1 2 Тепловой расчёт одноступенчатого цикла паровой холодильной машины

Удельная холодопроизводительность цикла или количество теплоты, подведенной к 1 кг холодильного агента в испарителе q_о в S - T-диаграмме эквивалентна площади под процессом кипения 4 - 1, т.е. Пл.14аб1 или может быть определена разностью энтальпий хладагента в начале

h₄ и конце h₁ процесса: q_o = Пл.14аб1 = h₁ – h₄.

Удельная теплота конденсации q_к в S - T- диаграмме измеряется площадью под процессом конденсации 2 - 3, т.е. Пл. 23аб2 или определяется разностью энтальпий хладагента в начале h₂ и в конце h₃ процесса: q_к= Пл.23аб2 = h₂ – h₃.

Удельная работа цикла l_ц находится из теплового баланса холодильной машины: q_к = l_ц + q_о

Отсюда получем: l_ц = q_к – q_о= Пл.23аб2 – Пл.14аб1 = Пл.12341.

Таким образом, удельная работа цикла равна разности теплоты, подведенной в конденсаторе и теплоты, отведенной в испарителе и в S - T- диаграмме эквивалентна площади самого цикла 12341.

С другой стороны с учетом энтальпий холодильного агента l_ц = q_к – q_о = (h₂ – h₃) – (h₁ – h₄),

или после преобразования получается: l_ц = (h₂ – h₁) – (h₃ – h₄) = l_сж - l_р,

где l_с = (h2 – h1) – удельная работа сжатия, т.е. работа, затраченная на сжатие 1 кг пара холодильного агента в процессе 1-2, Дж/кг; l_р = (h3 – h4) – удельная работа расширения, т.е. полезная работа, полученная в детандере одним килограммом хладагента в процессе 3-4, Дж/кг.

Термодинамическая эффективность цикла находится как отношение удельной холодопроизводительности к затраченной работе цикла:

Данный цикл можно рассматривать как теоретический цикл Карно при условии, что температура конденсации T_к будет равна температуре окружающей среды T_ос, а температура кипения холодильного агента в испарителе будет равна температуре охлаждаемой среды (источника низкой температуры) Т_инт. При этом все процессы цикла будут обратимыми, а работа цикла будет минимальной l_min.

Термодинамическая эффективность цикла Карно оценивается теоретическим холодильным коэффициентом. который является самым высоким из всех обратных термодинамических циклов при одинаковой разнице температур (Т_ос – Т_инт).

1 3 Схема и цикл с перегревом пара и переохлаждением жидкого холодильного агента перед дросселированием. Для увеличения холодопроизводительности действительных холодильных машин поддерживается режим, при котором в испарителе выкипает весь жидкий холодильный агент. Для гарантированного исключения попадания жидкости в компрессор всегда пар хладагента перед всасыванием перегревается. В холодильных установках предприятий массового питания для сжатия пара как правило применяются поршневые компрессоры. Попадание даже небольшого количества жидкости в полость цилиндров может вызвать гидравлический удар и аварию всей холодильной машины, так как жидкость практически не сжимаема. Поэтому «сухой ход» – это обязательное условие работы компрессора холодильной машины. Кроме того с целью снижения необратимых потерь при дросселировании в реальных холодильных машинах жидкий хладагент перед дроссельным устройством охлаждается. Это повышает удельную холодопроизводительность цикла и холодильной установки в целом. Перегрев пара перед всасыванием в компрессор осуществляется или во всасывающем трубопроводе, или в самом испарителе, или в специальном аппарате – регенеративном теплообменнике. Охлажение жидкого холодильного агента паред дросселированием может происходить или в специальном переохладителе, или в самом конденсаторе, или также в регенеративном теплообменнике. В малых хладоновых холодильных машиных торговли и общественного питания как правило используется регенеративный теплообменник. Схема и цикл холодильной машины с регенеративным теплообменником показаны.

После испарителя насыщенный пар холодильного агента состояния т.1′ направляется в регенеративный теплообменник, где перегревается в процессе 1′ - 1″ за счет теплообмена с теплым жидким холодильным агентом, идущим из конденсатора. Перегретый пар всасывается компрессором, в котором адиабатически сжимается в процессе 1″ - 2″ от давления кипения Р_о до давления конденсации Р_к. При этом его температура повышается. Сжатый горячий пар подается в конденсатор. где сначала охлаждается до температуры насыщения, а затем конденсируется в общем процессе 2″ - 3′. Образовавшаяся в процессе конденсации жидкость поступает в ренегеративный теплообменник, в котором охлаждается в процессе 3′ - 3″ за счет теплообмена с холодным паром, выходящим из испарителя. Охлажденный жидкий хладагент дросселируется в процессе 3″ - 4″ от давления конденсации Р_к до давления кипения Р_о. После дросселирования холодильный агент поступает в испаритель, где жидкость кипит в процессе 4″ - 1′, отводя теплоту от охлаждаемой среды. Пар, образовавшийся при кипении, перегревается в регенеративном теплообменнике, всасывается компрессором и цикл повторяется вновь.

Удельная холодопроизводительность цикла: q_о3 = h_1′ - h_4″. Удельная работа цикла l_ц3 = h_2″ - h_1″.

Массовый расход холодильного агента где - Q_о – полная тепловая нагрузка испарителя (полная холодопроизводительность холодильной машины). Объемный расход хладагента V_а = G_а∙х∙ν_вс,

где ν_вс – удельный объем всасываемого пара холодильного агента, м³/кг. Теоретическая потребляемая мощность компрессором N_т = l_ц3∙G_а. Холодильный коэффициент цикла Степень перегрева пара перед всасыванием в компрессор и охлаждения жидкости перед дросселированием зависит от вида рабочего вещества и конкретных условий работы холодильной машины. Так например для аммиачных машин при среднетемпературном режиме перегрев принимается Δt_вс = (5 – 10)С, для хладоновых Δt_вс = (10 – 30)С. В аммиачных холодильных машинах регенеративный теплообменник не применяется из-за его низкой эффективности. Поэтому в таких машинах имеет место незначительное охлаждение жидкости перед дросселированием Δt_охл = (3 –5)С. В хладоновых особенно малых машинах регенеративный теплообменник обязателен не только для охлаждения, но и для возврата в компрессор масла высокой концентрации (выпаривания жидкого хладагента из маслохладонового раствора). В этом случае состояние жидкого холодильного агента перед дросселированием определяется из теплового баланса регенеративного теплообменника, который имеет вид: q_под = q_отв, где q_под – количество подведенной теплоты от теплого жидкого холодильного агента, Дж/кг;

14. Причины перехода к многоступенчатому сжатию. При снижении температуры кипения холодильного агента в испарителе Т_о соответственно уменьшается и давление кипения Р_о. Также при повышении температуры конденсации Т_к увеличивается давление конденсации Р_о. Снижение давления кипения и повышение давления конденсации вызывает увеличение степени повышения давлений π = Р_к/Р_о. Возрастание степени повышения давлений π приводит к следующим отрицательным явлениям:1.Повышается температура нагнетания в компрессоре, которая может превысить предельно допустимые значения. Допустимые температуры нагнетания для аммиачных поршневых компрессоров 160 ^оС, для хладоновых – 130 ^оС. При более высоких температурах в компрессоре может произойти разложение холодильного агента и масла, ухудшение смазывающей способности масла и его самовоспламенение.2.Возрастают необратимые потери при дросселировании, в результате чего уменьшается удельная холодопроизводительность цикла, а значит и полная холодопроизводительность всей холодильной машины.3.В испаритель поступает большее количество пара и меньше жидкого холодильного агента, а теплоотдача от пара в десятки раз хуже, чем от жидкости. Это приводит к снижению интенсивности теплообмена в аппарате.4.Увеличивается удельная работа цикла, что вызывает повышение потребляемой мощности компрессора при том же массовом расходе холодильного агента.5.Ухудшаются все объемные и энергетические коэффициенты компрессора, что ведет к снижению производительности и увеличению потребляемой мощности компрессора.6.На узлы и детали компрессора воздействуют более высокие силы. Однако все узлы и детали имеют определенный предел прочности. Схема и цикл с промежуточным охладителем и однократным дросселированием.Двухступенчатая холодильная машина. включает в себя компрессор низкого давления, компрессор высокого давления, промежуточный охладитель, конденсатор,испаритель и дроссельное устройство. Перегретый пар холодильного агента, выходящий из испарителя, поступает на всасывание в компрессор низкого давления. В компрессоре пар адиабатически сжимается в процессе 1-2 от давления кипения Р_о до промежуточного давления Р_пр. При этом затрачивается работа сжатия l_сн и температура пара повышается до температуры Т₂. После ступени низкого давления сжатый горячий пар направляется в промежуточный охладитель, где охлаждается при постоянном давлении Р_пр в процессе 2-3 за счет теплообмена с внешней охлаждающей средой с отводом теплоты промежуточного охлаждения q_п.о. В качестве охлаждающей среды в охладителе как правило используется тот же источник охлаждения, что и для конденсатора (вода или воздух). Поэтому температура охлажденного пара после промежуточного охладителя близка к температуре конденсации, т.е. Т₃ ≈ Т_к. Далее охлажденный пар всасывается компрессором высокого давления, в котором адиабатически сжимается в процессе 3-4 от промежуточного давления Р_пр до давления конденсации Р_к с затратой работы l_св. Затем сжатый пар поступает в конденсатор, где охлаждается и конденсируется при постоянном давлении в процессе 4-5, отдавая теплоту конденсации q_к внешней охлаждающей среде. Образовавшаяся жидкость из конденсатора направляется к дроссельному устройству и дросселируется в нем при постоянной энтальпии в процессе 5-6 от давления конденсации Р_к до давления кипения Р_о. После дросселирования холодильный агент поступает в испаритель, где жидкость кипит при постоянном давлении Р_о в процессе 6-1′ за счет подвода теплоты q_oот охлаждаемой среды. Пар, образовавшийся при кипении, перегревается в процессе 1′-1, всасывается компрессором низкого давления и цикл повторяется снова.Количество теплоты, подведенной к 1 кг холодильного агента в испарителе или удельная холодопроизводительность цикла равна.q_o = h_1′ - h₆,где q_о – удельная холодопроизводительность цикла, Дж/кг;h₆, h_1′ - энтальпия холодильного агента на входе и выходе из испарителя, Дж/кг.Количество теплоты, отведенной от 1 кг холодильного агента в конденсаторе или удельная теплота конденсации q_к, Дж/кг рассчитывается по формуле:q_к = h₄ – h₅,где h₄ и h₅ – энтальпия холодильного агента на входе и выходе из конденсатора, Дж/кг.Удельные работы сжатия в компрессоре низкого давления и в компрессоре высокого давления определяются так:l_сн = h₂ – h_1,l_св = h₄ – h_3, где h₁ и h₂ – энтальпия пара хладагента на входе и выходе их компрессор низкого давления, Дж/кг;h₃, h₄ – энтальпия пара хладагента на входе и выходе из компрессора высокого давления, Дж/кг.Особенностью данного цикла является то, что компрессоры низкого и высокого давления имеют одинаковую массовую производительность.G_а = G_ан = G_ав =.Q₀/q₀ Объемный расход в ступенях низкого и высокого давлений рассчитываются так:V_ан = ν_всн • G_ан = ν_всн • G_а, V_ав = ν_всв • G_ав = ν_всв • G_а, где ν_всн, ν_всв – удельный объем пара хладагента на всасывании в ступени низкого и высокого давлений, м³/кг. , примерно в 2÷3 раза.Теоретические мощности компрессоров низкого и высокого давлений равны:N_тн = l_сн • G_ан = l_сн • G_а, N_тв = l_св • G_ав = l_св • G_а.Общая потребляемая теоретическая мощность находится как сумма мощностей ступеней низкого и высокого давлений:N_т = N_тн + N_тв = l_сн • G_ан + l_св • G_св = (l_сн + l_св) • G_а.Термодинамическая эффективность цикла оценивается теоретическим холодильным коэффициентом ε_т . Схема и цикл с полным промежуточным охлаждением и однократным дросселированием.В схему холодильной машиныдля промежуточного охлаждения включен специальный промежуточный сосуд со змеевиком. Перегретый пар холодильного агента после испарителя поступает на всасывание в ступень низкого давления, где сжимается в процессе 1 – 2 от давления кипения Р_о до промежуточного давления Р_пр. Сжатый пар из ступени низкого давления направляется в промежуточный охладитель, где охлаждается в процессе 2 – 3 внешней охлаждающей средой (водой или воздухом) до температуры, близкой к температуре конденсации, т.е. Т₃ ≈ Т_к. Затем предварительно охлажденный пар подается по трубопроводу в нижнюю часть промежуточного сосуда под слой жидкого холодильного агента, температура которой равна промежуточной температуре Т_пр. Пузырьки пара поднимаются вверх (барбатируются) сквозь толщу жидкости и одновременно охлаждаются в процессе 3 – 4 за счет тепломассообмена с жидким холодильным агентом. Теоретически считается, что при этом происходит идеальный теплообмен, в результате которого пар хладагента охлаждается до промежуточной температуры, т.е. Т₄ = Т_пр. После промсосуда охлажденный п ар всасывается ступенью высокого давления, где сжимается в процессе 4 – 5 от промежуточного давления Р_пр до давления конденсации Р_к. Сжатый горячий пар из ступени высокого давления поступает в конденсатор, в котором сначала охлаждается а потом конденсируется в процессе 5 – 6 при постоянном давлении конденсации Р_к. Образовавшаяся жидкость перед промсосудом делится на два потока. Меньшая часть жидкости дросселируется во вспомогательном дроссельном устройстве в процессе 6 – 7 и поступает в промежуточный сосуд для пополнения и поддержания в нем постоянного уровня жидкого холодильного агента. Основной поток проходит по змеевику промежуточного сосуда и охлаждается в процессе 6 – 8 за счет теплообмена с жидким холодильным агентом, который находится в промсосуде. Температура охлажденной жидкости, выходящей из змеевика промсосуда, на (2-3) ^оq_о = h_1' – h₉.Удельная тепловая нагрузка конденсатора:q_к = h₅ – h₆.Удельная работа сжатия в ступенях низкого и высокого давления:l_с.н = h₂ – h₁,l_с.в = h₅ - h₄.

Массовая производительность ступени низкого давления: Массовая производительность ступени высокого давления G_а.в находится из теплового баланса промежуточного сосуда, который имеет вид: ;Тогда имеем: Полный тепловой поток в конденсаторе: Теоретическая потребляемая мощность в низкой и высокой ступенях сжатия: Общая потребляемая мощность в ступенях низкого и высокого давлений:N_т = N_т.н + N_т.в Теоретический холодильный коэффициент:

Схема и цикл с неполным промежуточным охлаждением и двукратным дросселированием.

15 Трехступенчатые холодильные машины применяются для получения температур порядка (-60 ÷ -80)^оС( сухого льда). Такая машина работает с трехкратным дросселированием и полным промежуточным охлаждением..

Описание аналогично двух ступенчатой машине только на 1 ступень больше.

При заданных значениях температуры кипения Т_о и температуры конденсации Т_к промежуточные давления находятся как для идеального рабочего вещества.

Тепловой расчёт цикла

Q_к = q_к • G_а1 = (h₇ – h₈) • G_а3.

1 6 Каскадные холодильные машины.Схема и цикл каскадных холодильных машин В многоступенчатых холодильных машинах объемная производительность компрессора нижней ступени в несколько раз больше объемной производительности компрессора верхней ступени. Поэтому компрессоры более низкой ступени сжатия имеют большие массогабаритные показатели и потребляемую мощность, чем компрессоры верхней ступени. Чем ниже температура кипения, тем эти различия более выражены. Например, в трехступенчатой аммиачной холодильной машине объемная производительность нижней ступени в пять раз больше, чем в верхней ступени, а следовательно, в пять раз больше массогабаритные показатели и потребляемая мощность нижней ступени. Для получения низких температур порядка – 60 - – 90 ^оС наиболее целесообразным является использование каскадных холодильных машин. Каскадными называются холодильные машины, состоящие из отдельных, связанных между собой, холодильных машин. Общим элементом отдельных каскадов является испаритель-конденсатор. Для верхнего каскада он является испарителем, для нижнего – конденсатором. В каждом каскаде циркулирует свой холодильный агент. Каскадная холодильная машина может состоять из двух или нескольких каскадов. Каждый каскад представляет собой одноступенчатую или многоступенчатую холодильную машину. Простейшая каскадная холодильная машина состоит из двух одноступенчатых холодильных машин (схему и цикл см. рисунок.5.8.).В испарителе нижнего каскада кипит низкотемпературный холодильный агент в процессе 4-1^' за счет подвода теплоты от охлаждаемой среды q_о. Образовавшийся пар всасывается компрессором нижнего каскада, в котором сжимается в процессе 1-2 от давления кипения нижнего каскада Р_он до давления конденсации нижнего каскада Р_кн с затратой работы сжатия l_сн. После компрессора сжатый пар хладагента нижнего каскада поступает в конденсатор-испаритель, где конденсируется в процессе 2-3 за счет теплообмена с кипящим холодильным агентом верхнего каскада, отдавая удельную теплоту конденсации q_кн. Далее сконденсировавшийся хладагент дросселируется в дроссельном вентиле нижнего каскада в процессе 3-4 от давления конденсации Р_кн до давления кипения Р_он и направляется в испаритель. В испарителе жидкость снова кипит и цикл в нижнем каскаде повторяется вновь. В верхнем каскаде осуществляется точно такой же термодинамический цикл как и в нижнем, только на более высоком температурном уровне. В компрессоре верхнего каскада сжимается пар высоко- или среднетемпературного холодильного агента в процессе 5-6 от давления кипения верхнего каскада Р_ов до давления конденсации верхнего каскада Р_кв с затратой работы сжатия l_св. Затем сжатый пар конденсируется в конденсаторе в процессе 6-7, отдавая теплоту конденсации q_к охлаждающей среде (воде или воздуху). Образовавшаяся жидкость дросселируется в дроссельном вентиле верхнего каскада в процессе 7-8 от давления Р_кв до давления Р_ов. После дросселирования хладагент поступает в конденсатор-испаритель, где он кипит в процессе 8-5^', отнимая теплоту q_ов от конденсирующегося холодильного агента верхнего каскада. Удельная холодопроизводительность цикла q_о (Дж/кг) q_о = h₁ – h₄

где Q_о – полная заданная холодопроизводительность каскадной холодильной машины, Вт.

Массовый расход холодильного агента верхнего каскада находится из теплового баланса конденсатора-испарителя. Q_кн = Q_ов или Отсюда Из данного уравнения можно определить относительный массовый расход: