3.2.2. Принципиальная схема и цикл аммиачной холодильной машины с отделителем жидкости

Они изображены на рис. 3.6.

Рис. 3.6.  Принципиальная схема и цикл холодильной машины с отделителем жидкости: I– компрессор;II– конденсатор; ІІІ – линейный ресивер,IV– дроссельный вентиль;V– отделитель жидкости;VI– испаритель

Компрессор Iотбирает пары аммиака из испарителяVI, сжимает их (адиабатический процесс 1', 2) и нагнетает в конденсаторII. При сжатии пара повышаются параметры его состояния. В конденсаторе при помощи охлаждающей воды, либо воздуха происходит охлаждение пара и его конденсация при температуре несколько выше температуры окружающей среды (изобарные процессы 2, 3 и 3, 4, соответственно). Образовавшийся в процессе конденсации жидкий аммиак хранится в линейном ресивереIII. Отсюда жидкость поступает на дросселирование, когда проходит через дроссельный вентиль (РВ)IV.

Процесс дросселирования 4, 5 (i = const) условно изобразим сплошной линией, хотя ранее упоминалось, что этот процесс – необратимый, и, строго говоря, не может быть изображен в термодинамическойT,s-диаграмме. В процессе дросселирования давление и температура аммиака понижаются отP_к,t_кдоР₀,t₀, соответственно.

Образовавшаяся при дросселировании смесь пара и жидкости (состояние 5) проходит через отделитель жидкости (ОЖ) V, где происходит их разделение: более легкий пар собирается в верхней части ОЖ и через всасывающую линию возвращается в компрессор. Более тяжелая жидкость из нижней части ОЖ направляется в испаритель, где происходит ее кипение при постоянныхР₀иt₀(процесс 5, 1). Образовавшийся при кипении пар через ОЖ поступает во всасывающую линию компрессора (при этом он может перегреться в трубопроводе 1, 1') и цикл повторяется. Если по каким-либо причинам жидкий аммиак не полностью выкипит в испарителе, то в компрессор он все равно не попадет, т.к. будет отделен в ОЖ и снова вернётся в испаритель. Таким образом, ОЖ защищает компрессор от режима “влажного хода”.

Рис. 3.7.  Цикл с отделителем жидкости в lg P, i – диаграмме

Холодильный коэффициент цикла холодильной машины с отделителем жидкости можно вычислить как. При этом удобно пользоватьсяlgP,i-диаграммой для аммиака, т.к. значения энтальпий в соответствующих точках можно снимать с диаграммы с максимально возможной точностью. Цикл, изображенный на рис. 3.6, вlgP,i– координатах будет выглядеть следующим образом (рис. 3.7). Отметим, что в рассмотренной холодильной машине поддерживается только два давления –Р₀иР_к. От РВ, испарителя и до компрессора аммиак находится при низком давленииР₀(эту часть машины называют стороной низкого давления), а от компрессора, конденсатора и до РВ – при высоком давленииР_к(сторона высокого давления).

3.2.3. Принципиальная схема и цикл фреоновой холодильной машины с регенеративным теплообменником

Оптимальным циклом для холодильных машин, работающих на фреонах, является цикл с регенерацией тепла. Идея цикла заключается в глубоком переохлаждении жидкого агента перед дросселированием (что, как мы убедились ранее, приводит к увеличению холодильного коэффициента) за счет холодопроизводительности обратного потока пара, образовавшегося в испарителе холодильной машины. Процесс обмена теплотой между жидкостью и паром обычно осуществляют в специально включенном в схему теплообменном аппарате – регенеративном теплообменнике (РТО). Отсюда и иногда употребляемое название цикла – регенеративный (рис. 3.8).

Большинство процессов этого цикла аналогичны процессам, изображенным на рис. 3.6. Исключение составляют процессы перегрева пара 1,1'и переохлаждения жидкого агента 4, 4',которые протекают в РТО.

Имея в виду то, что количество теплоты, полученное паром в процессе его перегрева, должно быть равным количеству тепла, отведенному от жидкости, можно записать уравнение теплового баланса РТО ІІІ:

,

или, помня, что процессы 1, 1'и 4, 4'изобарные,

. (3.3)

Рис. 3.8.  Принципиальная схема и цикл фреоновой холодильной машины с РТО: I – компрессор, II – конденсатор, III – РТО, IV – РВ, V – испаритель

Уравнение (3.3) необходимо использовать при тепловом расчете цикла фреоновой холодильной машины. Холодильный коэффициент цикла с РТО может быть записан аналогично предыдущему случаю:

.

При рассмотрении цикла с РТО может возникнуть вопрос, в каких случаях целесообразно его использовать. Для ответа на этот вопрос сопоставим его с циклом без регенерации. Холодильный коэффициент цикла без регенерации можно записать как =q₀ / l.

При наличии в схеме РТО имеет место переохлаждение жидкого агента, что приводит к увеличению удельной холодопроизводительности на величину q₀(заштрихованная площадь), и, соответствующему увеличению работы циклаl. Холодильный коэффициент такого цикла можно записать:

,

т.е. .

Следовательно, регенерация целесообразна в случае, когда соблюдаетсяусловиеq₀/q₀>l/l. Выполнимость этого условия зависит от термодинамических свойств используемого в цикле холодильного агента, в частности, от угла наклона к правой пограничной кривой изобар перегретого пара. Для большинства хладонов в области низких температур регенерация практически выгодна. Для аммиака – нет. Кроме того, следует иметь в виду, что использование регенеративного теплообмена в цикле холодильной машины приводит к увеличению температуры конца сжатия (точка 2). У фреонов она невелика, а у аммиака нередко превышает 150С, что приводит к ухудшению эксплуатационных показателей компрессора. С этих позиций также противопоказано введение регенерации в цикл аммиачной холодильной машины и нет препятствий для ее применения в циклах фреоновых холодильных машин. По такому циклу сегодня работают практически все холодильные машины малой мощности..

Количественной характеристикой качества реального цикла одноступенчатой холодильной машины может служить степень его термодинамического совершенства:

,

где _к– холодильный коэффициент цикла Карно,.

Для хладона R134a, например, регенерация приводит к увеличению холодильного коэффициента. В некоторых случаях целесообразно перегревать пары фреона в РТО на 30...40С, что, в соответствии с уравнением (3.3), может привести к существенному снижению температуры жидкости перед РВ.

Цикл с регенерацией тепла в lgP,i– диаграмме приведен на рис. 3.9.

Рис. 3.9. Цикл с регенерацией тепла

Расчет циклов компрессорных одноступенчатых холодильных машин удобно выполнять с помощью lg P, і – диаграммы. Исходными данными к такому расчету являются температуры кипенияt₀, конденсацииt_к, и всасыванияt_вспара на входе в компрессор (точка 1'). Расчет ведется в следующей последовательности (холодильный агентR134а,t₀= минус 10С,t_к = плюс 40C,t_вс= плюс 20C):

1.  В диаграмме наносят горизонтальные линии t₀иt_к и определяют термодинамические параметры точек 1, 3 и 4 (рис. 3.9.). ПараметрыR134а рекомендуется внести в таблицу, составленную по приведенной ниже форме.

Поскольку перечисленные выше узловые точки цикла лежат на правой и левой пограничных кривых, для достижения большей точности, их параметры можно заимствовать и из таблиц свойств R134а в состоянии насыщения.

	t, С	Р, МПа	v, м3/кг	і, кДж/кг	s, кДж/кгград
1	минус 10	0,20	0,10	385	1,73
1'	20	0,20	0,12	417	1,83
2	75	0,103	0,025	458	1,83
3	40	0,103	0,02	418	1,71
4	40	0,103	–	255	–
4'	27	0,103	–	223	–
5	минус 10	0,20	–	223	–

2.  На правой пограничной кривой находят изотерму, соответствующую t_вс и определяют положение точки 1'на пересечении изотермыt_вси изобарыР₀.

3.  На пересечении адиабаты (s= const), проходящей через точку 1'и изобарыР_к, находят параметры точки 2.

4.  Составляют уравнение теплового баланса РТО (3.3) и рассчитывают значение i_4':

== 255 – (417 – 385) = 223 кДж/кг.

По значениям иР_кнаходят точку 4'и по диаграмме – значение.

5.  Из точки 4'опускают перпендикуляр до пересечения с изобаройР₀и на пересечении этих линий – параметры точки 5.

6.  Определяют удельную массовую холодопроизводительность:

кДж/кг.

7.  Определяют удельную работу сжатия:

= = 458 – 417 = 41 кДж/кг.

8.  Определяют холодильный коэффициент цикла холодильной машины:

.

9.  Определяют удельную тепловую нагрузку на конденсатор:

458 – 255 = 203 кДж/кг.

10.  Определяют степень термодинамического совершенства цикла холодильной машины:

.

где _к– холодильный коэффициент обратного цикла Карно в заданном интервале температур,_к = Т₀ / (Т_к – Т₀)= 6,58.