Схема и цикл каскадных холодильных машин
В многоступенчатых холодильных машинах объемная производительность компрессора нижней ступени в несколько раз больше объемной производительности компрессора верхней ступени. Поэтому компрессоры более низкой ступени сжатия имеют большие массогабаритные показатели и потребляемую мощность, чем компрессоры верхней ступени. Чем ниже температура кипения, тем эти различия более выражены. Например, в трехступенчатой аммиачной холодильной машине объемная производительность нижней ступени в пять раз больше, чем в верхней ступени, а следовательно, в пять раз больше массогабаритные показатели и потребляемая мощность нижней ступени.
Для получения низких температур порядка – 60 - – 90 оС наиболее целесообразным является использование каскадных холодильных машин. Каскадными называются холодильные машины, состоящие из отдельных, связанных между собой, холодильных машин. Общим элементом отдельных каскадов является испаритель-конденсатор. Для верхнего каскада он является испарителем, для нижнего – конденсатором. В каждом каскаде циркулирует свой холодильный агент.
|
|
Каскадная холодильная машина может состоять из двух или нескольких каскадов. Каждый каскад представляет собой одноступенчатую или многоступенчатую холодильную машину. Простейшая каскадная холодильная машина состоит из двух одноступенчатых холодильных машин (схему и цикл см. рисунок.5.8.).
Рисунок.5.8 - Схема и цикл каскадных холодильных машин
В испарителе нижнего каскада кипит низкотемпературный холодильный агент в процессе 4-1' за счет подвода теплоты от охлаждаемой среды qо. Образовавшийся пар всасывается компрессором нижнего каскада, в котором сжимается в процессе 1-2 от давления кипения нижнего каскада Рон до давления конденсации нижнего каскада Ркн с затратой работы сжатия lсн. После компрессора сжатый пар хладагента нижнего каскада поступает в конденсатор-испаритель, где конденсируется в процессе 2-3 за счет теплообмена с кипящим холодильным агентом верхнего каскада, отдавая удельную теплоту конденсации qкн. Далее сконденсировавшийся хладагент дросселируется в дроссельном вентиле нижнего каскада в процессе 3-4 от давления конденсации Ркн до давления кипения Рон и направляется в испаритель. В испарителе жидкость снова кипит и цикл в нижнем каскаде повторяется вновь. В верхнем каскаде осуществляется точно такой же термодинамический цикл как и в нижнем, только на более высоком температурном уровне. В компрессоре верхнего каскада сжимается пар высоко- или среднетемпературного холодильного агента в процессе 5-6 от давления кипения верхнего каскада Ров до давления конденсации верхнего каскада Ркв с затратой работы сжатия lсв. Затем сжатый пар конденсируется в конденсаторе в процессе 6-7, отдавая теплоту конденсации qк охлаждающей среде (воде или воздуху). Образовавшаяся жидкость дросселируется в дроссельном вентиле верхнего каскада в процессе 7-8 от давления Ркв до давления Ров. После дросселирования хладагент поступает в конденсатор-испаритель, где он кипит в процессе 8-5', отнимая теплоту qов от конденсирующегося холодильного агента верхнего каскада.
|
|
Удельная холодопроизводительность цикла qо (Дж/кг)
qо = h1 – h4
где h4 и h1 – энтальпия хладагента нижнего каскада на входе и выходе из испарителя (Дж/кг)
Удельная работа сжатия в компрессоре нижнего каскада lсн (Дж/кг)
lсн = h1 – h2
где h1 и h2 – энтальпия хладагента нижнего каскада на входе и выходе из компрессора (Дж/кг).
Удельная теплота конденсации хладагента нижнего каскада qкн (Дж/кг)
qкн = h2 – h3
где h2 и h3 – энтальпия хладагента нижнего каскада на входе и выходе из конденсатора-испарителя (Дж/кг).
Массовый расход хладагента нижнего каскада Gан (кг/с)
где Qо – полная заданная холодопроизводительность каскадной холодильной машины, Вт.
Массовый расход холодильного агента верхнего каскада находится из теплового баланса конденсатора-испарителя. При установившемся режиме работы в конденсаторе-испарителе количество теплоты отведенной от конденсирующегося хладагента нижнего каскада должно быть равно количеству теплоты, подведенной к кипящему хладагенту верхнего каскада, т.е.
Qкн = Qов
или
Отсюда
Из данного уравнения можно определить относительный массовый расход: