Регенерация теплоты в циклах холодильных установок

Для холодильных установок большой холодопроизводительности является актуальным вопрос повышения их экономичности. Одним из способов повышения экономичности энергетических и холодильных установок является использования регенеративного теплообмена (теплообмен между одним и тем же рабочим телом, находящимся в разных процессах термодинамического цикла). Поскольку температура пара на выходе из испарителя (точка 1а, рис. 8а) ниже температуры жидкого фреона на выходе из конденсатора (точка 3а) даже при наличии поверхностного переохлаждения жидкого хладагента (процесс 3-3а), то имеются все условия для реализации теплообмена между ними.

Направив потоки хладагента, находящиеся в разных процессах холодильного цикла, в общий теплообменник, который в этом случае называется регенеративным, получают с одной стороны переохлаждение жидкого холодильного агента (процесс 3а-3в), а с другой – перегрев его паров (процесс 1а-1в), (см рис. 8а). При этом процесс переохлаждения жидкого холодильного агента увеличивает удельную массовую холодопроизводительность на величину пропорциональную площади а-4а-4в-в-а, а перегрев паров – увеличивает работу сжатия пропорционально площади (1а-2а-2в-1в-1а) (см. рис.8a). Однако при этом гарантируется «сухой ход компрессора» при всех возможных режимах работы холодильной установки. Правда, при этом увеличивается температура рабочего тела после компрессора, что требует увеличения теплообменной поверхности конденсатора для отвода теплоты перегретого пара. К тому же увеличивается средняя температура процесса отвода теплоты в окружающую среду, а значит, увеличивается внешняя необратимость цикла. Наконец, при регенерации уменьшается коэффициент подачи компрессора.

Таким образом, регенеративный теплообмен обуславливает ряд качественно противоположных эффектов, поэтому решение об энергетической целесообразности регенерации теплоты в холодильном цикле принимают на основании, рассчитываемого для конкретных условий работы холодильной установки, соотношения

.

Первое неравенство, как правило, выполняется для большинства хладагентов, но в определенном интервале температур для каждого хладагента (для многих хладагентов при сравнительно низких температурах).

Одной из задач настоящей лабораторной работы является проверка целесообразности (нецелесообразности) использования регенерации в холодильной установке, работающей в заданном температурном интервале и использующей заданный хладагент.

Для термодинамических расчетов и анализов холодильных циклов широко используются две диаграммы: T, s и lgр,h. Достоинством диаграммы lgр,h является то, что три из четырёх процессов, образующих цикл простейшей холодильной установки, изображаются на ней прямыми линиями, при этом количество подводимой и отводимой теплоты, а также работа цикла изображаются соответствующими отрезками прямых (см. рис. 9).

Здесь процесс 1в-2в – обратимое адиабатное (изоэнтропное) сжатие хладагента в компрессоре; 2в-3а – изобарный процесс отвода теплоты от хладагента в окружающую среду, реализуемый в конденсаторе, в том числе: 2в-2 процесс снятия перегрева пара, 2-3 процесс конденсации, наконец, процесс 3-3а поверхностное переохлаждения жидкого хладагента в конденсаторе. Переохлаждению жидкого хладагента в регенеративном теплообменнике соответствует процесс 3а-3в. Соответственно процесс 1а-1в – перегрев пара в этом теплообменнике; 3в-4в – изоэнтальпийный процесс дросселирования под действием разности давлений р_k и р_и. При этом понижается температура хладагента от Т _к до Т _и. Наконец, 4в-1а – процесс испарения (кипения) холодильного агента в испарителе с отбором теплоты от охлаждаемого объекта (помещения, в котором установлен испаритель).

 

Рис.10. Принципиальная схема простейшей холодильной установки

в символах ЕСКД

 

Рис.11. Принципиальная схема холодильной установки с регенеративным переохлаждением жидкого хладагента и перегревом его паров

4. Последовательность выполнения лабораторной работы

4.1. Изучить теоретический материал лабораторной работы; изобразить в координатах T,s и lgp,h теоретические циклы холодильных установок без регенеративного и с регенеративным теплообменом и их принципиальные схемы; указать их отличительные особенности и отметить их достоинства и недостатки.

4.2. Изучить на месте конструкцию и назначение основных элементов и отдельных узлов, а затем и в целом устройство холодильных установок, имеющихся в лаборатории холодильных машин (ФАК 1,5Е, МХУ-8С и малой холодильной установки). Уяснить и охарактеризовать конструктивные особенности этих холодильных установок.

4.3. Изобразить принципиальные схемы холодильных установок без регенерации и с регенерацией теплоты в обозначениях ЕCКД. Указать элементы, входящие в них, и их назначение. Изобразить теоретические циклы холодильных установок без регенеративного и с регенеративным теплообменом в координатах T,s и lgp,h.

4.4. Определить параметры (свойства) хладагента в характерных точках теоретических циклов без регенеративного теплообмена (по диаграмме lgp, h) и с регенеративным теплообменом (по таблицам термодинамических свойств соответствующего хладагента).

4.5. Проверить энергетическую целесообразность усовершенствования цикла холодильной установки (переход от нерегенеративного к регенеративному циклу) при заданных преподавателем условиях работы холодильной установки: температура окружающей среды (забортной воды), температура в трюме, система охлаждения трюма, расстояние между конденсатором и испарителем, наконец, используемый хладагент. На основании выполненных расчетов сделать экспертное заключение-рекомендацию об энергетической целесообразности (нецелесообразности) использования регенерации теплоты при заданных условиях работы холодильной установки.

4.6. При защите лабораторной работы быть готовым ответить на любой из ниже приведенного перечня вопросов. При оформлении лабораторной работы надо письменно ответить на вопросы, указанные преподавателем из этого перечня.

5. Контрольные вопросы

1. Основные цели настоящей лабораторной работы?

2. Основные методы охлаждения и хранения скоропортящихся продуктов? Какой из этих методов получил наибольшее применение на практике? Какой из циклов, входящих в этот метод наиболее энергетически совершенен?

3. Дайте определение понятию «рефрижерация». Изобразите принципиальную схему и поясните принцип действия простейшей холодильной установки.

4. Назначение компрессора и терморегулирующего вентиля любой парокомпрессорной холодильной установки?

5. Назначение конденсатора и испарителя любой парокомпрессорной холодильной установки?

6. Чем может охлаждаться конденсатор? Преимущества и недостатки используемых систем охлаждения конденсаторов?

7. Изобразите принципиальную схему простейшей парокомпрессорной холодильной установки и её теоретический цикл в Т,s и lgp,h координатах.

8. Основные системы охлаждения рефрижераторных трюмов? Их относительные преимущества и недостатки?

9. Основные элементы, входящие в простейшую парокомпрессорную холодильную установку?

10. Основные требования, предъявляемые к компрессорам СХУ?

11. Приведите классификацию компрессоров СХУ по принципу действия.

12. Приведите классификацию компрессоров СХУ по степени герметичности, холодопроизводительности и виду перекачиваемого хладагента.

13. Приведите классификацию компрессоров СХУ по типу привода, способу смазки и температурного диапазона кипения хладагента.

14. Какие типы компрессоров чаще всего используются в СХУ? Области их применения?

15. Дайте характеристику поршневым компрессорам СХУ. Почему регламентируется температура хладагента в конце сжатия в компрессоре и к чему приводит не соблюдение требований регламента?

16. Чем обусловлено широкое распространение винтовых компрессоров в СХУ? Какие виды винтовых компрессоров используются на практике? Их принципы действия?

17. Как называются винтовые компрессоры, в корпус которых впрыскивается масло? С какой целью масло впрыскивается и что делается, чтобы масло не распространялось по системе хладагента?

18. Чем охлаждаются маслоохладители? Как регулируется подача винтового компрессора?

19. Назначение конденсатора? Что влияет на теплопередачу в конденсаторе?

20. Как классифицируются конденсаторы в зависимости от используемой охлаждающей среды? Как классифицируются водяные и воздушные конденсаторы по конструкции?

21. Какой тип конденсаторов чаще всего применяется в СХУ? Сколько ходов охлаждающей воды используется в конденсаторе? От чего это зависит?

22. Как крепятся к трубным доскам теплообменные трубки конденсаторов? Куда подаётся пар хладагента в конденсаторе и как отводится образующаяся жидкость?

23. Какими приборами оборудуются конденсаторы?

24. Принципиальное отличие между кожухотрубными и кожухозмеевиковыми конденсаторами? Их относительные преимущества и недостатки?

25. Из какого материала изготавливаются трубки аммиачных конденсаторов? Почему трубки аммиачных конденсаторов не оребряются?

26. Как классифицируются испарители в зависимости от используемой системы охлаждения? Их относительные преимущества и недостатки?

27. Как классифицируются испарители в зависимости от места кипения хладагента (внутри или снаружи трубы)? Их относительные преимущества и недостатки?

28. Конструктивные особенности судового кожухотрубного испарителя МИТР-25? Относительное движение охлаждаемого рассола и кипящего хладагента?

29. Основные недостатки затопленных кожухотрубных испарителей?