Определение основных характеристик

Каскадной холодильной установки

 

Ц е л ь р а б о ты: 1. Изучение устройства и принципа действия каскадной холодильной установки.

2. Приобретение практических навыков расчета основных характеристик каскадной холодильной установки.

Р е к о м е н д у е м а я л и т е р а т у р а: [1, 2, 3,5].

Теоретические сведения

 

В ряде случаев, обычно для экспериментальных или других специальных целей, необходимо получать низкие температуры – порядка -80...-150 °С. Использование в этих случаях многоступенчатых холодильных машинбнецелесообразно и невыгодно вследствие очень низкого давления кипения.

Так, при работе на хладагенте среднего давления R12 или R22 давление кипения будет существенно ниже атмосферного, а удельный объем пара, всасываемого компрессором, очень большим. Поэтому компрессор нижней ступени будет иметь увеличенные габаритные размеры и металлоемкость.

Применение одного хладагента высокого давления невозможно из-за низкой критической температуры, а аммиак вообще нельзя использовать, так как его температура замерзания -78 °С.

Для получения низких температур эффективны каскадные холодильные машины. Они представляют собой систему отдельных одноступенчатых или двухступенчатых машин, работающих на разных хладагентах.

На рис. 6 показана принципиальная схема наиболее простой каскадной двухступенчатой фреоновой холодильной машины.

Рис. 6. Принципиальная схема каскадной двухступенчатой

фреоновой холодильной машины

 

Она состоит из двух одноступенчатых холодильных машин, одна из которых – нижняя ступень каскада – работает на хладагенте R 13, а другая – верхняя ступень – на хладагенте R 22.

Обе ступени каскадной машины объединяет один общий аппарат конденсатор-испаритель КД-И. Он служит конденсатором для хладагента R 13 и испарителем для хладагента R 22. В нем теплота конденсации R 13 передается кипящему R 22.

Использование в нижней ступени R 13 позволяет иметь в испарителе низкую температуру кипения (до -80 °С) при давлении кипения р₀ выше атмосферного. Напомним, что нормальная температура кипения R 13 t _н.к=-81,6 ^cС, а температура замерзания t _З= -180°С.

Сравнительно малый объем всасываемого пара v ₁ обусловливает небольшие габаритные размеры и металлоемкость компрессора нижней ступени.

Значительно меньше у R 13 по сравнению с R 22 и отношение давлений р _К/ p ₀. Если принять температуру кипения t ₀= -80 °С, а конденсации в КД-И t _К= -40 °С, то отношение р _К/ p ₀ будет для R22 равно 10,2, для R 13 – 5,5, т. е. примерно в 2 раза меньше, что весьма существенно отражается на рабочих характеристиках компрессора.

 

Порядок выполнения работы

 

В состав каскадной холодильной установки (рис. 7) входит охлаждаемая камера 9, холодильные машины верхнего и нижнего каскадов, пульт управления, манометры, показывающие давление всасывания и нагнетания каждого каскада. По давлению можно определить температуру в испарителе-конденсаторе, а также в испарителе нижней ступени.

 

 

Рис. 7. Схема каскадной фреоновой холодильной установки:

1 – двухступенчатый компрессор; 2 – испаритель; 3 – водяной конденсатор; 4 – теплообменник промежуточного давления; 5 – маслоотделитель; 6 – фильтр-дегидратор; 7, 8 – терморегулирующие вентили; 9, 10, 13 – барорегулирующий, электромагнитный запорный и водяной вентили, 11 – прессостат; 12 – реле давления; 14 – мановакуумметр; 15 – линия всасывания

 

По этим показаниям рассчитывают нижний каскад холодильной машины по формулам, соответствующим одноступенчатой машине.

На пульте управления имеются кнопки «Пуск» и «Стоп», обеспечивающие включение и отключение верхнего каскада холодильной установки.

При включении кнопок 5 и 6 работают оба каскада холодильной установки, что обеспечивает получение низкой температуры в холодильной камере 9. Давление и температура всасывания и нагнетания регистрируются манометрами 3 и 4, расположенными на пульте управления установки.

Перед включением установки проверить наличие заземление.

Включить трехфазную вилку в розетку сети. При этом загорается сигнальная лампа зеленого цвета, сигнализирующая о подаче напряжения к установке.

Снять боковую, заднюю и верхнюю панели установки и последовательно, начиная от нагнетательного вентиля каждого компрессора, найти элементы холодильной установки, расположенные в корпусе.

Составить схему каскадной машины в целом, начертить и описать назначение и устройство каждого элемента.

Далее открыть нагнетательные и всасывающие клапаны на компрессорах нижней и верхней ступеней. Последовательно запустить компрессоры установки. В течение 5 мин работы установки снять показания манометров на нагнетательных и всасывающих магистралях нижней и верхней ступеней установки.

Затем выключить установку, последовательно нажав на кнопки «Стоп» верхнего и нижнего каскадов на пульте управления. Вынуть из трехфазной розетки вилку.

Полученные в ходе выполнения работы данные занести в протокол испытаний (табл. 5).

 

Таблица 5. Протокол испытаний

 

Давление, МПа	Температура, °С
всасывания pвс	нагнетания pк	всасывания tвс	нагнетания tк

 

После этого по исходным данным студенты строят lg p - i диаграммы циклов нижнего и верхнего каскадов холодильной установки в диаграммах для фреона R 502 и R 13 и определяют ее основные характеристики.

Для удобства выполнения расчетов значения параметров узловых точек цикла записываем в виде табл. 6.

Таблица 6. Параметры узловых точек процесса

 

Параметр	Точки
	1'			3'
р, МПа
t, °С
i, кДж/кг
u, м3/кг

 

По марке компрессора верхней ступени выбираем его геометрические размеры и кинематические апараметры (количество поршней, диаметр поршня, ход поршня, частоту вращения коленчатого вала и т.д.).

 

Расчетная часть

 

Определяем объем, описываемый поршнями, по формуле

, м³/с. (22)

 

Удельная массовая холодопроизводительность q ₀, кДж/кг

 

. (23)

 

Далее определяем удельную объемную холодопроизводительность верхней ступени q_V, кДж/м³

 

, (24)

 

где u ₁ – удельный объем пара, всасываемого в цилиндр компрессора, м³/кг.

По таблицам приложения выбираем коэффициент подачи l _а.

Определяем рабочую холодопроизводительность компрессора Q₀, кВт

 

. (25)

Если известна тепловая нагрузка на испаритель (по заданию преподавателя), то можно определить массовый расход хладагента G_д,кг/с

 

, (26)

 

где Q_и – тепловая нагрузка на испаритель, кВт.

Теоретическая работа компрессора определяется по формуле

 

. (27)

 

Действительная работа компрессора, она же будет работой всей установки, учитывая КПД привода, определяется по формуле

 

. (28)

 

Холодильный коэффициент установки определяется по формуле

 

. (29)

 

Контрольные вопросы

 

1. В каких случаях используют каскадные холодильные установки?

2. Каково устройство и принцип действия каскадной холодильной установки?

3. В чем заключается отличие нижнего и верхнего каскадов холодильной установки?

4. Какие хладагенты используют в каскадах установки?

5. Как строится цикл работы каскадной установки?

6. Какое устройство является общим для обоих каскадов?

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5