен объёму, опи-

сываемому поршнем Vh за один ход.

При обратном ходе поршня всасывающий клапан 1 сразу же самопроизвольно закрывается, и происходит адиабатическое сжатие замкнутого объёма паров в цилиндре до давления pк в конденсаторе (линия b-с). По-

сле этого нагнетательный клапан 2 самопроизвольно открывается, и через него при дальнейшем движении поршня влево сжатые пары выталкивают-

ся (нагнетаются) в конденсатор при постоянном давлении pк (линия с-d). Так как рассматриваемый идеальный цилиндр не имеет вредного пространства, то весь сжатый пар вытесняется в конденсатор. При начале повторного движения поршня вправо давление в цилиндре мгновенно снижа-

ется до pо, вследствие чего нагнетающий клапан 2 закрывается, а всасы-

103

Индикаторная (опытная) диаграмма, показанная на рисунке 4.23, б),

отличается от теоретической ещё и отклонениями давления от pо и pк. Воз-

никающая разность ( pо и pк) называется декомпрессией, соответствен-

но, в испарителе и конденсаторе. Декомпрессия служит для создания дополнительный напора на преодоление сопротивления всасывающего и на-

гнетательного клапанов. Объёмы Vc1 и Vc2 вместе с Vc образуют неисполь-

зованное пространство, что понижает эффективность работы компрессора. Работа компрессора l, необходимая для повышения потенциала хладагента и сброса теплоты в окружающую среду, эквивалентна, как известно из термодинамики, площади цикла в координатах p-V. Очевидно, что её действительное значение больше теоретического. Интегральную оценку потерь в реальном компрессоре, связанных с наличием в нём вредного пространства, даёт коэффициент подачи , который представляет собой отношение фактической подачи компрессора (фактически всасываемых компрессором паров) Vп.к к геометрическому объёму, описываемому

поршнем Vh, т. е. к теоретическому объёму всасывания, доли единицы:

= Vп.к /Vh < 1.

Этот коэффициент зависит от величины вредного пространства, степе-

ни сжатия pк/pо, типа компрессора, величины изношенности деталей поршня, клапанов и др. Обычно коэффициент подачи компрессора определяют опытным путём или рассчитывают, доли единицы:

= п v;

где п – коэффициент потерь от подогрева компрессора, доли единицы;

v – коэффициент объёмных потерь, доли единицы.

п То ;

Тк

105

где То – абсолютная температура кипения хладагента, К; Тк – абсолютная температура конденсации хладагента; pо – давление кипения хладагента в испарителе, МПа; pк – давление конденсации хладагента в конденсаторе,

МПа; pо – потеря напора при всасывании хладагента компрессором,

МПа; pк – то же, при нагнетании хладагента в конденсатор, МПа; с –

величина относительного вредного пространства, доли единицы.

Величины pо, pк, с – конструктивные характеристики конкретного компрессора.

Геометрический объём, описываемый поршнями компрессора, можно определить, м3/ч:

Vh 60 D2 h n z,

4

где D – диаметр цилиндра, м; h – ход поршня, м; n – частота вращения ва-

ла компрессора, об/мин; z – количество цилиндров.

Тогда при известных Vh и можно рассчитать действительную по-

дачу компрессора Vп.к, м3/c:

Vп.к = Vh .

К другим основным параметрам компрессора относятся холодопроиз-

водительность Qo, и потребляемая мощность Nд. Под холодопроизводительностью компрессора понимается холодопроизводительность установки, в составе которой работает этот компрессор, кВт:

Qo Vп.к qv Vh qо ,

3600 3600v1

где qv – теоретическая объёмная холодопроизводительность 1 кг хладаген-

та, м3/ч; v1 – удельный объём хладагента при всасывании компрессором

(см. прил. Л).

Поскольку коэффициент подачи компрессора и другие величины при изменениях режима работы не остаются постоянными, то и холодо-

106

производительность будет зависеть от режима (в особенности от температур tо, tк, t1 и t2).

Понижение температуры кипения tо и, следовательно, давления в ис-

парителе po связано с заметным уменьшением холодопроизводительности компрессора вследствие убывания qo и увеличения удельного объёма заса-

сываемого пара v1. Кроме того, с понижением давления кипения увеличи-

вается отношение рк/ро (степень сжатия) и соответственно уменьшается коэффициент подачи компрессора . В целом при понижении to на 1°С хо-

лодопроизводительность одноступенчатых холодильных машин резко уменьшается – на 4...6 %.

С повышением температуры конденсации на 1°С холодопроизводительность одноступенчатой установки также снижается (на 1,0...1,5 %), так как уменьшаются qo и вследствие увеличения давления конденсации.

Следовательно, превышение параметров холодильной машины за пределы паспортных (номинальных) значений верхнего и нижнего давлений (а значит, и температур фазовых переходов) чревато заметным понижением её холодопроизводительности.

Мощность, потребляемую компрессором в сложившихся условиях, находят как теоретическую по холодопроизводительности машины

Nт = Qo/ ,

учитывая при этом её увеличение в связи с дополнительными потерями: энергетическими, гидравлическими, механическими (на трение в сопрягающихся элементах).

Особенности поршневых компрессоров

Достоинства (в сравнении с компрессорами других типов):

–небольшие значения массы, габаритов и потребляемой энергии;

–способность работать с высоким отношением давлений в одной сту-

пени;

–допускают разные холодильные агенты.

Недостатки:

–большой износ движущихся частей;

–невысокая надёжность;

107

–унос масла из системы смазки компрессора в контур хладагента, что ухудшает теплопередачу в конденсаторе и испарителе.

Классификация:

–по областям применения – стационарные и транспортные;

–по холодопроизводительности – малые (до 12 кВт), средние (от 12 до 120 кВт), крупные (свыше 120 кВт);

–по числу ступеней сжатия – одноступенчатые, двухступенчатые, многоступенчатые;

–по числу цилиндров – одно-, двух-, восьми- и многоцилиндровые.

–по расположению осей цилиндров – вертикальные, горизонтальные, V-образные и веерообразные;

–по направлению движения хладагента в цилиндре компрессора – прямоточные и непрямоточные.

Конденсаторы

В конденсаторах за счёт отвода теплоты в окружающую среду (потоком наружного воздуха или воды) происходит переход паров хладагента в сжиженное состояние при определённых значениях рк и tк.

Воздушные конденсаторы применяются во всех холодильных установках рефрижераторного подвижного состава и в стационарных установках малой и средней производительности. Наглядный пример такой холодильной машины – бытовой холодильник с отводом теплоты в режиме свободной конвекции. Конденсатор с принудительным охлаждением (рисунок 4.24) представляет собой систему параллельно включённых труб, объединённых коллекторами на входе (раздающим) и выходе (собирающим). Запитываемые от них трубы (алюминиевые, медные или стальные) имеют, как правило, оребрение с целью интенсификации теплопередачи.

Конденсаторы с водяным охлаждением получили наибольшее распро-

странение в стационарных установках средней и большой производительности. На железнодорожном транспорте такие конденсаторы применяли в аммиачных паровых компрессионных холодильных машинах с централизованной выработкой холода. Типичный кожухотрубный конденсатор с горизонтальным расположением охлаждающих труб представлен на рисунке 4.25. Пары хладагента подаются сверху в пространство корпуса между кожухом и трубами, внутри которых протекает вода. Находят применение конденсаторы других типов: вертикальные кожухотрубные, оросительные и т. д.

108

ивыходе из конденсатора, °С; в – плотность воздуха, в = 1.2 кг/ кг/м3; i1

иi2 – удельное теплосодержание воздуха на входе и выходе конденсатора.

Испарители

Испарители – теплообменные аппараты, в которых происходит кипе-

ние хладагента (при низких значениях to и po) за счёт тепла, воспринимаемого от воздуха грузового помещения рефрижераторного транспортного модуля или холодоносителя.

Испарители для охлаждения рассола по конструкции подобны гори-

зонтальным кожухотрубным конденсаторам. Жидкий хладагент поступает в межтрубное пространство снизу. Здесь он кипит, забирая теплоту у рассола, принудительно циркулирующего в трубах благодаря напору, развиваемому циркуляционным насосом. Образующиеся пары отсасываются компрессором из верхней части кожуха.

В испарителях-воздухоохладителях движение воздуха также принуди-

тельное – с помощью вентиляторов-циркуляторов. Трубы таких испарителей имеют оребрение, но в отличие от воздушных конденсаторов шаг между рёбрами значительно больше из-за опасности, связанной с выпадением инея (снеговой «шубы») при охлаждении влажного воздуха. Иней снижает коэффициент теплопередачи и увеличивает гидравлическое сопротивление движению воздуха. Поэтому необходима периодическая оттайка труб такого испарителя с помощью паров горячего хладагента, отводимых после компрессора, или специального электрообогревателя.

Расчёт испарителей проводят по тем же формулам, что и конденсаторов, но с учётом конкретных значений входящих в них величин.

Переохладители

Переохладители (они же могут быть одновременно и перегревателями)

– регенеративные теплообменные аппараты типа «труба в трубе». Внутри трубы малого диаметра протекает жидкий хладагент после конденсатора (горячий), а в межтрубном пространстве движутся холодные пары после испарителя. При этом температура жидкости понижается, а паров – увеличивается, что является желательным результатом (повышается холодопроизводительность установки, улучшается работа компрессора и ТРВ). Переохладители применяются в некоторых холодильных машинах с фреоновым хладагентом, например, в пятивагонных рефрижераторных секциях.

110

Вспомогательные аппараты

Вспомогательные аппараты обеспечивают длительную и безопасную работу установки, облегчают регулирование рабочих процессов, повышают экономичность её работы. К вспомогательным аппаратам относятся, например:

–ресиверы – сосуды, в которых хранится запас жидкого хладагента. Они предназначены для разгрузки конденсаторов от жидкого хладагента и создания его равномерного потока к регулирующему вентилю;

–маслоотделители – устройства очистки паров хладагента от смазочного масла после компрессора для предотвращения выпадения масла на стенках труб и ухудшения теплопередачи в теплообменных аппаратах (конденсаторе и испарителе);

–маслосборники – ёмкости для сбора уловленного масла, откуда оно направляется на утилизацию.

4.6 Автоматизация работы холодильных установок

Системы автоматизации работы холодильных машин

Автоматизация работы холодильных машин в зависимости от выполняемых функций подразделяется на системы:

–регулирования, поддерживающие заданное значение регулируемой величины (температуры, давления, количества хладагента и др.);

–защиты, т. е для выключения установки при чрезмерном отклонении параметров режима её работы;

–сигнализации, т. е. для включения визуального или (и) звукового сигнала при нарушении режима работы холодильной установки;

–контроля, когда необходимо контролировать какие-либо режимные параметры работы холодильной машины.

В зависимости от привода в действие системы автоматизации бывают

электрические, пневматические и комбинированные, а по принципу действия – позиционные и непрерывные.

Система автоматического регулирования холодильной установки позволяет обеспечить заданный температурный режим для перевозимого груза без участия обслуживающего персонала.

Системой автоматизации называют совокупность объекта автоматизации и автоматических устройств, позволяющих управлять работой этого объекта без участия персонала. Объектом автоматизации могут быть холо-

111

дильная установка в целом либо отдельные её агрегаты, узлы, аппараты и т. д. Системы автоматизации могут быть замкнутыми и разомкнутыми.

Замкнутая система состоит из объекта (Об) и автоматического устройства (А), которые соединены между собой прямой (ПС) и обратной (ОС) связями, которые показаны на рисунке 4.26. По прямой связи к объекту подводится входное воздействие х, по обратной – выходная величина У, которые воздействуют на А. Система ОС работает по отклонению фактической величины У от заданного значения Уз.

Рисунок 4.26 – Замкнутая система автоматизации

Если назначение системы – поддерживать величину у около заданного значения при изменениях внешнего воздействия fвн, то такую систему называют системой автоматического регулирования (САР), а автоматическое устройство – автоматическим регулятором (АР). Функциональная система САР показана на рисунке 4.27.

Рисунок 4.27 – Функциональная схема системы автоматического регулирования (САР)

112