Глава V действительный цикл паровой холодильной компрессионной машины

Действительный цикл паровой холодильной компрессионной машины отличается от теоретического наличием объемных и энерге­тических потерь как в компрессоре, так и вне его. Объемные по­тери уменьшают производительность холодильной машины, энер­гетические увеличивают затраты мощности по сравнению с теоре­тическими значениями. Указанные потери довольно значительны; при тепловых расчетах их необходимо учитывать введением попра­вочных коэффициентов. Рассмотрим влияние отдельных факторов на объемные и энергетические потери.

§ 1. Объемные потери в действительном цикле

Объемные потери, снижающие холодопроизводительность ма­шины, в основном возникают в компрессоре. В холодильной тех­нике широко распространены поршневые компрессоры с прямолинейно-поступа-тельным движением поршней. Рассмотрим прин­цип действия этих компрессоров.

Вертикально-прямоточный компрессор типа ВП (рис. 25) со­стоит из следующих основных частей: картера, являющегося кон­структивной основой машины; цилиндров, в которых производится сжатие паров холодильного агента; кривошипно-шатунного ме­ханизма; поршней; всасывающих и нагнетательных клапанов; устройств для смазки трущихся частей; предохранительных устройств и других деталей.

Рабочий процесс в вертикально-прямоточном компрессоре со­вершается следующим образом. При движении поршня вниз между поршнем и расположенной над ним ложной крышкой образуется разреженное пространство. Вследствие этого открывается всасы­вающий клапан, расположенный в верхней части поршня, и холо­дильный агент из всасывающего трубопровода через отверстия в поршне поступает в рабочую полость цилиндра. Процесс всасы­вания совершается до тех пор, пока поршень идет вниз. Как только поршень изменяет направление движения, всасывающий клапан под влиянием противодавления и сил инерции быстро закрывается, и в цилиндре происходит сжатие хладагента. Когда давление в ци­линдре становится выше, чем давление в конденсаторе, открывается нагнета-тельный клапан, и пары хладагента вытесняются в нагне­тательную камеру,

Объемные потери в действительном цикле 51

расположенную над ложной крышкой, и далее через нагнета-тельный трубопровод в конденсатор.

Поршень никогда не подхо­дит вплотную к крышке. Над поршнем в верхнем крайнем положении образуется так на­зываемое «вредное» или «мертвое» пространство компрессора. При обратном ходе поршня Оставшиеся в мертвом простран­ство пары хладагента должны расшириться до давления в испарителе, на что будет затрачена часть хода поршня, после чего снова начнется процесс всасывания пара из испарителя.

В данном типе вертикального компрессора пары холодиль­ного агента при всасывании,

с

Рис 25. Схема вертикально-прямоточ­ного компрессора:

1 — картер; 2 — цилиндр; 3 — шатун; 4 — поршень; 5 — всасывающий клапан; 6 — нагнетательный клапан; 7 — ложная крышка; 8 — верхняя крыщка; 9 —буфер­ная пружина; 10 —охлаждающая водяная рубашка: а — всасывающая полость цилин­дра; б—рабочая полость цилиндра; в—на­гнетательная камера

жатии и нагнетании проходят по цилиндру в одном направле­нии снизу вверх. Поэтому такого типа компрессор называется верти-кально-прямоточным. Ком­прессор этот—простого или одинарною действия, так как рабо­чий процесс в нем совершается по одну сторону от поршня.

В горизонтальном компрессоре двойного действия типа ГД (рис.26) рабочий процесс в цилиндре совершается по обе стороны от поршня. Поршень приводится в прямолинейно-поступательное движение што-ком, соединенным через крейцкопф с кривошипно- шатунным механиз-мом. При движении поршня из одного крайнего положения в другое, например слева направо, в левой полости цилиндра сначала происходит расширение пара, оставшегося в мертвом пространстве, до давления несколько меньшего, чем в испарителе. Затем открывается всасываю-щий клапан 6 и пары холодильного агента всасываются в левую по-лость цилиндра. При обратном движении поршня левый всасывающий клапан закрывается, пар сжимается в цилиндре до давления несколько большего, чем в конденсаторе, а затем выталкивается в конденсатор через нагнетательный клапан 7. В правой полости про­исходят те же процессы, но со сдвигом во времени. В то время, когда в левой полости цилиндра происходит сжатие, в правой полости происходит всасы-вание. В горизонтальном компрессоре двойного действия холодильный агент движется в цилиндре не в одном направлении, а меняет его вместе с дви­жением поршня. Этот ком­прессор непрямоточный.

52 Действительный цикл паровой холодильной машины

Н

Рис. 26. Схема цилиндра горизонтального компрессора двойного действия:

1—нагнетательный патрубок;

2 — передняя крыш­ка; 3 — задняя крышка;

4—-поршень; 5 — шток;

6 — всасывающие клапаны;

7 — нагнетательные клапаны; 5 — сальник;

9 — всасывающий патру­бок (а и б — рабочие полости цилиндра)

а рис. 27 представле­на теоретическая индика­торная диаграмма ком­прессора, не имеющего потерь. Предполагается,;: что вредного пространства в компрес-соре нет, всасы­вание пара из испарите-ля и нагнетание в конденса­тор не соп-ровождается со­противлениями про-хождению пара в трубопроводах и кла-панах, потери на трение, а также тепло-обмен между холодильным агентом и стенками цилиндра полностью отсутст-вуют .Часовой объем всасываемого пара в состоянии его перед компрессором точно равен часовому рабочему объему, описываемому поршнями.

Л иния а—1 — про­цесс всасывания пара, проте­кающий при постоянном давле­нии , равном давлению в ис­парителе; линия 1—2— процесс адиабатного сжатия и линия 2—b — процесс выталкивания, совершае-мый при постоянном давлении, равном давлению в конденсаторе.

Мертвое пространство изме­няет рабочий процесс компрес­сора и приводит к значите-льным потерям. Эти потери наглядно видны на действительной индикаторной диаграмме

(рис. 28), снято, с работающего компрессора. В мертвом пространстве, которому на диаграмме соответствует отрезок С, всегда остается сжатый пар Оставшийся пар при обратном ходе поршня расширяется до давления всасывания (линия dа), занимая дополнительный объем Лишь после этого открывается всасывающий клапан и пар вса­сывается из испарителя в цилиндр компрессора (линия аb). Сле­довательно, мертвое пространство уменьшает количество всасы­ваемого хладагента и снижает производительность компрессора. Потеря объема изображе-на отрезком ,определяемым из соот­ношения

,

где m — показатель политропы расширения.

Объемные потери в действительном цикле 53

Потери от мертвого простран­ства учитываются объемным коэффициентом

Рис. 28. Действительная индикаторная _; диаграмма

где - рабочий объем полости цилиндра компрессора;

относительная величина вредного пространства;

в зависимости от величины и типа компрессо­ра .

Мертвое пространство в компрессоре необходимо; оно предохра-няет компрессор от аварии при удлинении кривошипно-шатунного механизма от нагревания, а в случае «влажного хода» уменьшается опасность гидравлического удара. Величина мертвого пространства компрессора с учетом всех конструктивных особен­ностей должна быть минимальной.

Гидравлические сопротивления в клапанах, каналах цилиндра и трубопроводах существенно влияют на объемные потери в компрес-соре. Вследствие гидравлических сопротивлений давление при всасы-вании (линия аb) бывает ниже, чем в испарителе, на вели­чину , а при нагнетании (линия еd) выше, чем в конденсаторе, на величину . Падение давления при всасывании уменьшает Плотность всасываемого пара и его количество. Потеря от гидра­влических сопротивлений соответствует отрезку , на протяжении которого происходит сжатие пара в цилиндре до давле­нии , в испарителе (от точки b до точки b'). С увеличением депрессии и с уменьшением давления всасывания (т. е. с понижением температуры кипения ) величина соответственно возрастает.

Объемные потери вследствие сопротивлений при всасывании оцениваются коэффициентом дросселирования

54 Действительный цикл паровой холодильной компрессионной машины

Примерные значения для разных температур кипения при = 4% следующие:

Температура в °С ………………………… 0 -15 -30 -50

при .... 0,99 0,98 0,95 0,86

при .... 0,97 0,95 0,91 0,72

Потери и могут быть учтены совместно индикаторным ко­эффициентом всасывания:

Потери от внутреннего теплообмена между хладагентом и стен­ками цилиндра также характерны для действительного компрес­сора.

В процессе сжатия температура пара значительно повышается и тепло от пара переходит к стенкам цилиндра, поршню и другим дета-лям. При всасывании, наоборот, холодный пар соприкасается с подо-гретыми деталями и сам перегревается. В результате в ци­линдр всасы-вается меньше пара, так как удельный объем его при подогреве увели-чивается. Отрицательное влияние внутреннего теплообмена особенно велико, если из испарителя поступает влаж­ный пар; превращение частичек жидкости в пар внутри цилиндра уменьшает количество пара, всасываемого непосредственно из ис­парителя.

Потеря в результате теплообмена учитывается коэффициентом

подогрева . Чем больше отношение давлений , или чем больше

диапазон температур в цилиндре от начала всасывания до конца сжа-тия, тем больше теплообмен между паром и стенками. При уве­личении числа оборотов коленчатого вала компрессора сокра­щается время хода, а значит и теплообмен. По индикаторной диа­грамме потери от теплооб-мена определить нельзя; эти потери для разных холодильных машин могут быть определены только опыт­ным путем. Для вертикальных пря-моточных компрессоров (эмпи­рическая формула проф. И. И. Левина)

(19)

где и Т — абсолютные температуры кипения и конденсации.

В компрессоре имеются также потери вследствие неплотностей во всасывающих и нагнетательных клапанах, в поршневых коль­цах, в сальнике, крышках и т. п. Эти потери, характеризуемые коэффициен-том плотности , зависят от конструкции и степени износа машины. При правильной технической эксплуатации по­тери от неплотности в соединениях незначительны.

Объемные потери в действительном цикле 55

Все виды объемных потерь в практических условиях учитывают коэффициентом подачи, величина которого равна

(20)

Коэффициент подачи характеризует степень использования ра­бочего объема цилиндра. Его можно рассматривать как отношение объема пара V , действительно всасываемого компрессором, к часовому рабочему объему , описываемому поршнями компрессора, т. е.

(21)

Если известен объем всасываемого пара V, то соответствующий часовой рабочий объем компрессора

(21а)

Коэффициент подачи определяют опытным путем. Он зависит

от конструкции и размеров компрессора, отношения давлений

н температур , величины мертвого пространства, перегрева пара перед всасыванием, наличия устройств для охлаждения ци­линдров и других факторов. Для определенных типов аммиачных и фреоновых компрессоров значения часто приводят в таблицах и виде графи-ческих зависимостей , составленных по данным испытаний однотипных машин (рис. 29).

Коэффициент подачи аммиачных вертикальных и V-образных компрессоров с охлаждающими рубашками в условиях «сухого» хода можно ориентировочно определить по формуле И. Бадылькеса

Применение водяной охлаждающей рубашки повышает коэффи-циент подачи при сухом ходе примерно на 5%. При работе компрессора «влажным ходом» температура воды при прохождении через рубашку понижается и рабочие коэффициенты компрессора, наоборот, стано-вятся ниже.

Исходя из объема всасываемого компрессором пара и величины определяют действительную холодопроизводи-тельность машины: