Цикл паровой компрессионной холодильной установки

Паровые компрессионные установки позволяют в области насыщенного пара приблизить холодильный цикл к обратному циклу Карно. Насыщенный пар низкокипящей жидкости (хладагента) всасывается компрессором и адиабатно сжимается до давления конденсации p₂ с затратой работы l_ц (процесс 1-2). После компрессора сжатый пар поступает в конденсатор, где при постоянном давлении p₂ вследствие отнятия у пара теплоты q₁ охлаждающей водой (процесс 2-2’-3) снижается температура перегретого пара (2-2’), а затем при постоянной температуре насыщенного пара осуществляется полная конденсация (2’-3).

Для дальнейшего снижения температуры хладагента можно было бы применить расширительную машину и осуществлять в ней адиабатное расширение 3-4’ (с производством внешней работы за счет убыли внутренней энергии). Однако для упрощения установки и обеспечения гибкой регулировки расширительную машину заменяют регулирующим дроссельным вентилем, в котором хладагент после конденсатора дросселируется с понижением давления и температуры (процесс 3-4). На диаграмме T-s процесс дросселирования, как необратимый, условно показан пунктиром 3-4 (h=const). После дроссельного вентиля (точка 4) образовавшаяся парожидкостная смесь (влажный пар) с низкой температурой T₂ поступает по трубам в испаритель, который находится в холодильной камере X. В испарителе при постоянных температуре T₂ и давлении p₁ происходит отбор теплоты q₂ от охлаждаемых объектов (производство холода) и за счет этого испарение (кипение) хладагента (процесс 4-1). Образовавшийся пар (точка 1) вновь засасывается компрессором, и цикл повторяется.

Холодильный коэффициент:

.

Количество теплоты q₂, отнятой 1 кг хладагента от охлаждаемой среды, называется удельной хладопроизводительностью q₂ = пл. |41ba4| = h₁ – h₄ = h₁ – h₃.

Количество теплоты, переданной в конденсаторе охлаждающей среде при постоянном давлении:

q₁ = пл. |22’3’3b2| = h₂ – h₃.

Тогда

.

Отсюда следует, что ε увеличивается с повышением температуры в испарителе T₂, (чем выше расположена линия 4-1, тем больше хладопроизводительность) и понижением температуры охлаждающе среды в конденсаторе T₁ (линия 2’-2 расположена ниже, затрачиваемая работа в компрессоре меньше).

Затрата работы в компрессоре при адиабатном сжатии 1-2

,

что на диаграмме T-s соответствует пл. |122’34”1|.

Эффективность холодильных установок зависит от свойств хладагентов, к которым предъявляется ряд требований:

- давление насыщенного пара хладагента, соответсвующее требуемым низким температурам, должно быть выше атмосферного, так как при этом легче бороться с утечкой хладагента, чем с подсосом воздуха при вакууме; попадающий в хладагент воздух сильно ухудшает теплопередачу и содержит влагу, которая может замерзать при низкой температуре;

- теплота парообразования r должна быть по возможности большей, так как при одном и том же расходе хладагента она определяет хладопроизводительность установки;

- хладагенты не должны вредно воздействовать на здоровье человека и не должны обладать корродирующими свойствами

Наиболее распространенным хладагентом является аммиак (t_н = –33,5 ºС), позволяющий получить достаточно высокий холодильный коэффициент и относительно невысокое давление в цикле. Однако из-за токсичности аммиака в последнее время широко применяются фреоны (в частности, фреон-12). По термодинамическим свойствам фреон-12 ближе к аммиаку, хотя меньшая его теплота парообразования обусловливает большой расход хладагента.

ТЕма №9

Теоретический процесс многоступенчатого компрессора

Теоретический процесс многоступенчатого компрессора состоит из нескольких последовательно происходящих теоретических процессов одноступенчатого сжатия. При этом принимаем следующие допущения:

1. Отсутствует сопротивление движению газа в межступенчатых коммуникациях, и давление нагнетания предыдущей ступени равняется давлению всасывания последующей

Р_2(i-1) = Р_1i

2. Процесс сжатия в каждой ступени политропический, при этом показатели политроп во всех ступенях равны.

3. В межступенчатых холодильниках газ охлаждается до температуры всасывания его в первую ступень.

4. Протекание газа через неплотности отсутствует.

5. Трение в механизме движения отсутствует.

Поскольку при теоретическом процессе отсутствуют утечки, то массовое количество газа, сжимаемое в каждой ступени, будет одинаково.

Минутная производительность компрессора V_m по всасыванию равна производительности первой ступени/

V_m = n₀Vh_I,

где Vh_I - объем, описываемый поршнем ступени за один ход.

Рассмотрим теоретические диаграммы процессов сжатия газа в одноступенчатом и трехступенчатом компрессорах при равных производитеностяз машин, начального и конечного давлений и показателей политроп сжатия n(1< n < k)/

Кривая 1-а – изотерма, уравнение ее:

PV = GRT₁, PV = mRT₁.

где Т₁ – температура газа, всасываемого в первую ступень.

Кривые 1-2, 7-8, 10-11 – политропы с показателем n/

Площадь диаграммы, ограниченная линиями 1-а-3-4-1, равна работе сжатия и перемещения газа при изотермическом процессе в одноступенчатом комрессоре.

L_из. = F_1-a-3-4-1.

Площадь диаграммы, ограниченная линиями 1-2-3-4-1, равна работе сжатия и перемещения газа при одноступенчатом политропическом теоретическим процессе.

L_пол. = F_1-a-3-4-1.

Рассмотрим трехступенчатое сжатие газа в теоретическом процессе.

В цилиндр I ст. засасывается объем газа V_hI, изображенный на диаграмме отрезком 4-1. Сжатие газа происходит по политропе 1-5 до давления нагнетания первой ступени Р_2I.

Сжатый газ, объем которого выражается отрезком 5-6, вытесняется в промежуточный холодильник, где охлаждается до температуры Т₁ и затем всасывается в цилиндр II ст. Объем охлажденного газа уменьшится и будет выражаться отрезком 6-7.

Сжатие газа во II ступени происходит по политропе 7-8. Из II ст. газ, объем которого выражается отрезком 8-9, выталкивается в холодильник II ст., где он охлаждается до температуры всасывания в I ст.

Дальше газ поступает в III ст., где сжимается по политропе 10-11 и вытесняется в сеть при давлении р = р _кон.

Следовательно, теоретический процесс трехступенчатого сжатия представляет собой 3 теоретических процесса одноступенчатого сжатия. Работа, затрачиваемая на сжатие и перемещение газа при трехступенчатом сжатии Z_I-II-III будет равна сумме работ одноступенчатых теоретических процессов.

Z_I-II-III = Z_I + Z_II + Z_III = F_1-5-6-4-1 + F_7-8-9-6-7 + F_10-11-3-9-10 = F_{1-5-7-8-10-11-3-4-1}

Работа сжатия и перемещения газа при трехступенчатом теоретическом процессе L_I-II-III будет меньше работы одноступенчатого сжатия L_пол. На величину, эквивалентную заштрихованной площади F_{5-2-11-10-8-7-5.}

Уменьшение работы при трехступенчатом сжатии произошло потому, что газ после каждой ступени охлаждается.

Уменьшение затраты работы в теоретическом многоступенчатом компрессоре тем больше, чем ниже температура газа, охлажденного в холодильнике.

При обычных температурах каждые 3º охлаждения газа в межступенчатом холодильнике уменьшают примерно на 1% работу последующей ступени.

Это свидетельствует о важности охлаждения газа в межступенчатых холодильниках.

Рассмотрим процесс многоступенчатого сжатия в диаграмме T-S.

Сжатие в адиабатическом процессе.

Политропический процесс.

В обоих диаграммах экономия в затрате работы на сжатие и перемещение газа в результате многоступенчатого сжатия составляет F_{5-2-11-10-8-7-5}.

В идеальном компрессоре чем больше ступеней, тем больше выигрыш в работе.

В реальной машине каждая новая ступень приносит дополнительно потери и это надо учитывать при выборе оптимального количества ступеней.

Рассмотрим, каким образом нужно распределять давления на ступени, чтобы при теоретическом многоступенчатом процессе работа компрессора была бы минимальной.

Общая работа теоретического процесса многоступенчато компрессора будет

(1)

где V_1I, V_1II,……V_1Z – объем газа, всасываемого в соответствующую ступень.

Поскольку при теоретическом рассмотрении процесса компрессор считается абсолютно герметичным и после каждой ступени предполагается охлаждение газа до начальной температуры Т₁, то

mRT₁

(2)

Из уравнения (1) и (2) получим

(3)
Действительный рабочий процесс многоступенчатого компрессора. Производительность компрессора.

Действительный рабочий процесс многоступенчатого сжатия из ряда происходящих последовательно действительных процессов одноступенчатого сжатия.

При действительном процессе производительность компрессора V₁ будет меньше, чем при теоретическом V_m. Это уменьшение производительности учитывается коэффициентом производительности компрессора λ, который равен ;

где V_m = n₀Vh_I.

Объем газа, подаваемого компрессором в нагнетательный трубопровод, V₁ будет в I ст. компрессора, V_1I вследствие конденсации влаги в межступенчатых коммуникациях и утечке газа.

,

где λ_вл. – коэффициент, учитывающий конденсация влаги;

λ_г – коэффициент герметичности.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: