1.Тепловой расчет цикла

Целью теплового расчета холодильной машины является определение объемной производительности компрессора.

Исходными величинами для теплового расчета действительного цикла являются:

Холодопроизводительность Qо, кВт
Температура:
Кипения, То
Конденсации, Тк
Рабочее вещество

После определения р₀ по Т₀, р_к по Т_к, а также р_н и р_вс цикл вписывается в тепловую диаграмму. Наиболее распространенными являются диаграммы s-T и Lg P-h.

Вписывание цикла в диаграмму удобно начать с нанесения линии t₀ = °C, которая в области влажного пара совпадает с линией давления P₀= МПа. На пересечении этой линии с правой пограничной кривой лежит точка 1^///, характеризующая состояние сухого насыщен­ного пара (конец процесса кипения). Затем этот пар перегревается в испарителе или трубопроводе на пути в компрессор. Перегрев про­текает по изобаре р₀, которая в области перегретого пара изобра­жается в h-lgP -диаграмме горизонтальной прямой линией, в s-T -диаграмме — восходящей кривой, на конце которой дано значение абсолютного давления. Давление р₀ проще и точнее можно опреде­лить по таблице насыщенных паров (см. приложение 1).

Состояние пара, поступающего в компрессор, характеризуется точкой 1, лежащей в области перегретого пара на пересечении изо­бары Р_вс= МПа с изотермой, соответствующей заданной температуре пара, всасываемого компрессором, t_BC ° С. Изотермы в области перегретого пара изображаются в h-lgP -диаграмме сплошными спадающими кривыми, а в s-T -диаграмме — горизон­тальными прямыми.

Состояние пара в конце сжатия характеризуется точкой 2, кото­рая находится на пересечении адиабаты s₁ =s₂ кДж/(кг-К), про­ходящей через точку 2, с изобарой P н, соответствующей температуре нагнетания t_н= °С. Затем из точки 2 по спадающей изотерме до пересечения с изобарой Р_к. В области влажного пара изо­бара р_к=___ МПа совпадает с изотермой t_К=____°С, а в области перегретого пара изображается (аналогично р₀) горизон­тальной линией в h- lgP-диаграмме и восходящей кривой в s-T-диаграмме.

точка 3-на левой пограничной кривой и характеризует состояние насыщенной жидкости (окончание конденсации).

Состояние переохлажденной жидкости в диаграммах характе­ризуется точкой 3^/, лежащей в области жидкости на пересечении изо­бары р_к с изотермой, которая соответствует заданной температуре переохлаждения t_п = ° С. В s-T-диаграмме изобары в области жид­кости сливаются с левой пограничной кривой, поэтому практически состояние переохлажденной жидкости (точка 3^/) в этой диаграмме находится на пересечении изотермы t_П = °С с левой пограничной кривой.

Состояние холодильного агента после дросселирования (точка 4) находится на пересечении изоэнтальпы t₃^/ = кДж/кг, проходя­щей через точку 3^/_} с изобарой P₀= МПа (или с изотермой t₀= ° С).

По диаграмме можно найти для любой точки цикла пять пара­метров, кроме удельного объема жидкости в точках 3 и 3'. Удель­ный объем насыщенной и переохлажденной жидкости определяют только по таблицам насыщенных паров.

Термодинамические диаграммы — не единственный источник для определения параметров холодильного агента. Проще и точнее можно определить параметры по таблицам насыщенных и перегре­тых паров соответствующих холодильных агентов.

По таблицам насыщенных паров определяют давления р₀ и рк, а также все другие параметры точек, расположенных на погранич­ных кривых (1^///; З) т. е. параметры сухого насыщенного пара и насыщенной жидкости, по температурам t₀ = ___° С и t_К= °С. По этим же таблицам определяют и параметры переохлажденной жид­кости (точка 3^/) по температуре t_П = °С. При этом нужно помнить, что давление в точке 3 не соответствует указанному в таблице, оно равно давлению р_к.

По таблицам перегретых паров находят параметры точек 1^///,1^//,1 и 2^/,2, находящихся в области перегретого пара. Точки в области перегре­того пара характеризуются любыми двумя параметрами. Так, по давлению р=р_вс = МПа и температуре t=t_BC= ° С находят другие три параметра (v, h и s) точки 1.

Параметры точки 2 находят по дав­лению р_н= МПа и энтропии s=s₁= кДж/(кг-К).

Параметры точки 4 по таблицам не определяют. Однако в про­цессе 3^/-4 энтальпия постоянна, т. е.t₃^/=t₄, a h₃^/ берется из таблиц насыщенных паров.

Давление P_вс отличается от давле­ния кипения Р₀ на значение гидравлических потерь при дви­жении рабочего вещества от испарителя до всасывающего пат­рубка компрессора. Этим значением либо задаются в зависимос­ти от реальной схемы, либо его рассчитывают. Давление нагнета­ния Р_н также зависит от гидравлических потерь в трубопроводе и теплообменнике.

Цикл работы холодильной машины в диаграмме Lg P-h изображен на рисунке 1.

Рисунок 1- Действительный цикл одноступенчатой холодильной машины в h-P диаграмме.

где 1^/-1- потери давления во всасывающем клапане;

1^//-1^/- перегрев пара в электродвигателе;

1^//-1^///-перегрев пара в регенеративном теплообменнике;

2-2^/- потери давления в нагнетательном клапане;

3-3^/- переохлаждение пара в регенеративном теплообменнике;

Рабочее вещество поступает в компрессор в состоянии перегретого пара при температуре T₁, тогда

Т₁ = Т₀+ Т_ВС (1.1)

Где Т₀ – температура кипения ;

Т_ВС- перегрев пара на всасывании в компрессор;

Перегрев пара на всасывании в компрессор принимается:

Т_ВС = ( ) – для аммиачных холодильных машин, работающих без регенеративного теплообменника.

Т_ВС = ( ) – для фреоновых холодильных машин, работающих без регенеративного теплообменника и с регенеративным теплообменником.

T_1’ - T_1’’ = 10К – перегрев пара в электродвигателе.

Для холодидьных машин, работающих без регенеративного теплообменника, переохлаждение пара составляет 3 5К.

Для определения параметров жидкости на выходе из регенеративного теплообменника (точка 3’) воспользуемся тепловым балансом регенеративного теплообменника.

, кДж/кг (1.2)

Значение параметров узловых точек теоретического цикла холодильной машины сводим в таблицу.

Таблица 1 Параметры узловых точек.

Параметры	Узловые точки
	1	1lll	1ll	1l	2	2l	3	3l	4
Р, МПа
h, кДж/кг
Т, К
, м3/кг

Удельная холодопроизводительность:

- при перегреве в регенеративном теплообменнике:

, кДж/кг; (1.3)

- при перегреве в испарителе (во всасывающем трубопроводе):

, кДж/кг. (1.4)

Удельная теплота конденсации:

q_K = h₂ – h₃^/ – для аммиачных и фреоновых холодильных машин, работающих без регенеративного теплообменника;

q_K = h₂ – h₃ – для фреоновых холодильных машин, работающих с регенеративным теплообменником.

Действительная массовая производительность:

, кг/с (1.5)

Действительная объемная производительность:

, м³/с (1.6)

Требуемая теоретическая объемная производительность компрессора

, м³/с (1.7)

где λ_п – коэффициент подачи

, (1.8)

где - коэффициент, зависящий от наличия «мертвого» объема:

, (1.9)

где с – относительный «мёртвый» объём:

=(0,02…0,05); (1.10)

- потери давления в нагнетательном клапане:

= (0,05 0,07)Р_К – для аммиачных холодильных машин;

= (0,1 0,15)Р_К – для фреоновых холодильных машин;

n_p – степень политропы расширения пара из мертвого пространства:

n_p = 0,95 1,1 – для аммиачных компрессоров;

n_p = 0,9 1,05 – для фреоновых компрессоров;

- коэффициент, зависящий от депрессии (от потерь давлений в клапанах):

, (1.11)

- потери давления во всасывающем клапане:

= (0,03 0,05)Р₀ – для аммиачных холодильных машин;

= (0,05 0,1)Р₀ – для фреоновых холодильных машин;

- температурный коэффициент, учитывающий подогрев пара в компрессоре:

; (1.12)

- коэффициент плотности, учитывающий утечки и перетеки пара,

_пл = 0,95…0,99

Удельная адиабатная работа компрессора:

, кДж/кг (1.13)

2 Разработка компрессора

2.1 Расчёт основных параметров компрессора

В настоящее время идет тенденция к увеличению быстроходности компрессоров. В связи с этим в большинстве случаев проектируются соединения вала электродвигателя с валом компрессора посредством муфты.

Промышленностью выпускаются электродвигатели с частотой вращения 50 с^-1 (3000 об/мин), 24,3 с^-1 (1460 об/мин), 16 с^-1 (960 об/мин).

Если при проектировании предполагается соединение коленчатого вала и вала электродвигателя через муфту, то первоначально необходимо задаться стандартной частотой вращения вала электродвигателя n_эл, после чего провести расчет параметров.

Ход поршня компрессора:

, (2.1)

где К_i – параметр удельных сил инерции, К_i = 16 45.

Средняя скорость поршня:

, (2.2)

где - допустимая средняя скорость поршня, = 2 4,5 м/с.

Диаметр цилиндра (поршня):

, (2.3)

где - отношение хода поршня к диаметру цилиндра:

= 0,6 0,8 – для бескрейцкопфных компрессоров,

= 0,8 0,9 – для крейцкопфных компрессоров.

Количество цилиндров в компрессоре:

(2.4)

Полученное значение Z необходимо округлить до ближайшего целого четного числа.

В случае, если при проектировании предполагается соединение коленвала с электродвигателем через ременную передачу или какой-либо редуктор, то расчет необходимо начать с принятия количества поршней компрессора.

Диаметр цилиндра (поршня) компрессора:

, (2.5)

где Z – количество цилиндров, Z = 2 8.

Ход поршня:

(2.6)

Частота вращения вала компрессора:

(2.7)

Средняя скорость поршня:

, (2.8)

где - допустимая средняя скорость поршня, = 2 4,5 м/с.

Передаточное число передачи:

, (2.9)

- стандартная частота вращения вала электродвигателя.

Теоретический объем, описываемый поршнями:

, м³/с (2.10)

Для нормальной работы холодильной машины необходимо соблюдение следующего условия:

(2.11)

При невыполнении условия необходимо вновь произвести расчет, изменив параметры К_i, , n или Z в допустимых пределах.

Действительная объемная производительность компрессора:

(2.12)

Действительная массовая производительность компрессора:

(2.13)

Адиабатная мощность компрессора:

(2.14)

Индикаторная мощность компресcора:

, (2.15)

где - принятый индикаторный коэффициент,

,

где t₀ – температура кипения, °С, с учетом знака; b-опытный коэффициент (для аммиачных горизонтальных компрессоров b=0,002; для вертикальных b=0,001; для хладоновых компрессоров b=0,0025)

Мощность трения:

(2.16)

где - давление трения, для аммиака , для хладонов

Эффективная мощность:

(2.17)

Эффективный КПД компрессора:

(2.18)

Действительная холодопроизводительность компрессора:

(2.19)

Эффективный холодильный коэффициент (для сальниковых компрессоров):

(2.20)

Электрическая мощность трения:

, (2.21)

где - КПД электродвигателя;

- КПД передачи.

(2.22)

Электрический холодильный коэффициент (для бессальниковых компрессоров):

. (2.23)

2.2 Конструктивный расчёт основных узлов и деталей компрессора.