4.5 Реальные паровые компрессионные холодильные машины

Одноступенчатая паровая компрессионная холодильная машина. В этой холодильной машине вместо расширителя применён терморегулирующий (дросселирующий) вентиль (ТРВ), а процесс адиабатического сжатия хладагента осуществляется в области сухого (чаще перегретого) пара. Принципиальная схема такой холодильной машины показана на рис. 4.15.

Контур рабочего тела замкнут и герметичен. В нём циркулирует определённое количество хладагента, который в испарителе и конденсаторе изменяет своё агрегатное состояние.

В испарителе жидкий хладагент кипит за счёт теплоты q_о, отводимой от охлаждаемого груза. При этом его давлениеp_онеизменно вследствие материального баланса процессов образования пара из жидкости и его отсоса компрессором. Неизменна и температура кипения хладагентаt_о. Она ниже температуры грузаt_гна некоторую экономически оправданную величину, °C:t_о = t_г – (10...12).

Компрессор засасывает и сжимает пары хладагента до высокого давления p_к, разогревая их за счёт затраты механической энергииl. Он может быть поршневым, лопаточным, винтовым и т.д. Горячий пар отдаёт теплотуq = q_о + lво внешнюю среду в конденсаторе, сохраняя в процессе сжижения постоянные значенияp_киt_к. При этом температура конденсации паров хладагента всегда выше температуры окружающей средыt_ндаже в наиболее тяжёлых условиях максимумов наружных температур, °C:t_к = t_н + (12...15).

Рис. 4.15 — Принципиальная схема реальной одноступенчатой паровой компрессионной холодильной машины

Жидкий хладагент далее снижает своё давление и температуру до значений p_оиt_ов терморегулирующем вентиле (ТРВ), частично при этом испаряясь. Полный же переход жидкости в пар происходит в испарителе. Этим самым начинается новый цикл в непрерывном процессе работы холодильной машины.

На рис. 4.16 показана Т,s-диаграмма рабочего цикла реальной одноступенчатой паровой компрессионной холодильной машины. Здесь наглядно просматриваются адиабатные (1–2, 3–4) и изотермические (4 –1'и 2'–3')процессы. Однако наибольшее распространение получила диаграмма с координатамиlog p-i(рис. 4.17). Удобство диаграммы состоит в том, что отрезки по осиiмежду характерными точками цикла определяют изменение состояния хладагента под действием соответствующего количества внешней теплоты или механической энергии. Логарифмическая шкала давлений применяется для удобства пользования диаграммой из-за многократных изменений давления в цикле.

На диаграмме показаны две пограничные кривые сухости паров хладагента:=0 и=1, которые соответствуют линиям кипения и конденсации паров. Обе пограничные линии вверху диаграммы сходятся в критической точке. Левая пограничная кривая отделяет область влажного пара от области переохлаждённой жидкости, а правая – от области перегретого пара.

Рис. 4.16 — Т,s-диаграмма рабочего цикла одноступенчатой паровой компрессионной холодильной машины

Рабочий цикл машины представлен на Т,sиp,i-диаграммах следующими термодинамическими процессами:

– 4–1'— изотермический (он же изобарический) процесс кипения паров хладагента в испарителе;

– 1'–1— изобарический перегрев паров в испарителе;

– 1–2— адиабатическое сжатие паров хладагента в компрессоре;

– 2–2'— изобарическое охлаждение перегретых паров хладагента в конденсаторе до температуры конденсации;

– 2'–3'— изотермический (он же изобарический) процесс конденсации паров хладагента в конденсаторе;

– 3'–3— изобарическое переохлаждение жидкого хладагента в конденсаторе;

– 3–4— изоэнтальпный процесс дросселирования жидкого хладагента в терморегулирующем вентиле (ТРВ).

Рис. 4.17 —  p,i-диаграмма рабочего цикла одноступенчатой паровой компрессионной холодильной машины

В схему одноступенчатой паровой компрессионной холодильной машины могут включаться дополнительные элементы, повышающие надёжность работы основных её узлов:

– перегреватель пара или отделитель жидкости перед компрессором, которые обеспечивают защиту компрессора от эрозионных явлений;

– переохладитель жидкости, исключающий присутствие в потоке пузырьков пара, которые снижают устойчивость рабочего процесса в дросселирующем вентиле;

– ресивер-сосуд для хранения жидкого хладагента при консервации или транспортировке машины;

– фильтр или грязеуловитель, очищающий хладагент от примесей, ухудшающих его термодинамические свойства;

– прессостат-терморегулятор для поддержания нужного давления хладагента в испарителе машины;

– термостаты систем защиты, сигнализации, автоматического регулирования процессов;

– электромагнитные вентили и обратные клапаны на трубопроводах.

Построение и расчёт холодильного цикла одноступенчатой паровой компрессионной холодильной машины. Для построения обратных холодильных циклов и определения значений параметров хладагента в любой точке замкнутого контура холодильной машины используют различные диаграммы состояния:p-v,T-s,p-i.

Обычно построение и расчёт процессов цикла холодильной машины осуществляют с помощью lg p,i-диаграммы, показанной на рис. 4.18. Рабочее поле (фон) диаграммыlgp-iсодержит линии фиксированных дискретных значений термодинамических параметров:t=const(изотермы),p=const(изобары), v=const (изохоры),s =const(адиабаты),i=const(изоэнтальпы).

Рис. 4.18 —  p,i-диаграмма теоретического и рабочего (действительного) цикла одноступенчатой паровой компрессионной холодильной машины

Определяющую роль на диаграмме играют две пограничные кривые: левая линия характеризует состояние насыщенной жидкости (на ней паросодержание =0), а правая – состояние сухого насыщенного пара (=1). Между пограничными кривыми сухости влажного пара находится область кипения (область влажного пара), заполненная также кривыми, обозначающими промежуточные значения сухости влажного пара(=const).

Для рабочего холодильного цикла (контур 1–2–3–4 показан на рис. 4.18 зелёным цветом), в отличие от теоретического (показан там же красным цветом), характерно, что компрессор всасывает из испарителя не сухой насыщенный пар с параметрами p_оиt₀, а перегретый (точка 1). Перегрев пара происходит в испарителе, трубопроводе или специальном теплообменнике. Пары хладагента адиабатически (по линииs=const) сжимаются до давления в конденсатореp_к(процесс 1–2) и при этом нагреваются за счёт механической энергии (работы) до температурыt₂(перегрев сжатия — точка 2).

Горячие пары хладагента по трубопроводу нагнетаются компрессором в конденсатор, где у них при постоянном давлении p_ксначала снимается перегрев (процесс 2–2’), а затем начинается их конденсация при постоянных давленииp_ки температуреt_к. Завершается конденсация в точке 3’; при этом хладагент сбрасывает энергию в окружающую среду (атмосферному воздуху или охлаждающей воде).

Жидкий хладагент переохлаждается в конденсаторе или специальном теплообменнике (процесс 3'–3) для гарантии полного отсутствия пузырьков пара перед регулирующим вентилем и увеличения полезной холодопроизводительности.

Далее жидкий хладагент поступает в терморегулирующий вентиль, где его давление снижается от высокого p_кдо низкогоp_о(изоэнтальпный процесс дросселирования 3–4); В конечной точке расширения устанавливается температураt₀, а часть жидкости превращается в пар. Полученная парожидкостная смесь направляется в испаритель, где жидкий хладагент кипит при постоянныхp_ои t₀(изобарный и одновременно изотермический процесс 4–1), отнимая теплоту от охлаждаемого объекта (воздуха грузового помещения или рассола). Образующиеся 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 холодоносителя. Чем ниже надо получить температуру в охлаждаемом объекте, тем ниже должно быть давление в испарителе.

Следует отметить, что в рабочем холодильном цикле в испарителе и конденсаторе давление несколько снижается вследствие потерь напора на трение хладагента о стенки труб, поэтому процесс сжатия паров в компрессоре требует большей затраты работы.

Исходными данными для построения на диаграмме состояний холодильного цикла одноступенчатой паровой компрессионной холодильной машины являются:

– температура кипения хладагента в испарителе — t₀;

– температура конденсации хладагента в конденсаторе — t_к;

– температура всасывания паров хладагента в компрессор — t₁;

– температура переохлаждения хладагента перед ТРВ — t₃.

Построение цикла начинают с нанесения изобар p_о=constиp_к=const, отвечающих изотермамt₀иt_кв области кипения. В местах пересечения изобарp_оиp_кс пограничными кривыми=0 и=1 получаем точки 1’, 2’, 3’и 4’. Точка 1’соответствует завершению процесса кипения хладагента в испарителе, точки 2’и 3’– соответственно началу и завершению конденсации хладагента в конденсаторе, а точка 4’ – началу частичного кипения жидкого хладагента при дросселировании его в терморегулирующем вентиле.

На пересечении изотермы t₁с изобаройp_ов области перегретого пара получаем точку 1 цикла, из которой проводим адиабатуs_1-2до пересечения с изобаройp_к. Таким образом получаем точку 2 цикла. Точку 3 получают на пересечении изотермыt₃с изобаройp_кв области переохлаждённой жидкости, а точку 4 – на пересечении перпендикуляра, опущенного из точки 3, с изобаройp_о.

После построения холодильного цикла переходят к его расчёту. Целью расчёта цикла является определение величины подачи компрессора и тепловой нагрузки конденсатора при заранее известной потребной холодопроизводительности машины.

Сначала по диаграмме состояний определяют удельное теплосодержание хладагента в точках 1, 2, 3 и 4 (i₁, i₂, i₃, i₄) и основные показатели цикла:

– удельную массовую холодопроизводительность q₀, кДж/кг;

– удельную работу l, затрачиваемую компрессором на сжатие, кДж/кг;

– удельную нагрузку на конденсатор q_к, кДж/кг;

– холодильный коэффициент  .

q₀ =i₁ – i₄,

q_к =i₂ – i₃ = q₀ + l,

.

Затем определяют величину подачи компрессора V_п.к, м³/с, которая определяет конструктивную реализацию компрессора:

,

где Q₀— заданная потребная холодопроизводительность машины, кВт; v₁— удельный объём паров хладагента при всасывании компрессором (определяется по диаграмме состояний), м³/кг.

Потребная мощность компрессора, кВт:

N_к =Q₀ / .

Тепловая нагрузка на конденсатор, т.е. количество теплоты, отводимое от хладагента в конденсаторе в единицу времени:

.

Приведённая схема расчёта справедлива для теоретических, рабочих, стандартных или моделированных циклов при соответствующих значениях t₀, t_к,t₁, t₂ иt₃.

Двухступенчатая паровая компрессионная холодильная машина. Мощность одноступенчатой холодильной машины позволяет получить температуру в охлаждаемой среде до минус 20°C при максимальных значениях температуры наружного воздуха 35°С. Во многих случаях требуется обеспечивать в грузовых помещениях транспортных и складских рефрижераторных модулях более низкие температуры или эксплуатировать их при очень высоких наружных температурах. К тому же одноступенчатая холодильная машина эффективно работает при отношениях давлений конденсации и кипения хладагентар_к/р_о 8.

Для получения температур кипения хладагента ниже минус 30°С или для отвода тепла в окружающую среду, имеющую очень высокую температуру, необходимо соответственно понизить р_оили повыситьр_к, т.е. ещё больше увеличить отношениер_к/р_о. Отмеченное обусловливает применение многоступенчатых машин. Коэффициентмногоступенчатой холодильной машины может достигать более высоких значений за счёт введения охлаждения пара между ступенями, что приводит к снижению его удельного объёма и, следовательно, затрат механической энергии на сжатие.

Двухступенчатое сжатие можно осуществить либо в двух отдельных компрессорах (низкого и высокого давления), либо в одном двухступенчатом компрессоре с цилиндрами низкого и высокого давления. В зависимости от степени охлаждения паров хладагента после первой ступени различают три схемы: с полным (до состояния насыщения) и неполным промежуточным охлаждением, а также без промежуточного охлаждения. На рисунке 4.19 рассмотрена принципиальная схема работы двухступенчатой холодильной машины с фреоновым хладагентом и полным промежуточным охлаждением. Эта машина получила наибольшее распространение в НХЦ. Она может переключаться в режим одноступенчатого сжатия.

1, 2, 3, 4 — точки характеризующие термодинамические процессы теоретического цикла Карно в элементах двухступенчатой холодильной машины по р, i –диаграмме; КНД — компрессор низкого давления; КВД — компрессор высокого давления; И — испаритель; ПС — промежуточный сосуд; К — конденсатор; ТРВН — терморегулирующий вентиль низкой ступени; ТРВВ — то же, высокой ступени; ЗВ₁,ЗВ₂, ЗВ₃, ЗВ₄ — запорный вентили для переключения системы в режим одноступенчатого сжатия

Рис. 4.19 — принципиальная схема реальной двухступенчатой паровой компрессионной холодильной машины

На рис. 4.19 легко выделить две взаимосвязанные (областью промежуточного давления) холодильные машины. В контуре низкого давления 1–2–7–8 пары хладагента из испарителя отсасываются компрессором низкого давления (КНД) и сжимаются до промежуточного давления p_пр. Перегретые пары направляются в промежуточный сосуд (ПС), где конденсируются при прямом контакте (барботаже) с жидким хладагентом, имеющим температуруt_пр. Далее при прохождении терморегулирующего вентиля низкой ступени (ТРВН) давление и температура жидкости снижаются доp_оиt_о, затем в испарителе хладагент кипит, забирая теплоту от охлаждаемого воздуха.

В контуре высокого давления 3–4–5–6 роль испарителя выполняет промежуточный сосуд, где сосредоточено некоторое количество жидкого хладагента, кипящего при давлении p_прза счёт теплоты перегрева паров в контуре 1–2–7–8. В промежуточном сосуде происходит гравитационная сепарация жидкой и газообразной фаз вещества с образованием уровня. Компрессор высокого давления (КВД) отсасывает пары из верхней части сосуда, сжимает до давленияp_к, одновременно разогревая их до высокой температуры t_к, достаточной для самопроизвольного сброса теплоты цикла в окружающую среду.

Сжиженный в конденсаторе высокого давления хладагент далее проходит через терморегулирующий (дросселирующий) вентиль ТРВВ, где его параметры снижаются до значений p_пр,t_пр. Контур 3–4–5–6 замыкается на промежуточном сосуде, входящем также в состав контура 1–2–7–8.

Верхнее p_ки нижнееp_одавления определяются, также как и в одноконтурной схеме, требуемыми значениями температур конденсацииt_ки кипенияt_о. Промежуточное же давление может быть произвольным, но его оптимальное значение находится из условия равенства степеней сжатия в компрессорах низкого и высокого давления, т.е.

.

Для придания гибкости при изменении условий работы в схеме устанавливают систему запорных вентилей. Так при работе с двухступенчатым сжатием вентили ЗВ₁и ЗВ₄на обводных линиях закрыты, а остальные открыты. В случае необходимости схема допускает переход на одноступенчатый режим, для чего вентили ЗВ₂и ЗВ₃закрывают, а остальные открывают, отключая промежуточный сосуд и компрессор высокого давления.

Рабочий цикл машиныпредставлен наp,i-диаграмме (рисунок 4.20) следующими термодинамическими процессами:

– 8–1'— изотермический (он же изобарический) процесс кипения паров хладагента в испарителе;

– 1'–1— изобарический перегрев паров в испарителе;

– 1–2— адиабатическое сжатие паров хладагента в компрессоре низкого давления;

– 2–3— изобарическое снятие перегрева паров хладагента в промежуточном сосуде;

– 3–4— адиабатическое сжатие насыщенного пара, отсасываемого из промежуточного сосуда компрессором высокого давления;

– 4–4' — изобарическое охлаждение перегретых паров хладагента в конденсаторе до температуры конденсации;

– 4'–5'— изотермический (он же изобарический) процесс конденсации паров хладагента в конденсаторе;

– 5'–5— изобарическое переохлаждение жидкого хладагента в конденсаторе;

– 5–6— изоэнтальпный процесс дросселирования жидкого хладагента в терморегулирующем вентиле высокой ступени (ТРВВ);

– 3–6— изотермический (он же изобарический) процесс испарения потока хладагента, циркулирующего в контуре высокого давления, за счёт снятия перегрева и конденсации паров контура низкого давления, протекающий в промежуточном сосуде;

– 6–7— отделение жидкости от пара в промежуточном сосуде;

– 7–8— изоэнтальпный процесс дросселирования жидкого хладагента в терморегулирующем вентиле низкой ступени (ТРВН).

Рисунок 4.20 —  p,i-диаграмма рабочего цикла двухступенчатой паровой компрессионной холодильной машины

Тепловой балансдвухступенчатой паровой компрессионной холодильной машины имеет вид:

q_к = q_и + q_кнд + q_квд ,

где q_к — теплота, выделяемая хладагентом в конденсаторе; q_и — то же, потребляемая хладагентом в испарителе; q_кнд — работа компрессора низкого давления;q_квд — то же, высокого давления.

Переход на одноступенчатую схему приводит к следующим изменениям цикла холодильной машины:

– исчезают процессы 3–4 и 2–7;

– процесс сжатия протекает только в компрессоре низкого давления (КНД) по линии 1–10;

– процесс дросселирования жидкости протекает в терморегулирующем вентиле низкой ступени (ТРВН) по линии 5–9.

Из анализа T,s-диаграммы можно было бы наглядно установить величину экономии работы при двухступенчатом сжатии. На диаграммеlg p-i(рис. 2.19) виден и другой проигрыш одноступенчатой схемы – в холодопроизводительности (отрезок 1-8 больше, чем 1-9). Существенно снижается, при наличии промежуточного охлаждения, температура паров хладагента как на входе во вторую ступень, так и в конце работы сжатия, что упрощает проблему смазки трущихся частей компрессора. Как будет показано в дальнейшем, в схеме с промежуточным давлением заметно возрастает подача хладагента компрессором, что означает пропорциональное увеличение холодопроизводительности.

Число ступеней сжатия в холодильных машинах может быть больше двух. Выбор их числа основывается на технико-экономическом анализе.