Каскадные холодильные машины

Схема и цикл с полным промежуточным охлаждением и однократным дросселированием.

Схема и цикл с промежуточным охладителем и однократным дросселированием.

Рис. 5.5 - Двухступенчатая холодильная машина

Двухступенчатая холодильная машина, функциональная схема которой представлена на рисунке 5.5. включает в себя компрессор низкого давления, компрессор высокого давления, промежуточный охладитель, конденсатор, испаритель и дроссельное устройство. Термодинамический цикл в S-T и h-Р диаграммах показан на том же рисунке.

Перегретый пар холодильного агента, выходящий из испарителя, поступает на всасывание в компрессор низкого давления. В компрессоре пар адиабатически сжимается в процессе 1-2 от давления кипения Р_о до промежуточного давления Р_пр. При этом затрачивается работа сжатия l_сн и температура пара повышается до температуры Т₂. После ступени низкого давления сжатый горячий пар направляется в промежуточный охладитель, где охлаждается при постоянном давлении Р_пр в процессе 2-3 за счет теплообмена с внешней охлаждающей средой с отводом теплоты промежуточного охлаждения q_п.о. В качестве охлаждающей среды в охладителе как правило используется тот же источник охлаждения, что и для конденсатора (вода или воздух). Поэтому температура охлажденного пара после промежуточного охладителя близка к температуре конденсации, т.е. Т₃ ≈ Т_к. Далее охлажденный пар всасывается компрессором высокого давления, в котором адиабатически сжимается в процессе 3-4 от промежуточного давления Р_пр до давления конденсации Р_к с затратой работы l_св. Затем сжатый пар поступает в конденсатор, где охлаждается и конденсируется при постоянном давлении в процессе 4-5, отдавая теплоту конденсации q_к внешней охлаждающей среде. Образовавшаяся жидкость из конденсатора направляется к дроссельному устройству и дросселируется в нем при постоянной энтальпии в процессе 5-6 от давления конденсации Р_к до давления кипения Р_о. После дросселирования холодильный агент поступает в испаритель, где жидкость кипит при постоянном давлении Р_о в процессе 6-1′ за счет подвода теплоты q_oот охлаждаемой среды. Пар, образовавшийся при кипении, перегревается в процессе 1′-1, всасывается компрессором низкого давления и цикл повторяется снова.

Количество теплоты, подведенной к 1 кг холодильного агента в испарителе или удельная холодопроизводительность цикла равна.

q_o = h_1′ - h₆,

где q_о – удельная холодопроизводительность цикла, Дж/кг;

h₆, h_1′ - энтальпия холодильного агента на входе и выходе из испарителя, Дж/кг.

Количество теплоты, отведенной от 1 кг холодильного агента в конденсаторе или удельная теплота конденсации q_к, Дж/кг рассчитывается по формуле:

q_к = h₄ – h₅,

где h₄ и h₅ – энтальпия холодильного агента на входе и выходе из конденсатора, Дж/кг.

Удельные работы сжатия в компрессоре низкого давления и в компрессоре высокого давления определяются так:

l_сн = h₂ – h_1,

l_св = h₄ – h_3,

где h₁ и h₂ – энтальпия пара хладагента на входе и выходе их компрессор низкого давления, Дж/кг;

h₃, h₄ – энтальпия пара хладагента на входе и выходе из компрессора высокого давления, Дж/кг.

Особенностью данного цикла является то, что компрессоры низкого и высокого давления имеют одинаковую массовую производительность.

G_а = G_ан = G_ав = .

Объемный расход в ступенях низкого и высокого давлений рассчитываются так:

V_ан = ν_всн • G_ан = ν_всн • G_а,

V_ав = ν_всв • G_ав = ν_всв • G_а,

где ν_всн, ν_всв – удельный объем пара хладагента на всасывании в ступени низкого и высокого давлений, м³/кг.

, примерно в 2÷3 раза.

Теоретические мощности компрессоров низкого и высокого давлений равны:

N_тн = l_сн • G_ан = l_сн • G_а,

N_тв = l_св • G_ав = l_св • G_а.

Общая потребляемая теоретическая мощность находится как сумма мощностей ступеней низкого и высокого давлений:

N_т = N_тн + N_тв = l_сн • G_ан + l_св • G_св = (l_сн+ l_св) • G_а.

Термодинамическая эффективность цикла оценивается теоретическим холодильным коэффициентом ε_т, который равен отношению холодопроизводительности к теоретической мощности.

Такой цикл в промышленных холодильных машинах практически не применяется из-за низкой термодинамической эффективности и высоких температур нагнетания в ступени высокого давления, так как температура пара после охлаждения в промежуточном охладителе не снижается ниже + (20–30) ^оС.

В схему холодильной машины, представленной на рисунке 5.5. для промежуточного охлаждения включен специальный промежуточный сосуд со змеевиком. Цикл в S – T и h – Р диаграммах показан на том же рисунке. Перегретый пар холодильного агента после испарителя поступает на всасывание в ступень низкого давления, где сжимается в процессе 1 – 2 от давления кипения Р_одо промежуточного давления Р_пр. Сжатый пар из ступени низкого давления направляется в промежуточный охладитель, где охлаждается в процессе 2 – 3 внешней охлаждающей средой (водой или воздухом) до температуры, близкой к температуре конденсации, т.е. Т₃ ≈ Т_к. Затем предварительно охлажденный пар подается по трубопроводу в нижнюю часть промежуточного сосуда под слой жидкого холодильного агента, температура которой равна промежуточной температуре Т_пр. Пузырьки пара поднимаются вверх (барбатируются) сквозь толщу жидкости и одновременно охлаждаются в процессе 3 – 4 за счет тепломассообмена с жидким холодильным агентом. Теоретически считается, что при этом происходит идеальный теплообмен, в результате которого пар хладагента охлаждается до промежуточной температуры, т.е. Т₄ = Т_пр. После промсосуда охлажденный пар всасывается ступенью высокого давления, где сжимается в процессе 4 – 5 от промежуточного давления Р_пр до давления конденсации Р_к.Сжатый горячий пар из ступени высокого давления поступает в конденсатор, в котором сначала охлаждается а потом конденсируется в процессе 5 – 6 при постоянном давлении конденсации Р_к. Образовавшаяся жидкость перед промсосудом делится на два потока. Меньшая часть жидкости дросселируется во вспомогательном дроссельном устройстве в процессе 6 – 7 и поступает в промежуточный сосуд для пополнения и поддержания в нем постоянного уровня жидкого холодильного агента. Основной поток проходит по змеевику промежуточного сосуда и охлаждается в процессе 6 – 8 за счет теплообмена с жидким холодильным агентом, который находится в промсосуде. Температура охлажденной жидкости, выходящей из змеевика промсосуда, на (2-3) ^оС выше промежуточной температуры, т.е. Т₈ = Т_пр + (2 - 3) ^оС. Далее охлажденный жидкий хладагент дросселируется в основном дроссельном устройстве в процессе 8 – 9 от давления конденсации Р_к до давления кипения Р_о. После дросселирования холодильный агент поступает в испаритель, в котором жидкость кипит в процессе 9 - 1' за счет подвода теплоты от охлаждаемой среды. Пар образовавшийся при кипении перегревается в процессе 1' – 1, всасывается компрессором нижней ступени и цикл повторяется вновь.

Рисунок 5.5. Схема и цикл с полным промежуточным охлаждением и однократным дросселированием

Удельная холодопроизводительность цикла (количество теплоты, подведенной к 1 кг холодильного агента в испарителе):

q_о = h_1' – h₉.

Удельная тепловая нагрузка конденсатора:

q_к = h₅ – h₆.

Удельная работа сжатия в ступенях низкого и высокого давления:

l_с.н = h₂ – h₁,

l_с.в = h₅ - h₄.

Массовая производительность ступени низкого давления:

Массовая производительность ступени высокого давления G_а.в находится из теплового баланса промежуточного сосуда, который имеет вид:

;

Тогда имеем:

Полный тепловой поток в конденсаторе:

Теоретическая потребляемая мощность в низкой и высокой ступенях сжатия:

Общая потребляемая мощность в ступенях низкого и высокого давлений:

N_т = N_т.н + N_т.в

Теоретический холодильный коэффициент:

Схема и цикл с неполным промежуточным охлаждением и двукратным дросселированием.

А Б В

Рисунок 5.6 - Схема и цикл с неполным промежуточным охлаждением и двукратным дросселированием.

В такой холодильной машине применяется промежуточный сосуд без змеевика Ее схема и цикл в S – T и h – Р диаграммах представлен на рисунке 5.6. Пар холодильного агента после испарителя сжимается в ступени низкого давления в процессе 1-2 от давления кипения Р_о до промежуточного давления Р_пр. После компрессора сжатый пар предварительно охлаждается в промежуточном охладителе в процессе 2-3 до температуры, близкой к температуре конденсации, т.е. Т₃ ≈ Т_к. Далее предварительно охлажденный пар смешивается с холодильным паром выходящим из промежуточного сосуда в состоянии 10. В результате смешивания получается пар какого-то среднего состояния 4. После смешивания охлажденный пар всасывается ступенью высокого давления, где сжимается в процессе 4-5 от промежуточного давления Р_пр до давления конденсации Р_к. Пар холодильного агента после сжатия направляется в конденсатор, в котором охлаждается и конденсируется в процессе 5-6. Вся образовавшаяся в процессе конденсации жидкость дросселируется в первом дроссельном устройстве в процессе 6-7 от давления конденсации Р_к до промежуточного давления Р_пр.После дроссельного образуется влажный пар состояние 7 который поступает в промежуточный сосуд, в промежуточном сосуде происходит фазовое разделение потоков на пар процесс 7-10 и жидкость процесс 7-8. Пар как более легкая фаза поднимается вверх и выходит из промсосуда на всасывание в ступень высокого давления. Жидкость опускается в нижнюю часть промежуточного сосуда и выходит ко второму дроссельному устройству, где дросселируется в процессе 8-9 от промежуточного давления Р_пр до давления кипения Р_о. После дросселирования хладагент направляется в испаритель, в котором кипит в процессе 9-1′, отнимая теплоту от охлаждаемой среды. Пар, образовавшийся в результате кипения, перегревается в процессе 1′-1, всасывается компрессором низкого давления, сжимается и цикл повторяется вновь.

Удельная холодопроизводительность цикла q_o (количество теплоты, подведенной к 1 кг холодильного агента при кипении в испарителе, Дж/кг):

q_o = h_1′ - h₉

Удельный тепловой поток в конденсаторе, Дж/кг

q_к = h₅ – h₆

Удельная работа сжатия в ступенях низкого и высокого давлений, Дж/кг

l_с.н = h₂ – h₁

l_с.в = h₅ – h₄

Массовый расход хладагента в ступени низкого давления, кг/с