1.7. Рабочий процесс паровой компрессорной холодильной машини

Принципиальная схема и термодинамический цикл. Обратньїй цикл Карно может бьіть реализован в паровой компрессорной машине с детандером (расширительная машина), работающей в области влаж-ного пара. В зтом случае изотермические процессь теплообмена обес-печивают зндотермическими фазовьми переходами (парообразова­

нием — кипением и конденсацией). Однако осуществить такой цикл в машине трудно из-за низкой удель-ной холодопроизводительности и вследствие необходимости сжатия в компрессорном агрегате влажно-го пара.

Принципиальная схема (рис. 1.9), положенная в основу работи со-временних парових компрессор-них машин, включает агрегат сжа-тия — компрессор К, теплообмен-ний аппарат — конденсатор КС, которий обеспечивает процесс передачи теплоти окружающей сре-де, теплообменний аппарат-испаритель И, осуществляющий отвод теплоти от охлаждаемих обьектов, чтоби поддерживать в холо­дильной камере температуру ниже температури окружающей сре-ди, а также дроссельний вентиль Д. Замена в схеме машини агре-гата расширения (детандера) дроссельним вентилем и, следователь-но, обратимого процесса расширения на необратимий процесс дросселирования связана с тем, что работа расширения жидкого рабочего тела в цикле паровой холодильной машини мала, а упро-щение конструкции в результате такой замени существенно.

Работа машини по приведенной схеме теоретически протекает следующим образом. Компрессор засасивает из испарителя рабо­чее тело в виде сухого насищенного пара с параметрами Р^, Т}, х = 1 и изоантропно сжимает его до давления Р_к, обеспечивающего требу-емую температуру конденсации Т_к, при которой осуществляют от­вод теплоти в конденсаторе, охлаждаемом наружним воздухом или водой. Перегретий в процессе сжатия пар рабочего тела охлажда-ют в конденсаторе при постоянном давлении, превращая его в жид-кость (х = 0). При атом в конденсаторе рабочее тело последователь-но отдает теплоту перегрева и парообразования.

В дроссельном вентиле в процессе дросселирования, т.е. при Н = СОП8І,

давление жидкости снижается до давления парообразования, с ко-торим жидкое рабочее тело поступает в испаритель. В результате подвода теплоти от охлаждаемих обьектов, которие находятся в холодильной камере, рабочее тело в испарителе закипает и испаря-ется до состояния сухого насьіщенного пара.

Термодинамический цикл, которому соответствует работа подобной машини, можно считать зталонньїм для паровьгх компрессорньгх машин; его изображение в диаграммах Т—£ и Р-к приведено на рис. 1.10. Пло­щадки, заштрихованньїе на Т—£ диаграмме (рис. 1.10 а), соответствуют удельной холодопроизводительности машиньї #о и удельной знергии І_ц, затрачиваемой на совершение цикла. Необратимьш процесс дросселиро-вания показан штриховой линией. Использование диаграммьі Р-к или Ідр-к (рис. 1.10, б) при анализе и расчете холодильньгх машин существенно упрощает определение показателей их работьі, так как пред-ставляет теплоту изобарньх процессов теплообмена и изознтропную ме-ханическую работу в виде разности координат, т.е. в виде отрезков, а не площадей, как зто имеет место при пользовании Т—£ диаграммой.

Зталонньїй цикл отличается от обратного цикла Карно наличи-ем необратимьх потерь от перегрева паров (величина, пропорцио-нальная площадке 2'-2-3'-2' на рис. 1.10, на которую возрастает удельная знергия) и дросселирования жидкого рабочего тела (пос­ледние приводят к снижению удельной холодопроизводительности на величину =Н₄ - Н₄'. Улучшить показатели аталонного цикла можно перегревом паров в испарителе и переохлаждения жидкости перед дроссельним вентилем, которое может бить осуществлено в самом конденсаторе или в специальном теплообменном аппарате (переохладителе).

Перегрев паров в ряде случаев не дает ощутимого аффекта, так как он обично проходит не в испарителе, а в магистрали между испарите-лем и компрессором (в трубопроводах и вспомогательних аппаратах).

Термодинамический цикл паровой холодильной машини в Т—5 диаграмме приведен на рис. 1.10, в. Процесс перегрева паров в испа­рителе соответствует линии 1-1, а переохлаждение жидкости — ли-нии 3'-3; с достаточной для практических целей точностью изобар-ний процесс переохлаждения заменен отводом теплоти по нижней пограничной кривой.

Процесс переохлаждения жидкости перед дроссельним вентилем, (ТРВ) направленний на снижение потерь от дросселирования (ре-генерация), можно осуществить в специальном теплообменном ап-парате (регенераторе) паром, виходящим из испарителя. Схема хо­лодильной машини с регенерацией приведена на рис. 1.11, где Р-регенератор. Внутренняя регенерация не устраняет необратимость от процесса дросселирования, а лишь приводит к замене одного нео-братимого процесса другим. Зффективность регенерации, как и дру-

гих теплотехнических мероприятий, а применения в холодильной машине за-висят от теплофизических свойств ра-бочего тела, определяющих относитель-ное влияние необратимих потерь на анергетические показатели — удельную холодопроизводительность цикла и ве­личину холодильного коаффициента.

Введение регенератора в схему хо-лодильной машини с поршневим ком-прессором помимо улучшения анерге-тических показателей цикла в резуль­тате перегрева паров способствует за­

также целесообразность их

щите компрессора от гидравлического удара, которий может воз-никнуть вследствие попадания в цилиндр жидкого рабочего тела или смазочного масла.

Действительньїй цикл. Показатели действительного цикла учи-тивают влияние потерь, визванних внешней и внутренней необра-тимостью процессов, обеспечивающих работу холодильной маши­ни. Холодильний коаффициент действительного цикла в виде его приближения к циклу Карно при заданних значениях граничних температур Т₀ и Т_к может бить представлен виражением

^{є _ єк^0 _ ЄкТЦЛ2Л3Л4, (1.13)}

где П0 — коаффициент относительного совершенства действи- тельного цикла; Ц3, Ц4, — коаффициенти влияния необрати- мих потерь цикла на аффективность холодильной машини.

Внешняя необратимость цикла обусловлена тем, что процесси теплообмена в теплообменних аппаратах машини проходят не при температуре самих источников теплоти и даже не при бесконечно малой, а при конечной разности температур между рабочим телом и источником теплоти. Кроме того, в реальних условиях протека-ния процессов теплообмена внешняя необратимость усиливается нестационарностью режима работи, приводящей к изменению тем­ператури источников. Потери от внешней необратимости зависят от теплофизических свойств рабочего тела и теплоносителя (воз-дух, вода, рассол), а также условий теплообмена, связанних с кон-струкцией теплообменного аппарата. Коаффициент относительно-го влияния внешней необратимости на аффективность действитель-ного цикла может бить представлен в виде

^Ц1 = ^[(Токр^/Т0^{) - 1]/}[^(Тк^/Ткип^{) -} Ч- ^(1.14)

где Т_окр — температура окружающей среди; Т_кип — температу­ра кипения рабочего тела.

Внутренняя необратимость цикла визвана перегревом паров рабочего тела при сжатии и дросселированием жидкости. Потери от атих процессов определяют теплофизические свойства рабочего тела (степень его термодинамического совершенства) и характер теплотехнических мероприятий по их снижению (перегрев паров в испарителе, переохлаждение жидкости перед дроссельним венти­лем, внутренняя регенерация и т.д.). Относительное влияние зтих факторов на зффективность холодильной машиньї оценивают ко-зффициентами Г|2 и П3. Первьій из них отражает термодинамичес-кое совершенство рабочего тела, а второй — влияние дополнитель-ньіх потерь, вьізванньїх теплотехническими мероприятиями, исполь-зованньїми в цикле. Козффициент термодинамического совершен-ства равен:

^П2 = ^Пп ' V ^(1.15)

где п_п и п_др — козффициентьі необратиммх потерь от перегрева паров при сжатии и дросселирования жидкости соответственно.

Потери от перегрева в основном определяют значения теплоемкос-ти насьіщенного и перегретого пара. Снижение зтих потерь обеспечи-вают использованием рабочего тела с крутьм протеканием верхней пограничной кривой. Потери от дросселирования зависят от теплоем-кости жидкости и удельной теплоть ее парообразования. Снижение таких потерь достигают вьбором рабочего тела с крутьм протекани-ем нижней пограничной кривой. Во всех случаях для заданньїх темпе-ратурньїх условий работьі холодильной машинш (температур охлаж-дения и окружающей средь ) рабочее тело следует вьбирать с таким расчетом, чтобь термодинамический цикл проходил при температу­рах, существенно отличающихся от критической температурь .

Для каждого рабочего тела, используемого в паровой холодиль-ной машине, имеет место обратная пропорциональность между нео-братимьми потерями, которье определяют термодинамическое со-вершенство зтого тела. Вьбор теплотехнических мероприятий по повьшению зффективности цикла подчиняют принципу минимума общей величинь потерь от перегрева и дросселирования. Взаимную связь между составляющими оценивают критерием:

^х(1.16)

где г₀ — удельная теплота парообразования рабочего тела при температуре Г₀; #о — удельная массовая холодопроизводительность рабочего тела.

При использовании в машине рабочего тела с низким значени-ем критериях, когда преобладает влияние потерь от дросселиро-вания, в цикл целесообразно вводить внутреннюю регенерацию.

При вьісоком значении % (что соответствует преобладанию потерь от перегрева) необходимо интенсивно отводить теплоту в процес-се повьшения давления. В последнем случае наибольшую зффек-тивность обеспечивает система теплотехнических мероприятий, по-зволяющих осуществить обратимьй процесс сжатия: сначала по изознтропе до достижения давления, соответствующего темпера-туре конденсации, а далее — по изотерме, т.е. теоретически при температуре окружающей средьі. На рис. 1.10, а и б такому про-цессу соответствуют линии 1—2'—3'.

Помимо потерь от перегрева паров и дросселирования жид-кости, внутреннюю необратимость холодильного цикла вьзьва-ют потери, обусловленнье трением рабочего тела при его про-хождении по конструктивньм злементам машинь (компрессоре, теплообменньх аппаратах, магистралях), а также потери от нео-братимости процессов внутреннего теплообмена, нестационар-ньх режимов работь и т.д. Влияние перечисленньх факторов на зффективность цикла учитьівают козффициентом гц, отражаю-щим относительное конструктивное совершенство машинь и ус-ловия ее зксплуатации. Зтот козффициент обьічно определяют по зкспериментальньм характеристикам соответствующих зле-ментов холодильной машинь .

Тепловой расчет термодинамического цикла. Расчет предусмат-ривает определение количества рабочего тела (массового и обьем-ного расхода), обеспечивающего требуемую холодопроизводитель-ность #о в соответствии с заданньїми температурами внешних ис-точников, т.е. с видом охлаждаемого обьекта, режимом работьі машиньї и внешними климатическими условиями. В обьем расчета входит также определение количества теплоть , отводимой в цикле (тепловая нагрузка конденсатора и переохладителя), а также основ-ньх показателей знергетической зффективности.

Расчет ведут при установившемся режиме работьі, т.е. при по-стоянной температуре источников теплоть и неизменном расходе вьбранного рабочего тела. Основнье параметрь цикла — давле-ние кипения (парообразования) и конденсации рабочего тела Ро и Р_к находят для заданной температурьі испарения ТО (температура в холодильной камере) и температурьі конденсации Т_к (температура окружающей средь ) по таблицам или диаграммам с учетом осо­бенности теплообмена у внешних источников теплоти. Так, если отвод теплоти в конденсаторе производят воздухом, то разность температур в процессе теплообмена АТ_к = (10 20) К, при исполь-зовании для атой цели води АТ_к = (5 8) К; в том случае, когда охлаждаемой средой служит воздух, разность температур в процес-се теплообмена в испарителе АТ₀ = 10 К, при охлаждении жидкого теплоносителя — рассола = (5 8) К. Для жидкости разность между температурой кипения и конденсации принимают в преде-лах (5 ■ 8) К, для воздуха — порядка 10К.

Параметри в характерних точках цикла определяют с учетом рекомендаций по величине переохлаждения жидкости перед дрос-сельним вентилем и перегрева паров на входе в компрессор в зави-симости от теплофизических свойств рабочего тела. При атом пе-реохлаждение обично видерживают в пределах (2 ■ 4) К, а пере-грев — на уровне (5 ■ 10) К.

Удельная массовая холодопроизводительность машини

#0 =^Нх ^{- (1.17)}

где ^1 и ^4 — антальпия рабочего тела в соответствующих точ­ках цикла (рис. 1.10, в).

Массовий расход рабочего тела, обеспечивающий требуемую холодопроизводительность,

°* = ^^ #0^. (1.18)

Обьем паров рабочего тела на входе в компрессор

^Уа = ^{^}^^V1^, (1.19)

где \>1 — удельний обьем паров на входе в компрессор (в точке 1 цикла). Удельная обьемная холодопроизводительность машини

Ч\ = #0 (1.20)

Теоретическая удельная работа компрессора, приходящаяся на единицу масси (расхода) рабочего тела:

/к = *2 - ^к1 • ^(1.21)

Теоретическая мощность компрессора

= 6 ^/,^. (1.22)

Степень повьшения давления рабочего тела в компрессоре, оп-ределяющая его тип и конструкцию:

в = Р/Р₀. (1.23)

Холодильньїй козффициент термодинамического цикла

Єт= ?Л = = (Н - ^/(^ - Ю. (1.24)

Количество теплоть , отводимой от рабочего тела в конденсато­ре (тепловая нагрузка на конденсатор):

⁰к = Є.⁽*2 ^- = 00 + ^ =⁽Єт + ¹⁾Є0^/Єт^{. (1.25)}

Количество теплоть , отводимой от рабочего тела при фреохлаж-дении (тепловая нагрузка на переохладитель):

Для цикла с регенерацией (рис. 1.11) удельная холодопроизво-дительность машиньї;

?„_Р =*/ - К ^(1.27)

Рабочее тело в точке 1 представляет собой сухой насьіщенньїй пар либо перегретьій на (2—3) К. Состояние рабочего тела в точке 3 определяют по тепловому балансу регенератора:

Н_з - Н₃^//= Н₁ - А/. (1.28)

Перегрев на всасьвании в компрессоре для цикла с регенераци-ей составляет около 20 К.