Двухступенчатые холодильные машины

В рассмотренных схемах компрессионных холодильных машин, которые предназначены для осуществления холодильных циклов между температурой кипения порядка –20 0 С и температурой конденсации около +30 0 С, холодильный агент сжимается в цилиндре компрессора от давления кипения до давления конденсации. Такое сжатие называется одноступенчатым. В тех случаях, когда холодильная машина должна работать с большей разностью, с большей величиной отношения давления конденсации р_к к давлению кипения р₀, применять одноступенчатое сжатие экономически не выгодно, так как с увеличением отношения р_к/ р₀ коэффициент подачи и индикаторный к.п.д. компрессора уменьшаются и, следовательно, снижается холодопроизводительность машины и повышается потребление энергии. Кроме того, сильно повышается температура холодильного агента в конце сжатия, отчего значительно ухудшаются условия эксплуатации компрессора.

Практика показывает, что одноступенчатые аммиачные и хладоновые холодильные машины целесообразно применять только при отношении давлений £ 9. При более высоких значениях этого отношения следует пользоваться двух- или многоступенчатыми машинами. При двух- и многоступенчатом сжатии холодильный агент сжимается от давления кипения до давления конденсации не сразу, а последовательно в двух или нескольких ступенях с промежуточным охлаждением частично сжатых паров.

На предприятиях общественного питания и в пищевой промышленности применяют машины двухступенчатого сжатия, например, при изготовлении мороженого, при быстром замораживании и хранении пищевых продуктов и т.д.

Принципиальная схема и теоретический цикл двухступенчатой холодильной машины со змеевиковым промежуточным сосудом и полным промежуточным охлаждением показаны на рис. 3.6.

Рис. 3.6 — Схема и теоретический цикл двухступенчатой холодильной машины со змеевиковым промежуточным сосудом и полным

Рабочее вещество в состоянии сухого насыщенного пара (точка 1) поступает в компрессор первой ступени I, где изоэнтропно сжимается (процесс 1-2) и направляется в промежуточный холодильник II. В холодильнике рабочее вещество охлаждается (процесс 2-3) за счет окружающей среды. Затем рабочее вещество поступает в промежуточный сосуд VI, где за счет непосредственного контакта с более холодным жидким рабочим веществом, температура которого равна Т_m, охлаждается до состояния сухого насыщенного пара при давлении р_m (точка 4). После этого рабочее вещество всасывается компрессором второй ступени III, где изоэнтропно сжимается (процесс 4-5), а затем поступает в конденсатор IV, где сначала охлаждается до состояния сухого насыщенного пара и конденсируется (процесс 5-6). Большая часть идет через змеевик промежуточного сосуда, а меньшая – дросселируется в дроссельном вентиле (процесс 6-7). Под воздействием теплоты, которая поступает от рабочего вещества, идущего по змеевику, жидкость кипит при давлении р_m. Рабочее вещество, которое идет по змеевику, охлаждается (процесс 6-9), затем дросселируется в дроссельном вентиле VII (процесс 9-10) и поступает в испаритель VIII, где кипит (процесс 10-1).

Промежуточное давление определяется по формуле:

(3.10)

Массовый расход рабочего вещества компрессора первой ступени определяют по заданной холодопроизводительности:

(3.11)

Расход рабочего вещества второй ступени:

(3.12)

Все последующие расчеты проводят для компрессоров первой и второй ступеней аналогично расчету цикла одноступенчатой паровой компрессионной холодильной машины.

Читайте также: Азот для шин автомобиля

Схема двухступенчатых холодильных машин

Узел компрессоров двухступенчатого сжатия. На рис. 5 показана схема узла двухступенчатого сжатия, состоящего из двух одноступенчатых. В данной схеме применен промежуточный сосуд 4 со змеевиком для охлаждения жидкого хладагента.

Рис.5. Узел компрессоров двухступенчатого сжатия:
1 — отделитель жидкости; 2 — ступени низкого давления; 3, 9 — маслоотделители;
4 — промежуточный сосуд; 5 — ступени высокого давления; 6, 7 — коллекторы;
8 — жидкостная линия; 1′, 2′ — запорные вентили

Энергетические показатели схемы с таким промежуточным сосудом ниже показателей схемы с промежуточным сосудом без змеевика из-за того, что жидкость в змеевике охлаждается не до температуры, соответствующей промежуточному давлению, а оказывается на 3-5 К выше этой температуры. Однако схема со змеевиковым промежуточным сосудом имеет важные практические достоинства. Во-первых, жидкий хладагент поступающий в змеевик промежуточного сосуда, охлаждается в нем, не соприкасаясь с кипящей жидкостью в сосуде 4, благодаря чему не загрязняется маслом, приносимым паром из компрессора ступени низкого давления 2. Во-вторых, жидкость в змеевике находится под давлением конденсации, т. е. под напором, достаточным для подачи в испарители и охлаждающие приборы, находящиеся в верхних этажах здания или помещениях, значительно удаленных от машинного отделения. В промежуточном сосуде без змеевика жидкий хладагент находится под промежуточным давлением, это давление иногда (особенно в зимнее время) оказывается недостаточным для подачи жидкости в указанные выше помещения. На некоторых старых предприятиях по этой причине применена менее экономичная схема одноступенчатого дросселирования.

Между компрессором ступени низкого давления и промежуточным сосудом целесообразно предусматривать маслоотделитель 3, так как это не только освобождает промежуточный сосуд от несвойственных ему функций маслоотделения, но и предохраняет поверхность змеевика от замасливания и тем самым от ухудшения теплообмена через нее. На нагнетательной стороне ступени высокого давления устанавливают свой маслоотделитель 9.

На установках, выполненных по рассматриваемой схеме, жидкий хладагент из конденсатора или линейного ресивера поступает по линии 8, и часть его подается к коллектору 7 регулирующей станции для раздачи потребителям высоких температур кипения, входящих в систему одноступенчатого сжатия. Другая ее часть направляется через автоматический регулятор (РУ и СВ1) непосредственно в промежуточный сосуд для охлаждения пapa, нагнетаемого компрессором ступени низкого давления 2, и для охлаждения жидкости, протекающей по змеевику. Большая часть жидкости направляется в змеевик, где и охлаждается до температуры, близкой к промежуточной температуре. Для того чтобы не произошло смешения потоков жидкости с разными температурами, хладагент после змеевика направляется к отдельному коллектору 6 регулирующей станции для раздачи по низкотемпературным объектам, охлаждаемым системой двухступенчатого сжатия. В зависимости от числа ступеней охлаждения жидкости необходимо иметь соответствующее число коллекторов на регулирующей станции.

Коллектор 7 снабжен вентилем Г для зарядки и пополнения системы хладагентом. Оба коллектора 6 и 7 соединены мостом с вентилем 2′, позволяющим в случае необходимости питать коллектор 6 жидкостью более высокой температуры, а также добавлять жидкость для пополнения системы низких температур.

Для обеспечения безопасных условий пуска компрессоров давление в промежуточном сосуде должно быть понижено до давления в испарительной системе (для облегчения их последующего пуска и исключения возможности гидравлического удара из-за вскипания жидкости в промежуточном сосуде). Поэтому соленоидные вентили СВ2 и СВЗ должны открываться при остановке компрессоров ступеней низкого и высокого давлений для снижения давления в промежуточном сосуде и всех трубопроводах до обратного клапана, установленного на нагнетательной линии ступени высокого давления 5. Сразу после пуска эти вентили закрываются.

При использовании винтовых компрессоров появляются дополнительные возможности для реализации цикла двухступенчатого сжатия в одноступенчатом с отбором пара промежуточного давления. В винтовом компрессоре, в отличие от поршневого, процесс сжатия распределен по длине винта. Иными словами, при фиксированном давлении всасывания каждому сечению по длине цилиндра соответствует определенное значение внутреннего давления сжатия. Это дает возможность выявить по длине цилиндра точку, давление в которой будет равно промежуточному. Если к этой точке подвести пар при промежуточном давлении, то появляется возможность осуществления двухступенчатого сжатия в одном цилиндре. Подобная схема включения получила название схемы «экономайзер». При этом холод, производимый при промежуточной температуре кипения, может использоваться для различных целей. На рис. 6а приведена схема «экономайзер» (с промежуточным подсосом пара), используемая в отдельных случаях для винтовых компрессоров холодильных установок, работающих с конденсаторами воздушного охлаждения. В этом варианте, чтобы не сооружать градирню и систему водоснабжения для целей охлаждения масла, используют жидкий хладагент, подаваемый в маслоохладитель 4 из линейного ресивера и кипящий в нем при промежуточном давлении. Пар, с температурой кипения t’₀ всасывается тем же компрессором, работающим по схеме «экономайзер».

На рис. 6б показан вариант схемы включения винтового маслозаполненного одноступенчатого компрессора по схеме «экономайзер», обеспечивающей фактически двухступенчатое дросселирование с промежуточным отбором пара. В этом случае холодильник масла 4 охлаждается водой, однако в схему включен еще один дополнительный аппарат — переохладитель жидкого хладагента 5, выполняющий роль промежуточного сосуда без охлаждения пара. В этом аппарате основной поток жидкого хладагента, направляемый к регулирующему вентилю, охлаждается за счет кипения части потока в трубном пространстве этого теплообменника. Образующийся при кипении пар с промежуточной температурой t’₀ всасывается компрессором, работающим по схеме «экономайзер».

Рис.6. Схема «экономайзер» включения винтового компрессора:
1 — винтовой компрессор; 2 — маслоотделитель; 3 — шестеренчатый насос;
4 — маслоохладитель; 5 — переохладитель

Рассмотренный вариант позволяет повысить эффективность одноступенчатого цикла, фактически приравняв ее к эффективности двухступенчатого цикла за счет промежуточного отбора пара и уменьшения дроссельных потерь благодаря переохлаждению жидкого хладагента.

Применение центробежных компрессоров также может вносить некоторые изменения в схемы благодаря тому, что они в одном корпусе имеют число колес, как правило, больше одного и таким образом являются многоступенчатыми. Так, при отношении давлений конденсации и кипения, при котором еще применяют одноступенчатые поршневой или винтовой, использование центробежного позволяет применить схему с охлаждением жидкости многократным дросселированием и промежуточным отбором пара. Это, прежде всего, уменьшает энергетические потери, что особенно важно в хладоновых установках, поскольку в них велика роль этого вида потерь.

На рис. 7 показана схема с двухступенчатым дросселированием. Жидкость из конденсатора 2 поступает на первое дросселирование через поплавковый регулятор непрямого действия 4 в отделитель жидкости 3. Поступившая жидкость дросселируется вторично в поплавковом регуляторе непрямого действия 5, после чего направляется в испаритель 6. Образовавшийся при первом дросселировании пар всасывается в полость среднего колеса центробежного компрессора 1 и, смешиваясь с перегретым паром, выходящим из предыдущего колеса, осуществляет промежуточное охлаждение, что также выгодно, так как уменьшает затрачиваемую работу на сжатие пара в последующих колесах. Сравнительные расчеты показывают, что увеличение числа ступеней дросселирования больше трех не вызывает существенного дополнительного улучшения энергетических показателей цикла турбокомпрессорной холодильной установки.

Рис.7. Схема включения центробежного компрессора с двухступенчатым дросселированием:
1 — центробежный компрессор; 2 — конденсатор; 3 — отделитель жидкости;
4, 5 — поплавковые регуляторы уровня; 6 — испаритель

Другой особенностью центробежных является возможность работы одним однокорпусным компрессором на несколько температур кипения. На рис. 8 в качестве примера приведена схема каскадной холодильной турбокомпрессорной установки на три температуры кипения: t₀₁ = −104°С; t₀₂ = −40°С и t₀₃ = 0°С. В нижней ветви каскада для получения наиболее низкой из предусмотренных в данном случае температур применен двухкорпусный центробежный, работающий на этилене, а в верхней ветви — однокорпусный центробежный компрессор, работающий на пропане на две более высокие температуры кипения.

Рис.8. Схема каскадной холодильной турбокомпрессорной установки на три температуры кипения:
1, 2, 3, 4 — теплообменники для охлаждения компонентов А и Б; 5 — технологический аппарат;
6 — ступени низкого давления;
7 — ступени высокого давления; 8 — промежуточный теплообменник;
9 — водяной теплообменник; 10 — пропановый теплообменник;
11 — конденсатор-испаритель; 12 — этиленовый теплообменник;
13 — пропановый конденсатор; 14 — пропановый компрессор

Технологический процесс, для отвода теплоты которого и предназначена холодильная установка, осуществляется в аппарате 5, где кипит этилен при t₀₁. Компоненты А и Б, участвующие в этом процессе, проходят первую ступень охлаждения в теплообменниках 1 и 3 пропаном, кипящим при t₀₂, а затем вторую ступень охлаждения кипящим этиленом в теплообменниках 2 и 4. Этиленовый пар сжимается в компрессорах 6 и 7; между ними производится промежуточное охлаждение пара в теплообменнике 8 пропаном, кипящим при t₀₃. До поступления в конденсатор-испаритель 11 пар этилена охлаждается сначала водой в предварительном теплообменнике 9, а затем в теплообменнике 10 пропаном, кипящим при t₀₃. В конденсаторе-испарителе 11 этиленовый пар конденсируется при отводе теплоты к пропану, кипящему при t₀₂. Пар пропана обеих температур кипения всасывается турбокомпрессором 14 и нагнетается в пропановый конденсатор 13. Жидкий этилен после конденсатора-испарителя 11 дополнительно охлаждается в теплобменнике 12 этиленом, кипящим при промежуточной температуре кипения t’₀. В результате смешения холодного этиленового пара, выходящего из аппарата 12, и пара после аппарата 8 осуществляется дополнительное промежуточное пара перед всасыванием в ступени высокого давления 7.