2.2. Реальная паровая компрессионная холодильная машина
Практическое осуществление холодильного процесса требует модификации схемы (цикла). Реальная компрессорная холодильная машина имеет три существенных отличия от идеальной:
1) вместо расширительной машины (детандера) в схеме используется дроссельный вентиль.
2) компрессор реальной холодильной машины всасывает сухой насыщенный пар (при сжатии последний становится перегретым).
3) жидкость после конденсации несколько переохлаждается перед дросселированием.
Первые два отличия являются вынужденными (надо выяснить - почему), они негативно сказываются на эффективности процесса. Третье отличие вводят намеренно (надо выяснить - зачем). Предметная оценка указанных изменений дана при рассмотрении диаграммы T-s для реальной холодильной машины.
В дроссельном вентиле происходит адиабатный процесс сброса давления без отдачи работы на сторону. Небольшие размеры вентиля при значительных потоках рабочего тела через вентиль позволяют игнорировать теплообмен с окружающей средой. В холодильных процессах вентиль часто покрыт естественной изоляцией – «шубой» инея из замершей влаги атмосферного воздуха. Смысл процесса состоит в прохождении потока через узкий канал, обладающий существенным гидравлическим сопротивлением.
Принцип работы дроссельного вентиля. Поток движется (рис.2.2.) через узкий канал А под действием перепада давлений рн – рк, равного гидравлическому сопротивлению канала, обусловленному трением потока о его стенки. При этом энтальпия потока должна бы понижаться от начальной iн величины до конечной iк. Но затраты энергии на трение переходят в теплоту, а последняя целиком (устройство изолировано в тепловом отношении) возвращается потоку. Результата процесса в сужающем устройстве А следует записывать в
форме iк = iн, часто его записывают (не совсем строго) в форме i = const. Рассмотренный процесс падения давления потока в сужающем устройстве при сохранении его энтальпии именуют дросселированием.
Рис. 2.2. Схема работы дроссельного вентиля
Замена детандера дроссельным вентилем обусловлена отсутствием расширительных машин для жидкости. Использование энергии «сжатой» (но практически несжимаемой) жидкости потребовало бы создания расширительной машины с крайне малым ходом поршня, что технически неосуществимо. Образование капель в детандере при адиабатическом расширении в нем жидкости (рис.2.1. т.4 в области влажного пара) нежелательна из-за эро-
зии стенок цилиндра, затруднений при выводе двухфазного потока, гидравлических ударов в пространстве под поршнем.
Реальная одноступенчатая паровая компрессионная холодильная машина.
Компрессор К
сжимает пары рабочего тела (рис.2.3),
поступающие из испарителя И, от
до
и падает в холодильник – конденсатор
ХК (вместо конденсатора в схеме идеального
цикла). Из него жидкое рабочее тело
Рис. 2.3. Реальная одноступенчатая паровая
компрессионная холодильная машина.
а- принципиальная схема; б – Т-s диаграмма
I - рабочее тело; II - охлаждаемая среда; III - охлаждающая среда;
К- компрессор; ХК – холодильник –конденсатор;
ДР- дроссельный вентиль; И - испаритель
направляется на дросселирование в дроссельном вентиле ДР, где давление падает от до , и далее в испаритель.
Диаграмма T-s при переходе к реальной машине умеренного охлаждения претерпевает изменения.
Стадии реального цикла:
1-2 – адиабатическое (s = const) сжатие сухого (перегретого) пара.
2-3′-3″-3 -- изобарическое (р2 = const) охлаждение паров до точки конденсации, конденсация пара и переохлаждение полученной жидкости.
3-4 - изоэнтальпическое (i = const) дросселирование.
4-1 - -испарение до состояния сухого насыщенного пара.
Переход к
дросселированию, ухудшает энергетические
характеристики цикла по двум причинам.
Во – первых, нет возврата энергии в
детандере, что приводит к увеличению
удельной работы цикла lад.(на
величину площади 3″4′4″
3″,
если бы работа велась без переохлаждения
жидкости перед дросселем).
Во – вторых, уменьшается теплота
,
получаемая рабочим телом от охлаждаемой
среды в испарителе (поскольку при
дросселировании точка 4′
смещается
вправо в сравнении с адиабатическим
расширением рабочего тела
в детандере).
В результате в выражении εх
= q0/lад
возрастает
знаменатель и
уменьшается числитель, холодильный коэффициент, характеризующий эффективность цикла падает.
Переохлаждение рабочего тела после его конденсации (подстадия 3″-3′) благоприятно сказывается на эффективности холодильного цикла: не затрагивая затрат энергии на сжатие рабочего тела в компрессоре, мы увеличиваем удельную холодопроизводительность на величину, измеряемую площадью 4′466′4′. В результате повышается значение εх - цикл становится более экономичным.
Построение диаграммы T-s ведется, как для идеальной машины, на основе заданных температур целевой (охлаждаемой) среды и хладоагента (охлаждающей среды). Только температура рабочего тела после переохлаждения (Т3) должна оставаться выше температуры хладоагента, на соответствующем конце холодильника – конденсатора.
Диаграмма T-s хорошо иллюстрирует различные эффекты холодильного цикла, но она не очень удобна для технологических расчетов, т. к. прихо-дится оперировать площадями или определять необходимые энтальпии рабочего тела h по криволинейной сетке на диаграмме. Поэтому предпочитают пользоваться диаграммами состояния рабочего тела в координатах p-i (реально для более точного отсчета давления в области невысоких давлений в координатах lgp-i ). В этой диаграмме все расчеты ведутся в отрезках абциссы, а кривой линией изображается только стадия сжатия пара в компрессоре.
На рис.2.4. приведена диаграмма p-i для реальной одноступенчатой компрессионной холодильной машины. В целях иллюстрации на диаграмме показан ход температурных кривых – они необходимы при построении цикла.
Рис.2.4. Диаграмма p-i для реальной одноступенчатой паровой
компрессионной холодильной машины
Располагая входной
и выходной температурами хдадоагента
и
, принимают температуры тела
и
несколько выше ( на 5-10 °С),
тогда известен уровень р2.
Зная
необходимую конечную температуру
охлаждаемой среды
,
устанавливают температуру конденсации
рабочего тела
ниже (на 5-10 °С),
тогда известно давление
.
Далее из точки 1 (на пересечении горизонтали
с линией сухого насыщенного пара)
проводят адиабату сжатия до горизонтали
(сетка линий s
= const
есть на диаграмме p-i).
Точку 3 находят на линии
по температуре переохлаждения рабочего
тела. Из этой точки по вертикальной
прямой i
= const
строят процесс в дроссельном вентиле.
Стадии цикла:
1-2 – адиабатическое (s = const) сжатие от до .
2-3′ - изобарическое (р2 = const) охлаждение перегретого пара.
3′-3″- изобарическое (р2 = const) и изотермическая (Т = const) конденсация рабочего тела.
3″ -3 - изобарическое (р2 = const) переохлаждение конденсата.
3-4 - изоэнтальпическое (i = const) дросселирование с падением давления от до .
4-1 - . изобарическое (р1 = const) и изотермическая ( = const) испарение рабочего тела.
Цикл замкнут по рабочему телу.
В диаграмме p-i характерные удельные (на 1 кг рабочего тела) величины, необходимые для технологических расчетов, выражаются следующим образом:
- удельная холодопроизводительность цикла
(2.2.1)
- удельная адиабатическая работа сжатия рабочего тела в компрессоре
(2.2.2)
- удельная теплота охлаждения перегретых паров рабочего тела, их конденсации и переохлаждения полученной жидкости
(2.2.3)
В задачу
технологического расчета входит
определение потока рабочего тела и
затрат энергии. При этом в качестве
расчетной базы задается производительность
по охлаждаемой среде
и
ее начальная
и
конечная
температуры.
Первоначально получают холодопроизводительность цикла
-
поток теплоты, отбираемой в единицу
времени от охлаждаемой среды. С этой
целью составляют тепловой баланс для
контура К1
(рис.2.3а)
(2.2.4)
где
- теплоемкость охлаждаемой среды
отсюда
(2.2.5)
Если охлаждаемая среда сконденсирована, то очевидно
где
-
теплота конденсации охлаждаемой среды
Зная требуемый расход холода и параметры цикла, можно определить поток G циркулирующего в цикле рабочего тела из теплового баланса для контура К2 (рис.2.3а)
(2.2.6)
отсюда имея в виду,
что
получаем
(2.2.7)
Расход теплоты в
холодильнике – конденсаторе
найден
из теплового баланса для контура К1
(рис.2.1а)
(2.2.8)
отсюда
(2.2.9)
Расход охлаждающей
среды в холодильнике конденсаторе (при
известных температурах ее входа
,
выхода
и теплоемкости
),
определим на основании теплового баланса
для контура К2
(рис.2.1 а)
(2.2.10)
(2.2.11)
(2.2.12)
Мощность компрессора
(при известных КПД – адиабатического
и
механического
)
найдем по формуле
(2.2.13)
(2.2.14)
(2.2.15)
(2.2.16)
(2.2.17)