Хладотранспорт / 02-Студентам Хладотранспорт и доставка-2013-2 / 05-Доставка СПГ-ПЗ / ПЗ-6-Цикл ХМ / Цикл ХМ
.pdf
1). Перегрев пара происходит в испарителе и трубопроводе. Перегретые пары хладагента адиабатически (по линии s=const) сжимаются в конденса-
торе до давления pк (процесс 1–2) и при этом нагреваются за счёт механи-
ческой энергии (работы) до температуры t2 (перегрев сжатия – точка 2).
Рисунок 2 – lg p, i -диаграмма теоретического и рабочего циклов одноступенчатой паровой компрессионной холодильной машины
Горячие пары хладагента по трубопроводу нагнетаются компрессором в конденсатор, где у них при постоянном давлении pк сначала снимается перегрев (процесс 2–2'), а затем начинается их конденсация при постоян-
ных давлении pк и температуре tк. Завершается конденсация в точке 3'; при этом хладагент сбрасывает энергию в окружающую среду (атмосферному воздуху).
Жидкий хладагент переохлаждается в конденсаторе (процесс 3'–3) для гарантии полного отсутствия пузырьков пара перед регулирующим вентилем и увеличения полезной холодопроизводительности.
11
Далее жидкий хладагент поступает в терморегулирующий вентиль, где его давление снижается от высокого pк до низкого pо (изоэнтальпный процесс дросселирования 3–4); В конечной точке расширения устанавливается температура tо, а часть жидкости превращается в пар. Полученная парожидкостная смесь направляется в испаритель, где жидкий хладагент кипит при постоянных pо и tо (изобарный и одновременно изотермический процесс 4–1'), отнимая теплоту от охлаждаемого объекта (воздуха грузового помещения). Во избежание попадания жидкого хладагента в компрессор в испарителе производится некоторый их перегрев (процесс 1'–1). Перегретые пары хладагента отсасываются компрессором, и цикл повторяется.
Создавая в испарителе низкое давление, компрессор, таким образом, поддерживает непрерывное кипение хладагента в испарителе за счёт отвода теплоты от воздуха холодильной камеры. Чем ниже надо получить температуру в охлаждаемом объекте, тем ниже должно быть давление в испарителе.
Автоматизация работы испарителя
Одним из важных процессов управления холодильной машиной является автоматическое питание испарителя по перегреву пара и по уровню жидкости в испарителе. В качестве автоматического регулятора перегрева в основном применяют ТРВ с внутренним уравниванием давления ро (см.
рис. 3).
ТРВ установлен перед испарителем. В верхней части вентиля припаяна капиллярная трубка 7, соединяющая внутреннюю рабочую часть 6 вентиля с термобаллоном 8. Верхняя силовая часть вентиля герметична. Термобаллон плотно прикреплён к всасывающему трубопроводу, соединяющему испаритель с компрессором. Термобаллон, капилляр и пространство над мембраной при изготовлении вентиля заполняют строго дозированным количеством хладона. От донышка мембраны 5 вниз идёт шток 4 с запорным клапаном 3, который прижимается к седлу пружиной 2 с регулировочным винтом 1.
Принцип действия ТРВ основан на сравнении температуры кипения хладагента в испарителе с температурой выходящих из него паров. Сравнение производится преобразованием воспринимаемой термобаллоном температуры паров tс в соответствующее давление рс в силовой части прибора (см. рис. 3). Давление действует на мембрану сверху и стремится через шток открыть клапан 3 на большее проходное сечение. Такому пере12
мещению клапана препятствует давление кипения хладона в испарителе
ро, действующее на мембрану снизу, а также усилие пружины F и давле-
ние рк на клапан.
Рисунок 3 – Схема терморегулирующего вентиля с внутренним уравниванием:
1 – регулировочный винт; 2 – пружина; 3 – запорный клапан;4 – шток; 5 – донышко мембраны; 6 – силовая часть вентиля;7 – капиллярная трубка; 8 – термобаллон
При правильном заполнении испарителя температура паров на выходе из него не должна превышать 4…7°С. Для этого весь хладон, поданный через ТРВ в испаритель, должен выкипеть на участке от клапана 3 до точ-
ки А. Здесь температура хладона не изменяется и составляет tо. В последних витках испарителя от точки А до термобаллона хладон, продолжая воспринимать тепло от охлаждаемого помещения, перегревается до темпе-
ратуры tс tо. Температуру tс воспринимает термобаллон, и в силовой сис-
теме устанавливается давление рс. При равновесии рс = ро + F + рк происходит допустимо полное заполнение испарителя хладоном, и холодильная машина работает в оптимальном режиме.
Спонижением температуры в охлаждаемом помещении теплопритоки
киспарителю уменьшаются. Кипение хладагента в точке А не заканчивается, а продолжается до точки Б. Путь парообразного хладагента до тер-
13
мобаллона сокращается, и перегрев паров уменьшается. Термобаллон вос-
принимает более низкую температуру tс, и в силовой системе устанавлива-
ется меньшее значение рс. Под действием пружины клапан перемещается вверх, уменьшая проходное сечение вентиля и тем самым подачу хладагента в испаритель.
При меньшем количестве хладагента кипение его в испарителе заканчивается раньше, и перегрев принимает значение, близкое к первоначальному. Перемещение клапана вверх происходит до установления нового равновесия между снизившимся давлением и уменьшившимся сжатием пружины, т. е. рс = ро + F + рк. Перегрев паров в испарителе регулируют поджатием пружины 2 с помощью регулировочного винта 1.
Термобаллон 8, капилляр 7 и мембрана 5 (см. рис. 3) являются основными элементами манометрических приборов-термостатов, поэтому на рисунке 1 связь между ТРВ и испарителем обозначена как термостат.
Автоматическое поддержание температурного режима в холодильной камере
Для установления необходимого температурного режима в холодильной камере и автоматического поддержания его в заданных пределах служит прессостат-терморегулятор, устройство которого показано на рисунке 4.
Прессостат устанавливают на всасывающем трубопроводе между испарителем и компрессором. Он состоит из поршня 1, жёстко связанного с ним штока 2, пружины 4, рукоятки 5, двух электрических контактов: подвижного 6 и неподвижного 7.
Поршень находится в колене 3, соединённом со всасывающим трубо-
проводом 8. При давлении ро, большем, чем сила закручивания пружины 4, поршень находится в крайнем верхнем положении. При этом контакты 6 и 7 замкнуты. Компрессор включён и отсасывает пары хладона из испари-
теля. В процессе отсасывания паров давление ро понижается, становится меньше, чем сила закручивания пружины. Поршень с подвижным контактом перемещается в крайнее нижнее положение, компрессор выключается.
Вследствие продолжающегося кипения хладона в испарителе его удельный объём увеличивается, давление ро снова начнёт расти. Контакты 6 и 7 замкнутся, компрессор начнёт отсасывать пары хладона из испарителя. Цикл повторяется.
14
Рисунок 4 – Устройство прессостата:
1 – поршень; 2 – шток; 3 – колено; 4 – пружина; 5 – рукоятка; 6 – подвижный электрический контакт; 7 – неподвижный электрический контакт
Ход поршня ограничивается специальными упорами, которые могут регулироваться. Сила воздействия пружины на поршень регулируется рукояткой 5. При установке рукоятки в положение «холод» сила закручивания пружины уменьшается. Следовательно, в зоне испарителя установится меньшее давление ро, а значит, и пониженная температура кипения хладона.
В пункте «2 Построение и расчёт теоретического цикла фреоновой холодильной машины по заданным значениям опорных термодинамических параметров» необходимо:
–построить на прилагаемом к заданию бланке (lg p, i -диаграмма состояний Ф-12) теоретический цикл ХМ по заданным опорным точкам (пример 1);
–определить основные характеристики цикла (пример 2);
Построение холодильного цикла
Исходными данными для построения на диаграмме состояний фреона-
12теоретического цикла ХМ являются:
–давление хладона при всасывании в компрессор (tо), МПа;
–давление хладона при нагнетании в конденсатор (tк), МПа;
15
– температура всасывания перегретых паров хладона в компрессор (t1),
°С;
– температура переохлаждения жидкого хладона перед дросселирова-
нием, (t3), °С.
Построение цикла (см. рис. 2) начинают с нанесения изобар pо=const и pк =const, которые соответствуют изотермам tо и tк в области кипения и конденсации соответственно. В местах пересечения изобар pо и pк с погра-
ничными кривыми =0 и =1 определятся промежуточные точки (1', 2', 3' и 4') холодильного цикла. Точка (1') соответствует завершению процесса кипения хладона в испарителе, точки (2' и 3') – соответственно началу и завершению конденсации хладагента в конденсаторе, а точка (4') – началу частичного кипения жидкого хладона при дросселировании в ТРВ.
На пересечении изотермы t1 с изобарой pо в области перегретого пара получают опорную точку (1) цикла, из которой проводят адиабату s1-2 до пересечения с изобарой pк. Так получают опорную точку (2) цикла. Опор-
ные точки (3 и 4) цикла находят на пересечении изобар pк и pо с изоэнтальпой (перпендикуляром), проведённой из точки пересечения изотермы t3 с пограничной кривой = 0.
Пример 1
Построить теоретический цикл работы ХМ на диаграмме состояний фреона-12 в координатах lg p, i применительно к варианту задания «00».
На бланке состояний фреона-12 (рисунок 5) проводят изобары pо = = 0,1 МПа и pк = 0,8 МПа. В области влажного пара эти изобары совпада-
ют по направлению с изотермами tо = –30°С и tк = 32°С. На пересечении pо с пограничной кривой = 1 получают промежуточную точку (1') холодильного цикла, в которой заканчивается изотермический процесс кипения хладона в испарителе при tо = –30°С. На пересечении pк с пограничной кривой = 1 получают промежуточную точку (2') цикла, в которой начинается изотермический процесс конденсации хладона в конденсаторе при tк = 32°С, а на пересечении pк с пограничной кривой = 0 получают промежуточную точку (3') цикла, в которой заканчивается изотермический процесс конденсации хладона в конденсаторе при tк = 32°С.
Далее на пограничной кривой = 1 находят изотерму t1, соответст-
вующую заданной температуре всасывания хладона в компрессор (t1 = 16
= –20°С), и проводят её (штрихпунктирная параболическая линия за обла-
стью влажного пара) до пересечения с изобарой pо. Место пересечения помечают опорной точкой (1) цикла.
Далее из точки (1) проводят кривую линию, соответствующую по на-
правлению адиабате сжатия, до пересечения с изобарой pк. Место пересечения помечают опорной точкой (2) цикла.
Затем на пограничной кривой = 0 находят изотерму t3, соответствующую заданной температуре жидкого хладона перед дросселированием
(t3 = 10°С), и проводят через неё перпендикуляр, соответствующий изоэн-
тальпному процессу дросселирования жидкого хладона в ТРВ до пересе-
чения с изобарами pо и pк (в области жидкого хладона изоэнтальпа 3–4'
совпадает по направлению с изотермой t3 = 10°С). Места пересечения помечают соответственно опорными точками (3 и 4) цикла.
Полученная из опорных точек (1, 2, 3 и 4) фигура (см. рис. 5) представляет собой теоретический обратный цикл ХМ, соответствующий варианту задания «00».
Определение характеристик ходильного цикла
По диаграмме состояний (см. рис. 2, 5) определяют удельное теплосо-
держание хладагента (i1, i2, i3, i4) в опорных точках 1, 2, 3 и 4 холодильного цикла и основные показатели этого цикла:
– удельную массовую холодопроизводительность хладона, кДж/кг, которая соответствует удельному количеству теплоты, потреблённой хладоном в испарителе от охлаждаемой среды:
qо = i1 – i4; |
(1) |
– удельную работу, затрачиваемую компрессором на сжатие, кДж/кг:
l = i2 – i1; |
(2) |
– удельную нагрузку на конденсатор, кДж/кг, которая соответствует количеству удельной теплоты, выделяемой хладоном в конденсаторе в окружающую среду:
qк = i2 – i3 = qо + l; |
(3) |
17
18
Рисунок 5 – Теоретический цикл работы хладоновой холодильной машины по варианту задания «00» на диаграмме состояний хладона (фреон-12) в координатах lg p, i
– холодильный коэффициент теоретического цикла работы ХМ :
ξ |
qо |
; |
(4) |
|
l
– удельную объёмную холодопроизводительность хладона (qv), кДж/м3, которая соответствует объёмному количеству теплоты, потреблённой хладоном в испарителе от охлаждаемой среды:
qv = qо /v1, |
(5) |
где v1 – удельный объём хладона в точке (1) цикла (см. рис. 2, 5).
Пример 2
Определить характеристики теоретического цикла работы ХМ применительно к варианту задания «00» (см. рис. 5).
Сначала проектируют опорные точки цикла на ось энтальпий и полу-
чают: i1= 545 кДж/кг, i2 = 583 кДж/кг, i3,4 = 410 кДж/кг. |
|
|
Затем по формулам |
(1–5) определяют показатели цикла: qо = 545 – |
|
– 410 = 135 (кДж/кг); |
l= 583 – 545 = 38 (кДж/кг); |
qк = 583 – 410 = |
= 173 (кДж/кг); = 135 : 38 = 3,55, qv = 545 : 0,165 = 3300 (кДж/ м3).
Пункт «3 Расчёт холодопроизводительности машины» выполняют в следующей последовательности.
Сначала по формуле (6) определяют объём, описываемый поршнем
(поршнями) компрессора (Vh), м3/ч (пример 3). Затем по формуле (7) рас-
считывают коэффициент подачи компрессора ( ), доли ед. (пример 4); по-
том по формулам (10–11) – холодопроизводительность машины (Qo) и теоретическую мощность, потребляемую компрессором на сжатие хладо-
на, (Nт), кВт (пример 5).
Пример 3
Определить геометрический объём, описываемый поршнями компрессора применительно к варианту задания «00».
Геометрический объём, описываемый поршнями компрессора, можно
определить, м3/ч: |
|
|
|
|
|
D2 |
|
||
Vh 60 |
|
h n z, |
(6) |
|
4 |
||||
|
|
|
||
19
где D – диаметр цилиндра, D = 0,1 м; h– ход поршня, h = 0,1 м; n – часто-
та вращения вала компрессора, n = 1000 об/мин; z – количество цилиндров, z = 1.
Тогда Vh 60 0,12 0,1 1000 1 47,12 (м3/ч). 4
Пример 4
Определить коэффициент подачи компрессора применительно к варианту задания «00».
Коэффициент подачи компрессора определяют опытным путём или рассчитывают, доли ед.:
= п v; |
(7) |
где п – коэффициент потерь от подогрева компрессора (формула 8), доли единицы; v – коэффициент объёмных потерь (формула 9), доли ед.
|
|
п |
То |
; |
|
|
|
|
(8) |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
Тк |
|
|
|
|
|
|
|
ро ро |
|
|
|
|
|
pо pо |
|
|
|
v |
с( |
pк |
pк |
|
), |
(9) |
||||
|
|
|
|
|||||||
|
ро |
|
|
pо |
|
|
pо |
|
||
где То – абсолютная температура кипения хладона, То = 273 – 30 =243 (К);
Тк – абсолютная температура конденсации хладона, Тк = 273 + 32 = = 305 (К); pо – давление кипения хладона, pо = 0,10 (МПа); pк – давление конденсации хладона, pк = 0,80 МПа; pо – потеря напора при всасывании хладона компрессором, pо = 0,005 МПа; pк – то же, при нагнетании хладона в конденсатор, pк = 0,01 МПа; с – величина относительного вредного (мёртвого) пространства под крышкой поршня, с = 0,04 доли ед.
Величины pо, pк, с – конструктивные характеристики конкретного типа компрессора. Во всех вариантах индивидуальных заданий их принимают одинаковыми.
Тогда, в рассматриваемом примере:
п = 243 : 305 = 0,80;
20