Пароэжекторные холодильные машины

В качестве рабочего вещества используется вода и хладоны. Промышленное применение получили водяные ПЭХМ. Они широко применяется для работы составе систем кондиционирования воздуха на промышленных предприятиях. Эффективность ПЭХМ возрастает при используется для работы дешевых источников теплоты(отработавшего водяного пара).

Схема и принцип действия ПЭХМ

Г-парогенератор; Э- эжектор; К-конденсатор; -конденсатный насос; РВ- регулирующий вентиль; И- испаритель; -циркуляционный насос; ПХ- потребитель холода.

TS-диаграмма1

Рабочий пар с изонтропно расширяется в сопле эжектора до -1-2s.состояние пара на выходе из И—точка 9. в сопле потенциальная энергия раб пара преобразуется в кинетическую. Скорость пара значительно возрастает (до 1000 м/с). Струя раб пара эжектирует (увлекает) холодный пар из И и смешивается с ним в камере эжектора. Состояние смеси паров хар точка 3. Смесь поступает в диффузор эжектора, где происходит преобразование кинетической энергии струи в потенциальную. В результате скорость потока снижается, а давление изонтропно повышается от до --3-4s.

Из диффузора смесь при поступает в конденсатор, охл и конденсир. Теплота конденсации, включая температуру сбива перегрева, отводится охлаждающей средой. 4s-5—конденсация. Конденсат разделяется на 2 потока: один в количестве равном количеству раб пара подается в Г. При этом насосом совершается адиабатная работа---5-6. Конденсат состояния 6 поступ в Г, где при постоянном нагревается внешним источником до кипения ---6-7 и кипит 7-1. Сухой насыщенный пар состояния 1 поступает в Э. Второй поток конденсата под действием разности давлений и направляется через РВ в И---5-8. Влажный пар состояния 8 поступает в И, где за счет подвода теплоты от охл-го источника кипит ---8-9. Охлаждаемый источник циркулирует между И и ПХ.

В цикле ПЭХМ можно выделить прямой (1-2s-3-4s-5-6-7-1) и обратный (9-3-4s-5-8-9) циклы.Цикл ПЭХМ=система совмещенных неразделимых процессов прямого и обратного циклов, т.е. в ПЭХМ совмещена пароэнергетическая установка (Г, КД, , Э) и холодильная машина (Э, КД, РВ, И). Для теоретического цикла можно условно заменить процесс сжатия смеси паров в Э--3-4s раздельными процессами сжатия рабочего пара и холодного пара. Это дает возможность представить прямой цикл как круговой процесс 1-11-5-6-7-1, обратный—9-10-5-8-9. Согласно теории совмещенных циклов процесс 2s-3-9—передача энергии прямого цикла обратному.

TS-диаграмма2

Процессы расширения 11-2s от до с последующим сжатием смешанного пара 3-4s от до выполняется для передачи работы прямого цикла обратному.Изображение цикла ПЭХМ в диаграмме имеет условный характер, т.к. в контуре Г-Э-КД-Г и контуре И-Э-КД-И циркулирует разное количество раб вещества. Если принять, что через И проходит 1кг раб вещества, я через Г а кг через Э и КД будет проходить (1+а) кг.а-кратность циркуляции, коэф удельного расхода пара ; - массовые расходы раб и холодного паров.а показывает сколько расходуется раб пара на 1 кг холодного.Принимаем, что работа прямого цикла передается обратному без потерь Энергетический баланс ; ; ; ; ; .Эффективность ПЭХМ может быть охарактеризована несколькими коэф.Энергетическая эф-ть хар-ся тепловым коэф тепловым эквивалентом работы насоса пренебрегают

Холодильный коэф , термодинамический КПД прямого цикла

Особенности действительного цикла пароэжекторной ХМ. Изображение действительного цикла в и диаграммах.

Особенности действительного цикла закл-ся в следующем:

1 в камере всасыв-ия эжектора поддерж-ся давление более низкое, чем в И-ле. Это необходимо для преодаления потоком хол. пара потерь давления на участке И-ль-камера всасыв-ия.

2 из-за трения как о стенки каналов, так и в самом потоке процессы расширения пара в сопле, пара, идущего из И-ля, сжатие смеси раб. и хол. паров происходит необратимо с возрастанием энтропии.

3 в камере смешения эжектора процесс смешения происходит необратимо с некоторым повышением давления.

Раб. пар в состоянии 1 подводится к соплу эжектора и расширяется в нем до р2<р0 с возрастанием энтропии (1-2). В состоянии 2 раб. пар поступает в камеру смешения. хол. пар из И-ля выходит в состоянии 9, расширяется до р2<р0 с возрастанием S (9-10) и поступает в камеру смешения. В ней раб. и хол-ые пары перемешиваются с одновременным повышением давления от р2 до р3 и ростом S. (2-3- процесс раб. пара, 10-3- хол.пара). Смешанный пар при р3 в состоянии 3 поступает в диффузор, где происходит дальнейшее повышение давления смеси от р3 до рк. Процесс сопровождается потерями, S возрастаниет (3-4). Из диффузора смесь при рк поступает к КД-р, охл-ся и конден-ся. Теплота конден-ции, включая теплоту сбива перегрева, отводится охл-щей средой (пр-с конд-ции 4-5). Конденсат разделяется на 2 потока. Один поток в кол-ве = кол-ву раб. пара подается конденсатным насосом в парогенератор (Г). При этом насосом совершается адиабатная работа (5-6). Конденсат состояние 6 поступает в Г-р, где рр=const нагревается внешним источником до кипения (6-7) и кипит (7-1). Сухой насыщенный пар в сост. 1 поступает в эжектор. Второй поток конденсата под действием разности давлений рк и р0 направляется через регул. вентиль (РВ) в И-ль. В РВ поток дроссел-ся (5-8). Влажный пар (сост. 8) поступает в И-ль, где за счет подвода теплоты от охлаждаемого источника кипит (8-9). Охл-емый источник (х/н) циркулирует между И-лем и потребителем холода.

Процессы в эжекторе.

РС-рабочее сопло, ПК- приемная камера, КС-камера смешения, Д-диффузор.

Рабочее сопло Э-ра ПЭХМ выполняется по типу сопло Лаваля. Оно состоит из сужающейся и расширяющейся частей, разделенных коротким цилиндр-ким участком. В суж-ейся части скорость потока увел-ся до местной скорости звука в узком (критическом) сечении сопло. Эта скорость и соотв-щее ей давление наз-ся критическим. В расшир-ся части сопла происходит переход через скорость звука и дальнейшее ускорение потока с умен-ем давления. Раб. пар поступает в ПК с выс. скоростью (1000м/с) и эжектирует хол. пар, скорость которого значит-но меньше (100м/с). По мере удаления от сопла расход движущегося сверхзвукового потока возрастает за счет присоед-ия массы хол. пара. При этом потоки раб. и хол. паров внедряются друг в друга. На некот-ом расстоянии от сопла не возмущенные потоки раб. и хол. паров исчезают и все сечение камеры смешения заполняет смесь паров. Это сечение наз-ся граничным. Профиль скоростей в гранич. сечении измен-ся от очень малой у стенок камеры до максим-ой в центре потока. За граничным сечением начинается основной участок КС, на котором продолжается выравнивание скоростей потока по сечению. Далее поток поступает в диффузор, где кинетич-ая энергия потока превращ-ся в потенц-ую. В рез-те давление смеси паров умен-ся, а скорость падает. Если принебречь сопротивлением тракта, соедин-щего Э-р и КД-р, то давление на выходе из Э-ра принимается давлению конденсации.

АВХМ

В Г за счет подвода теплоты qГ от внешнего греющего источника кипит крепкий по аммиаку раствор. Из раствора выделяется более летучий аммиак. Пар аммиака поступает в КД, где за счет отвода теплоты внешним охлаждающим источником в количестве qК охлаждается и конденсируется. Образовавшаяся жидкость поступает в РВ2, дросселируется от давления в КД до давления в И и поступает в И. В И за счет подвода теплоты от охлаждаемого источника в количестве q0 кипит жидкий аммиак и образовавшийся пар направляется в А. Из Г слабый по аммиаку раствор поступает в РВ1, дросселируется до давления в А и направляется в А. Здесь слабый раствор поглощает пары аммиака, поступающие из И. Теплота абсорбции в количестве qА отводится внешним охлаждающим источником. Концентрация раствора в результате поглощения пара возрастает до крепкого раствора, который забирается насосом и подается в Г.

Для построения цикла необходимо по известным параметрам внешних источников определить возможные параметры раствора в узловых точках цикла как для жидкой, так и для паровой фаз. Температурный режим работы АВХМ определяется тремя независимыми параметрами внешних источников: 1) Высшей температурой греющего источника th1; 2) Низшей температурой охлаждающей среды tW1; 3) Низшей температурой охлаждаемого хладоносителя tS2. По th1 находят высшую температуру кипения раствора в Г (на выходе из Г): t2 = th1 – Δth, (Δth ≈ 10°С). По tW1 находят давление и температуру конденсации: tK = tW1 – ΔtK, (ΔtK ≈ 5°С), далее, используя таблицы со свойствами чистого аммиака, находим PK = f(tK). Наличие в парах аммиака паров воды снижает PK, но использование таблиц свойств чистого аммиака дает некоторое завышение PK в запас и к ошибке не приводит.

Подача охлаждающей среды в КД и А может осуществляться параллельно и последовательно сначала в КД, затем в А. Параллельная подача: по tW1 находим низшую температуру раствора при абсорбции пара в А (t4 = tW1 + ΔtA). Последовательная подача: tW2 = tW1 + ΔtW, ΔtW – нагрев воды в КД (ΔtW = 2 ÷ 5°С). Далее t4 = tW2 + ΔtA.

По tS2 находим низшую температуру кипения в И: t0 = tS2 – Δt0, Δt0 ≈ 5°С. C помощью таблиц со свойствами чистого аммиака по t0 находим Р0′. Действительное значение Р0 будет ниже Р0′: Р0 = Р0′ - ΔР, ΔР учитывает наличие воды в аммиаке. По t0 определяем высшую температуру кипения в И: t8 = t0 + Δt0′. Для упрощения расчетов пренебрегают гидравлическим сопротивлением паровых трубопроводов между Г и КД, между И и А. Тогда давление в Г равно давлению в КД, давление в И равно давлению в А (Ph = PK, PA = P0).

Построение цикла. На диаграмме отмечают РK и Р0 для паровой и жидкой фаз раствора. На пересечении t4 и Р0 = РА находят положение т.4 в области жидкости. Т.4 имеет параметры t4, Р0 = РА, ξR, h4. Т.4 характеризует состояние крепкого раствора на выходе из А. Изменением энтальпии раствора при прохождении насоса пренебрегают. В Г раствор подогревается до равновесного состояния т.10 (t10, РК, ξR, h10), а затем кипит при РК = Рh (процесс 102). Т.2 (t2, PK, ξA, h2), характеризующую состояние раствора в конце процесса кипения, находят на пересечении t2 и PK в области жидкости. Состояние пара, равновесного жидкости в начале процесса кипения, характеризуется т.1' (t10, РК, h1'), а состояние пара, равновесного жидкости в конце процесса кипения (т.2), характеризуется т.2' (t2, PK, h2'). Положение т.1' и т.2' находят, используя вспомогательную линию изобары РК в области пара. Эти точки лежат на пересечении t10 и t2, проведенных в области влажного пара, и линии PK для сухого насыщенного пара. Считают, что из Г выходит пар, равновесный среднему состоянию раствора в процессе кипения: ξm = (ξA + ξR) / 2. Положение т.5' (t5, PK, ξ d, h5') находят с помощью вспомогательной линии изобары PK в области паровой фазы. Эта точка лежит на пересечении t5, проведенной в области влажного пара, и линии PK для сухого насыщенного пара. Пар с состоянием 5' поступает в КД, где конденсируется за счет охлаждения внешним охлаждающим источником (процесс 5'6). Жидкость, состояние которой характеризуется т.6 (t6, PK, ξ d, h6), дросселируется в РВ2 от PK до Р0 и в состоянии влажного пара поступает в И. Так как при дросселировании энтальпия не меняется, то состояние влажного пара будет характеризоваться т.7 (t7, P0, ξ d, h6), совпадающей на диаграмме с т.6. Влажный пар при P0 состоит из жидкости (т.70 (t7 = t70, P0, h7)) и пара (т.7' (t0, P0, h7')). Положение т.70 находят на пересечении t0 и P0 в области жидкости. Положение т.7' находят на пересечении t0, проходящей в области влажного пара через т.7, и изобары P0 для сухого насыщенного пара. В И за счет подвода теплоты от охлаждаемого источника жидкость в состоянии 70 кипит (процесс 7080), температура при этом меняется от низшей t0 до высшей t8. Положение т.80 (t8, P0, h80), характеризующей состояние жидкости в конце процесса кипения, находят на пересечении t8 и P0 в области жидкости. Т.8' (t8, P0, h8'), характеризующая состояние пара, равновесного жидкости в конце процесса кипения, находится с помощью вспомогательной линии изобары P0 в области паровой фазы. Считают, что из И выходит влажный пар, состояние которого характеризуется т.8 (t8, P0, ξ d, h8). Т.8 лежит на пересечении t8 в области влажного пара и линии постоянной концентрации ξ d. Слабый раствор из Г (т.2) дросселируется в РВ1 от Ph до PА и поступает в А. Поскольку при дросселировании энтальпия не меняется, то т.3 (t30, PА, ξА, h3'), характеризующая состояние влажного пара после дросселирования жидкости, на диаграмме совпадает с т.2. Влажный пар при P0 состоит из жидкости (т.30 (t30, PА, h30)) и насыщенного пара (т.3' (t30, PА, h3')). Положение т. 3' и т.30 находят методом последовательных приближений. Т.30 лежит на пересечении t30, проведенной в области влажного пара, и P0 для насыщенной жидкости. Т.3' лежит на пересечении t30, проведенной в области влажного пара, и P0 для насыщенного пара. В А при давлении PА происходит поглощение пара раствором (процесс 304). Концентрация раствора увеличивается до ξR.

Тепловой расчет простейшей АВХМ

Пренебрегая тепловым эквивалентом работы насоса, тепловой баланс:

Допустим в конденсаторе конденсируется G (кг/с) пара, а в генератор поступает F (кг/с) крепкого раствора. Тогда количество слабого раствора на выходе из генератора составит (G–F) кг/с. Это же количество раствора поступает в абсорбер, где в результате поглощения G пара из испарителя образуется F крепкого раствора. Если пренебречь тепловым моментом работы насоса, то тепловой баланс машины можно записать так:

Тепловой баланс машины, отнесенный к одному кг пара, сконденсированного в конденсаторе, можно написать так:

Если расход раствора, циркулирующего через абсорбер и генератор, отнести к расходу пара, конденсирующегося в конденсаторе, то получим кратность циркуляции (кг/кг).Материальный баланс генератора по аммиаку может быть записан в виде равенства: ;

где – количество аммиака, поступающего с крепким раствором; – количество аммиака, отводимое с 1 кг пара; – количество аммиака, отводимое со слабым раствором. Отсюда: ;

Для определения удельных тепловых потоков составим тепловые балансы аппаратов:Тепловой баланс генератора: Отсюда: В испарителе кипит 1 кг вещества. Количество подведенной от внешнего охлаждаемого источника теплоты может быть определено как разность значений энтальпий вещества на выходе из аппарата и на входе в него:

Тепловой баланс машины, отнесенный к 1 кг пара, сконденсированного в конденсаторе, можно написать так:

Количество отведенной теплоты в конденсаторе определяется разностью значений энтальпий в начале и конце процесса конденсации. Так как в аппарате сжижается 1 кг пара, то: ;В абсорбер поступает (f–1) кг слабого раствора из генератора с энтальпией и 1 кг влажного пара из испарителя с энтальпией . Выходит из аппарата f крепкого раствора с энтальпией . Из теплового баланса аппарата: Тепловой эквивалент работы насоса: Насос водоаммиачного раствора перекачивает f жидкости из абсорбера в генератор. Определив удельный объем раствора можно подсчитать работу насоса: где давление конденсации и кипения.Тепловой коэффициент тепловой машины: .

АБХМ

В И за счет подвода теплоты Q0 от охлаждаемого источника кипит х/а (вода) при давлении Р0. Образовавш. при кипении водяной пар поступает в абсорбер, где поглощается крепким по LiBr раствором. Концентрация раствора сниж. от крепкого до слабого. Теплота абсорбции QA отводится охл-им источником. Слабый раствор подается насосом ч-з растворный теплообм. в Г. В генераторе слабый раствор кипит при давлении Ph за счет подвода теплоты QГ от внешнего греющего источника. Обр-ся водяной пар поступает в Кд, где охл. и конденсируется вследств. отвода теплоты QK охлаждающим источником. Конденсат стекает в И через гидравлический затвор. Крепкий раствор из Г ч-з растворный т/о и гидравл. затвор поступает в А. Конструктивно аппараты высокого давления Г и Кд объед. в один блок. Падением давления пара при прохождении из Г в Кд пренебрегают и считают . Аппараты низкого давл. также объед. в 1 блок. Для теор. цикла счит. . В действ. цикле из-за наличия потерь. Режим работы АБХМ определяется тремя независимыми параметрами внешних источников (высшей температурой греющего источника ; низшей температурой охлаждающего источника ; низшей температурой охлаждаемого источника ). По значению наход. высшую температуру кипения в Г: . По темпер. опред. низшую температуру р-ра в конце процесса абсорбции пара в А: . Опред. по темпер. и давление в Кд: . - наход. с пом. таблиц теплофизич. св-ств воды и вод. пара. Находят . Падение давления при прохождении пара из Г в Кд невелико, т.к. знач. удельного объема пара в Кд небольшие и скорость его движения невелика. По находят темпер. кип. воды в И: . Нах. по таблицам теплофизич. св-ств воды и вод. пара. В теор. цикле . Растворный теплообменник. . Сост. р-ра в конце процесса кип. в Г опред. т. , положение которой нах. на пересечении изотермы и изобары в области жидкости. Р-ор достигает равновесного состояния. Концентр. р-ра достиг. знач. . Т.4 нах-ся на пересеч. линии пост. концентрации и изотермы в области жидкости.Абсорбер. Состояние раствора в конце процесса абсорбции в А определ. на диагр. т. , положение которой нах-ся на пересечении изотермы и изобары в области жидкости. Р-ор достигает равновесного состояния и будет хар-ся концентрацией .Построение теоретического цикла. - процесс охлаждения крепкого р-ра слабым; - нагрев слабого р-ра крепким в РТ; - абсорбция при совмещенном тепломассопереносе. .На пересечении изотермы и изобары в области жидкости находят точку , которая хар-ет состояние р-ра в конце процесса кипения в Г. Крепкий по LiBr р-ор состояния поступает в растворный теплообменник (РТ), где охл-ся слабым р-ром до состояния т.8 ().На пути крепкого р-ра из Г до выхода из орошающих устр-ств А происходит понижение давления р-ра от до . Положение т.8 находят на пересечении изотермы в области жидкости и линии постоян. концентрации . Т.к. в теор. цикле в ТО осущ-ся идеальный теплообмен, т.е. полная регенерация теплоты м-ду горячим крепким и холодным слабым раств-ми, крепкий р-ор поступает в А переохл-ым по сравнению с равновесным состоянием. Из И в А поступает сухой насыщенный пар состояния (). Т.к. р-ор переохлажд., то в пространстве между орошающими устр-ми А и верхним рядом труб теплообменного пучка будет происходить адиабатно-изобарный процесс абсорбции пара раствором (8-9). Т.9 () нах-ся на пересечении линии смешения и изобары . За адиабатно-изобарным процессом абсорбции следует процесс абсорбции при совмещенном тепломассопереносе (). Температура р-ра снижается до , а концентр. до . Положение точки () нах-ся на пересечении изотермы и изобары в области жидкости. Слабый р-ор в сост. насосом подается в растворный теплообменник, где при постоянной конц-ии нагревается крепким р-ом (). Положение т.7 () нах. на пересеч. линии постоянной конц-ии и линии пост. энтальпии . Значение определяют из теплового баланса РТ. По сравнению с равновесным состоянием р-ор м.б. переохл. или перегретым, т.е. т.7 может лежать на линии или ниже, или выше линии . Р-ор м.б. и в равновесном состоянии. Предположим р-ор перегрет. Тогда в Г в пространстве между форсунками и верхним рядом труб пучка будет происх. процесс ад.-изобарной десорбции пара (7 - 5). Полож. т.5 () нах-ся на пересеч. линии разделения р-ов и изобары в области жидкости методом последовательных приближений. В процессе 7 – 5 конц-ия р-ра повышается до , а температура пониж-ся до . Поступая на теплообм. трубы р-ор подогревается и кипит при постоян. давлении (проц. ) при совмещенном тепломассопереносе. В начале процесса кипения в Г обр-ся пар, соотв-щий начальному состоянию р-ра. В конце процесса кипения пар соотв. конечному состоянию р-ра (т. ). Считяют, что из Г выходит пар, равновесный р-ру со средней конц-ей . Состояние р-ра оценивается т.6 (). Перегретый пар сост. () поступает в Кд, где охл-ся и конденсируется за счет охлаждения внешним источником (проц. ). Т. 3 () нах-ся на пересечении изобары и линии постоянной конц-ии .

Из Кд жидкость в сост. 3 через гидравл. затвор поступает в И. Учитывая, что в процессе дросселир-ия энтальпия не меняется, на входе в И х/а состояния 3 будет представлять собой влажный пар, состоящий из насыщенного пара т. ) и насыщенной жидкости т.1 (). Положение точек 1 и находят на пересечении изобары в области жидкости и вспомогат. линии в области пара с линией .