И двухступенчатым дросселированием жидкости

Такой цикл позволяет получить одну или две разные температуры кипения холодильного агента. При двух температурах кипения можно охлаждать два помещения, поддерживая в них разные температуры. Особенность схемы ‑ неодинаковое количество пара, поступающее в отдельные ступени сжатия (рис. 20).

В конденсатор КД из компрессора высокой ступени КМ₂ поступает холодильный агент в количестве G кг. Там он конденсируется до состояния 5' и переохлаждается до состояния 5 (в большинстве случаев переохлаждение жидкости осуществляется в дополнительном аппарате – переохладителе). Затем жидкость направляется к первому регулирующему вентилю Др₁. В результате дросселирования (процесс 5—6) давление от р_к понижается до р_пр и температура холодильного агента до t_опр. Влажный пар (состояние 6) со степенью сухости х₆ поступает в промежуточный сосуд ПС, где насыщенный сухой пар (состояние 3) отделяется от насыщенной жидкости (состояние 7). При этом вместо G кг влажного пара образуется Gх₆ кг сухого пара и G(1—х₆) кг жидкости. Далее основная часть жидкости G₁ направляется ко второму регулирующему вентилю Др₂, где вторично дросселируется от p_Пр до р₀ (процесс 7—8) и поступает в испаритель низкого давления И₁. Другая часть жидкости в количестве G₂ подается в испаритель более высокого давления И₂, где кипит при р_Пр t_опр (процесс 7—3), охлаждая заданный объект. Однако в схеме испарителя И₂ может не быть, и тогда жидкость в количестве G₂ при р_пр не расходуется. Кроме того, часть жидкости в количестве G' используют для охлаждения пара после первой ступени сжатия в промежуточном сосуде.

Рис. 20. Схема и цикл двухступенчатой паровой холодильной машины

с полным промежуточным охлаждением пара и двухступенчатым

дросселированием жидкости

В испарителе низкого давления И₁ холодильный агент кипит при p₀ и t₀ (процесс 8—1'), отнимая теплоту от низкотемпературного объекта. Пар, полученный при кипении, перегревается (на пути из испарителя в компрессор) и засасывается компрессором низкой ступени KM₁ (состояние 1). В компрессоре низкой ступени пар сжимается адиабатически до промежуточного давления р_пр (процесс 1—2) и поступает в промежуточный водяной холодильник ПХ, где при постоянном давлении охлаждается до состояния 3'. Применение водяных промежуточных холодильников целесообразно, если температура в конце сжатия значительно выше температуры охлаждающей воды.

Для полного промежуточного охлаждения, т. е. охлаждения пара до состояния сухого насыщенного (состояние 3), пар направляют в промежуточный сосуд ПС, где вследствие кипения части жидкости в количестве G' от пара отводится теплота. При этом выполняется равенство

Массовый расход пара G в компрессоре высокой ступени КМ₂ составит

,

где Gх₆ — массовый расход пара при первом дросселировании, кг/с;

G₁ — массовый расход холодильного агента в испарителе низкого давления И₁ и соответственно в низкой ступени компрессора, кг/с;

G₂ — массовый расход холодильного агента в испарителе промежуточного давления И₂ (его может не быть), кг/с;

G' — массовый расход холодильного агента в промежуточном сосуде при осуществлении полного промежуточного охлаждения пара после низкой ступени сжатия, кг/с.

В компрессоре высокой ступени пар сжимается адиабатически по линии 3—4 и опять нагнетается в конденсатор, где он конденсируется, а жидкость в состоянии 5 снова направляется в регулирующий вентиль Др₁, т. е. цикл повторяется.

При двухступенчатом сжатии пара в компрессоре холодильной машины по сравнению с одноступенчатым получают экономию в работе вследствие уменьшения степени сжатия в каждой отдельной ступени и охлаждения пара между ступенями сжатия.

Лекция 5. Цикл паровой холодильной машины с трехступенчатым

Сжатием

Трехступенчатые и каскадные холодильные машины применяют для получения искусственного холода от -70 °С и ниже. Их используют для обеспечения технологических процессов в химической промышленности и других отраслях науки и техники, где имеется потребность в холоде низкого потенциала. Такие машины находят применение при испытаниях приборов, материалов, а также различных изделий, работающих при низких температурах.

Принципиальная схема и теоретический цикл такой холодильной машины показаны на рис. 21. Если сравнить схемы и циклы трехступенчатой и двухступенчатой холодильных машин, то легко убедиться, что трехступенчатую машину получают путем присоединения к первой ступени еще одной ступени сжатия.

Рис. 21. Схема и цикл паровой холодильной машины с трехступенчатым

сжатием.

Процессы теоретического и действительного циклов трехступенчатой холодильной машины аналогичны процессам в двухступенчатой машине, поэтому нет необходимости их описывать. Следует, очевидно, остановиться только на выборе промежуточных давлений, которые выбирают из условий примерно одинаковых отношений давлений в ступенях, т. е.

откуда

Тепловой расчет трехступенчатых холодильных машин, который основан на методах тепловых и материальных балансов, соответствует расчету двухступенчатых.

Лекция 6. Цикл каскадной паровой холодильной машины

Для получения низких температур (ниже -70° С) применяют каскадные холодильные машины. Они состоят из двух или трех холодильных машин, работающих на разных холодильных агентах.

Простейшая каскадная холодильная машина (рис. 22) состоит из двух одноступенчатых холодильных машин, называемых нижней и верхней ступенями (ветвями) каскада. Нижняя ступень каскада работает на холодильном агенте высокого давления, имеющим низкую нормальную температуру кипения, верхняя — на холодильных агентах, обычно применяемых для умеренных температур.

Рис. 22. Схема и цикл каскадной холодильной машины

В испарителе И нижней ступени каскада кипит холодильный агент при Т₀, отнимая теплоту от охлаждаемой среды. Пар в состоянии 1 засасывается компрессором КМ, сжимается адиабатически и в состоянии 2 направляется в водяной холодильник, если температура в точке 2 выше температуры охлаждающей воды. Затем пар в состоянии 2' направляется в конденсатор, где сжижается при охлаждении кипящим холодильным агентом испарителя верхней ступени каскада, в результате чего температура конденсации нижнего каскада Т'_к значительно ниже температуры охлаждающей воды. Жидкость в состоянии 3 дросселируется в регулирующем вентиле РВ₂ и в состоянии 4 снова поступает в испаритель.

В верхней ступени каскада также осуществляется цикл одноступенчатой холодильной машины (1в—2в—3в—4в), но при более высоких температурах. В испарителе верхнего каскада кипит холодильный агент, отнимая теплоту от конденсирующегося холодильного агента нижней ступени каскада. Для этого температуру кипения t’_к верхнего каскада поддерживается на 5—6 °С ниже температуры конденсации Т^׀_к нижнего каскада. Пары, сжатые в компрессоре КМ_в (процесс 1в—2в), выталкиваются в конденсатор КД, охлаждаемый водой. Жидкость, полученная в конденсаторе (состояние 3в), дросселируется в регулирующем вентиле РВ1 и в состоянии 4в возвращается в испаритель-конденсатор (И-К).

В отдельных ступенях каскада можно применять одно- и двухступенчатые холодильные машины. Наиболее распространены каскадные холодильные машины, работающие в нижней ступени каскада на R23, а верхней— на R22.

Каскадная машина с одним холодильным агентом в разных каскадах нецелесообразна, т.к. разность между температурами в испарителе-конденсаторе приводит к дополнительным потерям по сравнению с обычными машинами многоступенчатого сжатия.

Раздел VIII

Лекция 1. Пароэжекторные холодильные машины

В пароэжекторных холодильных машинах энергия, необходимая для осуществления холодильного (обратного) цикла, вводится в виде теплоты, превращающейся затем в кинетическую энергию струи рабочего пара. Такие машины иногда называют пароструйными.

В пароэжекторной машине в качестве рабочих тел можно использовать те же холодильные агенты, что и в паровых компрессорных машинах. Однако преимущественно применяют пароводяные эжекторные машины, в которых холодильным агентом является вода, а в последнее время и хладоны. Использование воды в качестве рабочего вещества целесообразно вследствие ее безвредности и относительной дешевизны. Однако применить воду в компрес­сорных машинах невозможно из-за очень больших значений удельного объема сухого насыщенного пара при низких темпе­ратурах. Это можно было бы осуществить лишь при огромных размерах цилиндров или колес в центробежной машине. Однако такие машины будут характеризоваться большими потерями энергии, а также высокими капитальными затратами. К тому же конструкция указанных машин окажется сложной из-за не­обходимости их работы в области глубокого вакуума. Отсасыва­ние водяного пара из испарителя паровым эжектором позволило создать относительно компактную и надежную в эксплуатации машину.

Принципиальная схема пароэжекторной холодильной машины показана на рис. 23. В котле 1 при затрате теплоты образуется рабочий пар высокого давления р_п, который поступает в пароструйный эжектор, состоящий из сопла 2, камеры смешения 8 и диффузора 9. При истечении пара через сопло в камеру смешения давление понижается до давления в испарителе р₀, а скорость значительно возрастает. При этом потенциальная энергия пара превращается в кинетическую энергию струи, которая вытекает с большой скоростью, и под действием энергии струи пар низкого давления отсасывается из испарителя 6 в камеру смешения. Парообразование в испарителе происходит за счет теплоты Q₀, взятой от охлаждаемой среды.

Рис. 23. Схема пароэжекторной холодильной машины

После смешения пары поступают в диффузор, где кинетическая энергия снова преобразуется в потенциальную, рабочий пар и холодный пар из испарителя сжимаются до давления конденсации р_к. Таким образом, в пароэжекторной машине при истечении рабочего пара тепловая энергия переходит в кинетическую (механическую), которая расходуется на отсос пара из испарителя и сжатие смеси пара в диффузоре от р₀ до р_к. Из диффузора смесь рабочего и холодного паров поступает в конденсатор 10, охлаждаемый водой. Образовавшаяся в конденсаторе жидкость поступает по двум линиям: одна часть ее через регулирующий вентиль 7 направляется в испаритель, а другая часть, соответствующая количеству рабочего пара, вновь подается питательным насосом 11 в котел. В пароэжекторных машинах холодильный агент можно использовать как и хладоноситель (рабочая вода). В таких случаях холодная рабочая вода из испарителя 6 насосом 5 подается к потребителю холода (батарея 4), а отепленная возвращается в испаритель через дроссель 3 (на схеме циркуляция хладоносителя показана пунктиром).

Тепловой баланс пароэжекторной машины можно выразить уравнением

,

где Q_кт – количество теплоты, подведенной к котлу от греющего источника, Вт;

L_н – работа, затраченная в питательном насосе, Вт;

Q₀ – количество теплоты, подведенной к испарителю от охлаждаемой среды, Вт;

Q_к – количество теплоты, отведенной от конденсатора, Вт.

Тепловой коэффициент

.

Величина L_н незначительна по сравнению с количеством теплоты Q_кт, затраченной в котле, поэтому ею пренебрегают.

В эжекторных машинах большой расход греющего пара и охлаждающей воды. Расход воды в конденсаторе пароэжекторной машины в 3–4 раза больше, чем в компрессорной. Это объясняется тем, что в пароэжекторной машине конденсируется не только пар из испарителя, но и рабочий пар, расход которого в эжекторе довольно высокий.

Преимущество пароэжекторных машин – простота устройства, компактность, невысокая стоимость, возможность использования воды в качестве рабочего тела, а энергии – в виде теплоты. Обслуживание эжекторных машин проще и дешевле, чем компрессорных. Однако вода имеет высокую нормальную температуру кипения, что вызывает необходимость создавать глубокий вакуум в системе пароэжекторной машины. Так, при температуре кипения 0 °С давление в испарителе составляет 62,2 Па≈6,22·10^-4 кгс/см², удельный объем насыщенного пара – 206,3 м³/кг. При создании такого вакуума требуется большой расход рабочего пара и неизбежен подсос воздуха в систему, который нарушает работу машины. При вакууме большой удельный объем пара приводит к большим сечениям трубопроводов.

Пароводяные эжекторные машины, работающие лишь при сравнительно высоких температурах кипения (4–5 °С), применяют в установках кондиционирования воздуха или на предприятиях, где требуется в больших количествах холодная вода для технологических нужд. Холодопроизводительность пароэжекторных машин 350 – 2400 кВт (300 – 2000 тыс. ккал/ч).

Лекция 2. Абсорбционные холодильные машины

В качестве рабочего тела в абсорбционных машинах используют так называемые бинарные растворы, т. е. растворы, состоящие из двух компонентов: холодильного агента и поглотителя (абсорбента).

Холодильные агенты, применяемые в абсорбционных машинах, должны отвечать общим требованиям. Абсорбенты должны хорошо поглощать холодильный агент, но не вступать с ним в химическую реакцию. Температура кипения абсорбента должна быть значительно выше температуры кипения холодильного агента при одинаковом давлении. Это позволяет при выпаривании раствора получить более чистый холодильный агент. В отличие от кипения однородных жидкостей, для которых каждому значению давления соответствует определенная температура кипения (и конденсации), бинарные растворы при заданном давлении кипят с переменной температурой. Она зависит от массовой концентрации рабочих веществ. Растворы, более концентрированные по холодильному агенту, кипят при более низких температурах.

Концентрация холодильного агента в кипящем растворе уменьшается, т.к. в пар превращается в первую очередь легкокипящий компонент, т. е. компонент с более низкой температурой кипения (холодильный агент). С понижением концентрации температура кипения раствора при постоянном давлении повышается. Температура пара, образующегося при кипении бинарного раствора, равна температуре этого раствора, но концентрация холодильного агента в паре значительно больше, чем в кипящей жидкости.

При кипении растворов в абсорбционных машинах необходимо получить пар с возможно меньшим содержанием поглотителя, т. е. более чистый холодильный агент. Этого легче достичь, если температура кипения абсорбента в чистом виде больше отличается от температуры кипения холодильного агента при одинаковом давлении.

Если при выпаривании раствора не удается получить чистый холодильный агент, то пар подвергают ректификации. Ректификацией называют отделение (очищение) паров холодильного агента от поглотителя.

Процессы абсорбции (поглощения) холодильного агента сопровождаются выделением теплоты. Эту теплоту надо отводить, чтобы процессы абсорбции не затормаживались, т.к. они протекают активнее при пониженных температурах. Поглотители используют преимущественно жидкие, но они могут быть и твердые. Водоаммиачные растворы, в которых холодильным агентом является аммиак, а поглотителем – вода, применяют для получения низких температур, раствор бромистого лития в воде, где вода является холодильным агентом, а бромистый литий – поглотителем, – в установках кондиционирования воздуха. По принципу действия абсорбционные машины разделяют на машины непрерывного и периодического действия. Машины непрерывного действия бывают насосные и безнасосные.

Водоаммиачные абсорбционные машины непрерывного действия с насосами имеют большую холодопроизводительность (35–1000 кВт). Их используют на предприятиях химической промышленности, крупных мясокомбинатах и других предприятиях, потребляющих значительное количество холода. Водоаммиачные машины периодического действия средней холодопроизводительности (до 12 кВт) применяют в сельском хозяйстве для охлаждения продуктов. Малые водоаммиачные машины безнасосные (абсорбционно-диффузионные) холодопроизводительностью 20–55 Вт предназначены для охлаждения домашних холодильников и торгового обо­рудования. Бромистолитиевые насосные абсорбционные машины непрерывного действия холодопроизводительностью 450 – 3000 кВт применяют в установках кондиционирования воздуха.

Принципиальная схема водоаммиачной абсорбционной холодильной машины. В эту схему (рис. 24) входят конденсатор КД, регулирующий вентиль РВ₁, испаритель И, абсорбер Аб, водоаммиачный насос Н, кипятильник КП (или генератор) и дроссель слабого раствора – регулирующий вентиль РВ₂. Холодильным агентом является аммиак. Назначение и устройство конденсатора, регулирующего вентиля и испарителя в абсорбционных машинах такое же, как в компрессорных холодильных машинах. Сконденсировавшийся аммиак, пройдя регулирующий вентиль РВ₁, поступает в испаритель, где кипит за счет теплоты Q₀, взятой от охлаждаемой среды.

Отсос образовавшегося в испарителе пара обусловлен свойством воды поглощать аммиак. Практически пар, выходящий из испарителя, поглощается в абсорбере слабым водоаммиачным раствором, в результате чего аммиак непрерывно кипит в испарителе при низкой температуре. Давление в абсорбере равно давлению в испарителе p₀. Процесс поглощения протекает с выделением теплоты Q_aб, которая отводится водой или воздухом.

Рис. 24. Принципиальная схема абсорбционной холодильной машины

Из абсорбера насыщенный водоаммиачный раствор насосом перекачивается в кипятильник. Насос не только перемещает раствор, но и повышает его давление от р₀ до р_к. В результате подвода теплоты Q_кп богатый аммиаком раствор кипит в кипятильнике, выделяя пар почти чистого аммиака, как легкокипящего компонента. Этот пар поступает в конденсатор, где сжижается при отводе теплоты Q_кд, а обедненная жидкость возвращается из кипятильника в абсорбер через регулирующий вентиль РВ₂. Давление в кипятильнике равно давлению в конденсаторе р_к.

Таким образом, в абсорбционной машине совершаются круговой процесс аммиака и круговой процесс раствора. Прямой круговой процесс раствора реализуется в системе абсорбер – насос – кипятильник – регулирующий вентиль РВ₂. Обратный круговой процесс аммиака осуществляется в системе конденсатор – регулирующий вентиль PB₁ – испаритель – система (абсорбер – генератор). В этом холодильном цикле компенсирующим является прямой круговой процесс раствора, совершаемый, при затрате теплоты в кипятильнике-генераторе и затрате работы в насосе.

В процессе работы абсорбционной холодильной машины к рабочему телу теплота подводится в кипятильнике Q_кп и испарителе Q₀, а также теплота, эквивалентная работе L_H, затраченной в насосе, отводится теплота в конденсаторе Q_кд и абсорбере Q_aб. При установившемся режиме работы машины количество подведенной теплоты должно быть равно количеству отведенной, т. е. выполняется условие теплового баланса.

.

Эффективность цикла абсорбционной машины характеризуется тепловым коэффициентом ζ, который равен отношению количества полученного холода Q₀ к количеству теплоты Q_кп, затраченной в кипятильнике, и работы L_H, затраченной в насосе,

.

Относительно малой величиной L_H можно пренебречь. Тогда

.

Тепловой коэффициент абсорбционной машины зависит от температур кипения (в испарителе) и конденсации, а также от температуры греющего кипятильник источника. При понижении температуры кипения холодильного агента в испарителе тепловой коэффициент машины уменьшается, хотя и незначительно. Например, для абсорбционной машины непрерывного действия холодопроизводительностью 35 кВт при температуре кипения аммиака -10 °С тепловой коэффициент равен 0,4, а при температуре кипения -20 °С - 0,37.

Абсорбционные машины можно сравнивать с компрессорными по тепловым коэффициентам.

Тепловой коэффициент абсорбционных машин меньше, чем компрессорных. Кроме того, низкотемпературные абсорбционные машины работают не на совершенном рабочем теле – водоаммиачном растворе, недостатки которого обусловлены сравнительно небольшой разностью между температурами кипения компонентов в чистом виде, что затрудняет получение чистого холодильного агента при выпаривании в кипятильнике. Но абсорбционные машины могут работать на дешевых источниках тепла (отходящие газы, отработавший пар, горячая вода), и в этом случае они значительно экономичнее компрессорных. Абсорбционные машины просты в обслуживании, но более тяжелые и громоздкие.