В компрессионных холодильных машинах хладагент совершает круговыенеобратимые процессы (циклы). На осуществление холодильных циклов затрачивается внешняя энергия. Такие циклы называют обратными, в отличие от прямых циклов энергетических двигателей, предназначенных для производства работы за счёт внешней энергии.
Идеальным обратным холодильным циклом является теоретический цикл Карно. В нём принято, что процессы протекают в области влажного пара хладагента при постоянных температурах охлаждаемой и окружающей сред и идеальном теплообмене между ними и хладагентом. Теоретический цикл Карно может быть реализован только идеальной паровой компрессионной холодильной машиной. Принципиальная схема этой машины из четырёх основных элементов (испарителя, компрессора, конденсатора и расширителя) показана на рисунке 4.13, а термодинамические процессы цикла Карно – на Т, s -диаграмме согласно рисунку 4.14.
Рисунок 4.13 – Принципиальная схема идеальной одноступенчатой паровой компрессионной холодильной машины:
1, 2, 3, 4 – точки характеризующие термодинамические процессы теоретического цикла Карно
в элементах идеальной холодильной машины по Т, s –диаграмме
Цикл осуществляется в области влажного пара между пограничными кривыми кипения (соответствует влажному насыщенному пару, когда его сухость c=0) и конденсации (соответствует сухому насыщенному пару, его сухость c=1). Он представлен двумя адиабатами (1–2) и (3–4) и двумя изотермами-изобарами (4–1) и (2–3).
Изотермический процесс 4–1 (он же изобарный) протекает в испарителе машины, являясь основным. Здесь к хладагенту подводится тепло от охлаждаемой среды q о. Хладагент при давлении р о и температуре Т о кипит и переходит из состояния жидкости в состояние насыщенного пара. Количество теплоты q о, принятое хладагентом в испарителе, называется массовой теоретической холодопроизводительностью и определяется площадью прямоугольника (4–1– s 1,2– s 3,4).
Рисунок 4.14 – Т, s -диаграмма теоретического цикла Карно
Адиабатические процессы сжатия (1–2) в компрессоре и расширения (3–4) в расширителе (детандере) происходят без теплообмена с внешней средой, т. е. при постоянной энтропии s, а температура хладагента Т соответственно повышается и понижается. На это затрачивается механическая работа l, определяемая областью прямоугольника (1–2–3–4).
Сжатые до давления р к пары хладагента конденсируются в конденсаторе машины при температуре Т к по изобаре (2–3), одновременно являющейся изотермой, и переходят из состояния насыщенного пара в жидкость, которая после адиабатического расширения (3–4) кипит по изобаре-изотерме (4–1) и снова переходит в состояние насыщенного пара.
При расширении давление хладагента понижается до Р о, а температура – до Т о. Работа, затраченная на реализацию обратного цикла Карно, превратилась в теплоту, которая передалась хладагенту. Поэтому от хладагента в окружающую среду передаётся теплота q к, которую называют нагрузкой на конденсатор:
q к. = q о + l. (4.16)
Выражение (4.16) характеризует тепловой баланс теоретического цикла.
Холодильный коэффициент x, определяемый отношением массовой теоретической холодопроизводительности q о к затраченной удельной механической энергии l, у цикла Карно имеет наивысшее значение:
Очевидно, что x определяется величинами Т ки Т о. Он возрастает при увеличении Т о или уменьшении Т к, т. е. при уменьшении затрачиваемой механической работы.
Теоретический цикл Карно в области влажного пара является наиболее экономичным. Однако идеальную паровую холодильную машину трудно осуществить из-за конструктивных сложностей реализации расширителя и потерь при всасывании влажного пара. Поэтому схему, близкую к циклу Карно, применяют только в газовых компрессионных холодильных машинах, где нет отмеченных проблем.
Рассмотренная здесь идеальная паровая компрессионная холодильная машина имеет одну ступень сжатия хладагента. Поэтому её называют одноступенчатой.
4.4.2 Реальная одноступенчатая паровая компрессионная
холодильная машина
В этой холодильной машине вместо расширителя применён терморегулирующий (дросселирующий) вентиль (ТРВ), а процесс адиабатического сжатия хладагента осуществляется в области сухого (чаще перегретого) пара. Принципиальная схема такой холодильной машины показана на рисунке 4.15.
Контур рабочего тела замкнут и герметичен. В нём циркулирует определённое количество хладагента, который в испарителе и конденсаторе изменяет своё агрегатное состояние.
Рисунок 4.15 – Принципиальная схема реальной одноступенчатой паровой компрессионной холодильной машины
В испарителе жидкий хладагент кипит за счёт теплоты q о, отводимой от охлаждаемого груза. При этом его давление p о неизменно вследствие материального баланса процессов образования пара из жидкости и его отсоса компрессором. Неизменна и температура кипения хладагента t о. Она ниже температуры груза t г на некоторую экономически оправданную величину, °C: t о = t г – (10...12).
Компрессор засасывает и сжимает пары хладагента до высокого давления p к, разогревая их за счёт затраты механической энергии l. Он может быть поршневым, лопаточным, винтовым и т. д. Горячий пар отдаёт теплоту q = q о + l во внешнюю среду в конденсаторе, сохраняя в процессе сжижения постоянные значения p к и t к. При этом температура конденсации паров хладагента всегда выше температуры окружающей среды t н даже в наиболее тяжёлых условиях максимумов наружных температур, °C: t к = t н + (12...15).
Жидкий хладагент далее снижает своё давление и температуру до значений p о и t о в терморегулирующем вентиле (ТРВ), частично при этом испаряясь. Полный же переход жидкости в пар происходит в испарителе. Этим самым начинается новый цикл в непрерывном процессе работы холодильной машины.
На рисунке 4.16 показана Т, s -диаграмма рабочего цикла реальной одноступенчатой паровой компрессионной холодильной машины. Здесь наглядно просматриваются адиабатные (1–2, 3–4) и изотермические (4 –1' и 2'–3') процессы.
Рисунок 4.16 – Т, s -диаграмма рабочего цикла одноступенчатой паровой компрессионной холодильной машины
Однако наибольшее распространение получила диаграмма с координатами log p-i (рисунок 4.17). Удобство диаграммы состоит в том, что отрезки по оси i между характерными точками цикла определяют изменение состояния хладагента под действием соответствующего количества внешней теплоты или механической энергии. Логарифмическая шкала давлений применяется для удобства пользования диаграммой из-за многократных изменений давления в цикле.
На диаграмме показаны две пограничные кривые сухости паров хладагента: c=0 и c=1, которые соответствуют линиям кипения и конденсации паров. Обе пограничные линии вверху диаграммы сходятся в критической точке. Левая пограничная кривая отделяет область влажного пара от области переохлаждённой жидкости, а правая – от области перегретого пара.
Рисунок 4.17 – p, i -диаграмма рабочего цикла одноступенчатой паровой компрессионной холодильной машины
Рабочий цикл машины представлен на Т, s и p, i -диаграммах следующими термодинамическими процессами:
– изотермический (он же изобарический) процесс кипения паров хладагента в испарителе (4–1');
– изобарический перегрев паров в испарителе (1'–1);
– адиабатическое сжатие паров хладагента в компрессоре (1–2) —;
– изобарическое охлаждение перегретых паров хладагента в конденсаторе до температуры конденсации (2–2');
– изотермический (он же изобарический) процесс конденсации паров хладагента в конденсаторе (2'–3');
– изобарическое переохлаждение жидкого хладагента в конденсаторе (3'–3);
– изоэнтальпный процесс дросселирования жидкого хладагента в ТРВ (3–4).
В схему одноступенчатой паровой компрессионной холодильной машины могут включаться дополнительные элементы, повышающие надёжность работы основных её узлов:
– перегреватель пара или отделитель жидкости перед компрессором, которые обеспечивают защиту компрессора от эрозионных явлений;
– переохладитель жидкости, исключающий присутствие в потоке пузырьков пара, которые снижают устойчивость рабочего процесса в дросселирующем вентиле;
– ресивер-сосуд для хранения жидкого хладагента при консервации или транспортировке машины;
– фильтр или грязеуловитель, очищающий хладагент от примесей, ухудшающих его термодинамические свойства;
– прессостат-терморегулятор для поддержания нужного давления хладагента в испарителе машины;
– термостаты систем защиты, сигнализации, автоматического регулирования процессов;
– электромагнитные вентили и обратные клапаны на трубопроводах.
4.4.3 Реальная двухступенчатая паровая компрессионная
холодильная машина
Мощность одноступенчатой холодильной машины позволяет получить температуру в охлаждаемой среде до минус 20 °C при максимальных значениях температуры наружного воздуха 35 °С. Во многих случаях требуется обеспечивать в грузовых помещениях транспортных и складских рефрижераторных модулях более низкие температуры или эксплуатировать их при очень высоких наружных температурах. К тому же одноступенчатая холодильная машина эффективно работает при отношениях давлений конденсации и кипения хладагента р к/ р о £ 8.
Для получения температур кипения хладагента ниже минус 30 °С или для отвода тепла в окружающую среду, имеющую очень высокую температуру, необходимо соответственно понизить р о или повысить р к, т. е. ещё больше увеличить отношение р к/ р о. Отмеченное обусловливает применение многоступенчатых машин. Коэффициент x многоступенчатой холодильной машины может достигать более высоких значений за счёт введения охлаждения пара между ступенями, что приводит к снижению его удельного объёма и, следовательно, затрат механической энергии на сжатие.
Двухступенчатое сжатие можно осуществить либо в двух отдельных компрессорах (низкого и высокого давления), либо в одном двухступенчатом компрессоре с цилиндрами низкого и высокого давления. В зависимости от степени охлаждения паров хладагента после первой ступени различают три схемы: с полным (до состояния насыщения) и неполным промежуточным охлаждением, а также без промежуточного охлаждения.
На рисунке 4.18 рассмотрена принципиальная схема работы двухступенчатой холодильной машины с фреоновым хладагентом и полным промежуточным охлаждением. Эта машина получила наибольшее распространение в НХЦ. Она может переключаться в режим одноступенчатого сжатия. Здесь легко выделить две взаимосвязанные (областью промежуточного давления) холодильные машины. В контуре низкого давления 1–2–7–8 пары хладагента из испарителя отсасываются компрессором низкого давления (КНД) и сжимаются до промежуточного давления p пр. Перегретые пары направляются в промежуточный сосуд (ПС), где конденсируются при прямом контакте (барботаже) с жидким хладагентом, имеющим температуру t пр. Далее при прохождении терморегулирующего вентиля низкой ступени (ТРВН) давление и температура жидкости снижаются до p о и t о, затем в испарителе хладагент кипит, забирая теплоту от охлаждаемого воздуха.
В контуре высокого давления 3–4–5–6 роль испарителя выполняет промежуточный сосуд, где сосредоточено некоторое количество жидкого хладагента, кипящего при давлении p пр за счёт теплоты перегрева паров в контуре 1–2–7–8. В промежуточном сосуде происходит гравитационная сепарация жидкой и газообразной фаз вещества с образованием уровня. Компрессор высокого давления (КВД) отсасывает пары из верхней части сосуда, сжимает до давления p к, одновременно разогревая их до высокой температуры t к, достаточной для самопроизвольного сброса теплоты цикла в окружающую среду.
Сжиженный в конденсаторе высокого давления хладагент далее проходит через терморегулирующий (дросселирующий) вентиль ТРВВ, где его параметры снижаются до значений p пр, t пр. Контур 3–4–5–6 замыкается на промежуточном сосуде, входящем также в состав контура 1–2–7–8.
Рисунок 4.18 – Принципиальная схема реальной двухступенчатой
паровой компрессионной холодильной машины:
1, 2, 3, 4 – точки, характеризующие термодинамические процессы теоретического цикла Карно
в элементах двухступенчатой холодильной машины по р, i –диаграмме; КНД – компрессор
низкого давления; КВД – компрессор высокого давления; И – испаритель; ПС – промежуточный сосуд; К – конденсатор; ТРВН – терморегулирующий вентиль низкой ступени; ТРВВ – то же,
высокой ступени; ЗВ1,ЗВ2, ЗВ3, ЗВ4 – запорные вентили для переключения системы
в режим одноступенчатого сжатия
Верхнее p к и нижнее p о давления определяются, также как и в одноконтурной схеме, требуемыми значениями температур конденсации t к и кипения t о. Промежуточное же давление может быть произвольным, но его оптимальное значение находится из условия равенства степеней сжатия в компрессорах низкого и высокого давления, т. е.
.
Для придания гибкости при изменении условий работы в схеме устанавливают систему запорных вентилей. Так при работе с двухступенчатым сжатием вентили ЗВ1 и ЗВ4 на обводных линиях закрыты, а остальные открыты. В случае необходимости схема допускает переход на одноступенчатый режим, для чего вентили ЗВ2 и ЗВ3 закрывают, а остальные открывают, отключая промежуточный сосуд и компрессор высокого давления.
Рисунок 4.19 – p, i -диаграмма рабочего цикла двухступенчатой паровой компрессионной холодильной машины
Рабочий цикл машины представлен на p, i -диаграмме (рисунок 4.19) следующими термодинамическими процессами:
– изотермический (он же изобарический) процесс кипения паров хладагента в испарителе (8–1');
– изобарический перегрев паров в испарителе (1'–1);
– адиабатическое сжатие паров хладагента в компрессоре низкого давления (1–2);
– изобарическое снятие перегрева паров хладагента в промежуточном сосуде (2–3);
– адиабатическое сжатие насыщенного пара, отсасываемого из промежуточного сосуда компрессором высокого давления (3–4);
– изобарическое охлаждение перегретых паров хладагента в конденсаторе до температуры конденсации (4–4');
– изотермический (он же изобарический) процесс конденсации паров хладагента в конденсаторе (4'–5');
– изобарическое переохлаждение жидкого хладагента в конденсаторе (5'–5);
– изоэнтальпный процесс дросселирования жидкого хладагента в терморегулирующем вентиле высокой ступени (5–6);
– изотермический (он же изобарический) процесс испарения потока хладагента, циркулирующего в контуре высокого давления, за счёт снятия перегрева и конденсации паров контура низкого давления, протекающий в промежуточном сосуде (3–6);
– отделение жидкости от пара в промежуточном сосуде (6–7);
– изоэнтальпный процесс дросселирования жидкого хладагента в терморегулирующем вентиле низкой ступени (7–8).
Тепловой баланс двухступенчатой паровой компрессионной холодильной машины имеет вид:
q к = q и + q кнд + q квд,
где qк – теплота, выделяемая хладагентом в конденсаторе; q и – то же, потребляемая хладагентом в испарителе; q кнд – работа компрессора низкого давления; q квд – то же, высокого давления.
Переход на одноступенчатую схему приводит к следующим изменениям цикла холодильной машины:
– исчезают процессы 3–4 и 2–7;
– процесс сжатия протекает только в компрессоре низкого давления (КНД) по линии 1–10;
– процесс дросселирования жидкости протекает в терморегулирующем вентиле низкой ступени (ТРВН) по линии 5–9.
Из анализа T, s -диаграммы можно было бы наглядно установить величину экономии работы при двухступенчатом сжатии. На диаграмме lg p-i (см. рис. 4.19) виден и другой проигрыш одноступенчатой схемы – в холодопроизводительности (отрезок 1–8 больше, чем 1–9). Существенно снижается, при наличии промежуточного охлаждения, температура паров хладагента как на входе во вторую ступень, так и в конце работы сжатия. Это упрощает проблему смазки трущихся частей компрессора. В схеме с промежуточным давлением заметно возрастает подача хладагента компрессором, что означает пропорциональное увеличение холодопроизводительности.
Число ступеней сжатия в холодильных машинах может быть больше двух. Выбор их числа основывается на технико-экономическом анализе.