5.1.2. Принципиальная схема паровой холодильной машины и ее изображение в диаграмме
При описании принципа действия паровой холодильной машины различают теоретический и действительный циклы. Теоретическим считается цикл, при котором пар хладагента из испарителя засасывается в компрессор в состоянии насыщения при температуре и давлении кипения, а жидкость из конденсатора поступает в регулирующий вентиль в состоянии насыщения при температуре и давлении конденсации. Кроме того, считается, что в системе нет потерь давления из-за сопротивления трубопроводов и аппаратов, а процесс сжатия в компрессоре — адиабатический (без теплообмена с окружающей средой).
Для эксплуатации холодильных установок интерес представляет действительный цикл холодильной машины, который и будет рассмотрен ниже.
На рис. 57 показаны принципиальная схема и цикл паровой холодильной машины, состоящей из четырех основных элементов, которые соединены трубопроводами в замкнутую герметичную систему. В основе искусственного охлаждения лежит процесс кипения хладагента в испарителе И , в результате чего он превращается из жидкости в пар и поглощает определенное количество теплоты от объекта охлаждения. По техническим требованиям необходимо, чтобы хладагент имел постоянную и строго определенную температуру кипения t0 , что достигается поддержанием в испарителе определенного и постоянного давления кипения P0 . Кроме того, t0 хладагента должна быть ниже конечной температуры охлаждаемого объекта.
Пар, образующийся в результате кипения, отсасывается из испарителя компрессором КМ . В теоретическом цикле считается, что из испарителя в компрессор поступает насыщенный пар, в действительности из испарителя может поступать влажный, насыщенный или перегретый пар, в зависимости от интенсивности теплопритока к испарителю и количества находящегося в нем жидкого хладагента. Во всасывающем трубопроводе перед компрессором пар дополнительно перегревается за счет теплопритока от окружающего воздуха и поступает в компрессор в перегретом состоянии. Перегрев пара перед компрессором несколько снижает эффективность работы установки, но является необходимой мерой для защиты компрессора от работы в режиме «влажного хода» и связанного с этим явлением гидравлического удара. В компрессоре пар сжимается, t и Р его повышаются, и горячий пар высокого давления нагнетается через нагнетательный трубопровод в конденсатор КД . В конденсаторе пар хладагента в результате конденсации снова превращается в жидкость, и цикл становится замкнутым. При этом теплота от хладагента отводится в конденсаторе водой или воздухом. Хладагент охлаждается до температуры насыщения и конденсируется при постоянных температуре tк и давлении конденсации Рк . В теоретическом цикле из конденсатора в регулирующий вентиль РВ поступает насыщенная жидкость. В действительном цикле в РВ может поступать как насыщенная, так и переохлажденная жидкость, которая дополнительно переохлаждается в самом конденсаторе либо в специальных аппаратах. В любом случае переохлаждение является положительным процессом, так как при этом увеличивается холодопроизводительность установки. Жидкость с высоким давлением в насыщенном или переохлажденном состоянии поступает к РВ , где дросселируется в проходном сечении соответствующего размера от Рк до Р0 . При дросселировании температура хладагента снижается до t0 за счет мгновенного испарения части жидкости. Теплота испарения отводится от остальной массы хладагента, температура которого снижается. Так как теплота отводится и передается внутри системы, без теплообмена с окружающей средой, то теплосодержание (энтальпия) вещества в процессе дросселирования остается постоянным. Поскольку часть жидкости испаряется, то после РВ хладагент представляет собой парожидкостную смесь (влажный пар). Парообразование при дросселировании называют дроссельными потерями, поскольку, попадая затем вместе с жидкостью в испаритель, пар не производит в нем эффекта охлаждения. Регулирующий вентиль предназначен не только для дросселирования хладагента, но и для регулирования его подачи в испаритель. Холодильную систему можно условно разделить на два участка, давления хладагента в которых разные. Сторона высокого давления начинается от нагнетательной полости компрессора, проходит через конденсатор и заканчивается в регулирующем вентиле. Все трубопроводы и сосуды, находящиеся на этом участке установки, относятся к стороне высокого давления. Манометры, установленные на аппаратах и трубопроводах высокого давления, показывают Рк (или Р нагнетания). Сторона низкого давления начинается от РВ , проходит через испаритель и заканчивается во всасывающей полости компрессора. Все трубопроводы и сосуды, находящиеся в этой части системы, относятся к стороне низкого давления. Мановакуумметры, установленные на них, показывают Р0 или РBC . Для построения рабочего цикла в диаграмме обычно задаются конкретными параметрами, а именно: t0 — температурой кипения; tк — температурой конденсации; tBС — температурой всасывания; tП — температурой переохлаждения.
Этих параметров достаточно для построения на диаграмме полного цикла холодильной машины. Прежде всего следует определить по диаграмме (см. рис. 53) Р0 и Рк по соответствующим температурам и провести на диаграмме две горизонтальные прямые — изобары Рк и Р0 (рис. 57). Пересечение изобары давления кипения Р0 с кривой насыщенного пара показывает состояние хладагента на выходе из испарителя (точка 1” на диаграмме). Перегрев пара во всасывающем трубопроводе перед компрессором происходит при Р0 до tВС . Поэтому точка всасывания 1 лежит на пересечении изобары Р0 и изотермы tВС в области перегретого пара. При сжатии в компрессоре давление пара повышается до Рк , а сам процесс сжатия считается адиабатическим, поэтому точка конца сжатия 2 лежит на пересечении адиабаты, проведенной из точки 1 , и изобары Рк . Температуру этой точки называют температурой нагнетания компрессора. Из компрессора перегретый пар поступает в конденсатор, где сначала охлаждается до состояния насыщения (точка 2” ), а затем конденсируется при постоянной температуре до состояния насыщенной жидкости (точка 3′ ). Если в цикле имеет место переохлаждение жидкости, то состояние хладагента определяется в точке пересечения изобары Рк и изотермы tП в области переохлажденной жидкости (точка 3 ). Переохлажденная или насыщенная жидкость поступает в РВ и дросселируется до давления кипения Р0 при i = const . Линии изоэнтальпий проходят вертикально, поэтому точку 4 (5) — состояние перед испарителем — находят как пересечение вертикали, опущенной из точки 3 (3′) и изобары Р0 . В состоянии влажного пара 4 (5) хладагент поступает в испаритель, где кипит при постоянных температуре и давлении кипения до состояния насыщенного пара (точка 1” ). На этом цикл замыкается и повторяется. Таким образом, действительный цикл холодильной машины состоит из отдельных, следующих друг за другом процессов:
1” — 1 — перегрев пара на всасывании в компрессор при Р0 = const ;
1 — 2 — адиабатическое сжатие в компрессоре от Р0 до Рк при S = const ;
2 — 2” — сбив перегрева в конденсаторе при Рк = const ;
2” — 3′ — конденсация пара в конденсаторе при Рк = const , tк = const ;
3′ — 3 — переохлаждение жидкости в конденсаторе или ином аппарате при Рк = const ;
3 — 4 — дросселирование в регулирующем вентиле от Рк до Р0 при t = const ;
4 —1” — кипение жидкости в испарителе при Р0 = const и t0 = const .
Соответствующие точки цикла расставлены на схеме. После построения цикла холодильной машины в диаграмме можно определить все термодинамические параметры каждой точки цикла. На практике интерес представляют узловые точки, проставленные на диаграмме и схеме.
Зная параметры узловых точек цикла, можно определить следующие показатели:
удельную холодопроизводительность хладагента, кДж/кг, q0 = i1” — i4 ;
удельную работу сжатия в компрессоре, кДж/кг, l = i2 – i1 ;
удельную тепловую нагрузку на конденсатор, кДж/кг, qк = i2 – i3(3′) ; в зависимости от того, где происходит переохлаждение;
Холодильный коэффициент цикла — это КПД цикла, который выражается в виде отношения поглощенной от охлаждаемого объекта теплоты к энергии, израсходованной при этом компрессором. Чем больше е, тем выше эффективность цикла.
Пример. Определить параметры узловых точек цикла для аммиака при t0 = — 10 °С , tк = +30°С , tВС = 0°С , tП0 = +25°С и основные показатели цикла.
Определяем параметры узловых точек по диаграмме:
l = i2 — i1 = 1900 — 1693 = 207 кДж/кг;
Параметры узловых точек после построения цикла в диаграмме сведены в табл. 48.