Схема и цикл одноступенчатой паровой компрессионной холодильной машины (ПКХМ)

Схема и теоретический цикл одноступенчатой ПКХМ представ- лены на рисунках 3 и 4. Здесь и далее характерные состояния хлад­агента в циклах машин и на их схемах отмечены одними и теми же цифрами.

Рис.3 Схема одноступенчатой ПКХМ

Для параметров хладагента используются следующие обозначения:

— соответственно температура и давление кипения;

— соответственно температура и давление конденсации;

— температура переохлаждения конденсата;

и — темпе­ратура пара соответственно всасываемого (1) и нагнетаемого (2)компрессором.

В теоретических циклах пренебрегают теплообме­ном хладагента с неохлаждаемым воздухом (омывающим холодиль­ное оборудование), изменением давления хладагента в теплообменных аппаратах и трубопроводах. Сжатие в компрессоре считается адиабатным.

Как в испарителе, так и в конденсаторе хладагент находится главным образом в состоянии насыщения и каждой температуре на­сыщения или соответствует одно единственное значение давле­ния насыщения или

Рис.4. Теоретический цикл одноступенчатой ПКХМ на диаграммах sT и iP

В охлаждаемом помещении, через тепловую изоляцию которого непрерывно проникает теплота извне, расположен испаритель. Испарителем называется теплообменный аппарат, в котором кипит хладагент. Хладагент поступает в испаритель от регулирующего (дроссельного) клапана в виде очень влажного насыщенного пара (4). Для от­вода теплоты от охлаждаемой среды (воздуха, промежуточного хладоносителя и др.) в паровых машинах используется изобарно-изотермический процесс (4-C) (см. рис.4) кипения, содержащейся во влажном паре жидкости при постоянных значениях давления и температуры. Теплоту парообразо­вания , необходимую для ки­пения, хладагент получает от воздуха судового помещения, вследствие чего оно охлаждает­ся. Кроме того, теплота отво­дится от помещения в конце ис­парителя и во всасывающем тру­бопроводе, смонтированном внутри охлаждаемого помеще­ния, в результате незначитель­ного перегревания (изобарный процесс с—1) образующегося сухого насыщенного пара от тем­пературы до . Температура кипения регулируется изменением давления пара над поверхностью кипящей жидкости путем интенсивного его отвода из испарителя. Давление поддерживают таким, чтобы соответствующая ему температура была более низкой чем температура воздуха в охлаждаемом помещении , Разность этих тем­ператур - необходима для передачи теплоты через стенки зме­евиков И от охлаждаемой среды к кипящему хладагенту. Темпера­туры кипения и всасывания определяются и ограничиваются значением . Для поддержания постоянного давления перегретый пар (1) непре­рывно отсасывается компрессором с той же интенсивностью, с которой пар образуется в испарителе. Чтобы хладагент отдал полученную от охлаждаемой среды ок­ружающей среде теплоту с более высокой температурой, необходимо пар адиабатно сжать в компрессоре (1 – 2) от давления до зна­чения , при котором соответствующая температура насыщения будет выше температуры охлаждающей забортной воды . ПКХМ работает за счет затраты механической энергии на сжатие хладагента.

Тепловой эквивалент работы, расходуемой на сжатие, называется теплотой сжатия. Температура пара, нагнетаемого компрессором (2), зависит от свойств хладагента, температуры в начале сжатия (1), степени повышения давления и способа охлаждения компрессора. Сжатый перегретый пар нагнетается компрессором в конденсатор. Таким образом компрессор осуществляет циркуляцию хладагента через элементы холодильной машины, преодолевая их гидравлические сопротивления.

Через конденсатор циркуляционным насосом прокачивается забортная вода. Вследствие отвода теплоты от хладагента окружаю­щей средой с более низкой температурой (изобарный процесс 2— 3) пар вначале в нагнетательном трубопроводе и верхней части конден­сатора изобарно охлаждается до состояния насыщения а (отвод теп­лоты перегрева 2 – а). Затем он конденсируется при постоянной температуре , определяемой давлением насыщения (изобарно-изотермический процесс а – в), а скапливающаяся в нижней час­ти конденсатора жидкость изобарно переохлаждается до темпе­ратуры < . Для поддержания постоянного давления конденсации пар должен конденсироваться с той же интенсивно­стью, с которой он перекачивается в конденсатор. Отводимая от хладагента теплота уносится охлаждающей средой. Из конденса­тора переохлажденная жидкость (3) с параметрами и посту­пает в регулирующий клапан.

В паровых ХМ для понижения температуры хладагента и за­мыкания цикла используется процесс дросселирования (3 — 4)в суженном отверстии регулирующего клапана (дроссельный эффект Джоуля—Томпсона). Дроссельный клапан называется регулирую­щим потому, что он одновременно регулирует массовую подачу жид­кого хладагента в испаритель. В регулирующем клапане давление хладагента понижается от до . Вследствие этого при дросселиро­вании часть циркулирующей жидкости выкипает. Необходимую для кипения теплоту парообразования хладагент берет от самого себя, поэтому невыкипевшая жидкость охлаждается от до первоначаль­ной температуры . Поскольку процесс дросселирования (сопро­вождающийся трением) необратим, то энтропия (s) возрастает. Хла­дагент дросселируется в РК мгновенно, следовательно этот процесс происходит без теплообмена с окружающей средой (адиабатный). В процессе дросселирования полезная работа не совершается. По этим причинам энтальпия хладагента в начале и конце, процесса не изменяется.

Под действием разности давлений и хладагент возвращается через регулирующий клапан в испаритель, и далее цикл повторяется.

Расчет теоретического цикла одноступенчатой ПКХМ. Рассмот­рим расчет цикла без учета влияния примеси масла к хладагенту. Исходной величиной для расчета является рабочая холодопроизводительность (холодильная мощность) машины. Кроме то­го, предварительно выбираются хладагент и температуры: кипения , всасываемого компрессором пара , конденсации и переохлаж­дения .

По температурам и , пользуясь таблицей насыщенного пара для выбранного хладагента, либо термодинамической диаграммой ip или sT, определяются соответствующие абсолютные давления насыщения и . Затем по установленным температурам и давлениям строится теоретический цикл машины в одной из диаграмм состоя­ния хладагента. Состояние перегретого пара, всасыва­емого компрессором из испарителя, определяется пересечением изо­бары с изотермой (1). Принимая сжатие пара в компрессоре адиабатным, проводят изоэнтропу s до пересечения с изобарой (состояние 2 перегретого пара в конце сжатия). На пересечении изотермы с изобарой (в диаграмме sT с левой пограничной кривой, для которой x=0), определяется состояние переохлажденного конденсата (3). Процесс дросселирования условно изображается изоэнтальпой i, проходящей из точки (3) вниз до пересечения с изобарой в точке (4), которая характеризует состояние влажного насыщенного пара между регулирующим клапаном и испарителем.

С помощью термодинамической диаграммы определяются в соот­ветствующих точках цикла энтальпии i и удельный объем вса­сываемого компрессором пара v.

Затем определяются удельные характеристики цикла, отнесенные к 1кг циркулирующего в машине хладагента и к единице времени. Теплота, отводимая от охлаждаемой среды 1кг хладагента называется удельной массовой холодопроизводительностью, кДж/кг,

.

Теплота, отводимая от охлаждаемой среды 1 м³ всасываемого компрессором пара, называется удельной объемной холодопроизводительностью, кДж/м³,

.

Теплота, отводимая холодильной машиной от охлаждаемой среды в единицу времени, называется холодопроизводительностью кДж/с (кВт), .

где - массовый расход циркулирующего в машине хладагента, кг/с.

Теоретическая работа, затрачиваемая на сжатие 1кг хладагента, называется удельной работой компрессора .

Поскольку в цикле ПКХМ использован необратимый про­цесс дросселирования, в котором не совершается внешняя работа и , то удельная работа, затрачиваемая на осуществление цикла хладагента, равна работе компрессора . При s = const тех­ническая работа .

Теоретическая адиабатная мощность компрессора, кВт,

.

Теплота, передаваемая хладагентом в окружающую среду при =const. называется удельной тепловой нагрузкой конденсатора, кДж/кг,

.

Интенсивность отвода теплоты от хладагента в конденсаторе называется тепловой нагрузкой конденсатора, кВт,

.

На основании первого закона термодинамики в удельную тепло­ту конденсатора, передаваемую окружающей среде с повышенной температурой, входит не только удельная теплота, отводимая от ох­лаждаемой среды с низкой температурой, но и тепловой эквива­лент работы, подводимой извне для осуществления обратного цикла:

.

Это равенство называется уравнением энергетического баланса для удельных характери­стик теоретического цикла ПКХМ.

Если величины отнесены к единице времени, то уравнение име­ет вид: .

Энергетическая эффективность теоретического цикла ПКХМ оценивается теоретическим холодильным коэффициентом:

.

В зависимости от вида работы или мощности (теоретической или действительной) определяются теоретический или действительный холо­дильные коэффициенты. Действительным холодильным коэффициентом называется холодильный коэффи­циент реального цикла.

По сравнению с другими типами холодильных машин, ПКХМ отличаются высокой экономичностью, компактностью, небольшой массой. Вследствие этих преимуществ они получили наибольшее распространение в судовой и стационарной холодильной технике. На речных судах применяют только такие машины.