Исходными данными являются:
§ рабочее вещество (холодильный агент);
§ холодопроизводительнсть Q 0, Вт;
§ температура кипения t0,0С (давление кипения р 0, бар);
§ температура конденсации tк,0С (давление конденсации рк , бар);
§ коэффициент подачи компрессора λ;
Последовательность расчета:
1) определяют удельную холодопроизводительность холодильной машины, Дж/кг
q0 = i1 – i4;
2) определяют удельную тепловую нагрузку конденсатора, Дж/кг
q = i2 – i3;
3) рассчитывают удельную работу сжатия в компрессоре, Дж/кг
ℓк = i2 – i1;
4) определяют количество пара, образовавшегося при дросселировании в дроссельном вентиле
;
5) рассчитывают холодильный коэффициент рассматриваемого теоретического цикла
;
6) определяют массовый расход хладагента, кг/с
Gа = Q0/q0 = Q0/ (i1 – i4);
7) рассчитывают объемный расход компрессора в цикле, м3/с
Wц = G·n1,
где n1 – удельный объем хладагента всасываемого в компрессор м3/кг;
8) определяют теоретический объемный расход компрессора, м3/с
WТ = Wц /λ;
9) рассчитывают изоэнтропную (адиабатную) мощность компрессора, Вт
Ns = Ga(i2 – i1);
10) определяют теоретический холодильный коэффициент
.
Холодильная машина с реализацией цикла со сжатием рабочего вещества по правой пограничной кривой
Схема холодильной машины и теоретический цикл на Т – s диаграмме со сжатием рабочего вещества по правой пограничной кривой приведены на рис. 3.3.
Сжатие рабочего вещества по правой пограничной кривой (процесс 1 – 2) осуществляется за счет впрыскивания в полость сжатия компрессора I жидкого рабочего вещества, которое полностью испаряется. Количество впрыскиваемого рабочего вещества в каждый момент времени должно быть таким, чтобы сжимаемое рабочее вещество оставалось в состоянии сухого насыщенного пара. После сжатия в компрессоре, рабочее вещество поступает в конденсатор II, затем основная его часть, пройдя через дроссельный вентиль III, идет в испаритель V, а часть направляется через дроссельное устройство IV на впрыск в компрессор.
В СПбГАХПТ [11] разработана методика расчета этого цикла и было установлено, что по сравнению с циклом 1 – а – 2– 3 – 4 увеличение холодильного коэффициента рассматриваемого цикла 1 – 2 – 3 – 4 для R11, R12 и R22 при температурах Тк = 288К и Т0 = 258К составляет 2…5%, а для аммиака – 12,5%. Однако, следует отметить, что цикл со сжатием рабочего вещества по правой пограничной кривой может быть реализован лишь в холодильных машинах с винтовыми и спиральными компрессорами, которые допускают наличие жидкости в полости сжатия.
Переохлаждение хладагента в холодильных машинах
Переохлаждение жидкого хладагента после конденсатора – существенный способ увеличения холодопроизводительности холодильной установки. Понижение температуры переохлаждаемого хладагента на один градус соот-
ветствует повышению холодопроизводительности нормально функционирующей холодильной установки примерно на 1% при том же уровне энергопотребления. Эффект достигается за счёт уменьшения при переохлаждении доли пара в парожидкостной смеси, которой является сконденсированный хладагент, поступающий к ТРВ испарителя даже из ресивера.
В низкотемпературных холодильных установках применение переохлаждения особенно эффективно. В них переохлаждение сконденсированного хладагента до значительных отрицательных температур позволяет увеличивать холодопроизводительность установки более чем в 1,5 раза.
В зависимости от размеров и конструкции холодильных установок реализовать этот фактор можно в дополнительном теплообменнике, устанавливаемом на жидкостной линии между ресивером и ТРВ испарителя, различными способами.
Переохлаждение хладагента за счёт внешних источников холода:
· в водяном теплообменнике за счёт использования доступных источников очень холодной воды;
· в воздушных теплообменниках в холодное время года;
· в дополнительном теплообменнике холодными парами от внешней вспомогательной холодильной установки;
· в дополнительном теплообменнике холодным воздухом, получаемом в цикле Майсоценко.
Переохлаждение за счёт внутренних ресурсов холодильной установки:
· в теплообменнике – переохладителе за счёт расширения части фреона, циркулирующего в основном холодильном контуре – реализуется в установках с двухступенчатым сжатием и в сателлитных системах, а также в установках с винтовыми, поршневыми и спиральными компрессорами, имеющими промежуточные порты всасывания;
· в регенеративных теплообменниках холодными парами, всасываемыми в компрессор из основного испарителя – реализуется в установках, работающих на хладагентах с низким значением показателя адиабаты, главным образом ГФУ(гидрофторуглероды: R134а, R404А, R407С, R507А) и ГФО(гидрофторолефины: 1234yf и 1234ze);
Системы переохлаждения, использующие внешние источники холода довольно редко применяются на практике. Переохлаждение от источников холодной воды применяется, как правило, в тепловых насосах, а также в средне- и высокотемпературных установках, где в непосредственной близости от них есть источник прохладной воды – используемые артезианские скважины, естественные водоёмы для судовых установок и т.д. Переохлаждение от внешних дополнительных холодильных машин реализуется также крайне редко и только в очень больших установках промышленного холода.
Системы переохлаждения, использующие внутренние ресурсы широко применяются в современных холодильных установках, причём с компрессорами практически всех типов.
Вопросы к подразделу 3.1.1
1). Привести принципиальную схему и теоретические циклы в p-i и T-s диаграммах холодильной машины с детандером в области всасывания влажного пара при реализации цикла Карно.
2). Показать в p-i и T-s диаграммах удельную холодопроизводительность, удельную работу компрессора и детандера, удельную теплоту, отводимую от хладагента в конденсаторе, удельную работу цикла и записать формулу расчета холодильного коэффициента холодильной машины с детандером в области всасывания влажного пара при реализации цикла Карно.
3). Привести принципиальную схему, объяснить принцип действия и привести теоретические циклы в p-i и T-s диаграммах холодильной машины с дроссельным вентилем и всасыванием сухого насыщенного пара. Объяснить рабочие процессы и необратимые потери, связанные с дросселированием и охлаждением перегретого пара выходящего из компрессора.
4). Почему и на какую величину уменьшается удельная холодопроизводительность при замене детандера дроссельным вентилем? Показать это уменьшение на T-s диаграмме.
5). Показать в p-i и T-s диаграммах определение удельной холодопроизводительности, удельной теплоты конденсации, удельной работы цикла. Привести способ определения холодильного коэффициента теоретического цикла и коэффициента необратимых потерь холодильной машины с дроссельным вентилем и всасыванием сухого насыщенного пара.
6). Привести принципиальную схему и теоретический цикл в T-s диаграмме холодильной машины со сжатием пара хладагента по правой пограничной кривой. Преимущества этого цикла и возможность реализации.
7). Для чего необходимо переохлаждение хладагента после конденсатора? С какими хладагентами наиболее эффективно переохлаждение?
8). Перечислить возможные способы переохлаждения жидкого хладагента между ресивером и регулирующим вентилем.
3.1.2. Двухступенчатые холодильные машины
С понижением температуры кипения холодильных агентов степень сжатия увеличивается, и коэффициент подачи компрессора одноступенчатой холодильной машины снижается. Работа ее становится неэкономичной.
Установлено, что при отношении давлений рк/р0 ≥ 8 необходимо переходить к двух или многоступенчатому сжатию. Коэффициент подачи компрессора с увеличением рк/р0 не только снижается, но и может стать равным нулю. Так, например, для компрессора с мертвым объемом 4…5% коэффициент его подачи при использовании фреона-22 близок к нулю при рк/р0 = 20…25, tк = 300С и t0 = -56…-520С.
Второй причиной, ограничивающий возможность применения одноступенчатого сжатия при низких температурах кипения, является высокая температура рабочего вещества в конце сжатия, которая может превысить допустимые значения.
Холодильный коэффициент теоретического цикла при двухступенчатом и многоступенчатом сжатии всегда выше, чем при одноступенчатом. Это преимущество тем больше, чем ниже t0. Однако при этом требуются дополнительные капитальные затраты, так как появляется необходимость в дополнительных компрессорах, промежуточных сосудах, увеличивается длина трубопроводов и т. д. Поэтому границы температур кипения, при которых целесообразно переходить к двухступенчатому и многоступенчатому сжатию должны определяться технико-экономическим расчетом из условия минимальных общих затрат на получение холода.
Выбор промежуточного давления при двухступенчатом сжатии
Выбор промежуточного давления рm зависит от требований, предъявляемых к холодильной машине. Существует три способа выбора рm.
Первый способ заключается в определении промежуточного давления из условия минимальной суммарной затраченной работы на изоэнтропное сжатие рабочего вещества в компрессорах первой и второй ступенях. В соответствии с выполнением этого условия следует
= 
. (3.1)
Второй способ определения рm – по максимальному холодильному коэффициенту.
Третий способ – по минимальной суммарной объемной производительности компрессоров первой и второй ступеней.
Расчетами установлено, что промежуточные давления, определенными этими способами, различаются незначительно, поэтому для инженерных расчетов можно пользоваться соотношением (3.1).
Холодильные машины с однократным дросселированием
Холодильная машина со змеевиковым промежуточным сосудом и неполным промежуточным охлаждением
Принципиальная схема и теоретические циклы этой холодильной машины на Т –s и р – i диаграммахпоказаны на рис.3.4.
Термодинамические процессы и точки рассматриваемого цикла:
1 – 2 – изоэнтропное сжатие в компрессоре 1- ой ступени;
2 – 3 – изобарное охлаждение в промежуточном водяном теплообменнике;
т. 4 – смешение при промежуточном давлении рm холодного сухого насыщенного пара с температурой т. 8 и перегретого пара с температурой т. 3;
4 – 5 – изоэнтропное сжатие в компрессоре 2-ой ступени;
5 – 6 – изобарное охлаждение и конденсация пара в конденсаторе ІV;
6 – 7 – дросселирование и охлаждение меньшей части жидкого холодильного агента во вспомогательном дроссельном вентиле V с давления рк до промежуточного давления рm;
т. 9 – параметры насыщенного жидкого холодильного агента в нижней части промежуточного сосуда VІ;
6 – 10 – изобарное охлаждение большей части жидкого холодильного агента в змеевике при кипении его другой и меньшей части в промежуточном сосуде при промежуточном давлении рm;
10 – 11 – дросселирование и охлаждение большей части охлажденного жидкого холодильного агента в основном дроссельном вентиле VІІ;
11 – 1 – кипение жидкого холодильного агента в испарителе VІІІ.