Теоретическая часть

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ПРИАЗОВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ПРОМИСЛОВИХ ТЕПЛОЕНЕРГЕТИЧНИХ УСТАНОВОК

ТА ТЕПЛОПОСТАЧАННЯ

СОЛОВЙОВ О.О.

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

ДО РОЗРАХУНКОВО-ДОСЛІДНОГО

ПРАКТИКУМУ З ХОЛОДОПОСТАЧАННЯ

ПРОМПІДПРИЄМСТВ

«ДОСЛІДЖЕННЯ ЗАЛЕЖНОСТІ ПОКАЗНИКІВ

РЕЖИМУ РОБОТИ ХОЛОДИЛЬНОЇ КОМПРЕСІЙНОЇ

УСТАНОВКИ ВІД РОБОЧИХ ПАРАМЕТРІВ»

(для студентів спеціальності 8.090510 – Теплоенергетика

денної та заочної форми навчання)

МАРІУПОЛЬ ПДТУ 2001

УДК 621.51 (077)

Методичні вказівки до розрахунково-дослідному практикуму з холодопостачання промпідприємств «Дослідження залежності показників режиму роботи холодильної компресійної установки від робочих параметрів» (для студентів спеціальності 8.090510 – Теплоенергетика денної та заочної форми навчання)// Скл.: Соловйов О.О. – Маріуполь: ПДТУ, 2001. – 18 с.

Наведені скорочені відомості про цикли та режими роботи компресійних машин. Розглянуті основні робочі параметри з урахуванням їх впливу на режими показників роботи установки. Дані методика та рекомендації з дослідження режимів роботи холодильніх агрегатів. Приведені – примірник розрахунку та вибору компресорів, перелік контрольних питань та необхідної літератури.

Склав: Соловйов О.О., доцент

Відповідальний за випуск Євченко В.М., доцент

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Искусственный холод применяется во многих отраслях промышленности. Наиболее широко используются поршневые компрессионные холодильные установки.

Современные холодильные машины работают с отклонениями от идеального обратного цикла Карно. На рисунке 1.1 представлен действительный цикл паровой компрессионной холодильной машины в диаграмме T–S.

Первое отклонение обусловлено заменой детандера регулирующим дроссельным вентилем, что удешевляет и упрощает установку. Вследствие этого процесс проходит не по адиабате, а по линии i = const. При этом уменьшается холодопроизводительность, и увеличиваются потери энергии.

Для компенсации уменьшения холдопроизводительности при дросселировании можно использовать переохлаждение хладагента перед регулирующим вентилем (линия ). Это является вторым отклонением от цикла Карно. Такое изменение в цикле увеличивает удельную холодопроизводительность на величину площадки d–4–4¢–c–d. Переохлаждение можно осуществить водой в специальных переохладителях.

Процесс сжатия, в отличие от идеального цикла Карно, проходит в области перегретого пара с предварительным перегревом паров по линии , что является третьим отклонением. Расход энергии на сжатие при этом увеличивается, однако исключается возможность гидравлических ударов и повышается надежность работы компрессионной установки (сухой ход), увеличивается объемный коэффициент l и повышается внутренний к.п.д. h_oi компрессора.

Тепловой баланс холодильной компрессионной установки:

q₀ + L = q_к + q_по,

где q₀ – тепло, подведенное в испарителе, кДж/кг;

q_к – тепло, подведенное в конденсаторе, кДж/кг;

L – работа сжатия паров хладагента в компрессоре. кДж/кг;

q_по – тепло, отведенное в переохладителе, кДж/кг.

Основным показателем энергетической эффективности является холодильный коэффициент:

E = q₀/L.

Основные уравнения для одноступенчатой компрессионной холодильной установки.

Работа сжатия. Процесс сжатия представлен на Т-S – диаграмме линией 1-2.

L = i₁ – i₂, кДж/кг.

Подвод тепла в испарителе по линии 4-1¢, что соответствует площади (b-1¢-4-d-b):

q₀ = i_1¢ - i₄, кДж/кг.

Дросселирование по линии 3-4.

i₃ = i₄, кДж/кг.

Суммарный подвод тепла в компрессоре и испарителе, площадь (a-2-2¢-3¢-3-f-а):

q₀ = L = i₂ – i₄, кДж/кг.

Суммарный отвод тепла в конденсаторе и переохладителе, площадь (a-2-2¢-3¢-3-f-a):

q_к + q_по = i₂ – i₃, кДж/кг.

Рисунок 1.1 - Цикл холодильной машины с одноступенчатым сжатием в Т-S диаграмме

2 ВЫБОР РАСЧЕТНОГО РАБОЧЕГО РЕЖИМА

Рабочий режим холодильной установки характеризуется следующими температурами:

t₀ - температура кипения жидкого хладагента в испарителе;

t_к - температура конденсации хладагента в конденсаторе;

t_по - температура переохлаждения жидкого хладагента перед регулирующим вентилем;

t_пе - температура перегретого пара на входе в компрессор (температура всасывания).

Температуру кипения хладагента принимают в зависимости от температуры воздуха в охлаждаемом помещении. При непосредственном охлаждении температура кипения обычно на 7 ¸ 10 °С ниже температуры воздуха в камере:

t₀=t_в–(7¸10) °С. (2.1)

В рассольных схемах температуру кипения хладагента принимают на 5 ¸ 6 °С ниже температуры рассола, которую, в свою очередь, принимают на 8 ¸ 10 °С ниже температуры воздуха в камере:

t₀=t_в–(13¸16) °С. (2.2)

Температура конденсации в конденсаторах, охлаждаемых водой, зависит от температуры и количества подаваемой воды. Оптимальной считают температуру конденсации, которая на 3 ¸ 5 °С выше температуры воды t_{вд 2}, отходящей из конденсатора:

t_к=t_{вд 2}+(3¸5) °С. (2.3)

Нагрев воды в конденсаторах холодильных установок можно принять 2 ¸ 6 °С:

t_{вд 2}=t_{вд 1}+(2¸6) °С. (2.4)

Температуру переохлаждения хладагента перед регулирующим вентилем принимают выше температуры подаваемой в переохладитель воды на 3 ¸ 5 °С:

t_по=t_вд+(3¸5) °С. (2.5)

Свежая вода с температурой t_вд подается на переохладитель, а затем добавляется к оборотной воде, поступающей в конденсатор:

Для исключения влажного хода компресоора пар перед ним перегревается. В машинах, работающих на аммиаке, перегрев может быть получен либо непосредственно в испарителе, если его заполнение регулируется по перегреву пара, либо в трубопроводе на пути к компрессору в результате притока тепла от внешней среды. Для машин, работающих на аммиаке, безопасность работы обеспечивается при перегреве пара на 5 ¸ 15 °С:

t_вс= t₀+(5¸15) °С. (2.6)

Для фреонов (хладонов):

t_вс=t₀+(15¸30) °С. (2.7)

3 ПОСТРОЕНИЕ ЦИКЛА ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ХЛАДАГЕНТА

Цикл паровой холодильной установки удобнее для расчета изображать в i-lg p – диаграмме (рис. 3-1).

На диаграмме i-lg p изображены следующие процессы:

4-1¢ - кипение хладагента в испарителе при t₀, p₀ (принято, что из испарителя выходит сухой пар - насыщенный);

1¢-1 – перегрев паров хладагента перед компрессоров от t₀ до t_вс при p₀ = const;

1-2 – адиабатное сжатие в компрессоре;

2-2¢-3¢ - процесс отвода тепла в конденсаторе при p₀ = const, который можно разделить на два процесса: 2-2¢ - охлаждение пара до состояния насыщения и 2¢-3¢ - конденсация хладагента при t_к = const;

3¢-3 – переохлаждение жидкого хладагента в переохладителе от t_к до t_по при давлении p_к;

3-4 – дросселирование хладагента в регулирующем вентиле от p_к до p₀ по линии постоянной энтальпии.

Рассмотрим процесс построения цикла холодильной установки на примере. В качестве хладагента выберем хладон Ф-12 со следующими параметрами рабочего режима: t₀= –20 °С; t_к=35 °С; t_по=30 °С; t_вс= –5 °С.

Вписывание цикла в диаграмму удобно начать с нанесения линии t₀=-20 °С, которая в области влажного пара совпадает с линией давления p₀ = 0,15 МПа = 1,54 кгс/см². На пересечении этой линии с правой пограничной кривой лежит точка 1¢, характеризующая состояние сухого насыщенного пара (конец процесса кипения). Затем этот пар перегревается в испарителе или трубопроводе на пути из испарителя в компрессор. Перегрев протекает по изобаре р₀, которая в области перегретого пара изображается в i-lg p – диаграмме горизонтальной прямой линией, в T-S – диаграмме – восходящей кривой, на конце которой дано значение абсолютного давления. Давление р₀, проще и точнее можно определить по таблице насыщенных паров.

Состояние пара, поступающего в компрессор, характеризуется точкой 1, лежащей в области перегретого пара на пересечении изобары p₀ = = 0,15 МПа = 1,54 кгс/см² с изотермой, соответствующей температуре пара, всасываемого компрессором, t _вс = - 5 °С. Изотермы в области перегретого пара изображаются в i-lg p – диаграмме штрих-пунктирными спадающими кривыми, в T-S – диаграмме – горизонтальными прямыми.

Состояние пара в конце сжатия характеризуется точкой 2, которая находится на пересечении адиабаты S = 4,60 кДж/(кг×К), проходящей через точку 1, с изобарой р_к (соответствующей температуре конденсации t _к = 35 °С). В области влажного пара изобара p_к = 0,846 МПа = 8,62 кгс/см² совпадает с изотермой t _к = 35 °С, а в области перегретого пара изображается аналогично p₀ горизонтальной линией в i-lg p – диаграмме и восходящей кривой в T-S – диаграмме.

Точка 2¢ лежит на правой пограничной кривой и характеризует состояние насыщенного пара (начало конденсации), а точка 3¢ - на левой пограничной кривой и характеризует состояние насыщенной жидкости (окончание конденсации).

Состояние переохлажденной жидкости в диаграммах характеризуется точкой 3, лежащей в области жидкости на пересечении изобары p_к с изотермой, соответствующей температуре переохлаждения t_по = 30°С. В T-S – диаграмме изобары в области жидкости сливаются с левой пограничной кривой, поэтому практически состояние переохлажденной жидкости (точка 3) находится на пересечении изотермы t_по = 30°С с левой пограничной кривой.

Состояние хладагента после дросселирования (точка 4) находится на пересечении изоэнтальпы i₃ = 429 кДж/кг, проходящей через точку 3, с изобарой p₀ = = 0,15 МПа = 1,54 кгс/см² (или с изотермой t₀ = - 20 °С).

По диаграмме можно определить пять параметров в любой точке цикла, кроме удельного объема жидкости в точках 3 и 3¢. Удельный объем насыщенной и переохлажденной жидкости определяют только по таблицам насыщения.

Рисунок 3.1 - Цикл холодильной машины с одноступенчатым сжатием в

i-lg p – диаграмме

Термодинамические диаграммы не единственный источник для определения параметров хладагента. Проще и точнее можно определить параметры по таблицам насыщенных и перегретых паров соответствующих хладагентов.

По таблицам насыщенных паров определяют давления p₀ и p_к, а также все другие параметры точек, расположенных на пограничных кривых (1¢, 2¢, 3¢), т.е. параметры сухого насыщенного пара и насыщенной жидкости, по температурам t₀=-20 °С и t_к=35 °С.

По таблице перегретых паров находят параметры точек 1 и 2, находящихся в области перегретого пара. Точки в области перегретого пара определяются двумя любыми параметрами. Так, по давлению p₀=0,15 МПа и температуре t_вс=-5 °С находят другие три параметра V, I, S точки 1.

Параметры точки 2 находят по давлению p_к=0,846 МПа и энтропии S=4,60 кДж/(кг×К).

Параметры точки 4 по таблицам не определяют. Однако в процессе 3-4 энтальпия постоянна, т.е. i₄ = i₃, а i₃ берется из таблиц насыщенных паров.

Полученные данные заносятся в таблицу 3.1.

Таблица 3.1 Значения основных параметров хладагента

Точки цикла	ПАРАМЕТРЫ	Состояние
р, МПа	t, °С	V, м3/ кг	i, кДж/ кг	S, кДж/ кг
1¢	0,151	- 20	0,109	542,96	4,57	Сухой насыщенный пар
	0,151	- 5	0,117	551,96	4,60	Перегретый пар
	0,846		0,024	584,87	4,60	Перегретый пар
2¢	0,846		0,021	566,64	4,55	Сухой насыщенный пар
3¢	0,846		0,00079	434,09	4,12	Насыщенная жидкость
	0,846		0,00077	429,08	4,09	Переохлажденная жидкость
	0,151	- 20	0,03000	429,08	4,10	Влажный насыщенный пар

Степень сухости влажного пара x =….

Полученные данные позволяют сделать расчеты характеристик и выбор основного и вспомогательного оборудования холодильной станции.

4. ПАРАМЕРЫ РЕЖИМА РАБОТЫ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Оптимальным режимом работы холодильной установки является не только наиболее экономичный режим, но и обеспечивающий безопасность и долговечность оборудования. Он достигается поддержанием оптимальных перепадов температур в теплообменниках холодильной установки и определенных параметров нагнетания компрессора. Экономически оптимальному перепаду температур в теплообменниках соответствует наименьшая сумма расходов, отнесенная к единице произведенного холода или продукции предприятия. Увеличение перепада температур вызывает возрастание энергетических затрат, способствуя при этом снижению первоначальных затрат на оборудование и других показателей.

Оптимальные перепады температур зависят от стоимости электроэнергии, воды, материалов и ряда других факторов. Большинство температур, характеризующих условия работы холодильной установки, самоустанавливаются, но обслуживающий персонал должен поддерживать оптимальный режим эксплуатации.

Наиболее важными параметрами работы холодильной установки являются температуры кипения и конденсации, температура пара на входе в компрессор, температура переохлаждения, температура нагнетания пара.

Температура кипения при проектировании выбирается по рекомендациям в зависимости от температуры воздуха в холодильной камере, схемы установки, характеристик хладагента и ряда других факторов. Разность температур воздуха и кипения хладагента определяется для конкретных условий на основе технико-экономических расчетов. В процессе эксплуатации эта величина температурного напора зависит в основном от состояния теплопередающей поверхности, заполнения испарителя хладагентом и соответствия между производительностью компрессора и испарителя.

В ряде случаев при более низких температурах кипения происходит не только ускорение технологического процесса, но и снижение себестоимости продукции. Поэтому при наличии резерва компрессоров иногда целесообразно работать при более низких температурах кипения. Таким образом, определение оптимальной температуры кипения должно учитывать минимальную стоимость готовой продукции.

Температура конденсации зависит от температуры охлаждающей воды или воздуха (в воздушных конденсаторах) и определяется при выборе оптимального температурного напора в конденсаторе. Основным фактором, определяющим величину оптимального температурного напора, является себестоимость электроэнергии. В эксплуатационных условиях температура конденсации может быть понижена пуском дополнительных водяных насосов, вентиляторов градирни или воздушных конденсаторов. В этом случае возрастает расход электроэнергии на работу вспомогательного оборудования, но снижаются затраты энергии на работу компрессора. Таким образом, при эксплуатации следует решать задачу о целесообразном количестве включенных компрессоров и вспомогательного оборудования. Существует ограничение по температуре конденсации для холодильных установок. Так, верхний предел температуры конденсации для аммиачных компрессоров составляет 40°С и ограничен условиями работы элементов оборудования.

Перегрев пара, всасываемого в компрессор, связан с изменением подачи хладагента в испарительную систему. Оптимальный перегрев пара обеспечивает сухой ход компрессора и максимальное значение коэффициента подачи. Попадание в компрессор влажного пара может закончиться гидравлическим ударом.

Температура переохлаждения обычно на 2-3°С выше температуры поступающей на переохладитель воды, поэтому целесообразно подавать наиболее холодную воду, например, свежую воду, идущую на пополнение системы оборотного водоснабжения. Переохлаждение жидкого хладагента может осуществляться в самих конденсаторах, переохладителях, регенеративных теплообменниках, промежуточных сосудах. Переохлаждение жидкого хладагента приводит к увеличению холодильного коэффициента за счет уменьшения потерь при дросселировании. Для аммиака это увеличение составляет примерно 0,4% на 1 градус снижения температуры.

Температура нагнетания пара на выходе из компрессора требует постоянного контроля при работе холодильной установки, т. к. характеризует эффективность и безопасность ее эксплуатации. Высокая температура сжатия ведет к образованию нагара на клапанах, повышает испаряемость масла и может быть причиной его вспышки и взрыва компрессора. Температура вспышки смазочных масел, применяемых для аммиачных компрессоров, около 160°С. Поэтому установлена предельная температура нагнетания пара для аммиачных компрессоров: 150°С для бескрейцкопфных оппозитных и 135°С для горизонтальных компрессоров.

В летнее время при относительно высокой температуре конденсации и низкой температуре кипения аммиачный одноступенчатый компрессор будет работать с высокой температурой нагнетания (Например, при t₀=-28 °С, t_к=36 °С температура нагнетания будет больше 150°С). Поэтому работа с одноступенчатым сжатием при низком значении t₀ и высоком t_к для аммиачных установок недопустима. Приблизительную величину температуры нагнетания аммиачного компрессора при данных температурах кипения t₀ и конденсации t_к можно определить по эмпирической формуле:

t_нагн »2,4(t_к- t₀).

По этой зависимости могут быть получены удовлетворительные результаты при изменении температуры кипения от -5°С до -25°С и температуры конденсации от 25°С до 40°С при всасывании сухого насыщенного пара.

Отклонения от оптимального режима вызывает снижение производительности установки, увеличение эксплуатационных затрат, нарушение требуемого режима в охлаждаемых объектах, а иногда и аварии.