Схемы двухступенчатых холодильных машин и их изображения в диаграмме i — lgP

Для получения низких температур в охлаждаемых объектах необходимы низкие температуры кипения t₀, т. е. в испарителе приходится поддерживать и низкое давление P₀. Это приводит к увеличению значения отношения давлений Р_к / Р₀ и к трем нежелательным явлениям: увеличению температуры нагнетания компрессора, возрастанию объемных потерь в компрессоре и увеличению дроссельных потерь в регулирующем вентиле, что вызывает уменьшение холодопроизводительности установки. Для современных быстроходных аммиачных поршневых компрессоров температура нагнетания хладагента не должна превышать 160 °С, так как дальнейшее ее повышение приводит к нарушению нормальной смазки, вызывает пригорание масла и его самовозгорание. Снижение производительности компрессора при больших значениях отношения давлений Р_к / Р₀ связано с уменьшением коэффициента подачи. На основании опытных данных установлено, что при Р_к / Р₀ > 8 целесообразно применять многоступенчатое сжатие хладагента в двух (и более) последовательно соединенных цилиндрах или компрессорах. Для ограничения роста температуры нагнетания в результате последовательных сжатий (после каждой ступени сжатия) пар хладагента охлаждается либо водой в промежуточном холодильнике, либо кипящим хладагентом в специальном теплообменном аппарате.

Наиболее распространенной двухступенчатой схемой является схема двухступенчатого сжатия со змеевиковым промежуточным сосудом и промежуточным охлаждением пара (рис. 7.6). Пар хладагента после сжатия в цилиндре низкого давления ЦНД до промежуточного давления Р_ПР поступает в промежуточный сосуд ПС ниже уровня кипящего хладагента и охлаждается до состояния насыщения, барботируя через слой жидкости. Выходя из ПС, пар перегревается во всасывающем трубопроводе перед цилиндром высокого давления ЦВД и в перегретом состоянии поступает в него. Следует отметить, что даже в цикле с полным промежуточным охлаждением пар должен поступать в компрессор высокого давления (так же, как и в компрессор низкого давления) в перегретом состоянии, что является обязательным требованием техники безопасности. После сжатия в ЦВД до давления конденсации Р_K, пар конденсируется в конденсаторе КД, после чего жидкость высокого давления разделяется на два потока (точка 5′). Основной поток поступает в змеевик ПС, где переохлаждается, отдавая теплоту кипящей жидкости, и в состоянии глубокого переохлаждения поступает через регулирующий вентиль РВ₂ в испаритель. Другой поток жидкости дросселируется в РВ₁ от Р_K до промежуточного давления Рпр и поступает в промежуточный сосуд. Таким образом, в промежуточном сосуде происходит сбив перегрева пара между компрессорами низкого и высокого давления, а также переохлаждение жидкости перед РВ₂ за счет кипения жидкого хладагента при Р_ПР. Для анализа работы двухступенчатых схем и построения цикла в диаграмме необходимо определить промежуточное давление Р_ПР. При минимальной работе компрессоров низкого и высокого давления определяют Р_ПР из равенства отношений давлений в обеих ступенях сжатия по формуле:

На диаграмме (рис. 6) проводят три изобары: Р₀, Р_ПР и Р_K, которым соответствуют три температуры насыщения:t₀, t_ПР и t_K. Задавшись значением перегрева пара на всасывании перед ЦНД, строят точку 1. Из этой точки по адиабате идет процесс сжатия до изобары Р_ПР — (точка 2). В промежуточном сосуде пар охлаждается до состояния насыщения 3'', а затем перегревается во всасывающем трубопроводе (точка 3). Температуру перегрева пара перед ЦВД следует принимать в пределах 5…10°С, тогда t₃ = t_ПР + (5…10 °С).

Из точки 3 проводится адиабата до пересечения с изобарой Р_K (точка 4). Это конечная температура нагнетания пара двухступенчатого сжатия. Из диаграммы видно, что если бы было применено одноступенчатое сжатие 1 — 2′, то конечная температура нагнетания была бы значительно выше (сравните точки 2′ и 4). Процесс 4 — 5′ происходит в конденсаторе при Р_K= const, и жидкость высокого давления в точке 5′разделяется на два потока. Процесс дросселирования в РВ₁изображается вертикалью, опущенной из точки 5′ до пересечения с изобарой Р_ПР. Парожидкостная смесь состояния точки 6 поступает в промежуточный сосуд, где кипит при промежуточных параметрах (процесс 6 — 3′′). Переохлаждение в змеевике ПС происходит при давлении конденсации, поэтому точка 7, определяющая состояние хладагента на выходе из змеевика, лежит в области переохлажденной жидкости на изобаре Р_K. Температура точки 7определяется из выражения t₇ = t_ПР + (2…3 °С). Дросселирование в РВ₂ изображается вертикалью, опущенной из точки 7 до пересечения с

Рисунок 7.6 - Схема и цикл двухступенчатой холодильной машины со змеевиковым промежуточным сосудом и полным промежуточным охлаждением: а – принципиальная схема; б – изображение цикла в диаграмме; ЦВД – цилиндр высокого давления; ЦНД – цилиндр низкого давления; РВ₁ – и РВ₂ – регулирующие вентили; ПС – промежуточный сосуд.

изобарой Р₀. Парожидкостная смесь состояния точки 8 поступает в испаритель, где кипит (процесс 8 — 1′′).

На диаграмме (рис.7. 6):

1′′ — 1 — перегрев пара на всасывании в ЦНД при Р₀= const;

1 — 2 — адиабатическое сжатие в ЦНД от Р₀ до Р_ПР;

2 — 3′′ — сбив перегрева пара в промежуточном сосуде при Р_ПР= const;

3′′ — 3 — перегрев пара на всасывании в ЦВД при Р_ПР= const;

3 — 4 — адиабатическое сжатие в ЦВД от Р_ПР до Р_K;

4 — 4′′ — сбив перегрева пара в конденсаторе при Р_K= const;

4′′ — 5′ — конденсация в конденсаторе при Р_K= const, t_K= const;

5′ — 6 — дросселирование в РВ₁ от Р_K до Р_ПР при i= const;

6 — 3′′ — кипение в ПС при Р_ПР= const и t_ПР= const;

5′′ — 7 — переохлаждение жидкости в змеевике ПС при Р_K= const;

7 — 8— дросселирование в РВ₂ от Р_K до Р₀ при i= const;

8 — 1′′ — кипение в испарителе при Р₀= const, t₀= const.

Массовая подача компрессора высокого давления M₂ больше, чем компрессора низкого давления M₁, так как, кроме пара, поступающего из компрессора низкого давления в количестве M₁ в него поступает еще и пар, образуемый при кипении жидкости в промежуточном сосуде. Объемная холодопроизводительность компрессора высокого давления меньше примерно в три раза из-за уменьшения объема пара при сжатии в компрессоре низкого давления. Массовая подача ЦНД, кг/с, определяется по формуле

M₁ = Q₀/ q₀,

где Q₀ - холодопроизводительность, кВт; q₀ - удельная холодопроизводительность, кДж/кг: q₀= i₁′ — i₈.

Массовая подача ЦВД, кг/с, находится из соотношения M₂= M₁(i₂— i₇)(i₃— i₆).

Удельная работа сжатия ЦНД, кДж/кг, равна l₁ =i₂—i₁;

удельная работа сжатия ЦВД, кДж/кг, l₂ =i₄— i₃;

удельная нагрузка на конденсатор, кДж/кг, q_K= i₄— i₅;

холодильный коэффициент равен ε = q₀/(l₁ + l₂).

Иногда применяют цикл двухступенчатого сжатия с двойным дросселированием и полным промежуточным охлаждением (рис. 7.7). В отличие от схемы, представленной на рис. 7.6, вся жидкость после конденсатора (состояние точки 5) дросселируется в РВ₁ до промежуточного давления Р_ПР и поступает в ПС в состоянии точки 6. Паро-жидкостная смесь этого состояния разделяется в сосуде на насыщенный пар состояния точки3′′, который отсасывается ЦВД, и насыщенную жидкость, которая частично выкипает в ПС (процесс 6 — 3′′). Оставшаяся насыщенная жидкость состояния точки 7 поступает к РВ₂, где дросселируется от промежуточного давления Р_ПР до давления кипения Р₀ и поступает в испаритель. Изображение цикла с двукратным дросселированием в диаграмме показано на рис. 7.7. В этой схеме к вентилю РВ₂ поступает насыщенная жидкость, а не переохлажденная. Это является недостатком таких схем и позволяет их использовать только в небольших установках. Поэтому схема со змеевиковым промежуточным сосудом более предпочтительна. Массовый расход хладагента через ЦНД определяется как, кг/с, M₁ = Q₀ / q₀. Массовый расход хладагента на полное промежуточное охлаждение, кг/с, m′ = M₁ (i₂ — i₃)(i₃′′ — i₆); массовый расход пара через ЦВД, кг/с, M₂ = (M₁ + m′)(1 — x₆), где x₆ — паросодержание хладагента в точке 6 после первого дросселирования. Остальные характеристики цикла определяются по формулам, указанным выше.

Рисунок 7.7 – Схема и цикл двухступенчатой холодильной машины с двукратным дросселированием и полным промежуточным охлаждением: а – принципиальная схема; б – изображение цикла в диаграмме.

В связи со все расширяющимся применением на холодильных установках винтовых агрегатов интерес представляют схема и цикл двухступенчатого сжатия с одноступенчатым винтовым компрессором с промежуточным отбором пара (рис. 7.8). Холодильный агент в состоянии точки 1 поступает в винтовой компрессор КМ, заполняя его полость всасывания. Затем давление в компрессоре повышается за счет уменьшения объема рабочей полости, и, когда оно достигает промежуточного значения Р_ПР (процесс 1 — 2), в полость сжатия через специальное окно поступает пар хладагента состояния 3» из теплообменника ТО. В результате смешения получается пар, соответствующий состоянию точки 3, который далее сжимается до конечного давления Р_K (процесс 3 — 4). Следует отметить, что процессы 1 — 2 и 3 — 4 не являются адиабатическими, так как охлажденное масло, впрыскиваемое в полость сжатия винтового компрессора, отводит часть теплоты сжатия, и процесс сжатия становится политропным.

Рисунок 7.8 – Схема и цикл двухступенчатого сжатия с винтовым компрессором и промежуточным отбором пара: а – принципиальная схема; б – изображение цикла в диаграмме.

Значение температуры нагнетания при этом находится в пределах 50…80°С и зависит от количества и температуры вспрыскиваемого масла. Для сравнения показано изображение адиабатического сжатия точки 2′ и 4′. После конденсатора КД жидкий холодильный агент состояния 5′ разделяется на два потока: меньшая часть дросселируется во вспомогательном регулирующем вентиле РВ₁ (процесс 5′ — 6) и поступает в межзмеевиковое пространство ТО, большая часть жидкости идет по его змеевику, где переохлаждается (процесс 5′ — 7) в результате теплообмена с кипящим в межзмеевиковом пространстве при промежуточных параметрах Р_ПР и t_ПР хладагентом, пар которого затем поступает в специальное окно компрессора. Состояние в точке 7 определяется из условий недорекуперации тепла на холодном конце теплообменника на 3…5°С, т. е. t₇ = t_ПР + (3…5 °С) [1-3, 9-13, 18, 24, 25].

Переохлажденная жидкость дросселируется в основном регулирующем вентиле РВ₂ и поступает в испаритель И. Таким образом, в данной схеме двухступенчатое сжатие рабочего вещества с промежуточным охлаждением за счет холодного пара, поступающего из теплообменника, происходит в одном компрессоре. Она отличается от обычной схемы двухступенчатого сжатия с однократным дросселированием и промежуточным отбором пара тем, что пар между ступенями сжатия в теплообменнике не охлаждается.

Поиск по сайту: