Хладотранспорт Учебное пособие

2. Теоретические основы искусственного охлаждения...

На диаграмме T–S все величины (работа l, количество теплоты q) выражаются площадями, что для расчетов неудобно, так как их нужно замерять планиметром. Для упрощения расчетов целесообразней использовать теоретический цикл в координатах P–i, так как эти величины определяются проекцией процессов на ось теплосодержания i.

Цель расчета теоретического цикла состоит в определении основных параметров элементов холодильной машины (компрессора, конденсатора, испарителя) с последующим подбором элементов.

Исходными данными для расчета холодильной машины являются:

–холодопроизводительность машины Q0, которая устанавливается на основе расчетов теплопритоков в охлаждаемое помещение (склад, вагон);

–температура кипения холодильного агента t0 – принимается в зависимости от режима хранения продукта (она должна быть несколько ниже, чем температура, при которой должен храниться продукт);

–температура конденсации tк – принимается в зависимости от района размещения проектируемого объекта по климатической карте для наиболее жаркого времени (она должна быть несколько выше температуры окружающей среды);

–холодильный агент, используемый в проектируемой машине. По заданным температурам t0 и tк, используя диаграмму lgP–i, оп-

ределяют соответствующие им давления, температуры кипения P0 и конденсации Pк. Затем по температурам и давлениям строят цикл на диаграмме lgP–i (см. рис. 2.11), т. е. находят параметры хладагента в характерных точках 1, 2, 3 и 4. Далее производят расчет в следующей последовательности.

Определяется удельная холодопроизводительность одного килограмма хладагента q0 (в кДж/кг), т. е. сколько энергии отнимает от охлаждаемого тела один килограмм хладагента в испарителе за один цикл: q0 = i1 – i4.

Теоретическая работа, затрачиваемая в компрессоре на сжатие 1 кг хладагента за один цикл, кДж/кг: l = i2 – i1.

Тепло, отданное 1 кг хладагента окружающей среде за один цикл в конденсаторе, кДж/кг: qк = i2 – i3.

Количество холодильного агента Gx, кг/ч, циркулирующего в сис-

теме: G = 3,6Q0 , где 3,6 – коэффициент перевода Вт в кДж/ч.

x q0

51

ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЙ ХЛАДОТРАНСПОРТ

Потребляемая теоретическая мощность компрессора, Вт:

NТ = Gx l . 3,6

Тепловая нагрузка на конденсатор, Вт: Qк = Gкxq . 3,6

Тепловая нагрузка на испаритель, Вт: Q0 = Gxq0 . 3,6

Вся холодопроизводительность компрессора реализуется через испаритель.

Зная тепловые нагрузки на испаритель и конденсатор, возможно рассчитать соответствующие площади.

Это уравнение теплотехники имеет вид:

Таким образом производится принципиальный расчет основных элементов холодильной машины.

2.6. КОМПРЕССОРЫ

Компрессором называется машина для сжатия газов со степенью повышения давления более 1,1. Если степень повышения меньше 1,1, то этот компрессор называется вентилятором. В паровой компрессионной машине компрессор является наиболее сложным элементом, с помощью которого отсасывается пар холодильного агента из испарителя, производится сжатие его и нагнетание в конденсатор. Отсасывая пар холодильного агента из испарителя, он поддерживает в нем требуемое давление и тем самым требуемую температуру кипения холодильного агента. При сжатии увеличивается внутренняя энергия холодильного агента, повышается его температура. Это обеспечивает передачу энергии в конденсаторе в окружающую среду.

По способу выполнения процесса сжатия компрессоры делятся на две группы:

1)объемного сжатия, в которых сжатие газа происходит за счет сокращения объема, где находится газ;

2)кинетического сжатия (инерционные), в которых сжатие происходит при принудительном движении газа.

52

2. Теоретические основы искусственного охлаждения...

К объемным компрессорам относятся ротационные, винтовые, спиральные, поршневые. Схемы ротационных, винтовых и спиральных компрессоров приведены на рис. 2.12, 2.13.

Принципиальная схема компрессоров второй группы приведена на рис. 2.14.

Рис. 2.12. Ротационные компрессоры

Рис. 2.13. Спиральный и винтовой компрессоры:

Рис. 2.14. Компрессоры инерционного сжатия:

1 – статор; 2 – рабочие лопатки; 3 – ротор; 4 – нагнетающий клапан

53

ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЙ ХЛАДОТРАНСПОРТ

Указанные выше компрессоры имеют ряд достоинств и используются в некоторых типах холодильных машин. Более широко в холодильных машинах используются поршневые компрессоры, которые классифицируются по многим признакам. По этим признакам маркируют компрессоры: по холодильному агенту – аммиачные – А, фреоновые Ф, углекислотные – У; по числу ступеней сжатия – одно- и двухступенчатые – Д; по характеру охлаждения – водяные, воздушные и парами холодильного агента; по числу цилиндров – одно-, двух- и многоцилиндровые; по расположению цилиндров – горизонтальные – Г, вертикальные – В, V-образные – V, W-образные – W, оппозитные – О (рис. 2.15); по характеру движения паров – прямоточные и непрямоточные; по области применения – стационарные и транспортные.

ж

Рис. 2.15. Классификация поршневых компрессоров по расположению цилиндров и принципу привода поршней:

а– горизонтальный; б – вертикальный; в – V-образный; г – W-образный;

д– оппозитный; е – бескрейцкопфный; ж – крейцкопфный

На железнодорожном транспорте широко распространены бескрейцкопфные компрессоры. Рассмотрим конструкционное устройство и принцип действия компрессора (рис. 2.16). В вертикальном прямоточном компрессоре за один оборот коленчатого вала 14 в каждом цилиндре совершается полный цикл: всасывание, сжатие, нагнетание и расширение. Всасывание паров холодильного агента сначала происходит в нижнюю всасывающую полость цилиндра 9, откуда при движении поршня 8 вниз через щели всасывающих клапанов 7, размещенных в верхней части, пары попадают в нагнетательную полость 6. Далее под давлением поршня через нагнетательный клапан 4, размещенный в ложной крышке 5, они проходят в верхнюю часть цилиндра 3 и поступают в нагнетательное окно. Следовательно, в полости цилиндра пары холодильного агента перемещаются прямоточно, что характеризует прямоточность компрессора. В результате уменьшается теплообмен между стенками цилиндра и парами, увеличивается коэффициент подачи компрессора. Между основной крышкой 1 и ложной

54

2. Теоретические основы искусственного охлаждения...

во, в котором остаются пары холодильного агента. При движении поршня вниз пары расширяются.

Давление их сравнивается с давлением в испарителе, после чего снова начинается процесс всасывания пара. Коленчатый вал 14, как правило, приводится во вращение электродвигателем. Движение от электродвигателя коленчатому валу передается через ременную или другие виды передач.

В большинстве случаев на транспорте применяют двух- и многоцилиндровые бескрейцкопфные холодильные компрессоры (табл. 2.3). Большое число цилиндров и их расположение уравновешивают силы инерции и позволяют увеличить число оборотов, что сокращает массу компрессора на единицу холодопроизводительности. Это те качества, которыми должны обладать наиболее современные конструкции транспортных компрессоров.

55

ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЙ ХЛАДОТРАНСПОРТ

2.7. РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС КОМПРЕССОРА

Теоретический и рабочий процессы компрессора в индикаторной диаграмме несколько различны. При построении теоретической индикаторной диаграммы (рис. 2.17, а) принимают, что началом движения поршня из левого крайнего положения в правое открывается всасывающий клапан и пар холодильного агента поступает в компрессор. Объем его цилиндра равен объему, который описывает поршень. Весь этот объем заполняется парами холодильного агента при постоянном давлении P0, равным давлению в испарителе. Кроме того, постоянными остаются температура и удельный объем паров. Линия а–1 изображает процесс всасывания. Заканчивается всасывание в тот момент, когда поршень достигает крайнего правого положения. Всасывающий клапан закрывается, и при обратном ходе поршня проис-

56

ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЙ ХЛАДОТРАНСПОРТ

Объем, описываемый поршнями компрессора, определяют по формуле, м3/ч:

V = πD2 Sn60Z = 47,1D2SnZ , 4

где D – диаметр цилиндра компрессора, м; S – ход поршня, м; n – частота вращения, об/мин; Z – число цилиндров.

Чтобы вычислить действительную холодопроизводительность компрессора, вводят ряд рабочих коэффициентов, которые отражают факторы, не учтенные в теоретическом цикле.

Коэффициент подачи λ представляет собой отношение объема всасываемых компрессором паров к геометрическому объему, опи-

сываемому поршнями: λ = V 1 .

Vh

Коэффициент подачи λ выражает также отношение действительной холодопроизводительности компрессора к теоретической. Он зависит от типа компрессора, его габаритов, класса изготовления, режима работы. Точное значение этого коэффициента определяют на основании данных испытаний при различных режимах работы. Коэффициент подачи можно предварительно оценить по формуле

С – коэффициент вредного пространства (для транспортных компрессоров С = 0,03–0,05); m – показатель политропы расширения среды, заключенной во вредном пространстве компрессора (0,9–1,1); λп – коэффициент подогрева, учитывающий снижение объемной производительности из-за теплообмена между рабочим агентом и стенками цилиндра, а также из-за сопротивления всасывающего клапана

компрессора: λп = Т0

Тк

снижение производительности из-за протекания рабочего агента из пространства с более высоким давлением в пространство с меньшим давлением, можно принимать равным 0,95–0,98.

Коэффициент подачи также определяется по соответствующим графикам или по справочным таблицам.

58

2. Теоретические основы искусственного охлаждения...

2.8. МОЩНОСТЬ КОМПРЕССОРА И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ

Теоретическую мощность, потребляемую компрессором, определяют при адиабатическом процессе сжатия, отсутствии неплотностей в клапанах и поршневых кольцах без учета вредного пространства, теплообмена, сопротивления в клапанах и трения:

Nтеор = G(i2 – i1),

где G – количество пара, сжимаемое за цикл, кг.

Действительная мощность Ni, потребляемая компрессором, больше теоретической. Ее находят по индикаторной диаграмме и называют индикаторной. Полную мощность, затрачиваемую на валу компрессора, называют эффективной Nэ и определяют с учетом механических потерь на преодоление сопротивления в движущихся частях.

Потери в компрессорах характеризуются энергетическими коэффициентами, которые позволяют установить соотношение между теоретической и индикаторной или эффективной мощностями.

Индикаторный КПД учитывает потери на 1 кг холодильного агента в действительном процессе компрессора по сравнению с теоретическим. Выражается он отношением теоретически необходимой работы к индикаторной:

η= Nтеор . i Ni

Величина индикаторного коэффициента зависит от интенсивности внутреннего теплообмена в компрессоре, депрессии при всасывании Р1 и нагнетании Р' (см. рис. 2.17). Интенсивность теплообмена зависит от степени сжатия и других факторов.

Механический КПД ηм учитывает потери на трение в движущихся частях компрессора и выражает отношение индикаторной мощности к эффективной, т. е. мощности, затрачиваемой на валу компрессора:

где Nтрен – мощность, затрачиваемая на преодоление трения,

Nтрен = Vρтрен,

59

ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЙ ХЛАДОТРАНСПОРТ

где ρтрен – удельное трение (для аммиачных машин 46–69 и для фреоно вых 39–59 кН/м2).

Потери на трение зависят от качества масла, правильности эксплуатации, нагрузки и т. д. Значение механического коэффициента колеблется в пределах 0,85–0,90. Полная, или эффективная, мощность компрессора:

N Nэ = η i .

м

Мощность электродвигателя определяется по формуле

Nэл = Nэ , ηр ηэл

где ηр – КПД передачи (0,96–0,99); ηэл – КПД электродвигателя (колеблется в пределах 0,8–0,9).

2.9. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХОЛОДОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ КОМПРЕССОРА

Холодопроизводительность компрессора и потребляемая мощность компрессора зависят от температуры кипения (t0), конденсации (tк), всасывания (tвс) и переохлаждения (tи). Поэтому машины сравнивают по холодопроизводительности при определенных температурных условиях, которые принято считать стандартными (табл. 2.4).

Рабочую холодопроизводительность Q0р получают при конкретных условиях работы, т. е. при заданном температурном режиме. Фактическая холодопроизводительность машины с учетом внешних потерь должна быть не выше той, которая необходима для испарителя. Существует понятие холодопроизводительность машины нетто (Q0н) и брутто (Q0бр) с учетом притока тепла в испарителе, трубопроводах, других элементах машины и т. д. Коэффициент потерь определяется по формуле

60