Одноступенчатая парокомпрессионная холодильная машина с регенеративнымтеплообменником.

Регенеративный теплообменник представляет собой аппарат, внутри кожуха, которого установлен змеевик. По змеевику протекает теплый жидкий хладагент, который снаружи охлаждается холодными парами хладагента, выходящего из испарителя. В результате теплообмена жидкий хладагент переохлаждается перед дросселированием, а пары из испарителя дополнительно перегреваются. Рассмотрим работу подобной холодильной машины (рис. 1.10).

б)

в)

Рис.1.10 . Схема одноступенчатой парокомпрессионной холодильной машины с регенеративным теплообменником (а), ее цикл в диаграмме s-T (б) и i-lg p (в)

Пусть точка 1 характеризует состояние паров хладагента перед компрессором. Тогда процесс (1–2) – сжатие в компрессоре, (2–2′) – снятие перегрева в конденсаторе, (2′–3′) – конденсация паров хладагента в конденсаторе и дополнительное переохлаждение в конденсаторе (3′–3) при соприкосновении жидкого конденсата с более холодной забортной водой. Подобное переохлаждение дает «чистое» увеличение удельной массовой холодопроизводительности на ∆q0′ (пл.аа′b′b в диаграмме s–T или отрезок аа′ в диаграмме i–lg p) без дополнительного увеличения удельной работы и всегда полезно для холодильной установки. После конденсатора жидкий хладагент проходит внутри змеевика регенеративного теплообменника и переохлаждается (3–4) за счет холодных паров хладагента, проходящих из испарителя. В регулирующем вентиле переохлажденный хладагент дросселируется (4–5) от давления pк до давления p0, кипит (5–5′) и перегревается (5′–6) в испарителе. Затем холодные пары хладагента перегреваются в регенеративном теплообменнике (6–1) при переохлаждении жидкого хладагента и вновь поступают на всасывание компрессора.

Для сравнения красными прерывистыми линиями на полученный цикл нанесен цикл без регенеративного теплообменника.

Сравнение циклов показывает увеличение удельной массовой холодопроизводительности на величину ∆q0 при введении дополнительного переохлаждения жидкого хладагента, что связано с уменьшением парообразования при дросселировании хладагента. Напротив, дополнительный перегрев пара перед компрессором повышает удельную работу сжатия на ∆l. В зависимости от свойств хладагента прирост удельной массовой холодопроизводительности может быть больше прироста удельной работы или, наоборот, меньше. Тогда в первом случае введение в схему регенеративного теплообменника улучшит холодильный коэффициент цикла, а во втором – ухудшит.

Пример 2. В начальные условия примера 1 ввести переохлаждение в регенеративном теплообменнике 10 °С. Сравнить эффективность применения регенеративного теплообменника для хладагентов R134а и R404А.

Решение. На риc.1. 11 регенеративные циклы показаны красными линиями.

По циклам определяем необходимые расчетные данные:

– для R134а

i₃p = i₄p= 227 кДж/кг; i₃ – i₃p= 14 кДж/кг;

i₁ = 394 кДж/кг;

i₁p = 394 + 14 = 408 кДж/кг;

i₂p = 440 кДж/кг v_1р = 0,12 м³/кг

Рис.1.11 . Построение циклов для холодильной машины с регенеративным теплообменником.

– для R404А

i₃p= i₄p= 230 кДж/кг; i₃= 245 кДж/кг; i₃ – i₃p= 15 кДж/кг;

i₁ = 365 кДж/кг;

i₁p = 365 + 15 = 380 кДж/кг ;

i₂p = 412 кДж/ кг; v₁р = 0,06 м³/кг ;

Как видно из приведенного решения, недостающие координаты точки 1 на всасывании в компрессор можно найти из уравнения теплового баланса для регенеративного теплообменника – количество удельной теплоты, взятой у жидкого хладагента при его переохлаждении, равно теплоте, отданной охлаждающим парам хладагента (теплообменом с окружающей средой пренебрегаем), т.е.

i₃ – i₃p ₌ i₁р – i₁.

Точка 3р лежит на пересечении изотермы, соответствующей температуре переохлаждения в РТО (перпендикуляра в области переохлажденной жидкости), и изобары конденсации.

Далее выполняем расчет основных показателей работы холодильной машины для хладагентов R134а и R404А. Результаты расчета следующие.

R134а R404А

– Удельная массовая холодопроизводительность

q₀р, кДж/кг,

q₀р, = i₁ – i₄р 167 135

– Удельная объемная холодопроизводительность

q_vр, кДж/м³,

q_vр = q₀/v₁ 1392 2250

– Удельная работа компрессора lр, кДж/кг,

lр = i₂р – i₁р 32 32

– Тепловая нагрузка конденсатора q_кр, кДж/кг,

q_кр = i₂р – i₃ 213 182

– Холодильный коэффициент

ε = q0р/lр 5,22 4,22

Анализ расчетов в примерах 1 и 2 показывает, что регенеративный цикл для R134а увеличивает удельную массовую холодопроизводительность и повышает экономичность цикла (ε = 5,22). Регенерация для R404А, увеличивая q₀р, несколько снижает холодильный коэффициент теоретического цикла. Введение в схему холодильной машины регенеративного теплообменника позволяет увеличить удельную массовую холодопроизводительность на 8 – 10 %.

1.2.4. Холодильная машина с винтовым компрессором и экономайзером.

В настоящее время большое распространение получили холодильные машины с винтовыми компрессорами, у которых в качестве переохладителя жидкого хладагента используется экономайзер Э (рис. 1.12).

В частности, подобные винтовые холодильные машины в судовом исполнении типа 21(22)АК50-2-5-ОМ4 и 21(22)АК100-2-5-ОМ4 выпускаются отечественным Черкесским заводом холодильного машиностроения. Конструктивно экономайзер представляет собой теплообменный аппарат, собранный из отдельных секций оребренных медных труб в виде змеевика, помещенного внутрь корпуса. Внутри змеевика протекает жидкий хладагент, кипящий при промежуточном давлении, охлаждаемый снаружи жидкий хладагент, поступающий из конденсатора.

Пусть точка 1 характеризует состояние паров хладагента, выходящего из испарителя. В винтовом компрессоре они сжимаются (1–2) до промежуточного давления p_п и смешиваются с холодными парами хладагента, поступающими из экономайзера Э с состоянием в точке 3. Полученная смесь (точка 4) окончательно сжимается до давления конденсации (4–5), в конденсаторе снимается перегрев, и происходит конденсация хладагента (5–5′) и (5′–6) (в цикле показан процесс без переохлаждения в конденсаторе).

Рис.1. 12. Схема и цикл холодильной машины с винтовым компрессором и экономайзером

После конденсатора поток жидкого хладагента делится на две части – меньшая часть, дросселируясь в регулирующем вентиле РВ1 до промежуточного давления p_п (6–7), кипит внутри змеевика экономайзера при промежуточной температуре t_п, переохлаждая основной поток хладагента из конденсатора (6–8), проходящий в межтрубном пространстве этого теплообменника. Переохлажденный хладагент дросселируется в РВ2, кипит (9–9′) и перегревается (9′–1) в испарителе. По данным фирмы «Сталл», введение в схему холодильной установки экономайзера может повысить её холодопроизводительность на 25 – 40 %.