Одноступенчатая поршневая паровая компрессионная холодильная машина и её цикл

Для того чтобы холодильная машина осуществляла искусственную передачу энергии из среды с низкой температурой T1 в среду с высокой температурой Т2, необходимо создать условия естественной передачи тепла в теплообменных аппаратах с помощью хладагентов. Теплообменные аппараты, в которых хладагент забирает тепло из охлаждаемой среды,

называют	и с п а р и т е л я м и. В этом случае температура охладителя Т0
должна	быть ниже Т1, что создаётся понижением давления хладагента.

Теплообменники, в которых хладагент отдаёт тепло в окружающую среду, называют к о н д е н с а т о р а м и (или о х л а д и т е л я м и - при отсутствии конденсации). Здесь температура хладагента Тк должна быть выше Т2, что создаётся введением извне энергии в процессе повышения давления хладагента.

В компрессионных холодильных машинах хладагент совершает круговые необратимые процессы (циклы). Hа осуществление

70

холодильных	циклов затрачивается внешняя энергия).			Такие	циклы
называют	о б р а т н ы м и,	в отличие	от п р я м ы х		циклов
энергетических двигателей, предназначенных для			производства		работы
за счёт внешней энергии.

Идеальная паровая компрессионная холодильная машина (ПКХМ) pеализует теоретический цикл Карно. В нём принято, что процессы протекают в области влажного пара хладагента при постоянных температурах охлаждаемой и окружающей сред и идеальном теплообмене между ними и хладагентом. Отношение ε= q 0 /l, т.е. холодопроизводительности к затраченной механической энергии, у цикла Карно имеет наивысшее значение:

ε=		T0
			.
	T	− T
	k	0

Идеальная ПКХМ в области влажного пара является наиболее экономичной, однако её трудно осуществить из-за конструктивных сложностей реализации расширителя и потерь при всасывании влажного пара. Поэтому схему, близкую к циклу Карно, применяют только в газовых компрессионных холодильных машинах, где нет отмеченных проблем.

Реальная ПКХМ состоит из следующих основных узлов (рис.16): компрессора, конденсатора, терморегулирующего вентиля, испарителя и ряда вспомогательных элементов, соединённых между собой трубопроводами. Контур рабочего тела замкнут и герметичен. В нём циркулирует определённое количество хладагента, который в различных элементах лишь изменяет своё агрегатное состояние.

Вэтой холодильной машине расширитель идеальной ПКХМ заменён дросселирующим вентилем, а процесс адиабатического сжатия хладагента в компрессоре осуществляется в области сухого (перегретого) пара.

В испарителе жидкий хладагент кипит за счёт теплоты q0,

отводимой от охлаждаемого груза; при этом его давление p0 неиз-

менно вследствие материального баланса процессов образования пара из жидкости и его отсоса компрессором. Неизменна при этом и температура

хладагента t0; она ниже температуры груза tг на некоторую		экономически
оправданную величину: t0 = tг - (10...12) 0С.
Компрессор засасывает и сжимает пары хладагента		до высокого
давления	pк и адиабатически разогревает их за счёт затраты механической
энергии l.	В рассматриваемой ПКХМ он является поршневым; всасывание

и нагнетание здесь осуществляется с помощью клапанов.

Рис. 16. Схема поршневой паровой компрессионной холодильной машины

Горячий пар отдаёт теплоту q = q0 + l во внешнюю среду в конденсаторе, сохраняя в процессе сжижения постоянные значения pк и tк; при этом температура конденсации выше температуры окружающей среды даже в наиболее тяжёлых условиях максимумов наружных температур tн, t к = tн + (12...15) 0С.

Жидкий хладагент далее снижает своё давление и температуру до значений p0 и t0 в терморегулирующем (дросселирующем) венти-

72

ле * (ТРВ), частично при этом испаряясь. Полный же переход жидкости в пар происходит в испарителе; этим самым начинается новый цикл в непрерывном процессе работы ХМ.

В схему могут включаться дополнительные элементы, повышающие

надёжность работы основных узлов ХМ:		перегреватель		пара перед
компрессором и переохладитель жидкости после			конденсатора.
Перегреватель пара	(ПП) позволяет	доиспарить	капли	хладагента,

сохранившиеся в потоке пара после испарителя, и тем самым обеспечить защиту компрессора от эpозионных явлений. Переохладитель жидкости (ПЖ) исключает присутствие в потоке пузырьков пара, снижающих устойчивость рабочего процесса в дросселирующем вентиле.

К

Рис. 17. Теоретический и действительный циклы ПКХМ

* Терморегулирующий вентиль поддерживает на требуемом уровне температуру перегрева пара перед компрессором путём управления количеством хладагента, проходящего через испаритель; дросселирование потока (резкое понижение давления и температуры хладагента) происходит при постоянном значении энтальпии i.

73

Холодильная машина и вспомогательные элементы (ресивер, маслоотделитель, маслосборник, насосы и др.), осуществляющие процессы распределения и накопления различных сред и искусственного холода, образуют в совокупности холодильную установку.

Для расчёта циклов и определения значений параметров хладагента в любой точке замкнутого контура ХМ используют те или иные диаграммы состояния: p-v, T-s, p-i и др. Наибольшее распространение получила диаграмма с координатами p-i, причём по оси p удобно ввести логарифмическую шкалу из-за многократного изменения давления в цикле ХМ *. Рабочее поле диаграммы lgp-i обычно разбивается линиями фиксированных дискретных значений различных термодинамических параметров: t=const (изотермы), p=const (изобары), s=const (адиабаты), v=const (изохоры) и др. Определяющую роль на диаграмме играют две пограничные кривые: левая характеризует состояние насыщенной жидкости (на ней паросодержание х=0), а правая - состояние сухого насыщенного пара (х=1). Между пограничными кривыми находится область кипения (влажного пара) II. Левая пограничная кривая отделяет область влажного пара от области переохлаждённой жидкости I, а правая - от области перегретого пара III. Обе пограничные линии сходятся в критической точке 0 К. При значениях p >pкр и t >tкр у данного вещества теряется различие между паром и жидкостью.

Рассмотрим теоретический (без сопутствующих потеpь ) цикл одноступенчатой паровой компрессионной холодильной машины (ПКХМ) (на рис. 17 - бледные линии 1-2-3-4). Его построение начинают с нанесения изобар p0=const и pк=const, отвечающих изотермам t0 и tк в области двухфазных состояний. Для цикла характерно, что компрессор всасывает из испарителя сухой насыщенный пар с параметрами p0 и t0 (точка

1) и	адиабатически (по линии s=const) сжимает его		до давления в
конденсаторе pк (процесс 1-2).		При этом пары хладагента нагреваются за
счёт	механической энергии (работы) до температуры tп (перегрев сжатия).
	Горячие пары хладагента по трубопроводу нагнетаются		компрессором
в	конденсатор, где у	них cначала снимается	перегрев

* Её удобство состоит в том, что отрезки по оси i между характерными точками цикла определяют изменение состояния хладагента под действием соответствующего количества внешней теплоты или механической энергии.

74

(поцесс 2-а), а затем начинается конденсация при постоянных давлении pк и температуре tк, завершающаяся в точке 3; при этом хладагент сбрасывает энергию q0 + l в окружающую среду.

Далее жидкий хладагент поступает в терморегулирующий вентиль, где его давление снижается от высокого pк до низкого p0 (изоэнтальпийный процесс дросселирования 3-4); в конечной точке расширения устанавливается температура t0, а часть жидкости превращается в пар. Полученная парожидкостная смесь направляется в испаритель, где жидкий хладагент кипит при постоянных p0 и t0 (изобарный и одновременно изотермический процесс 4-1), отнимая теплоту от охлаждаемого объекта (воздуха грузового помещения). Образующиеся пары хладагента отсасываются компрессором, и цикл повторяется.

Создавая в испарителе низкое давление, компрессор, таким образом, поддерживает непрерывное кипение хладагента в испарителе за счёт отвода теплоты от холодоносителя. Чем ниже надо получить температуру в охлаждаемом объекте, тем ниже должно быть давление в испарителе.

Действительный (реальный) цикл холодильной машины (отмечен на рис.17 яpкой линией) отличается от теоретического следующим:

компрессор всасывает не сухой насыщенный пар (точка 1), а слегка перегретый (точка 1'); перегрев пара, необходимый по условию надёжности работы компрессора, осуществляют в испарителе, трубопроводе и специальном теплообменнике;

в испарителе и конденсаторе давление снижается вследствие потерь напора на трение движущегося хладагента о стенки труб, поэтому процесс сжатия паров в компрессоре требует большей затраты работы;

жидкий хладагент переохлаждается в конденсаторе или специальном теплообменнике (процесс 3-3') для гарантии полного отсутствия пузырьков пара перед регулирующим вентилем и увеличения полезной холодопроизводительности.

Расчёт цикла холодильной машины производится с целью определения параметров хладагента в характерных точках цикла, величины подачи компрессора и тепловой нагрузки конденсатора. Исходными данными для расчёта служат: потребная для подавления всех видов теплопритоков холодопроизводительность Q 0,

75

вид хладагента, температуры его кипения t0 (определяется условиями перевозимого скоропортящегося груза) и конденсации tк (зависит от температуры наружного воздуха).

В случае теоpетического цикла по заданным температурам t0 и tк, используя диаграмму lgp-i для хладагента (или таблицу его термодинамических свойств), определяют соответствующие им давления кипения p0 и конденсации pк. Затем по температурам и давлениям строят цикл на диаграмме lgp-i и находят параметры хладагента в характерных точках: энтальпии i1,..., i4, удельного объёма на всасе компрессора v1. Далее производят расчёт в следующей последовательности.

Определяют удельную массовую холодопроизводительность q0, кДж/кг:

q0 = i1 - i4.

Теоретическая работа, затрачиваемая в компрессоре на сжатие 1 кг хладагента l, кДж/кг:

l = i2 – i1.

Теплота, отданная 1 кг хладагента в конденсаторе,

qк = i2 – i3,

или по закону сохранения энергии

qк = q0 + l = i2 – i4;

два выражения для qк совпадают, так как i3 = i4. Холодильный коэффициент цикла ε= q0/l.

Расход (поток) циркулирующего в системе хладагента Dха, кг/с, можно определить из очевидной связи полной и удельной величин, Q0 = = q0 Dха:

Dха = Q0/q0.

76

Аналогично, теоретическая подача компрессора, т.е. объём пара, всасываемого компрессором V, м3/с,

V = Dха v1;

эта величина определяет конструктивную реализацию компрессора. Удельная объёмная холодопроизводительность qv, кДж/м3:

qv = q0/v1.

Потребная теоретическая мощность компрессора Nт, кВт:

Nт = Dхаl = Q0/ ε.

Тепловая нагрузка на конденсатор, т.е. количество теплоты, отводимое от хладагента в конденсаторе в единицу времени, Вт:

Qк = Q0 + Nт = Q0 1+ε ε.

Для построения и расчёта действительного цикла, кроме Q0, t0 и tк, должны быть дополнительно заданы температуры переохлаждения жидкого

хладагента	(в конденсаторе или теплообменнике после		него) tи и
перегретого пара на всасе компрессора tвс,		а также падения давления в
испарителе и	конденсаторе. Используя их,	по диаграмме lgp-i	определяют
энтальпии в точках 1', 2', 3' и 4' и удельный объём пара на всасе			v1'.

Расчёт действительного цикла производят по тем же формулам, что и теоретического, но только для точек 1',..., 4'. Очевидно, что в действительном цикле холодопроизводительность q0 = i1' – i4' больше чем в теоретическом; аналогично и работа l = i2' – i1' больше теоретической.