Схемы и циклы двухступенчатых холодильных машин

Существует большое количество схем холодильных машин двухступенчатого сжатия с однократным и двукратным дросселированием; с полным и неполным промежуточным охлаждением; с одним или двумя испарителями; с теплообменниками; с эжектором и др. В данном учебном пособии рассматриваются только некоторые наиболее распространенные схемы.

Причины перехода к многоступенчатому сжатию.

При снижении температуры кипения холодильного агента в испарителе Т_о соответственно уменьшается и давление кипения Р_о. Также при повышении температуры конденсации Т_к увеличивается давление конденсации Р_о. Снижение давления кипения и повышение давления конденсации вызывает увеличение степени повышения давлений π = Р_к/Р_о. Возрастание степени повышения давлений π приводит к следующим отрицательным явлениям:

1.Повышается температура нагнетания в компрессоре, которая может превысить предельно допустимые значения. Допустимые температуры нагнетания для аммиачных поршневых компрессоров 160 ^оС, для хладоновых – 130 ^оС. При более высоких температурах в компрессоре может произойти разложение холодильного агента и масла, ухудшение смазывающей способности масла и его самовоспламенение.

2.Возрастают необратимые потери при дросселировании, в результате чего уменьшается удельная холодопроизводительность цикла, а значит и полная холодопроизводительность всей холодильной машины.

3.В испаритель поступает большее количество пара и меньше жидкого холодильного агента, а теплоотдача от пара в десятки раз хуже, чем от жидкости. Это приводит к снижению интенсивности теплообмена в аппарате.

4.Увеличивается удельная работа цикла, что вызывает повышение потребляемой мощности компрессора при том же массовом расходе холодильного агента.

5.Ухудшаются все объемные и энергетические коэффициенты компрессора, что ведет к снижению производительности и увеличению потребляемой мощности компрессора.

6.На узлы и детали компрессора воздействуют более высокие силы. Однако все узлы и детали имеют определенный предел прочности. Так например, для современных аммиачных одноступенчатых холодильных машин разность давлений конденсации Р_к и кипения Р_о не должна превышать 1,7 Мпа.

Таким образом, при определенных температурных режимах, производство холода одноступенчатой холодильной машиной может оказаться экономически невыгодным, а в некоторых случаях и невозможным. Исследования работы промышленных холодильных машин показали, что одноступенчатое сжатие не целесообразно при степени повышения давлений более или равно восьми, т.е. при π = Р_к/Р_о ≥ 8.

Выбор промежуточного давления.

В циклах двухступенчатых холодильных машин величина промежуточного давления имеет большое значение. Промежуточное давление влияет на работу сжатия в ступенях низкого и высокого давлений и соответственно на потребляемую мощность холодильной машины. Существует несколько способов определения промежуточного давления. Как правило, оно рассчитывается из условий наименьшей суммарной работы в ступенях сжатия. Для идеального газа справедливо уравнение

где Р_о, Р_к и Р_пр – соответственно давления кипения, конденсации и промежуточное, Па;k – показатель политропы сжатия.

Отсюда промежуточное давление будет равно

Холодильный агент не идеальный газ, поэтому данное уравнение является приближенным для действительных хладагентов.

По другим способам оптимальное промежуточное давление находится методом последовательного приближения по максимальному холодильному коэффициенту или минимальной суммарной объемной производительности в ступенях сжатия. Для этого первоначально промежуточное давление находится по уравнению для идеального вещества. Рассчитывается цикл и определяется холодильный коэффициент или минимальная суммарная объемная производительность. Затем принимаются несколько больших и меньших значений промежуточного давления и расчеты повторяются. Оптимальным является то промежуточное давление при котором будет наибольший холодильный коэффициент или наименьшая суммарная объемная производительность ступеней сжатия.

Как показали сопоставления промежуточные давления, найденные по разным способам, различаются незначительно. Поэтому в обычных инженерных расчетах можно пользоваться уравнением для идеального газа. При более точных расчетах необходимо выбирать более точные способы.