Двухступенчатые парокомпрессионные холодильные машины.

В зависимости от рода охлаждаемого груза и целей охлаждения требуется определенная температура его обработки и хранения. Так, замороженные мясо и рыба зачастую перевозятся при температурах около -30 °С, а в рыбоморозильных аппаратах требуется поддерживать температуру воздуха около -40 °С, что влечет понижение температр кипения хладагента до -45 °С. Температуре -45 °С для R22 соответствует давление кипения ниже атмосферного: p₀ = 0,0832 МПа, а для R502 – примерно равное атмосферному: p₀ = 0,104 МПа. Увеличение температуры забортной воды, например, в тропиках до +32 °С и выше вызывает повышение температуры конденсации до +40 °С. Для R22 при температуре +40 °С давление конденсации равно 1,533 МПа, а для R502 – 1,686 МПа. Пониженное давление кипения и повышенное давление конденсации вызывают рост температуры конца сжатия в области перегретого пара. В свою очередь, высокая температура нагнетания в поршневом компрессоре сильнее нагревает смазочное масло, повышая его пожароопасность, вызывает интенсивное испарение масла и унос с парами хладагента.

Большой перепад давлений между всасыванием p_вс и нагнетанием p_н компрессора, а следовательно, и величина отношения p_н/p_вс вызывают настолько большие потери производительности самого компрессора, что дальнейшая его эксплуатация для большинства одноступенчатых холодильных машин нецелесообразна. Перечисленные причины, а также снижение экономичности работы холодильной машины в целом определяют предел отношения p_н/p_вс = 8 – 9, выше которого целесообразно переходить на двухступенчатое сжатие.

Для рассмотренных температурных пределов отношение p_н/p_вс намного превышает допустимые нормы. Так, для R22 оно равно 18,4, а для R502 – 16,2.

В двухступенчатых холодильных машинах пары хладагента из испарителя всасываются первой ступенью компрессора и после сжатия до промежуточного давления охлаждаются.

Существует несколько способов определения промежуточного давления. Наиболее простой и распространенный опирается на условие равенства степеней сжатия в каждой ступени, а именно:

= ; p_п = , (1.13)

где p_п – промежуточное давление.

Охлажденные пары сжимаются во второй ступени компрессора и поступают в конденсатор. Жидкий хладагент из конденсатора, дросселируясь, направляется в испаритель, где кипит, отнимая теплоту от охлаждаемого объекта.

По степени охлаждения хладагента различают двухступенчатые машины с неполным промежуточным и полным промежуточным охлаждением.

По способу дросселирования хладагента различают схемы с однократным и двукратным дросселированием.

Двухступенчатая холодильная машина с однократным дросселированием
и неполным промежуточным охлаждением

Рассмотрим схему и цикл двухступенчатой холодильной машины с однократным дросселированием и неполным промежуточным охлаждением (рис.1.13).

Пар из испарителя И при давлении кипения p₀ всасывается 1-й ступенью компрессора и сжимается (1–2)до промежуточного давления p_п. Далее он охлаждается забортной водой в промежуточном холодильнике ПХ (2–3) от температуры T₂до T₃. После охлаждения пар сжимается во 2-й ступени компрессора (3–4). В конденсаторе КД пар охлаждается (4–4′), конденсируется (4′–5′)и полученная в нем жидкость переохлаждается (5′–5). Процесс передачи теплоты от хладагента забортной воде протекает при постоянном давлении p_к(4–5) в конденсаторе КД. В регулирующем вентиле РВ жидкий хладагент дросселируется до давления p₀ (5–6), кипит (6–6′) и перегревается (6′–1) в испарителе И, отводя теплоту из охлаждаемого помещения. Изобарное охлаждение в промежуточном холодильнике(2–3) является неполным, поскольку пар не охлаждается до насыщенного состояния (точка 3′), а выходит перегретым.

Рис.1.13 Схема двухступенчатой холодильной машины с однократным дросселированием и неполным промежуточным охлаждением (а), цикл в диаграмме s-T (б) и i-lg p (в)

Дросселирование жидкого хладагента при температуре, близкой к температуре конденсации, приводит к значительному парообразованию в регулирующем вентиле. Состояние парожидкостной смеси, характеризуемое точкой 6, обусловлено большим содержанием пара, который практически не участвует в отводе теплоты из охлаждаемого объекта. Поэтому такие двухступенчатые холодильные машины ненамного эффективнее одноступенчатых и имеют ограниченное применение.

1.3.2. Двухступенчатая холодильная машина
с однократным дросселированием и полным промежуточным охлаждением

На рис. 1.14 показана двухступенчатая холодильная машина с однократным дросселированием и полным промежуточным охлаждением.

в)

Рис. 1.14. Схема двухступенчатой холодильной машины с однократным дросселированием и полным промежуточным охлаждением (а), ее цикл в диаграмме s-T (б) и i-lg p (в)

Пар хладагента, сжимаясь в 1-й ступени компрессора (1–2), поступает в промежуточный сосуд ПС, где пропускается через слой жидкого хладагента с температурой t_п = 0 – 10 °С и промежуточным давлением p_п, охлаждаясь до состояния насыщения (2–3). В промежуточном сосуде жидкий хладагент кипит, отнимая теплоту от поступившего из 1-й ступени пара, образуя дополнительный пар, который вместе с основным охлажденным потоком всасывается 2-й ступенью компрессора и сжимается до давления конденсации p_к(3–4). После конденсатора КД часть жидкого хладагента поступает на пополнение выкипающего хладагента в промежуточном сосуде ПС,дросселируясь в регулирующем вентиле РВ1 (5–6) до давления p_п и температуры t_п. При дросселировании также образуется некоторое количество пара, эквивалентное отрезку (6–9) (см. рис. 4.6, б, в), которое в сосуде ПС, смешиваясь с основным и дополнительным потоками пара, увеличивает количество хладагента, сжимаемого во второй ступени компрессора. Жидкий хладагент, освободившись от пара, переходит в состояние, характеризуемое точкой 9.

Основной поток жидкости из конденсатора КД, проходя по змеевику промежуточного сосуда ПС, дополнительно переохлаждается (5–7) и поступает в испаритель И, предварительно дросселируясь в регулирующем вентиле РВ до давления p₀ и температуры кипения t₀ (7–8). При переохлаждении основного потока жидкости теплота передается хладагенту в промежуточном сосуде ПС, вызывая при его кипении дополнительное образование пара, который также поступает во 2-ю ступень компрессора. Переохлаждение жидкого хладагента позволяет резко сократить необратимые потери при дросселировании (уменьшить парообразование). В результате доля жидкости в парожидкостной смеси, поступающей в испаритель И, увеличивается, и эффективность работы значительно повышается.

Двухступенчатая холодильная машина
с двукратным дросселированием и полным промежуточным охлаждением

На рис. 1.15 показана двухступенчатая холодильная машина с двукратным дросселированием и полным промежуточным охлаждением.

Рис.1.15. Схема двухступенчатой холодильной машины с двукратным дросселированием и полным промежуточным охлаждением (а), ее цикл в диаграмме s-T (б) и i-lg p (в)

Пар хладагента, сжимаясь в 1-й ступени компрессора (1–2), поступает в промежуточный сосуд ПС, где пропускается через слой жидкого хладагента с температурой t_п = 0 – 10 °С и промежуточным давлением p_п, охлаждаясь до состояния насыщения (2–3). В промежуточном сосуде жидкий хладагент кипит, отнимая теплоту от поступившего из 1-й ступени пара, образуя дополнительный пар, который вместе с основным охлажденным потоком всасывается 2-й ступенью компрессора и сжимается до давления конденсации p_к(3–4). После конденсатора КД жидкий хладагент дросселируется в РВ1 до промежуточного давления pп (5–6) и поступает в промежуточный сосуд ПС, где происходит отделение пара от жидкого хладагента. Пар с состоянием, характеризуемым точкой 3, идет на всасывание второй ступени компрессора, а жидкий хладагент дросселируется в РВ2 (7–8) и затем поступает в испаритель.

Как видно, при схемах двукратного дросселирования балластный пар, образующийся при дросселировании в РВ1, отделяется в промежуточном сосуде и используется для охлаждения сжатых паров хладагента. Поэтому окончательное дросселирование хладагента в РВ2 протекает при существенно сниженном побочном парообразовании, повышая удельную массовую холодопроизводительность и эффективность работы холодильной машины в целом.