Исследование их теоретических циклов

1. Цель работы

– изучение устройства и назначения элементов и конструкций типовых судовых парокомпрессорных холодильных установок;

–приобретение навыков изображения принципиальных схем парокомпрессорных холодильныхустановок в обозначениях ЕСКД;

–приобретение навыков построения в Т,s и lgp,h диаграммах теоретических циклов парокомпрессорных холодильных установок и их расчета с помощью lgp,h диаграммы и таблиц термодинамических свойств хладагента;

–изучение особенностей конструкций холодильных установок с регенеративным теплообменом;

–определение энергетической целесообразности использования регенерации теплоты в парокомпрессорной холодильной установке при заданных хладагенте и условиях её работы.

2. Теоретические положения по вопросам, рассматриваемым в работе

Для охлаждения и хранения скоропортящихся пищевых продуктов при низких температурах используются методы, базирующиеся на различных физических процессах – плавлении, сублимации, испарении (кипении) легкокипящих веществ, а также вихревом и термоэлектрическом эффектах. В соответствии со вторым законом термодинамики перенос теплоты от холодного тела к более горячему может осуществляться путем организации обратного термодинамического цикла. Наиболее энергетически совершенным циклом в заданном интервале температур является обратный обратимый (идеальный) цикл Карно. Этот цикл может быть осуществлён в двухфазной области состояния реального газа^*) с учетом особенностей осуществления фазовых переходов: жидкость–пар и пар–жидкость. Теоретический цикл и принципиальная схема такой холодильной установки приведены на рис.1. Рефрижерация — это процесс снижения и поддержания температуры воздуха в помещении (трюме) ниже температуры окружающей среды. Для снижения температуры в грузовых трюмах и в провизионных кладовых при рефрижерации применяют систему охлаждения, работа которой обеспечивается холодильной машиной.

*) В качестве рабочих тел парокомпрессорных холодильных установок используются, так называемые, легкокипящие вещества: вещества нормальная температура кипения которых ниже 0^◦С. Такие вещества в холодильной технике называются холодильными агентами или хладагентами

При рефрижерации внутренняя энергия охлаждаемого груза и теплота, проникающая в охлаждаемое помещение, передаются рабочему телу холодильной установки (хладагенту), имеющему температуру ниже температуры воздуха в помещении. В результате этого хладагент кипит. Образующиеся пары всасываются и сжимаются компрессором с целью повышения их температуры выше температуры окружающей среды (забортной воды). При тепловом взаимодействии сжатых паров хладагента с окружающей средой происходит их охлаждение и конденсация, сопровождающиеся отдачей теплоты окружающей среде. Отдаваемая теплота равна сумме теплоты, отбираемой от охлаждаемого груза, и теплоты, эквивалентной работе, затрачиваемой на сжатие пара в компрессоре.

Рис. 1. Принципиальная схема парокомпрессорной холодильной установки

1 - испаритель; 2 - термочувствительный баллон; 3 - компрессор; 4 - маслоотделитель; 5 - конденсатор; 6 - осушитель; 7 - трубопровод для отвода масла из маслоотделителя в картер компрессора; 8 - регулирующий вентиль (соленоидный вентиль); 9 - терморегулирующий вентиль.

Другими словами, в простейших холодильных установках передача теплоты, отбираемой от охлаждаемых объектов, осуществляется дважды: сначала в испарителе, где холодильный агент, имеющий температуру ниже охлаждаемой среды, отбирает теплоту (внутреннюю энергию) от неё, а затем в конденсаторе, где холодильный агент отдаёт теплоту окружающей среде, охлаждаясь и конденсируясь. В наиболее распространенных схемах морских рефрижераторных установок (рис. 1) используется парокомпрессорный холодильный цикл. В компрессоре в результате сжатия пара хладагента повышаются его давление и температура. Сжатый горячий пар нагнетается в конденсатор, где в зависимости от условий применения установки, охлаждается воздухом или водой. Этот процесс осуществляется при постоянном давлении до полной конденсации пара. Жидкий холодильный агент, собирающийся в нижней части конденсатора либо в специальном линейном ресивере, под действием разности давлений Δ р = р _к – р _и направляется по трубопроводу к регулирующим вентилям (секущему, соленоидному и терморегулирующему), которые регулируют подачу жидкого хладагента в испаритель и понижают его температуру. Воздух из охлаждаемого помещения либо наружный воздух, либо их смесь продувается через испаритель (воздухоохладитель), отдаёт теплоту, охлаждается. За счет этой теплоты происходит кипение хладагента. Подача хладагента в испаритель должна быть отрегулирована так, чтобы весь жидкий хладагент, поступающий в испаритель, выкипал полностью, а образовавшийся пар слегка перегревался перед тем, как он снова поступит при низком давлении в компрессор для последующего сжатия.

Таким образом, теплота, передаваемая от воздуха помещения к хладагенту в испарителе, переносится хладагентом по системе до тех пор, пока не достигнет конденсатора, где она передаётся наружному воздуху или воде. В установках, в которых применяется конденсаторы с воздушным охлаждением, например, в провизионных холодильных установках, для интенсификации теплопередачи, часто применяется обдув трубок конденсатора воздухом. Конденсаторы с водяным охлаждением прокачиваются пресной или забортной водой. Пресная вода применяется в тех случаях, когда в машинном отделении СЭУ имеются и другие механизмы, и теплообменные аппараты, охлаждаемые пресной водой. При этом пресная вода охлаждается забортной водой в центральном охладителе. Однако из-за более высокой температуры пресной воды, поступающей при этом в конденсатор, давление конденсации пара хладагента будет в этом случае несколько выше, чем при охлаждении конденсатора непосредственно забортной водой. Это значит, что работа, потребляемая компрессором, будет больше, а холодильный коэффициент меньше.

Рис.2. Термодинамический цикл простейшей холодильной установки

На судах в основном используются парокомпрессорные холодильные установки, теоретический цикл которых состоит из следующих термодинамических процессов:

— обратимого адиабатного процесса сжатия пара, образующегося в испарителе, компрессором до давления конденсации р _к, величина которого зависит от температуры окружающей среды (забортной воды): р _к= f (t _к), а t _к= t _з/в+(5...8)⁰С (рис.2, процесс 1-2);

— изобарного процесса отвода теплоты в окружающую среду; при этом различают охлаждение пара (снятие перегрева) – процесс 2-3 и его конденсацию при р _к = idem (процесс 3-4);

— необратимого процесса дросселирования хладагента (перетекание хладагента через большое местное сопротивление без выполнения внешней работы) от давления конденсации р _к до давления испарения (кипения) р _и; величина последнего зависит от температуры испарения t _и. Температура испарения t _и хладагента зависит от температуры, которую необходимо поддерживать в охлаждаемом помещении (t _тр) и принятой системы охлаждения (СОХ): t _и= f (t _тр, СОХ).

Обычно различают и используют в зависимости от того, чем руководствуются при проектировании холодильной установки, четыре системы охлаждения:

– непосредственная система охлаждения (НСО) — t _и = t _тр – (8...10)⁰С

(хладагент подаётся непосредственно в приборы охлаждения);

– система охлаждения хладоносителем (рассолом) (СОР) — (в приборы охлаждения подаётся рассол, охлаждаемый в испарителе):   t _и= t _тр– (10...12)⁰С;

– воздушно-непосредственная система охлаждения (ВНСО) (в воздухоохладитель, устанавливаемый возле охлаждаемого помещения (в выгородке), подаётся хладагент, кипящий в трубках и тем самым охлаждающий воздух, продуваемый вентилятором между трубками) — t _и = t _тр – (12...14)⁰С

– воздушно-рассольная (комбинированная) система охлаждения (ВРСО) (в воздухоохладитель подаётся рассол, охлаждаемый в испарителе) — t _и = t _тр – (14...16)⁰С

— наконец, замыкает теоретический холодильный цикл изобарный процесс кипения хладагента в испарителе (процесс 5-1).

Теплота, необходимая для испарения хладагента, отбирается из замкнутого (изолированного) помещения и от груза, находящегося в этом помещении. Для осуществления перечисленных процессов, а также обеспечения работоспособности и эффективности холодильной установки в её состав входят следующие основные механизмы и устройства:

– компрессоры

– конденсаторы

– дроссельные устройства

– испарители (воздухоохладители)

– вспомогательные элементы: ресиверы, фильтры, осушители, клапаны (секущие, терморегулирующие, соленоидные), охладители и отделители пара, жидкости и масла, термостаты, прессостаты.

3. Основные элементы компрессорных холодильных установок

3.1. Компрессоры

Компрессоры холодильных установок предназначены для отсасывания пара хладагента, образующегося в испарителе за счет теплоты охлаждаемого объекта, и сжатия его до давления конденсации.

Компрессоры классифицируются по следующим признакам:

— по принципу действия

– компрессоры объёмного сжатия: пар сжимается вследствие уменьшения замкнутого объёма, это — поршневые, винтовые и ротационные компрессоры

– компрессоры динамического сжатия: пар сжимается вследствие непрерывного принудительного перемещения его через плавно сужающуюся проточную часть компрессора (улитку), при этом кинетическая энергия потока переходит в потенциальную энергию давления; это — центробежные, осевые, вихревые компрессоры.

Для указания типа используемого компрессора приняты следующие условные обозначения:

П — поршневой сальниковый

ПБ — поршневой бессальниковый

ПГ — поршневой герметичный

Р — ротационный сальниковый

РБ — ротационный бессальниковый

ВХ — винтовой сальниковый

ВБ — винтовой бессальниковый

— по степени герметичности:

– открытые (сальниковые) (компрессор и приводящий двигатель установлены рядом и не объединены общим кожухом);

– полугерметичные (бессальниковые): со встроенными электродвигателями, но со съёмными крышками-лазами в общем корпусе;

– герметичные: со встроенным электродвигателем в общем заваренном корпусе, без разъёмов и доступа к подвижным элементам компрессора и двигателя.

— по холодопроизводительности:

– малые (Q₀ ≤ 15 кВт)

– средние (Q₀ = 15…120 кВт)

– крупные (Q₀ > 120 кВт)

— в зависимости от вида перекачиваемого хладагента

– аммиачные

– хладоновые (фреоновые)

– унифицированные (пригодные для работы с различными хладагентами).

— в зависимости от температурного диапазона всасываемого хладагента:

– высокотемпературные (от +10 до –15⁰ С)

– среднетемпературные (от –10 до – 30⁰ С)

– низкотемпературные (ниже – 30⁰ С)

— в зависимости от типа используемого  привода

– с приводом от электродвигателя

– с приводом от двигателя внутреннего сгорания и др.

— по способу смазки

– с принудительной смазкой маслонасосом

– со смазкой разбрызгиванием

– без смазки (с сухим трением).

К судовым холодильным компрессорам предъявляются повышенные требования, в частности, они должны:

– иметь небольшую массу и габариты

– иметь высокие технические показатели

– обладать высокой надежностью и долговечностью

– быть безопасными в эксплуатации

– обладать высокой энергетической эффективностью при различных режимах работы

– иметь низкий уровень шума и вибраций

– обладать высокой степенью автоматизации.

В холодильных установках, имеющихся в холодильной лаборатории университете, из перечисленных используются два типа компрессоров:

– поршневой сальниковый малой холодопроизводительности хладоновый среднетемпературный со смазкой разбрызгиванием с приводом от электродвигателя;

– поршневой герметичный малой холодопроизводительности среднетемпературный с приводом от электродвигателя.

В судовых холодильных установках применяются компрессоры трех типов: центробежные, винтовые и поршневые.

Рис. 3. Поршневой W-образный компрессор