Принципиальная схема одноступенчатой парокомпрессионной холодильной машины

В настоящее время в системах кондиционирования воздуха в пассажирских вагонах широкое распространение получили так называемые парокомпрессионные холодильные машины 12. Особенностью этих машин является то, что все рабочие процессы: сжатие рабочего тела, его конденсацию, расширение и кипение происходят при температурах ниже критической.

Для понижения температуры воздуха в помещениях изотермических и пассажирских вагонов ниже температуры окружающей среды используются машинные системы охлаждения, работа которых базируется на использовании двух законов термодинамики.

Важной характеристикой термодинамической системы является ее внутренняя энергия (U), которая представляет собой энергию теплового движения молекул и атомов системы. Внутренняя энергия может изменяться в результате совершения над системой работы или за счет сообщения ей тепла. В общем случае тепло Q подведенное к изолированной системе расходуется на увеличение ее внутренней энергии DU и на совершение механической работы L:

Согласно первому закону термодинамики (закон сохранения энергии) разные формы энергии эквивалентно переходят из одного вида в другой. Известно, что энергия теплового движения молекул может превращаться в механическую работу в количестве равному механическому эквиваленту тепла:

1 ккал=427 кгс·м =4,1868 кДж.

В соответствие со вторым законом термодинамики, теплота может производить работу только в том случае, если температурный уровень используемой теплоты выше температуры окружающей среды. Следовательно, теплота с низкого температурного уровня может быть перенесена на более высокий температурный уровень только при совершении работы.

В процессе работы холодильной машины (принципиальную схему см. рисунок 36), от термостата с более низкой температурой Т₀ отбирается количество тепла равное q₀ и передается термостату с более высокой температурой Т1 в количестве q_k.

Количество тепла отводимого в круговом процессе холодильной машины, определяется по формуле:

где q_о — количество тепла, отведенное от охлаждаемого тела;

L — затраченная работа в цикле.

Парокомпрессионная холодильная машина (см. рисунок 37) состоит из компрессора 1, конденсатора 2, регулирующего вентиля 3 и испарителя 4, соединенные между собой трубопроводами а, б, в, д.

Рисунок 36. Принципиальная схема действия холодильной машины

В парокомпрессионной холодильной машине циркулирует одно и то же количество хладагента, который изменяет только свое агрегатное состояние (при кипении и конденсации) и не сопровождается расходом хладагента.

1– компрессор, 2 – конденсатор, 3 – регулирующий вентиль, 4 –испаритель,

а, б, в, д – соединительные трубопроводы

Рисунок. 37. Схема холодильной машины

Последовательность работы парокомпрессионной холодильной машины происходит следующим образом: хладагент после сжатия в компрессоре 1 поступает в конденсатор 2, в котором отводится теплота сжатия, в результате чего пары хладагента конденсируются при давлении нагнетании (Р_К) и температуре конденсации (Т_К). Далее жидкий хладагент направляется в дроссельный вентиль 3, в котором давление хладагента снижается до давления всасывания (Р_ВС), что сопровождается понижением его температуры. Охлажденный хладагент поступает в испаритель 4, где за счет подвода тепла от охлаждаемого объекта хладагент кипит, а образовавшие пары поступают на всасывание в компрессор. Далее цикл повторяется.

Таким образом, парокомпрессионная холодильная машина для получения холода должна иметь следующие аппараты: компрессор, конденсатор, дроссельный вентиль и испаритель.

Компрессор предназначен для сжатия паров хладагента, и организации его циркуляции между конденсатором и испарителем.

Конденсатор служит для отвода теплоты сжатия, и конденсации паров хладагента.

Испаритель предназначен для отвода тепла от охлаждаемого объекта за счет кипения хладагента при заданной температуре охлаждения.

Регулирующий вентиль необходим для понижения давления паров рабочего тела (дросселирования), в результате чего происходит понижение температуры, сопровождающее его сжижением.

Дата добавления: 2015-02-23 ; просмотров: 1874 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Парокомпрессионные холодильные машины

Холодильная машина является комплексом элементов, при помощи которых рабочее вещество совершает обратный термодинамический цикл (холодильный цикл) за счет затраты работы или теплоты. Процессы в элементах холодильной машины взаимосвязаны, и на них оказывают влияние как окружающая среда, так и охлаждаемые объекты.

Промышленные холодильные машины, работающие в области умеренного холода, можно подразделить на три основные группы: компрессионные – паровые и газовые, теплоиспользующие (используют тепловую энергию) и термоэлектрические (используют электрическую энергию).

Парокомпрессионные холодильные машины используют механическую работу. Они получили наибольшее распространение в холодильной технике и технологии для охлаждения, замораживания и хранения пищевых продуктов из-за их энергетической эффективности (меньший расход энергии по сравнению с другими машинами) и меньшей экологической опасности.

На рис. 1.6. показан принцип работы парокомпрессионных холодильных машин. Для осуществления холодильного цикла необходимо иметь четыре основных элемента: компрессор, конденсатор, испаритель и регулирующий вентиль, соединенных трубопроводом, в котором непрерывно циркулирует рабочее вещество – хладагент.

Рис.1.6. Принцип работы парокомпрессионных холодильных машин

Испаритель располагают в охлаждаемом помещении (холодильной камере, шкафу). В нем при низкой температуре (ниже температуры охлаждаемой среды) кипит жидкий хладагент, воспринимая тепло из холодильной камеры в количестве Q₀. Пары хладагента из испарителя отсасываются компрессором, сжимаются до давления Р_к, соответствующего температуре конденсации t_к, и нагнетаются в конденсатор, охлаждаемый окружающим воздухом. При отводе от конденсатора теплоты в количестве Q_к пары хладагента превращаются в жидкость, которая через регулирующий вентиль поступает опять в испаритель. В регулирующем вентиле происходит процесс дросселирования, при этом небольшая часть жидкого хладагента мгновенно испаряется, а оставшаяся жидкость охлаждается до температуры кипения.

Таким образом, хладагент выполняет непрерывный круговой (холодильный) цикл, циркулируя с помощью компрессора внутри замкнутой системы, изменяя температуру, давление, свое фазовое состояние, поглощая или отдавая при этом тепло.

В холодильных машинах в качестве хладагентов используют аммиак и фреоны (хладоны) при непосредственном охлаждении, и хладоносители – вода, рассолы (льдосоляные смеси хлористого натрия или хлористого кальция), антифризы (этиленгликоль, пропиленгликоль, метанол, глицерин), карбонат калия, жидкий диоксид углерода, водные растворы ацетата калия и формиата калия, экосолы (вода и этилкарбитол) – при косвенном охлаждении.

Главными элементами парокомпрессионных холодильных машин являются компрессор, конденсатор, испаритель, регулирующий вентиль.

1) КОМПРЕССОР. Компрессор является главным элементом холодильной машины. Он обеспечивает циркуляцию хладагента в системе холодильной машины, создает высокое давление, достаточное для перехода хладагента из парообразного состояния в жидкое в конденсаторе, и низкое давление, при котором он кипит в испарителе при заданной низкой температуре. Таким образом, он переносит вместе с парами хладагента теплоту, отведенную от охлаждаемой среды.

2) ИСПАРИТЕЛЬ. Испаритель – это теплообменный аппарат, предназначен для отвода (принятия) теплоты от охлаждаемой среды и хладагента. В испарителе происходит непосредственный теплообмен между охлаждаемым объектом и хладагентом (воздухоохладители, батареи, технологические аппараты непосредственного охлаждения). В испарителе обычно происходит кипение хладагента и превращение его в пар. Выделяют различные конструкции испарителей. На рис. 1.7 б) показан общий вид кожухотрубного испарителя затопленного типа, где: 1 – патрубок, куда подается жидкий хладагент, 2 – корпус аппарата, представляет собой сваренную из стального листа обечайку, по торцам к которой приварены трубные решетки 6 с отверстиями, в которые вставлены трубы 7. Снаружи к решеткам на шпильках крепятся крышки 3 и 9, одна из которых имеет штуцеры 4 и 5 для входа и выхода рассола. В центре обечайки вверху приварен сухопарник 8, через который пары хладагента отсасываются компрессором.

3) КОНДЕНСАТОР. Конденсатор – это теплообменный аппарат, который предназначен для превращения в жидкость поступающих из компрессорапаров хладагента. В конденсаторе возможно осуществить охлаждение жидкого хладагента ниже температуры конденсации (переохлаждение). Оба эти процесса сопровождаются отводом теплоты от хладагента к внешней среде. Существуют различные конструкции конденсаторов. На рис. 1.10а представлен кожухотрубный конденсатор.

4) РЕГУЛИРУЮЩИЙ ВЕНТИЛЬ. Об эффекте дросселирования, которое происходит в регулирующем вентиле, было упомянуто выше, сущность которого заключается в том, что при прохождении жидкого хладагента через суженное отверстие под действием разности давлений в конденсаторе и испарителе падение давления сопровождается понижением температуры всего потока. Хладагент дросселируется и теплообмен между ним и окружающей средой не осуществляется. При увеличении скорости движения в узком сечении внутренняя энергия молекул возрастает и повышенное внутримолекулярное трение приводит к тому, что часть жидкости переходит в парообразное состояние. При этом температура всего потока понижается до температуры кипения хладагента в испарителе. Поэтому только часть циркулирующего хладагента кипит в испарителе и производит полезное охлаждение.

Рис. 1.7. а) Кожухотрубный конденсатор; б) кожухотрубный испаритель затопленного типа

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое фазовые переходы веществ?

2. Какие имеются способы получения искусственного холода?

3. Какую функцию выполняет компрессор в холодильных машинах?

4. Что такое источники низкой и высокой температур?

Тесты

1) В каком диапазоне лежит область низких температур для холодильной техники:

а)–120÷–273 0 С; б)+30÷–120 0 С; в)+20÷–120 0 С; г)+20÷–110 0 С; д) 0 ÷–150 0 С.

2) При каких условиях существует тройная точка воды:

а)617 Па; 0,0098 0 С; б)617 Па; 0,98 0 С; в)517 Па; 0,098 0 С; г)417 Па; 0 0 С.

3) При каких условиях сухой лед (твердая двуокись углерода) переходит из твердого в газообразное состояние:

а)1 атм; –70 0 С; б) 1 атм; –78,9 0 С; в)3 атм; +15 0 С; г)2 атм; –20 0 С; д)1 атм; –67 0 С.

4) Какую энергию используют парокомпрессионные холодильные машины:

а) механическую работу; б) тепловую; в) электрическую энергию.

5) Сублимация – это процесс перехода вещества:

а) из жидкого состояния в парообразное; б) из жидкого состояния в пар; в) из твердого состояния в газообразное, минуя жидкость; г) из газообразного состояния в твердое, минуя жидкость.

2. Парокомпрессионные холодильные машины

Парокомпрессионные холодильные машины имеют наибольшее применение для искусственного охлаждения в широком интервале температур: от 278 К (одноступенчатые холодильные машины) до 113 К (каскадные холодильные машины). Их холодопроизводительность охватывает диапазон от нескольких десятков ватт (домашние холодильники) до нескольких тысяч киловатт (холодильные машины с центробежными компрессорами). Основной особенностью парокомпрессионных холодильных машин является то, что рабочее вещество, совершая обратный цикл, меняет свое агрегатное состояние и может находиться в состоянии влажного, сухого насыщенного или перегретого пара, а также в жидком состоянии. В качестве холодильных агентов (рабочих веществ) применяются вещества с низкой нормальной температурой кипения. В основном на крупных установках применяется аммиак, на малых и средних установках различные хладоны (фреоны). Основными элементами холодильной машины являются: компрессор, конденсатор, испаритель и устройство, в котором происходит расширение рабочего вещества. Все элементы холодильных машин рассматриваются в последующих курсах. Существенное влияние на выбор цикла холодильной машины имеют внешние условия, тип компрессора и теплообменных аппаратов, а также рабочее вещество.

2.1. Теоретические циклы и принципиальные схемы одноступенчатых холодильных машин

Холодильная машина с детандером в области влажного пара. Принципиальная схема и цикл такой холодильной машины приведены на рис. 2.1.

Рабочее вещество в состоянии 1 поступает в компрессор КМ, где изоэнтропно сжимается до давления конденсации р_к (процесс 1-2) и направляется в конденсатор КД. Следует отметить, что точка 2 должна лежать на правой пограничной кривой. После конденсации за счет отвода теплоты в окружающую среду (процесс 2-3), рабочее вещество расширяется в детандере ДТ до давления кипения р₀, совершая при этом работу. Процесс расширения 3-4 также идет изоэнтропно. В состоянии 4 рабочее вещество поступает в испаритель ИС, где кипит (процесс 4-1) при давлении р₀ за счет теплоты, подводимой от источника низкой температуры. Следует особо отметить, что для конкретной холодильной машины давление кипения р₀ и давление конденсации р_к зависят только от температуры и теплоты внешних источников и самоустанавливаются в зависимости от их параметров. При этом давление кипения соответствует температуре кипения T₀, которая определяется по формуле: T₀ = T_от — ∆T_и, где T_от — температура охлаждаемого тела; ∆T_и — температурный напор в испарителе. Давление конденсации соответствует температуре конденсации T_К, которая определяется по формуле: T_К = T_ос + ∆T_К, где T_ос — температура окружающей среды; ∆T_к — температурный напор в конденсаторе.

Пар рабочего вещества, образовавшийся при кипении, постоянно отсасывается компрессором.

Рис. 2.1. Схема и теоретический цикл

одноступенчатой холодильной машины с детандером

При условии постоянства температуры внешних источников и бесконечно малой разности температур в процессе теплообмена рабочего вещества с этими источниками T₀ = T_от, T_к = T_ос и рабочее вещество будет совершать обратный цикл Карно, коэффициент обратимости которого равен единице.

Теплота, которая подводится к рабочему веществу в испарителе, называется холодопроизводительностью холодильной машины Q₀, а отнесенная к 1 кг рабочего вещества — удельной массовой холодопроизводительностью q₀, которая на диаграмме s-Т соответствует площади m-4-1-n или

На диаграмме h-р удельная массовая холодопроизводительность эквивалентна (

Удельная работа l_к, затрачиваемая в компрессоре, на диаграмме s-Т эквивалентна площади 1-2-3-0-1, а на диаграмме h-р — отрезку 1-2, т.е.

Удельная теплота, отводимая от рабочего вещества в конденсаторе, определяется на диаграмме s-Т как площадь m-3-2-n, на диаграмме h-р — отрезком 2-3 или

Удельная внешняя работа, совершаемая рабочим веществом при расширении в детандере, — это на диаграмме s-Т площадь 0-3-4, а на диаграмме h-р — отрезок 3-4 или

Так как в компрессоре работа затрачивается, а в детандере — совершается, то удельная работа, которую необходимо затратить для осуществления цикла 1-2-3-4,

Площадь на диаграмме s-Т, которая эквивалентна работе цикла, определяется из соотношения l_ц = l_к – l_д

пл. 1-2-3-0-1 — пл. 0-3-4 = пл. 1-2-3-4.

К такому же выводу можно прийти другим способом:

пл. m-3-2-4 — пл. m-4-1-n = пл. 1-2-3-4.

Холодильный коэффициент цикла 1-2-3-4 (Карно)

. (2.6)

Рассмотренный цикл является образцовым, но на практике его осуществить невозможно. Основными причинами являются наличие разности температур между теплообменивающимися средами в теплообменных аппаратах (в данном случае в конденсаторе и испарителе) и недопустимость всасывания в компрессор влажного пара. Кроме того, в реальных циклах парокомпрессионных машин расширение в детандере заменяется дросселированием.

Холодильная машина с дроссельным вентилем и всасыванием сухого насыщенного пара. На рис. 2.2 показаны принципиальная схема такой машины и ее циклы на s-Т- и h-р-диаграмме, рабочие процессы которой идут следующим образом: 1-2 — сжатие рабочего вещества в компрессоре, 2-3 — охлаждение и конденсация рабочего вещества за счет отвода теплоты в окружающую среду в конденсаторе, 3-4 — расширение рабочего вещества в дроссельном вентиле ДР, 4-1 — кипение рабочего вещества за счет подвода теплоты от источника низкой температуры в испарителе.

Действительные процессы, которые происходят в элементах реальной холодильной машины, существенно отличаются от теоретических. Одним из отличий действительных циклов является наличие конечной разности температур в процессах теплообмена рабочего вещества с внешними источниками.

Необходимо рассмотреть, как определяются температуры кипения Т₀ и конденсации Т_к в действительном цикле одноступенчатой холодильной машины.

Если теплота от конденсатора отводится водой, то температу­ра конденсации Т_к выбирается на 5-8 ºС выше средней температуры воды, нагрев которой в конденсаторе составляет 4-5 ºС. Когда отвод теплоты осуществляется воздухом, то Т_к на 10-20 ºС выше средней температуры воздуха, который нагревается в конденсаторе до 6-8 ºС.

В том случае, когда теплота от охлаждаемого объекта (или среды) подводится к испарителю с помощью жидкого теплоносителя (хладоносителя), то задается температура хладоносителя на выходе из испарителя, принимается его охлаждение на 4-5 ºС, а разность температур между средней температурой хладоносителя в испарителе и температурой кипения составляет 5-8 ºС. Когда охлаждаемая среда — воздух или какой-либо газ, то разность температур между средней температурой воздуха и температурой кипения рабочего вещества около 10 ºС.

Приведенные перепады температур являются ориентировочными и зависят от рабочего вещества, типа теплообменных аппаратов и некоторых других факторов.

В рассматриваемом цикле по сравнению с предыдущим расширение с совершением внешней работы заменено дросселированием. Всасывание в компрессор сухого насыщенного пара явилось причиной того, что температура на нагнетании компрессора (точка 2) стала выше температуры конденсации.

Рис. 2.2. Схема и теоретический цикл одноступенчатой холодильной машины

с дроссельным вентилем

При замене детандера на дроссельный вентиль, уменьшается холодопроизводительность на величину ∆q₀ = пл. m-5-4-n. Это происходит вследствие того, что работа, которая могла бы быть получена в изоэнтропном процессе 3-5 (пл. 0-3-5), полностью превращается в теплоту и подводится к рабочему веществу в процессе дросселирования, поэтому часть рабочего вещества выкипает (процесс 5-4).

Определяют основные величины, характеризующие этот цикл, следующим образом:

= пл. m-3-b-2-1-4-n = пл. 1-2-3-0-1

Холодильный коэффициент теоретического цикла

. (2.10)

На практике цикл с всасыванием сухого насыщенного пара можно реализовать, если добавить в схему холодильной машины дополнительный вспомогательный аппарат — отделитель жидкости (рис. 2.3).

Жидкий холодильный агент, выходящий из конденсатора (точка 3), дросселируется в дроссельном вентиле. При дросселировании происходит падение давления и температуры и частичное парообразование. Влажный пар (точка 4) направляется в отделитель жидкости (вертикальный сосуд), где разделяется на насыщенную жидкость (точка 5) и насыщенный пар (точка 1). Насыщенная жидкость оседает вниз, а насыщенный пар направляется вверх, откуда отсасывается компрессором. Насыщенная жидкость под действием гидростатического столба или с помощью насоса из отделителя жидкости ОЖ поступает в испаритель, где выкипает за счет тепла, подводимого к ней от охлаждаемого тела. Влажный пар из испарителя в состоянии 6 (сухой насыщенный пар с каплями жидкости) поступает обратно в отделитель жидкости, где жидкость отделяется, а пар отсасывается компрессором.

Рис. 2.3. Схема и цикл холодильной машины с отделителем жидкости

Одноступенчатая холодильная машина с всасыванием перегретого пара и дросселированием переохлажденной жидкости. На рис. 2.4 показан цикл на s-Т- и h-P-диаграмме холодильной машины с всасыванием в компрессор перегретого пара и дросселированием переохлажденной жидкости. Рабочее вещество поступает в компрессор в состоянии перегретого пара при темпе­ратуре Т₁ и давлении р₀. На дросселирование хладагент поступает в состоянии переохлажденной жидкости при температуре Т₃ и давлении р_К.

Рис. 2.4. Цикл с всасыванием перегретого пара

и дросселированием переохлажденной жидкости

Перегрев на всасывании необходим для того, чтобы обеспечить сухой ход и безопасную работу компрессора, так как попадание жидкости в цилиндр поршневого компрессора уменьшает объемную производительность компрессора и может привести к гидравлическому удару, для других типов компрессоров это тоже нежелательно.

Перегрев характеризуется величиной ∆Т_ВС = Т₁ – Т₀. Значение ∆Т_ВС зависит от схемы холодильной установки, холодильного агента, типа компрессора, конструкции испарителя и т.д. Основные места, где может происходить перегрев:

— испаритель, особенно если питание испарителя осуществляется с помощью терморегулирующего вентиля;

— всасывающий трубопровод компрессора;

— всасывающий тракт компрессора, особенно для герметичных и бессальниковых компрессоров;

В дальнейшем, если не будет специальной оговорки, принимают ∆Т_ВС = 5-10 ºС.

Переохлаждение жидкого холодильного агента перед дросселированием приводит к уменьшению необратимых потерь при дросселировании, уменьшению парообразования при дросселировании, увеличению удельной холодопроизводительности цикла и холодопроизводительности машины в целом, повышению энергетической эффективности цикла, т.е. увеличению холодильного коэффициента.

Переохлаждение характеризуется величиной ∆Т_П = Т_К – Т₃. Значение ∆Т_П зависит от схемы холодильной установки, холодильного агента, конструкции конденсатора и т.д. Основные места, где может происходить переохлаждение:

— конденсатор, особенно если для регулирования конденсаторов используется способ подтапливания конденсатора;

— трубопровод и аппараты на линии от конденсатора до дроссельного устройства;

— специальный теплообменный аппарат — переохладитель жидкости;

В дальнейшем, если не будет специальной оговорки, принимают ∆Т_П = 2-3 ºС.

Цикл холодильной машины с перегревом на всасывании и переохлаждением перед дросселированием включает основные процессы:

1″-1 — перегрев на всасывании компрессора (Р₀ = const);

1 -2 — сжатие в компрессоре (S = const);

2 -2″ — сбив перегрева (Р_К = const);

2″-3′ — конденсация (Р_К = const);

3′-3 — переохлаждение (Р_К = const);

3-4 — дросселирование (h = const);

4-1″ — кипение (Р₀ = const).

Исходными величинами для теплового расчета действительного цикла являются: холодопроизводительность Q₀, температура воды (или воздуха) при входе в конденсатор Т_w1, температура хладоносителя на выходе из испарителя Т_s2, а также рабочее вещество, которое задается или выбирается в зависимости от конкретных условий.

После определения Т₀, p₀, Т_к, р_к цикл холодильной машины вписывается в тепловую диаграмму. Наиболее распространенными являются диаграммы s-Т и h-р.

В заданную холодопроизводительность Q₀ входят: теплота, отводимая от хладоносителя, Q_0s; теплота, поступающая к рабочему веществу в испарителе от наружного воздуха ∆Q₀₁ (внешние потери); внутренние теплопритоки, равные теплоте трения при движении охлаждаемой среды (хладоносителя) через испаритель ∆Q₀₂, т.е.

Удельная массовая холодопроизводительность цикла

Массовый расход рабочего вещества в холодильной машине (кг/с)

Действительный объем пара рабочего вещества (м 3 /c), который образуется в испарителе и отсасывается компрессором по условиям всасывания,

где v₁ — удельный объем пара на всасывании в компрессор.

В реальном компрессоре существуют объемные потери, которые характеризуются коэффициентом подачи λ, поэтому объемная производительность компрессора определяется из соотношения:

Массовый расход хладоносителя в испарителе (кг/с)

, (2.16)

где с_s — теплоемкость хладоносителя; Т_s1, Т_s2 — температуры входа и выхода хладоносителя из испарителя.

Количество теплоты Q_к, которое необходимо отвести от рабочего вещества в конденсаторе, определяется из теплового баланса:

где Q_к.р._в — теплота, поступающая в конденсатор от рабочего вещества,

∆Q_к1 — теплота, отводимая или подводимая к рабочему веществу в конденсаторе из окружающего воздуха в зависимости от соотношения температуры конденсации и воздуха; ∆Q_к2 — теплота трения, выделяющаяся при движении воды или воздуха через конденсатор (как правило, эта величина мала и ее можно не учитывать).

Массовый расход внешней среды (воды или воздуха) (кг/с)

,(2.19)

где с_w — теплоемкость внешнего источника (воды или воздуха); Т_w1, Т_w2 — температура внешнего источника при входе и выходе из конденсатора.

Далее определяются энергетические показатели холодильной машины:

работа изоэнтропного процесса сжатия (кДж/кг)

мощность изоэнтропного процесса сжатия (кВт)

В реальном компрессоре существуют, наряду с объемными, также и энергетические потери, которые характеризуются эффективным КПД η_е. Мощность, которая необходима для привода реального компрессора, называется эффективной мощностью N_е и определяется из соотношения:

Действительный холодильный коэффициент реальной холодильной машины ε_д определяется с учетом всех потерь и затрат на производство холода в количестве Q₀:

, (2.23)

где — суммарная мощность насосов (или вентиляторов), необходимая для движения внешних источников через конденсатор и испаритель, а также мощность масляных насосов, компрессоров, если они имеют индивидуальный привод.

Следует обратить внимание, что холодильный коэффициент ε_д не учитывает энергетических затрат на транспортировку хладоносителя к охлаждаемому объекту, затрат на привод вентиляторов и насосов градирни, а также других затрат энергии, связанных с эксплуатацией холодильной установки, частью которой является холодильная машина.

Одноступенчатая холодильная машина с водяным теплообменником (переохладителем). Принципиальная схема, представленная на рис. 2.5, отличается от предыдущей тем, что перед дроссельным вентилем установлен теплообменник, в котором переохлаждается рабочее вещество в процессе 3′-3. Остальные процессы идут так же, как в предыдущем цикле. Следует отметить, что при изображении циклов с охлаждением жидкого рабочего вещества ниже температуры конденсации на s-Т-диаграмме необходимо иметь в виду, что линия процесса 3′-3, совпадающая с левой пограничной кривой, показана условно, так как, строго говоря, изобары в области жидкости идут более полого, чем левая пограничная кривая. Изображение процесса 3′-3 по левой пограничной кривой практически не влияет на анализ и расчеты цикла.

Охлаждение происходит за счет внешнего источника с более низкой температурой, например артезианской воды. Понижение температуры рабочего вещества перед дроссельным вентилем ведет к увеличению удельной массовой холодопроизводительности на величину ∆q₀ = h_3′ — h₃ (см. рис. 2.4 на стр. 15).

Рис. 2.5. Схема одноступенчатой холодильной машины

с водяным теплообменником

При повышении холодопроизводительности машины ∆Q_0т = G_а∆q₀, однако при этом затрачивается мощность для привода водяного насоса N_в.н.т.

Действительный холодильный коэффициент реальной холодильной машины

. (2.24)

Как правило, увеличение холодопроизводительности ∆Q_0т влияет на ε_д в большей степени, чем N_в.н.т, и ε_д увеличивается, однако в любом случае необходимо сделать технико-экономический анализ.

Особенности расчета цикла:

1. Температура хладагента на выходе из переохладителя (в точке 3) принимается на 3-5 ºС выше температуры артезианской воды на входе в переохладитель.

2. Тепловая нагрузка на переохладитель Q_по = G_а (h_3′ — h₃).

3. Массовый расход артезианской воды (кг/с)

,(2.25)

где с_w — теплоемкость воды; Т_АР1, Т_АР2 — температура артезианской воды при входе и выходе из переохладителя.

Одноступенчатая холодильная машина с регенеративным теплообменником. Охладить рабочее вещество перед дроссельным вентилем, чтобы сократить необратимые потери, можно холодным паром, идущим из испарителя. Принципиальная схема такой машины показана на рис. 2.6. В этой машине пар рабочего вещества в состоянии 1″ направляется в регенеративный теплообменник, где охлаждает жидкое рабочее вещество, которое идет из конденсатора.

Рис. 2.6. Схема холодильной машины с регенеративным теплообменником

В результате теплообмена пар нагревается (процесс 1″-1), а жидкость охлаждается (процесс 3′-3), вследствие этого повышается удельная массовая холодопроизводительность цикла на величину ∆q₀ = h_3′ — h₃. Однако при этом увеличивается и работа, затраченная в компрессоре, так как повышение температуры всасывания влечет за собой увеличение работы на величину ∆l_к. Поэтому эффективность этого цикла, холодильный коэффициент которого ε = (q₀ + ∆q₀) / (l_s + ∆l_к), зависит от соотношения ∆q₀/∆l_к, т.е. от термодинамических свойств рабочих веществ.

Действительный холодильный коэффициент реальной холодильной машины

, (2.26)

где ∆N_е — увеличение мощности, затраченной на привод компрессора из-за повышения температуры всасывания.

Регенеративный цикл применяют для высокомолекулярных рабочих веществ, к которым относятся хладоны, так как эти вещества имеют относительно большие необратимые потери, связанные с дросселированием. Применение этого цикла для низкомолекулярных рабочих веществ, например, для аммиака, который имеет относительно большие необратимые потери, связанные с перегревом, ведет к понижению холодильного коэффициента, так как в этом случае сокращается меньшая часть потерь (связанная с дросселированием) и увеличивается большая часть потерь (связанная с перегревом). Поэтому для аммиачных холодильных машин схему с регенеративным теплообменником не применяют.

Для хладоновых холодильных машин наличие регенеративного теплообменника имеет ряд положительных факторов.

Прежде всего, регенеративный теплообменник способствует организации циркуляции масла в системе холодильной машины. Из испарителя рабочее вещество отбирается в состоянии сухого насыщенного пара (или влажного пара со степенью сухости 0,95-0,98), поэтому вместе с паром из испарителя выходят капельки жидкого рабочего вещества, в котором растворено масло. В теплообменнике жидкое рабочее вещество испаряется, а масло по всасывающему трубопроводу возвращается в компрессор. Если удаления масла из испарителя не организовать, то его концентрация в испарителе будет постоянно расти, что отрицательно сказывается на эффективности машины. С другой стороны, будет уменьшаться количество масла в маслосистеме, что при отсутствии автоматической защиты может привести к серьезной аварии.

Кроме того, регенеративный теплообменник защищает поршневой компрессор от гидравлического удара, т.е. от попадания жидкого рабочего вещества в цилиндр компрессора, также приводящего к аварии. Перегрев рабочего вещества на всасывании ведет также к повышению объемных и энергетических коэффициентов компрессоров объемного принципа действия. Следует остановиться на расчете цикла холодильной машины с регенеративным теплообменником. Как уже отмечалось, рабочее вещество в точке 1″ — это сухой насыщенный пар или влажный пар при х = 0,95 + 0,98. Нагрев рабочего вещества в процессе 1″-1 принимают около 20 ºС. Эта величина может изменяться в зависимости от условий работы машины. Параметры рабочего вещества в точке 3 определяют из теплового баланса регенеративного теплообменника h₁ – h_1″ = h_3′ — h₃, откуда h₃ = h_3′ — (h₁ – h_1″).

Остальные величины, характеризующие цикл, определяют так же, как в предыдущем случае.

Одноступенчатая холодильная машина с регенеративным теплообменником и бессальниковым компрессором. В холодильных машинах малой и средней производительности часто применяют бессальниковые и герметичные компрессоры, т.е. компрессоры, которые расположены в одном кожухе с электродвигателем, охлаждаемым холодным паром рабочего вещества. При этом происходит нагрев паров холодильного агента (процесс 1-1*), идущего затем во всасывающую полость компрессора. Принципиальная схема и цикл на h-р-диаграмме такой холодильной машины показаны на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Схема и цикл одноступенчатой холодильной машины

с бессальниковым компрессором

Все узловые точки цик­ла определяют так же, как и в предыдущей схеме, за исключением точек 1*, 2*. Точку 1* определяют из теплового баланса процесса охлаждения электродвигателя методом последовательных приближений, а точку 2* построением. Количество теплоты (кВт), которое выделяется электродвигателем,

ΔQ_Эл = N_эл(1 – η_эл),

где N_эл — мощность, потребляемая электродвигателем; η_эл — КПД электродвигателя.

Количество теплоты (кВт), которое подводится к рабочему веществу при его движении через электродвигатель в процессе 1-1*, ΔQ_р.в = G_а(h_1* – h₁).

Так как Q_Эл = ΔQ_р.в, то N_эл(1 – η_эл) = G_а(h_1* – h₁), откуда после некоторых преобразований получают

(2.27)

Задаваясь нагревом рабочего вещества в электродвигателе Т_1* — Т₁ ≈ 30÷40 °С, по диаграмме определяют значения h_1* и h_2*, подставляют значение l = h_2* — h_1* в уравнение (2.27).

Значения КПД электродвигателя η_эл и эффективного КПД компрессора η_е определяют по справочной литературе. Определив значение h_1* по уравнению (2.27), сравнивают его со значением h_1*, которое было установлено по диаграмме. Если расхождение большое, расчет повторяют.