5. Циклы и принципиальные схемы парожидкостных многоступенчатых холодильных машин

5.1. Причины перехода к многоступенчатым процессам сжатия и дросселирования

При понижении температуры испарения Т₀  снижается давление Р₀, а при повышении температуры конденсации Т_к – увеличивается давление Р_к. В итоге увеличивается степень повышения давления в компрессоре и разность давлений Р_к-Р₀. Увеличение степени повышения давления в ступени приводит к следующим отрицательным явлениям:

1) снижается коэффициент подачи компрессора, а следовательно, уменьшается его КПД и производительность;

2) растет температура нагнетания в компрессоре, что может вызвать пригорание или самовозгорание масла, температурные деформации и т.п.;

3) возрастают поршневые усилия, т.е. нужны электродвигатели с большим моментом вращения. Это ведет к удорожанию установки;

4) увеличивается работа сжатия паров ХА, а следовательно, растут энергозатраты в компрессоре;

5) растут потери дросселирования ХА и уменьшается холодопроизводительность цикла q₀.

Иллюстрация указанных процессов в цикле приведена на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Изменение цикла ХМ при увеличении температуры конденсации и снижении температуры кипения

Если перейти от одноступенчатого сжатия к двухступенчатому, то цикл ХМ трансформируется, как это видно на рис. 5.2.

Преимущества перехода на многоступенчатое сжатие:

1) уменьшаются степени повышения в ступенях компрессора

где z – число ступеней, _к – общая степень повышения давления в компрессоре. Это ведет к росту коэффициента подачи, т.е. возрастают КПД и производительность компрессора;

Рис. 5.2. Трансформация цикла ХМ: 1-2-3-4-1 – одноступенчатый цикл; 1-5-6-7-3-8-9-10-1 – цикл с двухступенчатым сжатием и двухступенчатым дросселированием

Преимущества перехода на многоступенчатое сжатие:

1) уменьшаются степени повышения в ступенях компрессора

где z – число ступеней, _к – общая степень повышения давления в компрессоре. Это ведет к росту коэффициента подачи, т.е. возрастают КПД и производительность компрессора;

2) уменьшается работа сжатия на величину l_к (см. рис.5.2);

3) снижается температура нагнетания ХА Т₇Т₂;

4) появляется возможность получения холода 2-х температур в одной установке. Это увеличивает экономичность холодильной машины и станции в целом.

Схемы двухступенчатых ХМ отличаются большим разнообразием. Они различаются числом ступеней дросселирования, способами промежуточного охлаждения ХА между ступенями сжатия, типами промежуточных сосудов и др. У каждой схемы свои достоинства и недостатки. Более подробно смотри, например, [3]. Для примера рассмотрим некоторые наиболее типичные схемы.

5.2. Схема и цикл двухступенчатой хм с однократным дросселированием и с неполным промежуточным охлаждением паров ха

Схема и рабочий цикл такой установки приведен на рис. 5.3.

Под действием теплоты теплоотдатчика (ХН) q₀ в испарителе кипит хладагент (как правило, в межтрубном пространстве) при температуре Т₀ и давлении Р₀. В точке 1 – сухой насыщенный пар, который отсасывается компрессором низкого давления I. Дальнейшие процессы:

Под действием теплоты теплоотдатчика (ХН) q₀ в испарителе кипит хладагент (как правило, в межтрубном пространстве) при температуре Т₀ и давлении Р₀. В точке 1 – сухой насыщенный пар, который отсасывается компрессором низкого давления I. Дальнейшие процессы:

Рис.5.3. Схема и цикл двухступенчатой компрессорной ХМ с однократным дросселированием:

I – компрессор низкого давления (1-я ступень, КНД); II - промежуточный охладитель; III – компрессор высокого давления (2-я ступень, КВД); IV – конденсатор; V – промежуточный сосуд со змеевиком; VI – дроссель (основной); VII – испаритель; VIII – дроссель (для подпитки промсосуда)

1-2 – сжатие паров хладагента в КНД. Работа сжатия ;

2-3 – промежуточное охлаждение ХА в теплообменнике (водой, воздухом). Теплота охлаждения q_охл=i₃-i₂;

3-4 – дополнительное охлаждение ХА за счет подмешивания насыщенных паров из промежуточного сосуда с параметрами Т_пр и Р_пр. Энтальпия потока в т.4 определяется из уравнения баланса G₃i₃+G₉i₉=(G₃+G₉)i₄;

4-5 – сжатие паров ХА в КВД. Работа сжатия ;

5-6 – конденсация паров ХА в конденсаторе за счет отвода теплоты q_к в окружающую среду. Теплота конденсации q_к=i₅-i₆;

6-7 – охлаждение конденсата ХА в змеевике промежуточного сосуда кипящим хладагентом в сосуде. Величина недоохлаждения до температуры кипения Т_пр составляет обычно 3-5 К;

7-8 – дросселирование (i₇=i₈);

8-1 – кипение ХА в испарителе. При этом холодопроизводительность цикла определяется разностью q₀=i₁-i₈. Цикл замкнулся.

Так как точка 4, которая характеризует параметры пара после смешения насыщенного пара (т.9) с перегретым (т.3), всегда будет находиться в области перегретого пара, то такую схему поэтому и называют – ХМ с неполным промежуточным охлаждением.

На "переохлаждение" ХА в змеевике расходуется часть конденсата, но эти затраты окупаются снижением работы компрессора и увеличением холодопроизводительности ХМ в целом. Из-за подмешивания паров промежуточного сосуда к основному потоку ХА производительность компрессора высокого давления всегда должна быть больше производительности КНД.

Регулирующее устройство с помощью подпитывающего дросселя VIII поддерживает постоянный уровень ХА в промежуточном сосуде.

В двухступенчатых ХМ со змеевиковым промежуточным сосудом в качестве рабочего вещества чаще всего применяется аммиак.