МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН СЕМИПАЛАТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
advertisement
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН СЕМИПАЛАТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени ШАКАРИМА Документ СМК 3 уровня УМКД Учебно-методические материалы по дисциплине «Холодильные машины» УМКД Редакция № 1 от 30 сентября 2009 г. УМКД 042-05.01.20.41/03-2009 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ «ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ» для специальности 050723 – Техническая физика УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Семей 2009 1 Содержание 1 Глоссарий .................................................................................................................. 3 2 Лекции ....................................................................................................................... 6 3 Практические и лабораторные занятия .............................................................. 158 2 1 Глоссарий В настоящем УМК использованы термины с соответствующими определениями: Теплообмен, являясь одним из наиболее распространенных процессов в природе, диалектически связывает между собой процессы охлаждения и нагревания. Искусственный холод - есть теплота, температурный уровень которой ниже температурного уровня окружающей среды. Источник теплоты низкой температуры (ИНТ) принято называть тело или среду, от которых отводится теплота. Обратный круговой процесс осуществляющий искусственное охлаждение в результате переноса тепла от холодного тела в окружающую среду, называют холодильным циклом. Рабочее вещество, посредством которого в холодильной машине осуществляется термодинамический цикл, называют холодильным агентом (сокращенно хладагентом). Компрессорные холодильные машины используют энергию в виде механической работы. Теплоиспользующие холодильные машины - абсорбционные и пароэжекторные - в качестве источников энергии используют теплоту относительно низкого потенциала - горячую воду, отходящие газы, отработавший пар, имеющие температуру выше температуры окружающей среды. Комплекс технических устройств, с помощью которых осуществляется холодильный цикл, называется холодильной машиной. Холодильные машины, в которых происходит перенос тепла от более холодного тела к более нагретому в результате кипения и конденсации холодильного агента называют паровыми холодильными машинами. Дросселированием называется эффект падения давления рабочего вещества в процессе протекания его через сужение в канале. Процесс называют обратимым, если после его завершения тела, принимавшие в нем участие, могут быть возвращены и при этом какие-то дополнительные изменения нигде не возникнут. Процессы, которые не удовлетворяют этим условиям, называют необратимыми. Внутренне необратимым процессов можно считать процесс, в котором соблюдаются условия равновесия внутри тела, отсутствует внутреннее трение и диффузия, не происходит и смешение, и химические реакции. Когда выполняются условия равновесия между рабочим веществом и внешними телами, находящимися с ним во взаимодействии, процесс называется внешне обратимым. 3 Каждый килограмм циркулирующего холодильного агента в цикле холодильной машины получает от охлаждаемого тела теплоту, которая называется удельной массовой холодопроизводительностью холодильного агента. Разность работ, затраченный на сжатие холодильного агента и полученный при его расширении называется работой цикла. Отношение теплоты, полученной холодильным агентом от охлаждаемого тела, к работе цикла называется холодильным коэффициентом. Компрессорами объемного принципа действия называют, которых рабочие органы засасывают определенный объем рабочего вещества, сжимают его благодаря уменьшению замкнутого объема и затем перемещают камеру нагнетания. Компрессорами динамического принципа действия называют, которых рабочее вещество непрерывно перемещается через проточную часть компрессора, при этом кинетическая энергия потока преобразуется в потенциальную. Разность давления в патрубке и в начале сжатия называется депрессией на всасывании. Отношение действительной объемной производительности к теоретическому объему компрессора называется коэффициентом подачи. Профилем зуба называется контурные линии, ограничивающие сечение зуба в одной из плоскостей – торцевой, нормальной к оси зуба или осевой. Линией зацепления называется геометрическое место точек касания профилей на неподвижной плоскости. Линией контакта зуба называется линия касания ВЩ и ВМ винтов, имеющих теоретические размеры. Объем впадин между зубами ВМ и ВЩ винтов называется парной полостью. Отношение начального к конечному объему парной полости в момент соединение с камерой нагнетания называется геометрической степенью сжатия. Отношение давления в парной полости в момент соединения её с окном нагнетания к давлению всасывания называется внутренней степенью сжатия. Предельным углом закрутки винта называют такой угол, при котором парная полость оказывается полностью освобожденной от занимаемого её зуба ведомого винта в момент начала сжатия газа. Рабочее колесо служит для подвода к потоку потенциальной и кинетической энергии. В диффузоре происходит торможение рабочего тела, преобразование кинетической энергии, потенциальную (энергию давления). Обратный направляющий аппарат подводит поток к рабочему колесу следующей ступени. Отношение статического напора создаваемого рабочим колесом к полному напору называется степенью реактивности. 4 Помпаж – это автоколебательный процесс в системе компрессор-сеть, при котором давления нагнетания резко снижается, а направление газа изменяется на обратное. Источник низкой температуры (ИНТ)- это тело или среда, от которых тепло подводится Источник высокой температуры (ИВТ)- это тело или среда, к которым тепло отводится Холодильный агент - рабочее вещество для переноса теплоты в машинах при осуществлении холодильного, теплонасосного и комбинированного циклов Конденсатор - служит для передачи теплоты рабочего вещества охлаждающей среде или источнику теплоты высокой температуры Испаритель - это элемент холодильной машины, в котором рабочее вещество кипит за счет теплоты, подводимой от источника низкой температуры. Компрессор - элемент холодильной машины сжимающий и перемещающий паро- и газообразное рабочее вещество Агрегатирование — компоновка различных видов оборудования из унифицированных элементов является одним из эффективных методов совершенствования холодильных машин. Холодильный агрегат – это конструктивное объединение нескольких основных элементов холодильной машины и вспомогательных устройств в единый блок. Агрегатированная комплексная холодильная машина – это конструктивное объединение всех элементов холодильной машины в один или несколько блоков Испаритель-конденсатор -элемент каскадной холодильной машины, связывающий между собой верхнюю и нижнюю ветви каскада. Для верхней ветви каскада служит испарителем, а для нижней - конденсатором Температурный напор-возрастание конечной разности температур между рабочим веществом и внешней средой и наоборот Теплопередача – это процесс передачи теплоты от одной жидкой среды к другой через разделяющую твердую стенку. Теплопроводность – это теплообмен, обусловленный взаимодействием микрочастиц соприкасающихся тел или частей одного тела, имеющих разную температуру. Теплообмен – передача энергии в результате обмена хаотическим, ненаправленным движением микрочастиц, количество передаваемой при этом энергии называется теплотой. Теплообменные аппараты - устройства, которые предназначены для передачи теплоты от одной среды к другой Коэффициент теплопроводности определяет мощность теплового потока, проходящего через 1 м2 поверхности при градиенте температуры 1 К/м. 5 Коэффициент теплоотдачи определяет мощность теплового потока, проходящего от жидкости к стенке (или обратно) через 1 м2 поверхности при разности температур между жидкостью и стенкой 1 градус. Конвекция – это перенос теплоты при перемещении объемов газа или жидкости в пространстве. Конвективный теплообмен – это процесс теплообмена между твердой поверхностью и жидкостью или газом путем теплопроводности и конвекции одновременно. Тепловой поток – количество теплоты, переданное в единицу времени через произвольную поверхность. Удельная теплоемкость – количество теплоты, которое необходимо затратить, чтобы изменить температуру единицы вещества на один градус. Камерные приборы- это теплообменные аппараты (батареи), служащие для охлаждения воздуха в помещении 2 Лекции Лекции – форма учебного занятия, цель которого состоит в рассмотрении теоретических вопросов излагаемой дисциплины в логически выдержанной форме. Лекция 1 Тема. Введение. Теоретические основы холодильных машин. Вопросы 1 Введение. 2 Физические основы получения низких температур. 3 Дросселирование. 4 Процессы расширения с получением внешней работы. Теоретические основы холодильных машин Холодильная машина является комплексом элементов, при помощи которых рабочее вещество совершает обратный термодинамический цикл за счет затраты работы или теплоты. Процессы в элементах холодильной машины взаимосвязаны, и на них оказывают влияние как окружающая среда, так и охлаждаемые объекты. Поэтому прежде всего необходимо рассмотреть некоторые теоретические положения, лежащие в основе работы любой холодильной машины, и, что особенно важно, взаимодействие холодильной машины с источниками теплоты. Физические принципы понижения температуры в обратных циклах 6 Температура рабочего вещества в обратном цикле может понижаться при таких процессах, как дросселирование (эффект Джоуля—Томсона), расширение с совершением внешней работы, вихревой эффект (эффект Ранка— Хильша). Кроме того, для получения температур ниже окружающей среды применяют: термоэлектрический эффект (эффект Пельтье), магнитокалорический эффект и десорбцию газов. Последние два способа применяют в основном в лабораторной практике для получения температур от 4 К до близких к абсолютному нулю. В обратных циклах используют также фазовые превращения рабочего вещества: при подводе теплоты — кипение и сублимацию, а при отводе теплоты — конденсацию и абсорбцию. Дросселирование (эффект Джоуля—Томсона). Дросселированием называют понижение давления рабочего вещества при протекании его через сужение в канале или какое-либо местное сопротивление. Рассмотрим дросселирование рабочего вещества в диафрагме, которая установлена в горизонтальном трубопроводе постоянного сечения (рис. 1.1). Теплообменом рабочего вещества с окружающей средой пренебрегаем. Рассмотрим первый закон термодинамики для любого потока Рис.1.1. Схема дросселировании При внешне адиабатном (dqвн = 0) горизонтальном (dh = 0) потоке и отсутствии технической работы (dlтехн = 0) получим Рис.1.2. Изменение энтальпии при дросселировании Очевидно, что теплота трения dqтр равна работе трения dlтр, тогда 7 Так как скорости потока до диафрагмы и после нее приблизительно равны, то сdс = 0, и тогда di = 0 или после интегрирования Таким образом, уравнение (1.4) показывает, что в результате внешне адиабатного дросселирования значения энтальпий рабочего вещества до и после местного сопротивления одинаковы. Однако при самом дросселировании энтальпия не всегда будет постоянной. Это можно объяснить тем, что при движении через диафрагму (пластину с отверстием диаметром, меньшим диаметра проходного сечения трубы) потока рабочего вещества его скорость повышается, кинетическая энергия возрастает, и, следовательно, энтальпия уменьшается. За диафрагмой диаметр проходного сечения снова увеличивается, скорость потока замедляется, его кинетическая энергия уменьшается и энтальпия увеличивается до прежнего значения. Эти процессы иллюстрируются диаграммой (рис. 1.2). На рисунке процесс 1-а показывает уменьшение энтальпии при падении давления от р1 до р2 (скорость при этом увеличивается), процесс а-2 — торможение потока за диафрагмой, в результате чего кинетическая энергия потока уменьшается, а энтальпия возрастает до первоначального значения. Во внешне адиабатном потоке теплота, выделяющаяся при торможении потока, целиком воспринимается самим рабочим веществом. Рассмотрим теперь, как изменяется температура рабочего вещества при дросселировании. Используя известное уравнение [26] а также зависимости (di /dТ)i = СР ; (di /dp)p = v-Т((dv/dТ)p, получим Величина (dT/dp)i называется коэффициентом дросселирования, или дифференциальным дроссельным эффектом i, Изменение температуры рабочего вещества при дросселировании при конечном перепаде давлений называется интегральным дроссельным эффектом, который определяется из соотношения 8 где Т1 и Т2 — температуры рабочего вещества перед диафрагмой и за ней. Анализ уравнения (1.6) показывает, что знак коэффициента дросселирования определяется знаком стоящей в числителе правой части уравнения (1.6) величины [T(dv/dT)p - v], так как всегда ср> 0. Очевидно, что если (dv/dT)p < v/T, то i < 0, и тогда при адиабатном дросселировании температура рабочего вещества возрастает. В случае, если (dv/dT)p > v/T, то i > 0 и Т2 - T2< 0, т, е. температура рабочего вещества за диафрагмой понижается. Наконец, если (dv/dT)p = v/T, то i = 0, т. е. температура рабочего вещества при дросселировании не меняется. Поскольку для идеального газа рv= RT, следовательно, (dv/dT)p - R/р = v/T, тогда i = 0, т, е. идеальный газ дросселируется без изменения температуры. Знак коэффициента дросселирования для одного и того же рабочего вещества может быть различным в зависимости от параметров его состояния. Состояние рабочего вещества, при котором i = 0, называется точкой инверсии эффекта дросселирования, а геометрическое место точек инверсии на диаграмме состояния называется кривой инверсии (рис. 1.3). Физическая сущность дросселирования состоит в том, что изменение температуры после диафрагмы обусловливается, во-первых, работой, связанной с разностью объемных энергий потока до и после расширения (р 1V1 р2V2), и, во-вторых, работой против внутренних сил притяжения отдельных молекул рабочего вещества. Рис.1.3. Дросселирование и изоэнтропное расширение на S-Tдиаграмме Действие сил межмолекулярного притяжения вызывает вы-1 деление теплоты при сжатии газа и охлаждение при расширении. Работа против внутренних сил проявляется всегда вне зависимости от того, каким способом производится расширение, так как она определяется только расстоянием между молекулами, т. е. объемами газа до и после расширения. 9 Коэффициент дросселирования i, можно выразить через составляющие изменения температуры, которые зависят от объемной энергии до и после расширения (PV)i и действия внутренних сил Основной величиной в коэффициенте i, является (u)i, которая всегда положительна (вызывает охлаждение). Величина (pv)i, зависит от условий и природы рабочего вещества и может иметь положительное или отрицательное значение. Как правило, (pv)i мало и не превышает 10—15% значения (u)i. Дросселирование в обратных циклах в режимах умеренного охлаждения для наиболее распространенных рабочих веществ всегда имеет коэффициент дросселирования i, > 0. Дросселирование является необратимым процессом, так как если представить себе процесс дросселирования, идущим в обратном направлении (например, в трубопроводе, показанном на рис. 1.1, изменить направление движения потока на обратное), то он по-прежнему будет сопровождаться падением давления. Так как процесс дросселирования необратим, то энтропия рабочего вещества при дросселировании всегда возрастает. Изменение энтропии можно определить из соотношения [26] Из последнего уравнения следует, что s2 > s1. Расширение с совершением внешней работы. Рабочее вещество может совершать работу, если его расширять от давления p1 до давления р2 (рис, 1.3) в расширительной машине, т. е. детандере (процесс 3-5). Для расширения рабочего вещества используют, как правило, центростремительные или осевые детандеры, иногда поршневые. Весьма перспективными являются винтовые детандеры, однако исследований в этой области крайне мало. Рассмотрим, как меняются некоторые параметры состояния рабочего вещества при расширении с совершением внешней работы. Условимся, что расширение осуществляется без внутренних потерь и без теплообмена с окружающей средой, т. е. расширение идет изоэнтропно, ds= 0. Работа, совершаемая рабочим веществом при расширении, из системы отводится. В этом случае работа совершается за счет энергии рабочего вещества, поэтому его температура всегда понижается. 10 Понижение температуры определяется производной (dТ/dp)s, которая называется коэффициентом обратимого изоэнтропного расширения и обозначается s. Уравнение (1.5) для величин Т, р, s будет иметь вид Принимая во внимание уравнения Максвелла (dv/dТ)р = -(ds/dр)T и теплоемкости ср = Т(ds/dТ)р , из уравнения (1.11) получим Из уравнений (1.6) и (1.12) получим Так как v и ср всегда положительны, то в соответствии с (1.13) В двухфазной области ср = , поэтому из (1.13) следует, что s=i Таким образом, изоэнтропное расширение в области перегретого пара с совершением внешней работы более эффективно с точки зрения понижения температуры по сравнению с дросселированием. Для подтверждения этого положения обратимся к рис. 1.3. Здесь дросселирование (процесс 3-4) и расширение с совершением внешней работы (процесс 3-5) — процессы, проходящие в области перегретого пара. Если рассмотреть эти же процессы в области влажного пара (дросселирование — процесс 6-8, расширение с совершением внешней работы — процесс 6-7), станет видно, что понижение температуры в этих процессах одинаково. Работа, которую можно получить в процессе 6-7, составляет незначительное количество по сравнению с работой сжатия от давления р2 до давления р1. Поэтому дросселирование используют в паровых холодильных машинах (дросселирование в области влажного пара), а расширение с совершением внешней работы — в газовых холодильных машинах (все процессы в области перегретого пара). Следует отметить, что для крупных паровых холодильных машин использование детандера может быть перспективным, однако исследования таких машин не проводились. Вихревой эффект. В 1932 г. Ранк экспериментально доказал, что температуры движущегося воздуха у оси и на периферии циклона пылеуловителя различны. В 1946 г. это явление обосновал в своей работе Хилый, после чего оно обрело название эффект Ранка-Хилыпа. Наиболее подробно области применения вихревого эффекта описаны в монографии А. П. Меркулова [36]. Исследованиями этого эффекта занимался также В. С. Мартыновский [35]. 11 Рис.1.4. Схемы вихревой трубы: а- прямоточной; б- противоточной Конструкция вихревой трубы, в которой происходит температурное разделение потока воздуха, чрезвычайно проста (рис. 1.4). Воздух при температуре окружающей среды и давлении 0,3-0,5 МПа поступает в цилиндрическую трубу III через сопло I по касательной к внутренней поверхности трубы. Поступивший в трубу воздух совершает вращательное движение, одновременно перемещаясь от сопла I к дросселю II. При этом через диафрагму IV (или трубу меньшего диаметра) выходит холодный воздух, а через дроссель II по периферии трубы — холодный воздух. Температура холодного воздуха на 30-70 °С ниже начальной температуры воздуха. Большие необратимые потери при расширении воздуха в вихревой трубе предопределяют сравнительно большие энергетические затраты, которые значительно превышают затраты при изоэнтропном расширении с совершением внешней работы. Однако не всегда результат энергетического сопоставления может быть решающим при оценке холодильных систем. Исключительная простота и надежность вихревой трубы делают ее в некоторых случаях более предпочтительной, например, при периодической потребности в охлаждении на различных предприятиях при необходимости малой холодопроизводительности выгоднее применять простую и надежную вихревую трубу. Термоэлектрический эффект. В технике широко известен эффект возникновения термоЭДС в спаянных проводниках, контакты (места спаев) между которыми поддерживаются при различных температурах (эффект Зеебека). В том случае, когда через цепь двух разнородных материалов пропускается постоянный ток, один из спаев начинает нагреваться, а другой — охлаждаться. Это явление носит название термоэлектрического эффекта или эффекта Пельтье. На рис. 1.5 показана схема термоэлемента. Два полупроводника п и т составляют контур, по которому проходит постоянный ток от источника питания С, при этом температура холодных спаев X становится ниже, а темпе12 ратура горячих спаев Г становится выше температуры окружающей среды, т. е. термоэлемент начинает выполнять функции холодильной машины. Температура спая снижается вследствие того, что под воздействием электрического поля электроны, двигаясь из одной ветви термоэлемента (m) в другую n), переходят в новое состояние с более высокой энергией. Энергия электронов повышается за счет кинетической энергии, отбираемой от атомов ветвей термоэлемента в местах их сопряжений, в результате чего этот спай (X) охлаждается. При переходе с более высокого энергетического уровня (ветвь n) на низкий энергетический уровень (ветвь m) электроны отдают часть своей энергии атомам спая Г термоэлемента, который начинает нагреваться. Рис.1.5. Схема термоэлемента В нашей стране в конце 1940-х и начале 1950-х годов академиком А. Ф. Иоффе и его учениками были проведены очень важные исследования, связанные с разработкой теории термоэлектрического охлаждения. На базе этих исследований была впервые сконструирована и испытана серия охлаждающих устройств. Энергетическая эффективность термоэлектрических холодильных машин значительно ниже эффективности других типов холодильных машин, однако простота, надежность и отсутствие шума делают использование термоэлектрического охлаждения весьма перспективным. Вопросы для самоконтроля 1 Что такое искусственный холод? 2 Какими способами получают искусственный холод? 3 Назовите нижний температурный предел искусственного охлаждения? 4 На какие группы делятся холодильные машины? 5 Формулировка процесса дросселирование. 6 Почему процесс дросселирование является изоэнтальпийным? 7 Приведите формулу дифференциального дроссель эффекта? Рекомендуемая литература 13 Основная 4.1.1, с. 3-14 Лекция 2 Тема. Термодинамические основы обратных циклов. Вопросы 1 Некоторые понятия и определения. 2 Классификация обратных циклов. 3 Необратимые потери в обратных циклах. Некоторые понятия и определения. Прежде всего необходимо остановиться на понятии «холод». Такого понятия в термодинамике нет. Это условный термин, который следует понимать как создание потенциальной возможности восприятия соответствующего количества теплоты на температурном уровне ниже окружающей среды. Другими словами, холод — это теплота, температурный уровень которой ниже температуры окружающей среды. В обратных циклах всегда существуют два источника теплоты: источник низкой температуры (ИНТ) и источник высокой температуры (ИВТ). ИНТ — это тело или среда, от которых теплота отводится. К ИНТ можно отнести: охлаждаемый продукт или вещество в технологическом процессе; промежуточный теплоноситель (хладоноситель), например раствор соли в воде (рассол); воздух в охлаждаемой камере и т. д. Температура ИНТ при отводе от него теплоты может быть постоянной или переменной. ИВТ — это тело или среда, к которым теплота подводится. К ИВТ относятся нагреваемое тело или промежуточный теплоноситель, окружающая среда и т. д. Температура ИВТ также может быть постоянной (например, окружающая среда) или переменной (например, нагреваемая вода). В термодинамической теории большое значение имеет понятие «окружающая среда». Окружающая среда характеризуется прежде всего тем, что ее параметры не зависят от работы холодильной машины или какой-либо системы. Таким образом, окружающая среда должна обладать такой теплоемкостью, чтобы любое воздействие на нее вызывало бы настолько малые изменения температуры, что ими можно пренебречь. В реальных условиях примерами такой среды могут служить атмосферный воздух, вода крупных водоемов, горные породы, грунт и т. д. Кроме того, параметры окружающей среды должны находиться в полном термодинамическом равновесии. Например, параметры атмосферного воздуха постоянно меняются, но для инженерных расчетов этим можно пренебречь. Дополнительной характеристикой окружающей среды является возможность реализовать теплообмен между рабочим веществом обратного цикла и окружающей средой без существенных затрат. Классификация обратных циклов. В соответствии со вторым законом термодинамики перенос теплоты от ИНТ к ИВТ возможен при условии под14 вода энергии извне. Согласно первому закону термодинамики количество теплоты Q, отдаваемой ИВТ, равно сумме количества теплоты Q0, отведенной от ИНТ, и теплового эквивалента энергии L, подведенной извне, т. е. или для 1 кг рабочего вещества Перенос теплоты от ИНТ к ИВТ осуществляется с помощью рабочего вещества (холодильного агента). Термодинамические и физические свойства рабочего вещества оказывают значительное влияние на показатели обратных циклов. Рабочее вещество совершает обратный цикл за счет механической или другого вида энергии. Различают три разновидности обратных циклов: холодильный цикл, цикл теплового насоса, а также комбинированный (или) теплофикационный цикл. Холодильная машина работает по холодильному циклу и служит для охлаждения какой-либо среды или поддержания низкой температуры в охлаждаемом помещении в том случае, когда теплота от источника низкой температуры (охлаждаемого объекта) передается окружающей среде. Такой цикл показан на рис. 1.6. В процессе 4-1 (цикл Т) теплота q0 подводится к рабочему веществу от источника низкой температуры, в процессе 1-2 рабочее вещество сжимается и к нему подводится тепловой эквивалент работы компрессора lК. В процессе 2-3 от рабочего вещества отводится в окружающую среду теплота q, в процессе 3-4 расширяется рабочее вещество с совершением работы lP . Согласно первому закону термодинамики работа, необходимаРя для совершения цикла, Так как в компрессоре работа затрачивается, а при расширении ее можно получить, тогда работа цикла Рис. 1.6. Обратные циклы: 1 — холодильный; II — теплового насоса; III — комбинированный Для определения энергетической эффективности холодильного цикла вводится холодильный коэффициент е, который определяет количество отводимой от источника теплоты на единицу затраченной в цикле работы: Холодильный коэффициент может меняться от +∞ до 0. В том случае, когда с помощью холодильной машины теплота отводится от окружающей среды и передается источнику высокой температуры, этот 15 цикл называется циклом теплового насоса. Такая холодильная машина служит для целей теплоснабжения или динамического отопления. Цикл теплового насоса показан на рис. 1.6 (цикл II). В процессе 4—1 к рабочему веществу подводится от окружающей среды теплота qO. В процессе 1-2 рабочее вещество воспринимает тепловой эквивалент работы lK, вследствие чего его температура повышается. Теплота q0, полученная от окружающей среды, и тепловой эквивалент работы /передаются в процессе 2-3 источнику высокой температуры. Эта теплота служит для отопления помещений или других технологических нужд. В процессе 3-4 рабочее вещество расширяется, совершая работу lP. Энергетическая эффективность цикла теплового насоса характеризуется отопительным коэффициентом μ, который определяется количеством теплоты, подводимой к источнику высокой температуры, на единицу затраченной в цикле работы: Между холодильным и отопительным коэффициентами существует связь Отопительный коэффициент меняется от +1 до +. Комбинированный (теплофикационный) цикл — это цикл холодильной машины, при котором теплота от источника низкой температуры передается источнику высокой температуры. Такой цикл показан на рис. 1.6 (цикл III). В этом цикле в процессе 1—4 теплота q0 подводится к рабочему веществу, в процессе 1—2 рабочее вещество получает тепловой эквивалент работы lК; в процессе 2-3 теплота q отводится к источнику высокой температуры, далее в процессе 3-4 рабочее вещество расширяется, совершая при этом работу lP. Так как при помощи холодильной машины, работающей по комбинированному циклу, получают одновременно холод и теплоту, то энергетическая эффективность такого цикла характеризуется двумя коэффициентами ε и μ: где lЦ.Х и l Ц.Т - соответственно работа циклов 1-b-а-4 и b-2-3-а. Необратимые потери обратных циклов. Понятие об обратимости процессов и циклов имеет фундаментальное значение в термодинамической теории холодильных машин. Процесс называют обратимым, если после его завершения тела, принимавшие в нем участие, можно вернуть в первоначальное состояние без каких-либо затрат работы или каких-либо других изменений. Принципиальным является разделение необратимости на внутреннюю и внешнюю. Такое разделение позволяет правильно установить источники необратимых потерь в циклах и дает возможность искать пути их устранения. Источниками внутренней необратимости в обратных циклах являются: внутреннее трение частиц рабочего вещества, трение в элементах машины, дросселирование, диффузия, смешение потоков рабочего вещества, химические реакции, неравновесные фазовые превращения. Внешняя необратимость 16 определяется наличием конечной разности температур в процессе теплообмена рабочего вещества с источниками низкой и высокой температур или с окружающей средой. Возможны различные сочетания внутренне и внешне обратимых и необратимых процессов. Их можно классифицировать следующим образом: процессы вполне обратимые как внутренне, так и внешне; процессы внешне обратимые, но внутренне необратимые; процессы внешне необратимые, но внутренне обратимые; процессы необратимые как внешне, так и внутренне. Все без исключения процессы, происходящие в реальных холодильных машинах, относятся к четвертой группе. Тем не менее при термодинамическом анализе можно использовать процессы первых трех групп, применяя метод наращивания (суммирования) потерь. Обратимые процессы можно изображать в термодинамических диаграммах, в то время как изображение необратимых процессов в значительной мере условно. В термодинамике существуют равнозначные понятия: обратимый обратный цикл, цикл-образец, цикл с минимальной работой, т. е. цикл, при помощи которого с минимальными затратами работы можно перенести теплоту от ИНТ к окружающей среде или к ИВT. Наличие необратимых потерь в обратном цикле ведет к увеличению затраченной работы, которая в этом случае определяется по формуле где LMIN — работа, затраченная холодильной машиной, рабочее вещество которой совершает обратимый цикл; L — дополнительная работа, затраченная на компенсацию необратимых потерь. Очень важным является правильное построение обратимого цикла, которое должно осуществляться исходя из следующих положений: процессы сжатия и расширения идут обратимо; теплообмен рабочего вещества с внешними источниками происходит при бесконечно малой разности температур; холодопроизводительность обратимого цикла равна холодопроизводительности рассматриваемого цикла; для цикла теплового насоса теплота, отдаваемая источнику высокой температуры в обратимом цикле, и эта же теплота в рассматриваемом цикле равны между собой. Как уже отмечалось ранее, различают три разновидности обратных циклов: собственно холодильный, теплового насоса и теплофикационный. Принципиальной разницы между ними нет, поэтому их термодинамический анализ будем проводить на примере собственно холодильного цикла. При необходимости анализа циклов теплового насоса или теплофикационного можно воспользоваться полученными закономерностями с учетом их специфики. Для определения дополнительной работы, затраченной на компенсацию необратимых потерь, будем пользоваться уравнением Гюи—Стодолы 17 где ∑∆S— суммарное приращение энтропии всех тел, принимающих участие в процессах. Учитывая, что анализ циклов будем вести с использованием диаграммы s—Т, которая, как известно, составлена для 1 кг рабочего вещества, запишем уравнение Гюи-Стодолы для удельных величин где l— увеличение удельной работы цикла, вызванное наличием необратимых потерь; ∑∆s — суммарное удельное приращение энтропии всех тел, принимающих участие в процессах. Энтропия — функция состояния, поэтому в замкнутом обратном цикле изменение энтропии рабочего вещества равно нулю. Следовательно, под ∑∆s при совершении обратного цикла следует понимать изменение энтропии внешних источников теплоты. Предположим, что необходимо отвести теплоту от источника низкой температуры, характер изменения состояния которого показан на рис. 1.7, при температуре окружающей среды ТO.C. Следует обратить внимание на то, что физические свойства внешних источников и рабочего вещества различны, поэтому процессы изменения их состояния можно изображать на одной диаграмме только условно. Для отвода теплоты будем использовать обратный цикл 1-2-3-4. В нем имеется внешняя необратимость, которая обусловлена наличием разности температур при теплообмене рабочего вещества и внешних источников. Каких-либо других необратимых потерь в этом цикле нет. Рис. 1.7. Обратные циклы при конечных разностях температур Вопросы для самоконтроля 1 Что называется источником низкой температуры? 2 Что называется источником высокой температуры? 3 Чему равняется теплота, отводимая источнику высокой температуры? 4 Какие разновидности обратных циклов знаете? 5 Что называется холодильным коэффициентом? 6 Что характеризует энергетическая эффективность теплового насоса? 8 Какой процесс называется обратимым, какой необратимым? 18 9 Что понимается под термином «внутренне обратимый процесс», «внешне необратимый процесс»? 10 Какие основные необходимые потери возникают при совершение обратных процессов? 11 В каком случае возможно применение уравнение Гюи -Стодолы при оценке потерь, связанных с необратимостью? Рекомендуемая литература Основная 4.1.1, с. 14-33 Лекция 3 Тема. Рабочие вещества холодильных машин. Вопросы 1 Классификация рабочих веществ. 2 Термодинамические, теплофизические, физико-химические и физиологические свойства рабочих веществ холодильных машин. 3 Выбор рабочих веществ и их влияние на показатели и характеристики холодильных машин? Рабочее вещество, посредством которого в холодильной машине осуществляется термодинамический цикл, называют холодильным агентом. В последнее время наибольшее распространение получил термин «хладагент». В абсорбционных холодильных машинах цикл осуществляется с помощью растворов, включающих в себя абсорбент и хладагент. В литературе иногда встречается понятие «рабочие растворы абсорбционных машин». Термодинамические, теплофизические свойства хладагентов, их токсичность, пожаробезопасность, взаимодействие с конструкционными материалами и смазочными маслами оказывают существенное влияние на показатели работы холодильных машин. К таким показателям можно отнести энергетическую эффективность, материалоемкость, надежность, безопасность холодильных машин и др. Свойства хладагентов определяют также температурные условия работы холодильных машин и возможность создания машины той или иной производительности. 1 Классификация рабочих веществ Виды рабочих веществ и их условные обозначения. В настоящее время на практике применяют порядка 20 хладагентов. Наиболее доступными хладагентами являются вода и воздух. Применение воды ограничено из-за низких давлений водяного пара (0,796 кПа при t= 2 °С), больших удельных объемов пара при низких температурах (226 м3/кг при 0 °С), возможности рабо19 ты машины с водой только в области положительных температур охлаждения (при О °С вода замерзает, что делает невозможным осуществление термодинамического цикла машины при отрицательных температурах). Поэтому воду применяют только в пароэжекторных и абсорбционных бромистолитиевых холодильных машинах. Применение воздуха ограничено в связи с его малой теплоемкостью (около 1 кДж/(кгК)), вследствие чего в холодильных машинах должно циркулировать большое количество воздуха. Воздух применяют в газовых (воздушных) холодильных машинах сравнительно небольшой производительности. В качестве хладагента широко распространен аммиак (NН3). Его применяют в машинах средней и крупной производительности, как правило, для получения средних температур охлаждения. Уже к концу XIX века аммиак практически вытеснил Другие холодильные агенты, такие как хлористый этил, сернистый ангидрид, хлористый метил, диоксид углерода. Достоинствами аммиака являются хорошие термодинамические свойства, высокая объемная холодопроизводительность, относительно невысокие давления конденсации, давления кипения, близкие к атмосферному. В то же время аммиак токсичен, взрыво- и пожароопасен, реагирует с большинством цветных металлов. В тридцатых годах XX века в качестве хладагентов начали применять фреоны — фторхлорбромпроизводные углеводородов метана, этана, пропана и бутана. Фреон — торговая марка, принадлежащая американской фирме «Дюпон», которая в 1928 году впервые синтезировала фреон 12. Фреоны содержат в различных соотношениях фтор, хлор и бром. Обобщенная химическая формула фреона СmНnFpClqВгг, где m, n, р, q, г — числа атомов химических элементов, входящих в состав данного фреона. Возможны 15 типов соединений галогенпроизводных метана, 55 — этана, 332 — пропана, более 1000 — бутана. В нашей стране вместо термина «фреон» исполъзуют термин «хладон». Международной организацией по стандартизации (ИСО) введен международный стандарт МС ИСО 817-74 ла систему обозначений хладонов. Эта система состоит из наименования и числа: буква К или слово геГп§егап1; (хладагент) составляют наименование, цифры связаны со структурой молекулы хладагента. У хладагентов неорганического происхождения цифры соответствуют их молекулярной массе, увеличенной на 700. Например: вода (Н2O) — R718, аммиак (NН3) — R717, двуокись углерода (СO2) — R744. Для хладонов — производных метана — соединения без атомов водорода записывают цифрой 1, к которой прибавляют цифру, определяющую число атомов фтора. Например: СF2Сl2 — R12, СF4 — R14. Для производных этана, пропана и бутана перед цифрой, определяющей число атомов фтора, ставятся соответственно 11, 21, 31. Например: С2F2С14 — R112, С4F7С1 — R317. При наличии атомов водорода у производных метана к первой цифре, а у этана, 20 пропана и бутана — ко второй прибавляют число, равное числу незамещенных атомов водорода. Например: СНFС12 — R21, С2Н3F3 — R143. При наличии в молекуле хладона атомов брома к числовому обозначению добавляют букву В и цифру, соответствующую числу атомов брома. Например: СF2Вг2 — R12В2. Начиная с галогенопроизводных этана появляются изомеры. Они имеют одинаковое цифровое обозначение и различаются строчной буквой в конце. Симметричный изомер обозначается только цифрами. Указанием асимметрии являются строчные буквы а, в, с и т. д. Например: СНF2-СНF2 — R134, СF3СН2F — R134а. В обозначении неазеотропных смесей хладагентов указываются виды хладагентов, входящих в смесь, и их процентное содержание в смеси. Например: R22/R12 (90/10) представляет собой смесь, состоящую из 90 % R22 и 10 % R12. В обозначении хладагенты располагаются в порядке повышения нормальных температур кипения. Азеотропные смеси условно обозначают цифрами 500, 501 и т. д. В случае, если в молекуле хладона 10 и более атомов фтора, последние две цифры отделяются от предыдущей чертой, например: С4F10 — R31-10. Рабочие растворы абсорбционных холодильных машин не имеют условных обозначений. Употребляют либо их названия, либо химические формулы их компонентов. Например: рабочий раствор — водный раствор бромистого лития, или Н2O-LiВг; раствор метанол — бромистый литий или СН3ОН-LiВг. Характеристика растворов, предложенных для применения в абсорбционных холодильных машинах и используемых на практике, приведена в [1]. Классификация хладагентов по температурам и давлениям. Хладагенты классифицируют по давлениям насыщенного пара и нормальным температурам кипения. По давлениям насыщенного пара их подразделяют на хладагенты высокого, среднего и низкого давления. К первой группе относят хладагенты, у которых давление пара при температуре 30 °С составляет 2—7 МПа. В эту группу входят R13, R503, R744. Давление хладагентов, входящих во вторую группу, составляет 0,3-2 МПа (R717, R12, R22, R134а). У хладагентов третьей группы давление пара при температуре 30 °С ниже 0,3 МПа (R11, R718, R11З). По нормальным температурам кипения хладагенты также подразделяются на три группы: низкотемпературные (tн < -60 °С), среднетемпературные (tн = -60 °С -100 С), высокотемпературные (tн < -10 °С). Классификации по давлениям и температурам взаимосвязаны. Хладагенты высокого давления являются низкотемпературными рабочими веществами, низкого давления - высокотемпературными. 21 Таблица 2.1. Термодинамические характеристики рабочих веществ парокомпрессорных холодильных машин Рабо- Химиче- Моляр- НорКрити- Крити- Удельная Газовая Покачее ская фор- ная мас- мальная ческая ческое теплота посто- затель веще- мула са М, темпера- темпе- давле- парообра- янная адиабаство КГ/КМ тура ки- ратура ние зования Я, ты k ОЛЬ пения tH, tKP, °C pKP, при 98 кПа Дж/(кг °С МПа г, К) кДж/кг Рабочие вещества низкого давления R718 H 2O 18,016 100,0 374,15 22,11 2259,72 461,51 1,330 R21 СНFС12 102,92 8,73 178,50 5,173 239,0 80,78 1,160 R123 СF3152,9 27,9 183,8 3,674 167,6 54,368 — СНС12 R142 С2Н3F2С1 100,49 -9,20 136,45 4,138 223,5 82,74 1,135 RС318 С 4F8 200,04 -5,97 115,32 2,780 112,0 41,56 — Рабочие вещества среднего давления R12 СF2С12 120,91 -29,74 112,00 4,119 166,0 68,76 1,140 R22 СНF2С1 86,47 -40,81 96,13 4,990 229,0 96,16 1,160 R32 СН2F2 52,02 -51,7 78,4 5,830 391,9 159,8 R125 СНF2-СF3 120,0 -49,3 66,25 3,631 161,9 69,275 __ R134а СF3СН2F 102,03 -26,80 101,10 4,067 217,8 81,49 — R143 С2Н2F2 84,04 -47,58 73,10 4,110 226,0 98,93 — R152а СF2Н-СН3 66,05 -24,15 113,3 4,520 331,9 125,9 __ R290 С3Н8 44,10 -41,97 96,81 4,269 419,0 88,55 1,130 R717 NH3 17,03 , -33,35 132,40 11,397 1360,0 488,16 1,300 Рабочие вещества высокого давления R13 СF3С1 104,46 -81,59 28,75 3,868 149,7 79,59 — R14 СF4 88,00 -128,02 -45,65 3,745 136,3 94,48 1,220 R23 СНF3 70,01 -82,14 26,30 4,811 239,5 118,76 — R170 С2Н6 30,07 -88,53 32,27 4,934 470,0 276,51 1,250 R1150 СН2=СН2 28,05 -103,74 9,50 5,056 465,57 296,37 — R744 СO2 44,10 -78,50 31,20 7,383 573,13* 188,54 1,300 Воздух — 28,95 -192.. .- -140,70 3,756 196,80 288,0 1,400 195 * Теплота сублимации. Уравнения состояния реальных газов и паров. Уравнение состояния, связывающее между собой термические параметры вещества, называется термическим уравнением состояния. В общем виде оно имеет вид Термодинамические свойства рабочих веществ парокомпрессорных холодильных машин 22 Термодинамические характеристики рабочих веществ влияют главным образом на температурные режимы работы холодильных машин, эффективность термодинамических циклов, показатели и характеристики холодильных машин и компрессоров. К термодинамическим характеристикам хладагентов относятся критические параметры ркр , Ткр, vкр , нормальная температура кипения Тн (температура кипения при атмосферном давлении), температура затвердевания Т3, постоянная Трутона Мгн/Тн (М — молярная масса, гн — удельная теплота парообразования при давлении 0,1 МПа), число Гульдберга Тн/Ткр, теплоемкости жидкости с'Х, сухого насыщенного пара с"Х , перегретого пара сР, сV, энтропия S и энтальпия i. Помимо этого, в области насыщенного пара термодинамические свойства определяются зависимостью давления от температуры: Р = f(t) Термодинамические параметры отдельных хладагентов представлены в табл.2.1. Рис. 2.1. Зависимость коэффициента сжимаемости R22 от давления при разных температурах Уравнение Клапейронами pv= R Т справедливо для идеальных газов. Для реальных газов его можно применять только при очень малых давлениях (при р 0). Очевидно, что в этом случае плотность газа мала и, следовательно, его свойства приближаются к свойствам идеального. Исходя из уравнения Клапейрона для идеальных газов и паров, отношение рv RТ = 1 не зависит от р и Т. Это отношение называется коэффициентом сжимаемости Для реальных газов сжимаемость является величиной переменной, зависящей от природы газа, давления и температуры. На рис. 2.1 показано совместное влияние температуры и давления на коэффициент сжимаемости R22. С помощью коэффициентов сжимаемости можно выразить зависимость между параметрами реальных газов в виде уравнения которое позволяет определять неизвестный параметр по двум известным, если задана функция z = f(v, Т). 23 Отклонения поведения реальных газов от уравнения Клапейрона объясняются влиянием сил притяжения и отталкивания между молекулами, а также и тем, что молекулы газа занимают некоторый объем. Физические особенности реальных газов более точно отражаются уравнением Ван-дер-Ваальса. Оно же является и наиболее простым, единым для жидкой и газовой фаз термическим уравнением состояния. Ван-дерВаальс учел влияние сил взаимодействия молекул и влияние их объема, введя поправочные факторы в уравнение состояния идеального газа: Величины а и b постоянные для каждого газа. Величина а/v2 называемая внутренним давлением, учитывает силы притяжения между молекулами. Величина b учитывает объем, недоступный для движения молекул. В уравнении (2.4) R является обычной газовой постоянной идеального газа, R =8314/. Величины а и b, называемые константами Ван-дер-Ваальса, зависят от критических параметров. В результате ряда исследований было установлено, что коэффициенты а и b изменяются в зависимости от давления и температуры. Уравнение (2.4) не полностью отражает силовое взаимодействие молекул и количественно не согласуется с экспериментальными значениями термических параметров, особенно при высоких температурах. Для реальных газов и паров предложено много уравнений состояния, но ни одно из них не обладает достаточной общностью и точностью. Они различаются по структуре и по ширине описываемой области параметров. На практике применяют уравнения состояния Битти-Бриджмена, Вукаловича и Новикова, Боголюбова-Майера, Елецкого и др. Уравнение (2.5), называемое уравнением Боголюбова-Майера, было получено независимо американским физиком Дж. Майером и советским математиком Н. Н. Боголюбовым в результате развития кинетической теории: где В2, В3, В4, ..., В n+1 — вириальные коэффициенты, зависящие от температуры. Вириальные коэффициенты имеют физический смысл — характеризуют взаимодействие пары, троек и т. д. до i = n молекул. С увеличением числа взаимодействующих молекул уменьшается относительный вклад вириальных коэффициентов в уравнение (2.5). Чем меньшее значение имеет плотность рабочего вещества, тем меньшее число членов нужно учитывать. Вычисление вириальных коэффициентов по потенциальной энергии взаимодействия затруднено в связи с тем, что для большинства веществ аналитическое выражение закона взаимодействия молекул неизвестно. Поэтому на 24 практике младшие вириальные коэффициенты определяют по экспериментальным данным. Уравнения состояния реальных хладагентов имеют большое значение. Располагая таким уравнением, а также зависимостью для теплоемкости сP или сV, можно по известным в термодинамике формулам определить все термодинамические параметры хладагента. Термодинамическое подобие. Теория термодинамического подобия является частным случаем общей теории подобия и служит методологией эмпирических обобщений в теплофизике. Общая идея теории подобия — описание явлений на основе масштабов, свойственных именно этому явлению, с помощью единиц измерения, определяемых физической природой системы. Отсюда переход к использованию безразмерных, приведенных величин. Уравнение состояния реального газа независимо от его вида содержит несколько индивидуальных констант, характеризующих природу данного вещества (величины а и b в уравнении Ван-дер-Ваальса), а также универсальные константы, например универсальную газовую постоянную Е, постоянную Больцмана. Если число независимых индивидуальных констант в уравнении состояния меньше или равно двум, то оно может быть приведено к безразмерному виду, общему для всех веществ, подчиняющихся данному уравнению состояния. В этом случае в уравнение входят приведенные давление, температура и объем, представляющие собой отношение этих параметров к их критическим значениям: Полученное уравнение = (,) называется приведенным уравнением состояния. Уравнение Ван-дер-Ваальса с безразмерными переменными имеет вид Соотношение (2.7) называется приведенным уравнением Ван-дерВаальса. Отсутствие индивидуальных параметров, отражающих природу вещества, делает его общим, единым уравнением для газов, состояние которых им описывается. Состояния веществ, в которых они имеют одинаковые приведенные параметры, называются соответственными. Очевидно, что, например, критические состояния всех веществ являются соответственными, так как для них , , равны 1. Уравнение (2.7) выражает так называемый закон соответственных состояний, который может быть сформулирован следующим образом: если разные вещества описываются одним и тем же приведенным уравнением состояния и имеют два одинаковых приведенных параметра, то и третий приведенный параметр для этих веществ будет одинаковым. То есть вещества 25 находятся в соответственных состояниях. Вещества, подчиняющиеся закону соответственных состояний, называются термодинамически подобными. Число индивидуальных констант, входящих в общее уравнение состояния, равно числу констант, содержащихся в аналитическом выражении для потенциальной энергии и(г) взаимодействия двух молекул вещества. Оно равно по меньшей мере трем. Следовательно, и в уравнение состояния войдет более двух индивидуальных констант. Поэтому единого приведенного уравнения состояния, имеющего силу для всех без исключения веществ, быть не может. Однако среди различных веществ можно найти такие, у которых одна или несколько индивидуальных констант одинаковы, либо между двумя индивидуальными константами существует общее для этих веществ соотношение. Тогда одна из этих констант становится групповой для данной группы веществ. Если общее число констант равно трем, то для рассматриваемой группы веществ будет иметь силу закон соответственных состояний, а вещества будут термодинамически подобными. Закон соответственных состояний справедлив для класса нормальных недиссоциированных веществ, к которым относится подавляющее большинство соединений. В их числе все углеводороды, их галоидопроизводные, простые и сложные эфиры, недиссоциирующие неорганические соединения, сжиженные инертные газы. Этот закон действует во всей обширной области жидкостей и газов — от слабо сжатых газов до плотных жидкостей вблизи линии плавления, включая и метастабильные области. При наличии термодинамического подобия нескольких хладагентов значения коэффициентов сжимаемости z (2.2) при одинаковых и будут одинаковыми для всей этой группы. Для большинства хладонов и некоторых других хладагентов zкр = = 0,260,28, что позволяет для этой группы веществ получить однозначную зависимость z = f(,) . Термодинамическое подобие распространяется не только на зависимость между приведенными термодинамическими параметрами, но и на другие термодинамические и теплофизические величины. Из закона соответственных состояний вытекает, что для теплоемкостей сp и сv, теплоты парообразования г, коэффициента поверхностного натяжения вязкости , теплопроводности , коэффициента диффузии D термодинамически подобных веществ существуют общие зависимости [9]. Эти уравнения позволяют по известным свойствам одного из веществ определять свойства других, термодинамически подобных ему веществ при одинаковых условиях, т. е. при равный значениях приведенных параметров и . Этот метод неоднократно использовался для предварительной оценки свойств новых хладагентов. Влияние термодинамических свойств на необратимые потери работы при дросселировании жидкости и сжатии пара. Рассмотрим влияние термодинамических свойств рабочих веществ (г, с'х, с'х и ср) на необратимые потери работы при осуществлении названных процессов на примере теоретического цикла холодильной машины (рис. 2.2). 26 При постоянных температурах внешних источников Тинт и Т O.C , бесконечно малой разности температур в процессах теплообмена между рабочим веществом и источниками, а также при обратимых процессах сжатия (12' и 2'-b) цикл 1-2'—b-3-4—1 имеет только один необратимый процесс дросселирования (3—4). Холодопроизводительность цикла q0 = i1 — i4 в S-Тдиаграмме эквивалентна площади под процессом 4-1 (пл. d-4—1-с). Ее можно представить как разность площадей (пл. а'—0—1-е) -- (пл. а'-0-4-d) = пл. (1—4-1—с; пл. а'—0—1-е соответствует теплоте парообразования г0 при температуре кипения Т0, а пл. а'—0—4—d — количеству теплоты q' = i4 — i0. Учитывая, что в дроссельном процессе 3-4 i4 = i3 получим q' = i3 -i0. В изобарном процессе 0—3 количество подведенной теплоты равно с'х(Т-Т0) и, таким образом, q' = с'х(Т-Т0). Следовательно, q0=г0- с'х(Т - То). Количество теплоты, отведенной от рабочего вещества в процессе 2'—3, q = Тs2'-3. Изменение энтропии в процессе 2'—3 s2,-3 = s1-0 - s3-a. Так как s1-0 = г0/Т0 и s3-a = с'х ln(Т/Т0), получим Рис. 2.2. Теоретический цикл холодильной машины Холодильный коэффициент цикла 1—2'—b—3—4—1 Разделив почленно числитель и знаменатель на r0, получим Из уравнения следует, что наибольшего значения , достигает при г0 и с'х 0. В цикле 1-2-3-4-1 помимо необратимых потерь при дросселировании имеют место необратимые потери, связанные с перегреванием пара при сжатии (в процессе 2'-2). Работа цикла по сравнению с циклом 1—2'—b—3—4— 1 (при одинаковых холодопроизводительностях) возрастает на величину L, эквивалентную площади 2'-2—b—2', Пренебрегая нелинейностью линии 2-b, получим 27 Из термодинамики известно, что ds = с(dT/Т), где с — теплоемкость процесса. Интегрируя это уравнение при ср =const в пределах от Т до Тr и при с''x = const в пределах от Т0 до Т, получим Отсюда Tг = Т(Т/Т0)c"x/cp; l = 0,5c"xT[(Т/Т0)c"x/cp -1] ln(T/Г0). Холодильный коэффициент цикла 1-2-3-4-1 Разделив почленно числитель и знаменатель на rO, получим Из уравнения (2.9) следует, что наибольшего значения , достигает при максимальных значениях теплоты парообразования (г0 ) и изобарной теплоемкости перегретого пара (ср ), а также минимальных значениях теплоемкостей насыщенной жидкости (с'х 0) и насыщенного пара (с"x 0). Степень обратимости термодинамических циклов, характеризующая термодинамическое совершенство рабочего вещества, при условии постоянства температур источников подвода и отвода теплоты определяется как отношение холодильного коэффициента цикла к холодильному коэффициенту цикла Карно. Степень термодинамического совершенства зависит от внутренних необратимых потерь в цикле, определяемых коэффициентами, учитывающими потери от дросселирования g и перегревания пара при сжатии n . Для теоретического холодильного цикла при постоянных температурах источников Эта зависимость важна для анализа и выбора рабочих веществ в соответствии с совершаемыми ими циклами. Если принять,что =const для данной группы веществ, то величины g и n обратно пропорциональны, т. е. для веществ, у которых велики дроссельные потери, малы потери от перегревания пара и наоборот. Как показал выполненный анализ, дроссельные потери связаны с такими термодинамическими свойствами рабочих веществ, как теплоемкость насыщенной жидкости с'х и теплота парообразования r0. Рабочие вещества, имеющие большую теплоту парообразования г0, обладают малой теплоемкостью насыщенной жидкости с'х (крутой подъем левой пограничной кривой S—Т-диаграммы), и поэтому дроссельные потери цикла здесь будут ми28 нимальными, а значение g большим. При осуществлении цикла в области, лежащей ближе к критической температуре, необратимость дросселирования увеличивается, так как г0 0, а с'х . Поэтому применять рабочие вещества высокого давления, имеющие низкую критическую температуру, для получения умеренно низких температур кипения нецелесообразно. При заданных постоянных температурах внешних источников рабочее вещество надо выбирать с такими свойствами, чтобы цикл осуществлялся при температурах, не близких к критической (T/Tкр = 0,5 0,85). Потери от перегревания пара хладагента при сжатии помимо названных параметров с'х и г0 зависят также от теплоемкости насыщенного и перегретого пара при постоянном давлении с"х и сp . Это связано с тем, что при малом значении сp наклон изобар в области перегретого пара крутой и, следовательно, температура в конце процесса сжатия повышается, а соответственно уменьшается n (например, у аммиака). Выражение (2.10) показывает, что характер потерь термодинамического цикла зависит от свойств рабочих веществ и для различных холодильных агентов неодинаков. В зависимости от характера потерь каждого рабочего вещества цикл холодильной машины должен состоять из различных процессов. Для веществ, у которых большие значения n и малые g, необходимо включать процессы, уменьшающие потери от дросселирования, и, наоборот, для веществ, имеющих малые значения n ,— процессы, сокращающие потери от перегревания пара при сжатии. Теплофизические, физико-химические и физиологические свойства рабочих веществ холодильных машин Теплофизические свойства. К теплофизическим свойствам относятся плотность, теплопроводность, температуропроводность, вязкость, поверхностное натяжение и некоторые другие свойства. Они влияют на интенсивность тепломассопереноса в аппаратах холодильных машин, а также на сопротивления при движении газообразных и жидких хладагентов в системе. Названные факторы определяют значения необратимых потерь в процессах тепломассопереноса и транспортировки рабочих веществ, что в конечном итоге сказывается на общей энергетической эффективности холодильных машин и их конструктивных особенностях. Для тепломассообмена в аппаратах со сравнительно высокой интенсивностью желательно иметь хладагенты с большими значениями теплопроводности, плотности, теплоты парообразования и малыми значениями вязкости. На сопротивление при циркуляции рабочих веществ в системе оказывают влияние вязкость и плотность. Массовый расход циркулирующего в системе хладагента зависит от теплоты парообразования и уменьшается с ее ростом. Для уменьшения расхода энергии на перекачивание хладагента в системе желательно иметь возможно большие значения теплоты парообразования и наименьшие значения вязкости. 29 В качестве общей характеристики свойств рабочих веществ для теплообмена при кипении и конденсации могут быть выбраны критические параметры рабочих веществ и их молярная масса. Теплоотдача при кипении и конденсации возрастает при прочих равных условиях по мере уменьшения Ткр и молярной массы и уменьшается с ростом ркр при кипении и с понижением ркр при конденсации. Химические и физико-химические свойства и взаимодействие рабочих веществ холодильных машин с окружающей средой. Химическая стабильность хладагентов характеризуется температурой разложения, воспламеняемостью и взрывоопасностью. Температуры разложения применяемых в холодильной технике хладагентов значительно выше температур, при которых осуществляются термодинамические циклы холодильных машин. При использовании хладонов в регенеративных циклах температура конца сжатия не превышает 70—100 °С, при использовании аммиака — 150 "С. Термическая устойчивость хладагентов различна. Аммиак начинает распадаться на азот и водород при температуре выше 250 °С, двуокись углерода — при температуре выше 1500 °С. Термическая устойчивость хладонов достаточно высока, однако разложение этих соединений сопровождается образованием хлористого и фтористого водорода, а также следов фосгена. Начальная температура разложения хладонов повышается с увеличением содержания фтора в молекуле и зависит от материалов, в контакте с которыми они находятся. Она выше при контакте с никелем и высоколегированными сталями и уменьшается в присутствии углеродистых сталей. Хладагент R12 в присутствии железа, цинка, дюралюминия, меди начинает разлагаться при 410-430 °С, в присутствии свинца — при 330 °С, хладагент R22 в присутствии железа — при 550 °С. На основании анализа опубликованных данных можно заключить, что относительная термическая стойкость хладонов уменьшается в следующем порядке R11 < R21 < R11З < R22 < R12 < R114 < R115 < R318С < R13 < R14. Хладагенты R14, R318С, R218, R846 термически очень устойчивы, распадаются только при температуре красного каления. Наименее устойчивы к влиянию высоких температур бромированные углеводороды. В табл. 2.2 приведены данные по рекомендуемым допустимым температурам применения отдельных хладонов в зависимости от контактирующих металлов и сплавов [41]. Таблица 2.2 Температура (OС) применения хладонов в контакте с различными металлами Хладоны Металл R12, R21, R11 R22 30 Углеродистая сталь Медь и медные сплавы Коррозионно-стойкие стали типа 18-8 Высоколегированные стали Никель и никелевые сплавы 50 50 150 150-200 200 100 100 150-200 200 200 Термическая устойчивость хладагентов снижается в присутствии смазочных масел. Минеральные масла сильнее влияют на ухудшение термической устойчивости, чем синтетические, применяемые в холодильной технике. Разложение хладагентов оказывает отрицательное влияние на надежность компрессоров, продолжительность использования в них масла без замены. Хладагенты обладают различной степенью воспламеняемости и взрывоопасное™. Аммиак в соединении с воздухом при концентрациях 16-26,8 % взрывоопасен и воспламеняем. Наибольшей взрывоопасностью характеризуются этан, этилен, пропан и бутан. Так, с точки зрения воспламеняемости допустимая норма содержания в воздухе этана и пропана не должна превышать 40 г/м3, этилена — 32 г/м3. Взрывоопасность и воспламеняемость хладонов заметно снижается с уменьшением числа атомов водорода в молекуле и возрастанием числа атомов хлора, фтора и, особенно, брома. Не воспламеняются и не взрывоопасны двуокись углерода, R22, R23, R123, R124, R125, R134, R134а. Взаимодействие с водой и примесями. При эксплуатации холодильных машин исключительно важно обеспечить отсутствие в хладагентах воды, неконденсирующихся газов и других примесей. Содержащиеся в хладагенте примеси влияют на его термодинамические свойства, особенно при низких давлениях, повышая температуру и давление кипения. Предельные нормы содержания влаги и других примесей в хладагентах установлены ГОСТом. Аммиак и вода обладают полной взаимной растворимостью. Технический аммиак должен содержать не более 0,2% воды. Растворимость воды в жидких хладонах мала и составляет при температуре 15,6 °С в зависимости от типа хладона 0,01-0,10% (по массе). Присутствие в хладагенте нерастворенной влаги приводит к опасности образования льда в дроссельных устройствах холодильной машины. Уже небольшое количество влаги вызывает гидролиз хладонов с образованием соляной и плавиковой кислот. Образующиеся кислоты оказывают коррознойное воздействие на металлические детали холодильных машин и разрушают электрическую изоляцию встроенных электродвигателей. Наиболее часто поражаемые коррозией элементы холодильной машины — компрессор, дроссельный орган и испаритель. Чистые углеводороды (этан, пропан, изобутан) не реагируют с водой. Хладон R12 для герметичных машин должен содержать не более 0,0004% (по массе) влаги, хладон R22 — не более по 0,0025% (по массе). Для обеспечения безопасного уровня влажности в системе холодильной машины устанавливают фильтрыосушители. В качестве адсорбентов используют сили-кагель, активную окись алюминия, цеолиты NаА и NаАm. 31 Взаимодействие со смазочными маслами. Смазочные масла применяют в компрессорах холодильных машин для создания масляной пленки между трущимися деталями, уменьшающей трение и износ; они также охлаждают детали и уплотняют зазоры. Масло, находящееся в машине, должно удовлетворять требованиям по вязкости, маслянистости и стабильности при различных температурах и давлениях. Условия работы холодильных машин диктуют к маслам следующие требования: при низких температурах из масла не должны выпадать твердые частицы парафина и оно должно оставаться достаточно текучим, при высоких температурах не должно происходить коксования и образования асфальтов и смол, масло должно быть стабильным при многолетней эксплуатации. Вязкость применяемых масел при 50 °С должна быть не менее 16 мм2/с. Минеральные масла имеют более крутую вязкостно-температурную кривую, чем синтетические. Так, вязкость минерального масла ХФ-22 при изменении температуры от 20 до -20 °С возрастает в 20 раз, а синтетического масла — ХФ-22с — в 10-12 раз. Температура застывания масел ниже их рабочих температур. Для эксплуатации масел в холодильных машинах существенное значение имеет так называемая температура помутнения, при которой из масел выпадают тяжелые углеводороды (парафины). Осаждение парафинов в испарителях, в узких сечениях дроссельных органов нарушает работу холодильной машины. Поэтому температура помутнения должна быть во всех случаях ниже температуры кипения хладагента в испарителе. Смазочные масла должны быть тщательно осушены. Содержание воды в масле Должно быть не более 20 частей на миллион частей масла. Обезвоженное масло весьма гигроскопично, оно поглощает до 1% воды, поэтому должно содержаться в герметичной таре и, по возможности, меньше соприкасаться с наружным воздухом. Рабочие вещества по-разному реагируют с маслами. Аммиак не растворяет масло, и поэтому в аммиачных холодильных машинах отделение масла после компрессора в маслоотделителях сводит к минимуму возможность попадания его в теплообменные аппараты. Для хладонов, растворяющих масло, его влияние сказывается как на термодинамических и теплофизических свойствах, так и на условиях теплообмена и гидравлических сопротивлениях. Наличие в хладоне растворенного масла ухудшает теплообмен при конденсации и кипении этого хладагента. По степени взаимной растворимости с минеральными маслами рабочие вещества могут быть разделены на три группы: с ограниченной растворимостью, с неограниченной растворимостью; промежуточные — с ограниченной растворимостью в определенном интервале температур. Вещества первой группы в состоянии насыщения растворяются в масле в небольшом количестве. При увеличении количества масла смесь разделяется на два слоя — масло и холодильный агент. При большой плотности рабочего вещества слой масла всплывает, при малой — осаждается. Вещества второй группы в переохлажденном состоянии с маслом взаимно растворяются в неограниченных количествах. В состоянии насыщения количество рабочего вещества, раство32 ряющегося в масле, зависит от температуры раствора и давления пара над ним: с повышением давления и снижением температуры концентрация хладона в масле возрастает. При постоянном давлении понижение температуры вызывает поглощение, а повышение — возгонку хладона. Вещества третьей группы при высоких температурах растворяются в масле неограниченно. Ниже некоторой критической температуры растворения раствор разделяется на два слоя. Необходимо выбирать масло с возможно более низкой критической температурой растворения: R22 имеет критическую температуру растворения tP.KP= 24 OС, поэтому он неограниченно растворяется в масле при высоких температурах (в конденсаторе), а при низких температурах (в испарителе) будет расслаиваться; R12 имеет tP.KP = -45 °С, поэтому при температурах процессов машины выше этого значения такой хладагент обладает неограниченной растворимостью. С повышением растворимости жидкого рабочего вещества повышается и растворимость паров в масле. Концентрация масла в паре незначительна, однако парциальное давление пара в результате его растворимости имеет более низкое значение, чем чистое вещество, а поэтому температура кипения жидкости, растворенной в масле при том же давлении, будет выше, чем чистого вещества. Растворимость хладонов с возрастанием в соединении атомов фтора уменьшается. Практически не растворяются в минеральных маслах вещества R13, R14, R115, R22, R114, а азеотропная смесь из R152 и R12 растворяется частично (она имеет зону несмесимости); R11, R12, R21, R11З растворяются неограниченно. Малой растворимостью обладают фторированные углеводороды С3F8, С4F10 и пр. У рабочих веществ второй группы при использовании тяжелых масел и при низких температурах обнаруживается зона несмесимости. Вещества третьей группы (R22) переходят во вторую при использовании легких или синтетических масел. В том случае, когда рабочее вещество не растворяется в масле, отсутствует пена при кипении (в испарителе), в затопленных испарителях масло хорошо отделяется, концентрация растворенного масла не влияет на температуру кипения, более устойчиво работают поплавковые вентили, так как уровень жидкости поддерживается постоянным. Растворимость рабочего вещества в масле способствует тому, что слой масла почти полностью смывается с теплопередающих поверхностей, а в испарителях незатопленных систем он уносится вместе с жидкостью, снижается температура затвердевания рабочего вещества. Растворимость рабочих веществ в масле зависит от температуры и для некоторых веществ показана на рис. 2.6. При расчете циклов холодильных машин она обычно не учитывается, хотя ее следует учитывать, так как уменьшение массовой холодопроизводительности маслохладонового раствора по сравнению с чистым веществом может быть значительным. 33 Рис. 2.6. Растворимость некоторых рабочих веществ в масле Использование рабочих веществ, хорошо растворяющихся в маслах (R12), приводит к необходимости установки регенеративных теплообменников. В теплообменнике происходит не только перегрев чистого пара, а, главным образом, доиспарение рабочего вещества из раствора при повышающейся температуре пара. Возможная степень регенерации зависит от концентрации масла в веществе перед регулирующим вентилем. Взаимодействие с конструкционными материалами. Хладагенты и их растворы со смазочными маслами должны быть по возможности химически инертны по отношению к металлам и их сплавам, другим конструкционным материалам. Аммиак не корродирует стали, однако в присутствии влаги вступает в реакцию с цинком, медью, бронзой и другими сплавами, содержащими медь. Двуокись углерода, пропан, изобутан инертны ко всем металлам. В обезвоженном состоянии хладоны инертны ко всем металлам при температурах, в пределах которых осуществляются термодинамические циклы холодильных машин. Исключение составляют сплавы, содержащие более 2% магния. Все полностью фторированные органические соединения химически нейтральны. Хладоны являются хорошими растворителями, поэтому многие неметаллические материалы в них нестойки. Взаимодействие хладонов с такими конструкционными материалами приводит к их набуханию, диффузии хладагентов и их потерям. Наиболее уязвимыми со стороны хладонов являются неметаллические электроизоляционные, прокладочно-уплотнительные и другие материалы. Это воздействие усиливается еще и тем, что максимальные температуры нагрева в системе изоляции в современных машинах достигают 140-180 °С. Неметаллические конструкционные материалы, применяемые в хладоновых холодильных машинах, должны иметь высокую плотность во избежание утечек хладонов через поры. Для прокладок в хладоновых машинах рекомендуется применять паронит, фторопласт, специальную (нефритовую) резину, а в качестве вяжущих веществ и изоляционных лаков — поливинилацетаты и полиамиды. Взаимодействие рабочих веществ холодильных машин с окружающей средой. Отдельные хладагенты (в основном хладоны) являются одним из источников разрушения озонового слоя атмосферы Земли. Ряд хла34 дагентов, находясь в атмосфере, создают парниковый эффект. Более 95% мирового производства фреонов приходится на хладагенты R11, R12, R22, R11З, R115 [90]. В России в 1993 году при выпуске 3,3 млн. бытовых холодильников и морозильников использовано 5200 т озоноразру-шающих веществ R11, К12, R11З) [20]. Химическая стабильность фреонов столь высока, что молекулы этих веществ не разрушаются в тропосфере (нижняя часть атмосферы высотой до 16 км) и достигают стратосферы (слой атмосферы от 16 до 45 км). Под действием ультрафиолетового излучения происходит распад молекул фреонов с выделением атомов хлора, которые вступают в реакцию с озоном с образованием окислов и кислорода: С1 + O3 СlO + O2. Потенциалы озоноразрушающий и парникового эффекта широко применяемых фреонов приведены в табл. 2.3 [90, 107]. В соответствии с Монреальским протоколом международной конференции по хлорфторуглеводородам 1986 года предусмотрено сокращение производства на 50% к середине 1993 года фреонов R11, R12, R11З, R114, R115 и обеспечение расчетного уровня производства фреонов R12В1, R13В1, R114В2, не превышающего уровень 1986 года. Для холодильной техники основной задачей является резкое сокращение применения самого распространенного озоноактив-ного хладагента R12. Частично это сокращение может быть компенсировано за счет расширения использования наиболее универсального и одного из самых распространенных хладагентов R22, имеющего низкую озоноактивность. Практически возможен и целесообразен переход на R22 при создании новых холодильных машин и компрессоров, работающих при температурах конденсации до 55 °С и кипения до -70 °С. Другое важное направление — это разработка и организация промышленного производства новых альтернативных озонобезопасных хладагентов. В табл. 2.4 приведен перечень распространенных в настоящее время и альтернативных озонобезопасных хладагентов для всего диапазона применения парокомпрессорных холодильных машин. В табл.2.5 представлены данные об относительной озоноак-тивности и потенциале парникового эффекта отдельных озонобезопасных хладагентов. Таблица 2.3. Озоноразрушающий потенциал и потенциал парникового эффекта широко применяемых фреонов Фреон Озоноразрушающий Потенциал парникового потенциал эффекта Условное обозна- Химическая чение формула R11 СFС13 1,0 1,0 R12 СF2С12 1,0 3,0 R22 СНFС12 0,05 0,36 R11З СF3С13 0,8 35 R114 R115 R12В1 R13В1 С2F4С12 С2F5С1 СF2ВrС12 СF3Вг 1,0 0,6 3,0 10,0 3,9 7,5 - Таблица 2.4. Альтернативные озонобезопасные хладагенты Часто испольТемпература Альтернативны Температура зуемый хладакипения, °С и хладагент кипения, °С гент R11З 46,8 R132в 46,8 R11 23,6 R123/R123а 27,1 R114 3,6 R133а 6,1 R21 9,0 R12В1 -3,8 R142в -9,0 R142в -9,0 R142в -9,0 R12 -29,8 R134а -26,8 R152а -24,7 R22/R142в -30,0 R500 -33,3 R22/R142в -33,0 К22/R134а -33,0 R22 -40,8 R22 -40,8 R125 -42,0 R502 -45,6 R502 -45,6 R143в -47,6 R13В1 -57,0 R32 -51,7 R13 -81,6 К13 -81,6 R23 -82,0 R503 -87,8 R14 -128,0 R14 -128,0 Таблица 2.5. Относительная озоноактивностьи потенциал парникового эффектаальтернативных хладагентов Потенциал парТемпература ки- Относительная Хладагент никового эффекпения, °С озоноактивность та R123/R123а 27,0 <0,05 0,02 R125 -48,0 0 0,84 R133а 6,0 <0,05 _ R134 -20,0 0 R142в -9,0 <0,05 0,42 R143а -47,6 0 R152а -24,7 0 0,03 R22 -40,8 <0,05 0,36 R124 -12,0 0 — 36 R134а R32 R23 -27,0 -52,0 -82,0 0 0 0 0,25 — - Согласно экспертным оценкам наибольшее предпочтение отдается хладагентам R22, аммиаку, R134а, R123а, углеводородам, R22/R142а, R22/R152а, R226, R227. Для холодильной техники вместо R12 наряду с названным R22 предложен R134а. Ряд зарубежных фирм освоил выпуск бытовых холодильных агрегатов с последним хладагентом. Значения давлений R134а близки к значениям давления R12. Исследования показывают, что с точки зрения безопасности R134а подобен R12 и R22, однако необходимы более длительные эксперименты, чтобы это заключение могло считаться окончательным. Низкая молярная масса и высокая скрытая теплота парообразования, а также высокая теплопроводность (см. табл. 2.1) | создают определенные преимущества использования в холодильном цикле R134а. В то же время более высокая удельная теплоемкость рассматриваемого хладагента по сравнению с R12 не в его пользу. Хладагент R134а более термически стоек, чем R12, однако его существенным недостатком является незначительная растворимость в традиционно используемых холодильных маслах. Для этого хладагента создано специальное синтетическое (полиэфирное) масло ХС-22. Оно обладает высокой гигроскопичностью, что выдвигает весьма жесткие требования к очистке и осушке системы холодильного агрегата, осушке масла перед заправкой. Сравнение эффективности циклов холодильных машин на R134а и R12 показывает, что теоретически эффективность цикла на R134а составляет 9698% от эффективности цикла на К12. При равных температурах кипения и конденсации в цикле с R134а по сравнению с циклом на R12 давления в испарителе и конденсаторе ниже, отношение давлений конденсации и кипения выше, хотя разность этих давлений меньше. При одинаковой регенерации удельная объемная холодопроизводительность цикла на К134а ниже на 812%, а теплонапряженность компрессора несколько выше. Поскольку молярная масса R134а меньше, то будут ниже по сравнению с R12 гидравлические потери в клапанах поршневых компрессоров. Наряду с R134а в мире, в том числе и в России, для бытовых холодильников рассматриваются и другие озонобезопасные хладагенты. Часть имеющихся предложений предусматривает снятие требования негорючести рабочего вещества. При этом взрыво-и пожаробезопасность обусловливаются малым количеством заправляемого хладагента и обеспечиваются некоторыми изменениями конструкции. Речь идет, прежде всего, о насыщенных углеводородах. В Европе они уже допущены к применению [2, 83]. Вполне эквивалентным заменителем R12 является азеотропная смесь R152а/R600а (0,8/0,2), относящаяся к группе горючих веществ. Удельная объемная холодопроизводительность этой смеси на 5% ниже, чем К12, холодильный коэффициент цикла такой же, как цикла на R12. Энергопотребление бытовых холодильников с указанной смесью в среднем на 10% меньше, чем с R12 [2]. Для 37 замены R12 иR502 в действующем холодильном оборудовании фирма «Дюпон де Немур» предлагает сервисные смеси хладагентов, включающие в себя R22,R152а, R124, R125, R290 [83]. Они являются квазиазеотропными. Из альтернативных хладагентов на сегодняшний день в коммерческих масштабах производят аммиак, R22, R23, R32 и R152а (прежде всего, для азеотропных смесей R503 и R500). Потребление хладагентов R11, R12, R114 и R115 до конца нынешнего тысячелетия, по-видимому, будет продолжаться, поэтому важными задачами являются повышение герметичности холодильных машин, надежности и технического уровня обслуживания и эксплуатации, разработка и внедрение методов регенерации и очистки хладагентов для повторного их использования, сбор хладагентов в технологические емкости при ремонте холодильных машин. Физиологические свойства. По степени токсичности хладагенты холодильных машин делятся на шесть классов. Классификация основана на опытном изучении физиологического воздействия паров хладагентов на подопытных животных. Определены предельно допустимые концентрации (ПДК) большинства хладагентов (табл. 2.6). Вместе с тем ПДК не в полной мере отражает реальную опасность работы с хладагентами в производственных условиях. Так, для R11 и R12В1 ПДК равны и составляют 1000 мг/м3. Однако при 20 °С давление насыщенного пара R12В1 составляет 0,23 МПа, а R11 — лишь 0,09 МПа и соответственно плотность насыщенного пара R12В1 в три с лишним раза превышает плотность пара КН. Это означает, что при разгерметизации системы хладагент R12В1 попадает в воздух рабочей зоны быстрее и в большем количестве, чем R11. Рекомендуется оценивать реальную опасность отравления хладагентом коэффициентом токсической опасности КK.O (табл. 2.6), представляющим собой безразмерную величину, полученную отношением плотности пара р20 при 20 "С к ПДК, установленной для воздуха рабочей зоны, Таблица 2.6. Предельно допустимые концентрации и токсическая опасность хладагентов ПДК, КK.O Хлада- ПДК, КK.O Хлада- ПДК, КK.O Хладагент 3 3 -3 -3 мг/м гент мг/м гент мг/м3 10-3 10 10 R10 20 40 R21 200 30 R150 10 50 R11 1000 5 R22 3000 10 R152 3000 1 R12 300 100 R30 50 30 RС318 3000 7 R12В1 1000 20 R32 1 32000 R1150 50 20 R12В2 860 9 R40 5 2000 R500 3000 9 R20 20 60 R40В1 1 5000 R502 3000 20 R20ВЗ 5 40 R11З 3000 1 R717 20 300 R114 3000 4 R115 3000 20 R130а 5 40 R114В2 1000 4 R130 5 30 R142 3000 4 38 R143 3000 90 Коэффициент токсической опасности показывает, во сколько раз может быть превышена ПДК при аварийной ситуации в реальных производственных условиях. С увеличением Кт 0 меры предосторожности при работе должны повышаться. Аммиак (К717) имеет резкий характерный запах и раздражает слизистые оболочки глаз, желудка, дыхательных путей, вызывает спазмы дыхательных органов, ожоги кожи. Наличие его в воздухе ощущается уже при объемной концентрации 0,0005%. Если в воздухе содержание аммиака свыше 0,5% по объему, то при продолжительном пребывании возможно отравление. Для хладагентов R11, R21 смертельная концентрация составляет 10% (по объему), для R12 и R22 — 20% (по объему). Полностью фторированные хладоны относятся к наименее токсичным соединениям. Практически не токсичны R12В1, R13В1, R114В2. 3 Выбор рабочих веществ и их влияние на показатели и характеристики холодильных машин Основными величинами, ограничивающими температурные диапазоны применения рабочих веществ, являются уровни давлений кипения р0 и конденсации рK, а также разность этих давлений. Давления рK и р0 в цикле холодильной машины существенно влияют на конструкцию компрессора. Высокие давления конденсации (конца сжатия) утяжеляют конструкцию компрессора, низкие давления кипения создают вакуум в испарителе и на стороне всасывания в компрессор, что может привести к проникновению воздуха в систему. Разность давлений (рK — р0) определяет нагрузку на рабочие элементы компрессора, поэтому для сокращения массы и потерь на трение она должна быть меньшей. Важной характеристикой рабочих веществ является отношение давлений pК/p0, от значения которого зависят объемные и энергетические коэффициенты компрессора и затрачиваемая работа. Отношение давлений конденсации и кипения увеличивается с понижением нормальной температуры кипения веществ ТH: обычно стремятся к применению веществ с более низкими значениями ТH, так как они эффективнее по ряду показателей. Однако это не всегда возможно, так как (рK - р0), рK/р0 и рK могут превысить допустимые значения. Сопоставляя значения (pк -pо) и объемную холодопроизводительность рабочих веществ qV, установили, что для разных холодильных агентов в условиях заданного цикла отношение Установленная закономерность позволяет оценить размеры компрессора, работающего на малоисследованном рабочем веществе. При одинаковой холодопроизводительности, числе цилиндров, ходе и частоте вращения соблюдается равенство 39 где D — диаметр цилиндра поршневого компрессора. С учетом уравнения (2.27) получим Из этого уравнения следует, что чем ниже давления и их разность, тем больше размеры компрессора. Рабочие вещества низкого давления в холодильных машинах с поршневыми компрессорами не применяют, так как компрессоры будут иметь большие размеры. Важной характеристикой цикла холодильной машины, влияющей на мощность компрессора, является адиабатная работа, которая уменьшается с увеличением молярной массы рабочего вещества. Эта тенденция особенно четко прослеживается для веществ одного ряда. На значение работы компрессора влияет и показатель адиабаты k. От свойств рабочих веществ зависят гидравлические потери при движении паров в элементах холодильной машины, влияющие на увеличение затраченной работы. Если для одной и той же машины с применением двух рабочих веществ допустимое значение потерь давления принять одинаковым, то допустимая скорость их движения связывается зависимостью Таким образом, с увеличением плотности вещества допустимые скорости должны быть меньшими. В соответствии с зависимостью объемной холодопроизводительности рабочего вещества qV от нормальной температуры кипения Тн применение веществ с низкими Тн для получения одинаковой холодопроизводительности позволяет использовать поршневой компрессор с меньшим числом цилиндров или с меньшим их диаметром. Однако такие вещества требуют увеличения толщины стенок корпуса. Свойства рабочих веществ существенно влияют и на конструктивные параметры центробежных холодильных компрессоров. К ним относятся отношение давлений pK/p0, объемная холодо-производительность qV, молярная масса М, показатель адиабаты и некоторые другие. Диаметр рабочего колеса D растет при увеличении М и уменьшении qV, в связи с чем для уменьшения размеров машины следует применять вещества с более низкими значениями Тн. Уменьшение D за счет снижения М приводит к увеличению окружных скоростей колес u. Наибольшая величина и определяется допустимым значением числа Маха М и скоростью звука по условиям входа в колесо. Поскольку М по условиям выхода не зависит от рода сжимаемого вещества, величина и зависит от скорости звука в рабочем веществе и понижается с уменьшением показателя адиабаты и увеличением молярной массы. При близких значениях числа Маха для разных рабочих веществ можно принимать одинаковую 40 степень повышения давления в ступени CT, определяющую число ступеней в зависимости от условий осуществления термодинамического цикла. Применение веществ с большой молярной массой (тяжелых веществ) позволяет снизить окружную скорость колес u, а при равных Q0 и qV может привести к снижению частоты вращения вала. Понижение нормальной температуры кипения вещества способствует уменьшению численного значения отношения давлений рK/р0, поэтому при низких ТH можно достигнуть более низкой Т0 в одной ступени. Большое число рабочих веществ, потенциально возможных для использования в холодильной технике, так же как и многообразие их термодинамических и практических свойств, позволяет сделать вывод о том, что найти вещество, сочетающее только положительные качества и свойства, весьма трудно. При выборе холодильного агента необходимо проанализировать совокупность всех качеств и факторов, характеризующих как работу холодильной машины, так и конструктивные особенности ее отдельных элементов, и стремиться к уменьшению отрицательного влияния свойств вещества. Это достигается на основе термодинамического анализа действительных рабочих процессов цикла в сочетании с техникоэкономическим анализом. Вопросом исследования свойств рабочих веществ и их влияния на энергетические, эксплуатационные и конструктивные показатели и характеристики холодильных машин и их элементов занимались и занимается ряд отечественных ученых. А. В. Быков разработал и предложил термодинамические комплексы, позволяющие выполнять сравнительный анализ свойств веществ в соответствии с практическими характеристиками машин. На основе его исследований при выборе холодильного агента можно руководствоваться следующими рекомендациями по свойствам веществ, характеризующих конструктивноэксплуатационные качества машин. Рекомендуется выбирать вещества с минимальными значениями нормальной температуры кипения ТH, давления конденсации рK, разности давлений (рK - р0), отношения давлений рK/р0, адиабатной работы lад, плотности пара рвс, всасываемого компрессором, показателя адиабаты k. Одновременно желательно иметь максимальные значения давления кипения в испарителе р0 и объемной холодопроизводительности. Помимо термодинамических свойств при выборе рабочего вещества определенные требования предъявляются к термической стабильности, токсичности, растворимости с маслами и водой, взрывоопасное, горючести, стоимости и др. Исходя из допустимой разности давлений конденсации и кипения (рK — р0) = 1,7- 2,1 МПа с учетом целесообразных величин рK/р0 и температурных характеристик компрессоров разработаны рекомендуемые диапазоны применения наиболее распространенных рабочих веществ и азеотропных смесей [86]. 41 В соответствии с классификацией рабочих веществ и зонами применения вещества низкого давления рекомендуется применять в машинах для кондиционирования воздуха при высоких температурах конденсации: R11 и R11З — в машинах с центробежными компрессорами небольшой производительности в одно-и двухступенчатых циклах. Вещества среднего давления являются наиболее распространенными, применяются при температурах кипения от +10 до —80 °С в одно- и двухступенчатых циклах (реже в каскадных) холодильных машин. Вещества высокого давления применяются только в нижних каскадах низкотемпературных машин. Аммиак (R717) применяют в компрессорах с открытым приводом при температурах конденсации t 55 °С, в одноступенчатых машинах — до t0 = 30 0С, в двухступенчатых — до t -60 °С. Высокие значения показателя адиабаты, отношения давлений pК/p0, повышенные требования к технике безопасности ограничивают его применение. Аммиак широко используют в многоступенчатых центробежных компрессорах большой производительности до t0 = -40 °С. Вместо аммиака применяют хладоны R22, R502. Хладон R12 применяют в одноступенчатых машинах всех типов при температурах конденсации t 75 °С; его используют в верхних каскадах низкотемпературных машин при повышенных температурах конденсации, он является наиболее распространенным рабочим веществом в центробежных компрессорах. Хладон R22 — основное рабочее вещество машин с поршневыми и винтовыми компрессорами; используется при температурах кипения от +10 до -70 °С, при температурах конденсации t < 50 °С в одно- и двухступенчатых машинах, в машинах с центробежными компрессорами (при большой холодопроизводительности). Хладон R13 является основным рабочим веществом низкотемпературных каскадных холодильных машин (нижней ветви каскада) для получения температур кипения не ниже -95 0С при использовании в машинах с центробежными компрессорами применяют до t0 = -110 "С. Более подробные сведения о других рабочих веществах приведены в специальной справочной литературе [86]. В холодильных машинах наряду с чистыми веществами и азеотронными смесями (нераздельно кипящей однородной смеси, перегоняющейся без разделения на фракции и без изменения температуры кипения) получили применение неазеотропные смеси, характеризующиеся различием равновесных концентраций компонентов в жидкой и паровой фазах. Эти смеси не перегоняются без разделения на компоненты, а кипение и конденсация их происходят при переменных температурах. Изменяя в широких пределах состав таких смесей, можно получить свойства, которые в данных конкретных условиях обеспечат наивысшую эффективность процессов машины: сокращают необратимость процесса теплообмена при переменных температурах источников; увеличивают холодопроизводительность; снижаю температуру конца сжатия; улучшают условия циркуляции масля в системе; расширяют зону 42 применения по температурам конденсации и кипения; исключают режимы работы при вакууме и т. п. В связи с тем что отдельные широко применяемые хладагенты оказывают разрушающее воздействие на озоновый слой атмосферы Земли, в соответствии с Монреальским протоколом 1986 года разработана программа их замены на альтернативные озонобезопасные хладагенты Вопросы для самоконтроля 1Дайте условное обозначение холодильным агентам, если их химическая формула: CHFCl2, CHF2Cl, NH3, C2 F3 Cl3, C2F5Cl, C2H2F4. 2 При каких значениях сР, сХ,сХ, r0 холодильный коэффициент будет максимальным? 3 Назовите предельно допустимую концентрацию следующих холодильных агентов: R12, R22, R717 4 Какой группе по классификации относятся следующие холодильные агенты: R12, R22, R717, R134а. 5 Что такое кризисная точка? 6 Назовите нормальную температуру кипения следующих холодильных агентов: R12, R22, R717, R134а, R502. 7 Какие смазочные масла применяются при использовании холодильных агентов R12, R22, R717 8 Как зависят свойства рабочих веществ от характеристик теплообмена конденсатора и испарителя. Рекомендуемая литература Основная 4.1.2, с. 33-72 Лекция 4 Тема. Парокомпрессорные холодильные машины. Вопросы 1 Теоретические циклы и принципиальные схемы одноступенчатых холодильных машин. 2 Действительные циклы и принципиальные схемы одноступенчатых холодильных машин. Простейшая паровая холодильная машина 43 В паровых холодильных машинах рабочим телом являются легкокипящие жидкости, которые при работе цикла меняют агрегатное состояние, превращаясь из жидкости в пар и обратно. Простейшая паровая холодильная машина состоит из четырех основных узлов - испарителя, компрессора, конденсатора и регулирующего вентиля (рис. 2.4, а). Испаритель - аппарат, в котором происходит кипение жидкого хладагента при низкой температуре за счет теплоты, отводимой от охлаждаемого объекта. Чем ниже давление, тем ниже температура кипения. Обычно температура кипения t0 на 10...12 оС ниже температуры воздуха в охлаждаемом объекте. Компрессор выполняет две функции: отводит пар из испарителя, чтобы поддерживать в последнем низкое давление, соответствующее низкой температуре кипения, и сжимает пар до высокого давления, при котором пар превращается в жидкость после охлаждения окружающей средой. Конденсатор обеспечивает охлаждение перегретых сжатых паров до температуры конденсации tK и превращение пара в жидкость при отведении теплоты в охлаждающую среду. Пар в конденсаторе может охлаждаться воздухом (конденсаторы с воздушным охлаждением) или водой (конденсаторы с водяным охлаждением). Регулирующий вентиль (дроссельное устройство) обеспечивает понижение давления и температуры путем создания необходимого сопротивления между сторонами высокого (pК) и низкого давления (р0). Жидкость из конденсатора (при tK и pК), проходя через регулирующий вентиль, сразу попадает в область низкого давления, где частично выкипает (10...20 %) при низкой температуре за счет теплоты, выделяющейся в результате работы сил трения. Холодная парожидкостная смесь поступает в испаритель и продолжает кипеть, производя охлаждение. а Рис. 2.4. Машина холодильная простейшая: а - схема; б - цикл в диаграмме s- Т; в - цикл в диаграмме i- lgp Частичное парообразование в регулирующем вентиле (РВ) снижает холодопроизводительность машины, так как в испарителе кипит только 90 ...80 44 % жидкости, образовавшейся в конденсаторе. Потери при дросселировании зависят от физических свойств хладагента и перепада температуры в холодильной машине. Простейший цикл холодильной машины отличается от цикла Карно прежде всего тем, что вместо процесса адиабатического расширения в расширительном цилиндре происходит процесс дросселирования в регулирующем вентиле. Замена конструктивно сложного расширительного цилиндра компактным простым регулирующим вентилем позволяет легко регулировать заполнение испарителя. Простейший цикл холодильной машины показан на рис. 2.4, б и в. Цикл состоит из четырех процессов: кипение жидкого хладагента в испарителе при Т0 = const и р0 = = const (участок 4-1'). В этом процессе теплота, отводимая от охлаждаемого объекта q0> соответствует заштрихованной площади под участком 4-1'; адиабатическое сжатие в компрессоре с затратой энергии при s =const с повышением давления от р0 до рK и температуры от t0 до tНАГН (участок 1'-2). В отличие от цикла Карно процесс сжатия вынесен в область перегретого пара с целью обеспечения сухого хода компрессора. В цикле Карно влажный пар при сжатии в компрессоре нагревается и превращается в насыщенный. Однако жидкость, попавшая в цилиндр, может испариться не полностью, и возникает гидравлический удар. При этом поршень ударяет по несжимаемой жидкости, давление в цилиндре растет, передается на крышку компрессора и вызывает поломку шатунно-поршневый группы. Реальный компрессор не может и не должен работать влажным ходом. Всасывание сухого насыщенного пара обеспечивает надежность машины, но несколько увеличивает работу сжатия. Температура в конце сжатия (точка 2) называется температурой нагнетания (tНАГН), она значительно выше, чем tК; конденсация, которая условно подразделяется на два процесса (участок 2-3'). Первый - охлаждение перегретого пара при рK = const от tНАГН до tK для снижения теплоты перегрева (2-2'), второй - собственно конденсация (сжижение) пара при рК = const к tK = const (2'-3'). На участке 2'- 3' теплота qK должна отводиться в окружающую среду; дросселирование в РВ (вместо процесса 3/-5 по циклу Карно) при l = const (участок 3'- 4). При прохождении жидкости через сужающее отверстие давление понижается от рк до р0. При этом температура понижается от tK до t0. Потери от дросселирования соответствуют площади a-4-5-b. Для расчета и подбора машины по диаграмме и таблицам насыщенных паров определяют: удельную массовую холодопроизводительность (кДж/кг): q0 = i1 – i4; удельную объемную холодопроизводительность хладагента, т. е. холодопроизводительность, отнесенную к 1 м3 пара, засасываемого в компрессор в состоянии, соответствующем точке 1 (кДж/м3): qv = q/v1' = (i1' – i4)v1'; 45 удельную работу сжатия в компрессоре (кДж/кг): lт = i2 – i1; удельную тепловую нагрузку конденсатора (кДж/кг): qK = i2 – i3; холодильный коэффициент: = q0/lT Схема и цикл одноступенчатой хладоновой холодильной машины Цикл современных одноступенчатых холодильных машин дополнительно включает процесс переохлаждения жидкости после конденсатора с целью снижения потерь от дросселирования и процесс перегревания пара на входе в компрессор с целью обеспечения надежной работы компрессора. Оба эти процесса происходят в регенеративном теплообменнике (ТО) (рис. 2.5). Переохлаждение жидкости перед РВ позволяет увеличить холодопроизводительность q0 так как жидкость при дросселировании меньше выкипает. Перегрев пара при работе сухим ходом частично происходит в конце испарителя, частично - во всасывающем трубопроводе. Однако перегрев небольшой, так как для исключения попадания капель жидкости в компрессор перегрев должен быть не менее 10 oС. С другой стороны, перегрев пара на всасывании приводит к возрастанию tнагн что опасно для хладагентов, имеющих высокие температуры в конце сжатия. Для аммиака перегрев рекомендуется не более 15... 20 °С, для хладонов R12 и R22 - 30... 35 °С. В теплообменнике жидкость, поступающая из конденсатора к регулирующему вентилю (РВ), охлаждается холодным паром, выходящим из испарителя и идущим к компрессору. Холодный пар при теплообмене с жидкостью перегревается на 15...20 °С выше, чем на выходе из испарителя. Процессу переохлаждения соответствует участок 3'-3, процессу перегрева - 1'-1. Тепловой баланс теплообменника: 0,8(i1 – i1) = i3 – i3, где 0,8 — коэффициент, учитывающий потери при реальном теплообмене. Рис. 2.5. Машина холодильная одноступенчатая с перегревом пара и переохлаждением жидкости в теплообменнике: а - схема; б - цикл в диаграмме s- Т; в - цикл в диаграмме i- lgp Итак, цикл реальной холодильной одноступенчатой машины определяется следующими параметрами: давлением кипения р0, давлением конденсации рK, температурой кипения t0, температурой конденсации tK, температу46 рой всасывания tBC, температурой нагнетания tНАГН и температурой переохлаждения tп. Вопросы для самоконтроля 1 Что входит в состав паровой холодильной машины? 2 Назовите основные характеристики цикла холодильной машины. 3 Назначения основных аппаратов холодильной машины и изображение процессов в Т.Д.Д., происходящих в них. 4 Назначение в схеме холодильной машины дополнительного теплообменника. 5 Составить тепловой баланс дополнительного теплообменника. 6 Для чего проводят тепловой расчет холодильной машины? Рекомендуемая литература Основная 4.1.1, с. 73-85 Лекция 5 Тема. Парокомпрессорные холодильные машины. Вопросы 1 Влияния многоступенчатого сжатия и дросселирования на необратимые потери и энергетическую эффективность в циклах холодильных машин. 2 Выбор промежуточного давления в двухступенчатых холодильных машинах. 3 Теоретические циклы и принципиальные схемы двухступенчатых холодильных машин. Влияние многоступенчатого сжатия и дросселирования на необратимые потери и энергетическую эффективность в циклах холодильных машин. При увеличении отношения давлений РК/Р0 необратимые потери, связанные с дросселированием, возрастают. При замене однократного дросселирования на двукратное (многократное) необратимые потери, связанные с дросселированием, сокращаются. Это является одной из причин перехода к многоступенчатому сжатию. Увеличение степени повышения давления рк/р0 и разности давлений рк р0 ведет к уменьшению объемных и энергетических коэффициентов, т.е. к снижению эффективности холодильной машины в целом, росту температуры нагнетания, что может вызвать температурные деформации, пригорание масла в нагнетательных клапанах поршневых компрессоров и, как крайний случай, 47 самовозгорание масла. Избежать этого можно путем сжатия в несколько этапов с промежуточным охлаждением пара. При увеличении отношения рк/р0 степень сухости рабочего вещества в конце дросселирования увеличивается, т.е. растет количество пара, поступающего в испаритель, этот пар ухудшает интенсивность теплообмена. В то же время этот пар необходимо сжимать в интервале давлений рк/р0. Очевидно, что целесообразнее осуществлять ступенчатое дросселирование с отбором образовавшегося пара. Все перечисленные факторы являются причинами, по которым при рк/р0 ≥ 8 необходимо переходить к многоступенчатому сжатию. Однако при переходе к многоступенчатому сжатию требуются дополнительные капитальные затраты, так как появляется необходимость в дополнительных компрессорах, промежуточных сосудах, увеличивается длина трубопроводов и т.д. Поэтому решение о многоступенчатом сжатии необходимо принимать после технико-экономических расчетов для конкретных внешних условий и требований к холодильной машине. Выбор промежуточного давления в двухступенчатых холодильных машинах. Выбор промежуточного давления рm зависит от требований, предъявляемых к холодильной машине. Существует несколько способов выбора рm. Один из способов заключается в том, что промежуточное давление выбирается по условию минимальной суммарной работы, затраченной на сжатие рабочего вещества в обеих ступенях. Суммарная работа, затраченная на изоэнтропное сжатие рабочего вещества в компрессорах первой и второй ступенях, k 1 p kk1 k k k I pm II l k 1 p0 вс p 1 k 1 pm вс p x 1, 0 m (2.28) где всI , всII - удельные объемы рабочего вещества при всасывании в первую и вторую ступени соответственно. Если принять, что температуры всасывания в компрессоры первой и второй ступеней одинаковы и рабочее вещество подчиняется законам идеального газа, то р0всI = рm всII = RТвс, тогда после некоторых преобразований получают k 1 k 1 k pm k p x k l k 1 RT p p 2 . 0 m (2.29) 48 Для определения значения рm, при котором суммарная работа миниd l мальна, находят производную 0 . После дифференцирования и некоdpm торых преобразований получают p0 pm (1 k ) k pk (1 k ) k p0 pk . . pm2(1k ) k , откуда (2.30) Это выражение является приближенным, так как рабочее вещество в процессе сжатия не является идеальным газом и температуры всасывания в первой и второй ступенях различны. Второй способ определения рm - по максимальному холодильному коэффициенту. Для этого задаются несколькими значениями рm, и для каждого значения рm строят цикл и определяют холодильный коэффициент. Для упрощения расчетов можно сначала определить рm по уравнению (2.30), а следующие значения выбирать меньше и больше этого значения. После определения нескольких значений ε строят зависимость ε = f(рm), определяют εmах и промежуточное давление, которое соответствует максимальному холодильному коэффициенту. Третий способ - по минимальной суммарной теоретической объемной производительности компрессоров первой и второй ступеней ΣVT. Для этого задаются несколькими значениями рm, определяют объемную производительность компрессора первой ступени VTI и второй ступени VTII для каждого из рm и строят зависимость ΣVT = f(рm). По минимальному значению ΣVT выбирают рm. Расчеты показывают, что для двухступенчатой аммиачной холодильной машины при Тк = 303 К, Т0 = 223 К промежуточное давление, определенное по зависимости ε = f(рm), равно 0,2 МПа, по зависимости ΣVT = f(рm) 0,18 МПа, а по уравнению (2.30) - 0,215 МПа. Как следует из этих расчетов, промежуточные давления, определенные разными способами, различаются незначительно, поэтому для общих инженерных расчетов можно пользоваться уравнением (2.30), а для более точных расчетов или при наличии особых требований к машине - выбирать второй или третий способы. Двухступенчатые холодильные машины с однократным дросселированием Двухступенчатая холодильная машина со змеевиковым промежуточным сосудом и неполным промежуточным охлаждением. Принципиальная схема и теоретический цикл такой холодильной машины показаны на рис. 2.8. 49 Рис. 2.8. Схема и теоретический цикл двухступенчатой холодильной машины Рабочее вещество в состоянии сухого насыщенного пара (точка 1) поступает в компрессор первой ступени I, где изоэнтропно сжимается (процесс 2-1) и направляется в промежуточный теплообменник II. В теплообменнике рабочее вещество охлаждается (процесс 2-3) за счет окружающей среды. Наличие теплообменника не обязательно и зависит от режима работы машины и рабочего вещества, так как если точка 2 находится на уровне температуры окружающей среды, то его установка теряет смысл. После теплообменника происходит смешение рабочего вещества, идущего из первой ступени и из промежуточного сосуда VI. После смешения состояние рабочего вещества определяется точкой 4. Затем рабочее вещество поступает в компрессор второй ступени III, где изоэнтропно сжимается (процесс 4-5), потом - в конденсатор IV, где сначала охлаждается до состояния сухого насыщенного пара и конденсируется (процесс 5-6). Большая часть рабочего вещества идет через змеевик промежуточного сосуда, а меньшая - дросселируется во вспомогательном дроссельном вентиле V (процесс 6-7). В промежуточном сосуде влажный пар, который получился после дросселирования, делится на составляющие: сухой насыщенный пар (состояние 8), идущий во вторую ступень, и насыщенную жидкость (состояние 9), скапливающуюся в нижней части промежуточного сосуда. Под воздействием теплоты, которая поступает от рабочего вещества, идущего по змеевику, жидкость кипит при давлении рm. Пар, образовавшийся при кипении, также отсасывается компрессором второй ступени. Рабочее вещество, которое идет по змеевику, охлаждается (процесс 610), затем дросселируется в основном дроссельном вентиле VII (процесс 1011) и поступает в испаритель VIII, где кипит (процесс 11-1). В задачу теплового расчета теоретического цикла двухступенчатой холодильной машины входит определение теоретических объемов компрессоров первой и второй ступеней, мощности, необходимой для привода ком50 прессоров, холодильного коэффициента. Исходными величинами являются: холодопроизводительность Q0 (кВт); внешние источники (или температуры конденсации и кипения), а также рабочее вещество. Промежуточное давление рm определяют одним из методов, описанных ранее. Температуру рабочего вещества в точке 10 находят из условий недорекуперации при охлаждении жидкости в змеевике T10 ≈ Тm + (2÷5). Состояние рабочего вещества в точке 4 находят из уравнения смешения сухого насыщенного пара, идущего из промежуточного сосуда, и рабочего вещества после теплообменника: G aII h4 = G aI h3 + (G aII - G aI )h8, откуда h4 = h8 + G aI (h3 h8 ) / GaII , (2.31) где G aI , G aII - массовый расход рабочего вещества компрессоров первой и второй ступеней. Величину G aI определяют по заданной холодопроизводительности G aI Q0 Q0 . q0 (h1 h11 ) (2.32) Расход рабочего вещества второй ступени можно определить двумя способами: из материального или теплового балансов промежуточного сосуда. Материальный баланс промежуточного сосуда G aII = G aI + (G aII - G aI )х7 + С'а, (2.33) где х7 - степень сухости пара в точке 7; G'а - масса рабочего вещества, испаряющегося в промежуточном сосуде под воздействием теплоты рабочего вещества, которое идет по змеевику. С'а(h8 – h9) = G aI (h6 – h10) (2.34) Подставив в уравнение (2.33) значения х7 = (h7 - h9) / (h8 - h9) и GIа, выраженные из уравнения (2.34), получают G aII = G aI (h8 - h10) / (h8 - h7). (2.35) Тепловой баланс промежуточного сосуда G aII h6 = G aI h10 + (G aII - G aI )h8. (2.36) Откуда следует 51 G aII = G aI (h8 - h10) / (h8 - h7), (2.37) т.е. получился такой же результат, как и на основании материального баланса. Следует обратить внимание на то, что G aII больше G aI , т.е. на 1 кг рабочего вещества первой ступени приходится G aII / G aI > 1 во второй, поэтому изображение процессов второй ступени на тепловых диаграммах условно, так как они составлены для 1 кг вещества. После определения G aII и G aI находят необходимую объемную производительность компрессоров первой VI и второй VII ступеней по условиям всасывания: VI = G aI v1; VIh = VI / λ1; VII = G aII v4; VIIh = VII / λ2. (2.38) (2.39) Мощности компрессоров N sI GaI (h2 h1 ); NIе = NIs / ηIе; N sII GaII (h5 h4 ); NIIе = NIIs / ηIIе. (2.40) (2.41) Холодильный коэффициент теоретического цикла Т Q0 N N sII I s h1 h11 . h8 h10 (h2 h1 ) (h5 h4 ) h8 h7 (2.42) Холодильный коэффициент действительного цикла Д Q0 . N еI N еII (2.43) Двухступенчатая холодильная машина со змеевиковым промежуточным сосудом и полным промежуточным охлаждением. Эта схема (рис. 2.9) отличается от предыдущей тем, что рабочее вещество после промежуточного холодильника II идет в промежуточный сосуд VI. 52 Рис. 2.9. Схема и теоретический цикл двухступенчатой холодильной машины со змеевиковым промежуточным сосудом и полным промежуточным охлаждением В промежуточном сосуде рабочее вещество за счет непосредственного контакта с более холодным жидким рабочим веществом, температура которого равна Тm, охлаждается до состояния сухого насыщенного пара при давлении рm (точка 4). После этого рабочее вещество всасывается компрессором второй ступени III, и далее процесс проходит, как в предыдущей схеме. Материальный баланс промежуточного сосуда G aII = G aI + (G aII - G aI )x7 + G'а + G"а, (2.44) где х7 - степень сухости рабочего вещества после процесса дросселирования 67; G'а - масса сухого насыщенного пара, образовавшегося в промежуточном сосуде под воздействием теплоты, которая идет от рабочего вещества, поступающего по змеевику; G"а - масса сухого насыщенного пара, образовавшегося в промежуточном сосуде под воздействием теплоты, поступающей от рабочего вещества первой ступени. Составляющие формулы (2.44) определяют из уравнений: 53 x7 (h7 h8 ) ; (h4 h8 ) G a/ (h4 – h8) = G aI (h6 – h9); G a// (h4 – h8) = G aI (h3 – h4); G aI Q0 . (h1 h10 ) (2.45) (2.46) (2.47) (2.48) Однако значительно проще G aII можно определить из теплового баланса промежуточного сосуда G aII i6 + G aI i3 = G aI i4 + G aII i9, (2.49) G aII = G aI (i3 – i9) / (i4 – i6). (2.50) откуда Определение объемных производительностей, мощностей и холодильных коэффициентов не отличается от предыдущей схемы (см. формулы (2.38)(2.43)). Двухступенчатые холодильные машины с двукратным дросселированием Двухступенчатая холодильная машина с неполным промежуточным охлаждением. Принципиальная схема и теоретический цикл этой машины представлены на рис. 2.10. Рабочее вещество после изоэнтропного сжатия в компрессоре первой ступени I (процесс 1-2) охлаждается в промежуточном теплообменнике II (процесс 2-3). Наличие теплообменника II не обязательно и зависит от условий работы машины и рабочего вещества. После теплообменника рабочее вещество первой ступени смешивается с сухим насыщенным паром, который идет из промежуточного сосуда VI. После смешения состояние рабочего вещества характеризуется состоянием 4. Затем происходит сжатие в компрессоре второй ступени III (процесс 4-5). После охлаждения и конденсации при давлении рк в конденсаторе IV за счет отвода теплоты в окружающую среду (процесс 5-6) рабочее вещество дросселируется (процесс 6-7) в дроссельном вентиле V. Следует отметить, что в схемах с двукратным дросселированием в первом дроссельном вентиле дросселируется все рабочее вещество, а не часть его, как в схемах с однократным дросселированием. После дросселирования рабочее вещество находится в состоянии влажного пара. В промежуточном сосуде VI оно разделяется на насыщенную жидкость состояния 9 и сухой насыщенный пар состояния 8. Пар отсасывается компрессором второй ступени, а жидкость дросселируется во втором дроссельном вентиле VII (процесс 9-10), затем поступает в испаритель VIII, где кипит (процесс 10-1) вследствие подвода теплоты от источника низкой температуры при давлении р0. Пар, образовавшийся при кипении, отсасывается компрессором первой ступени. 54 Рис. 2.10. Схема и теоретический цикл двухступенчатой холодильной машины с двукратным дросселированием и неполным промежуточным охлаждением Состояние рабочего вещества при всасывании в компрессор второй ступени (точка 4) определяют из уравнения смешения: G aII h4 = G aI h3 + (G aII + G aI )h8. (2.51) Массовый расход рабочего вещества первой ступени G aI Q0 Q0 . q0 (h1 h10 ) Материальный баланс промежуточного сосуда G aII = G aI + G aII x7, где x7 = (h7 - h9) / (h8 - h9). Тогда G aII = G aI (h8 - h9) / (h8 - h7). (2.52) 55 То же самое можно получить из теплового баланса промежуточного сосуда: G aII h6 = G aI h9 + (G aII + G aI )h8, G aII = G aI (h8 - h9) / (h8 - h7). (2.53) (2.54) Далее рассчитывают объемные производительности, мощности и холодильный коэффициент (см. формулы (2.38)-(2.43)). Двухступенчатая холодильная машина с полным промежуточным охлаждением (рис. 2.11). В схеме данной машины рабочее вещество после промежуточного теплообменника II поступает в промежуточный сосуд VI, где охлаждается до состояния сухого насыщенного пара (точка 4) при непосредственном контакте с жидким рабочим веществом температурой Тm. Массу образовавшегося при этом пара определяют по уравнению: Ga// (h4 h8 ) GaII (h3 h4 ). (2.55) Материальный баланс промежуточного сосуда G aII = G aI + G aII x7 + Ga// . (2.56) Массовый расход рабочего вещества первой ступени G aI Q0 . (h1 h9 ) (2.57) Степень сухости пара x7 = (h7 - h8) / (h4 - h8). (2.58) Тепловой баланс промежуточного сосуда G aII h6 + G aI h3 = G aI h8 + G aII h4, (2.59) откуда G aII Ga1 (h3 h8 ) . (h4 h6 ) (2.60) 56 Рис. 2.11. Схема и теоретический цикл двухступенчатой холодильной машины с двукратным дросселированием и полным промежуточным охлаждением Далее ведут расчет по вышеуказанной методике (см. уравнения (2.38)(2.43)). Сравнение энергетической эффективности теоретических циклов двухступенчатых холодильных машин с промежуточным сосудом. Для сравнения энергетической эффективности циклов с однократным и двукратным дросселированием необходимо рассмотреть их холодильные коэффициенты. В том случае, когда охлаждение рабочего вещества, идущего по змеевику промежуточного сосуда (в цикле с однократным дросселированием), происходит при бесконечно малой разности температур, оба цикла будут равнозначны. Так как в реальных условиях теплообмен идет при конечной разности температур, то в цикле с однократным дросселированием появляются необратимые потери, связанные с действительным процессом теплообмена. Удельная массовая холодопроизводительность цикла с двукратным дросселированием больше, чем в цикле с однократным дросселированием, поэтому теоретический холодильный коэффициент цикла с двукратным дросселированием больше. Однако, несмотря на меньшую энергетическую эффективность, холодильные машины, работающие по циклу с однократным дросселированием, 57 имеют ряд эксплуатационных преимуществ, поэтому они широко распространены. Таким образом, при выборе схемы двухступенчатой холодилъной машины нужно учитывать такие факторы, как внешние источники, рабочее вещество, конкретный охлаждаемый объект и многие другие. Двухступенчатая холодильная машина с теплообменниками. В двухступенчатой холодильной машине, принципиальная схема и действительный цикл которой показаны на рис. 2.12, в качестве рабочего вещества используется в основном хладон 22. Рабочее вещество поступает в компрессор первой ступени в состоянии 1. Процесс 1-2 - сжатие в компрессоре первой ступени I, процесс 2-3 - охлаждение в промежуточном теплообменнике II. Состояние 4 определяется смешением рабочего вещества первой ступени и пара, который поступает из жидкостного теплообменника VI. Процесс 1-5 сжатие в компрессоре второй ступени III. В состоянии 5 рабочее вещество входит, а в состоянии 6 выходит из конденсатора IV. Процессы 6-7 и 7-8 - охлаждение рабочего вещества в парожидкостном теплообменнике V за счет пара, идущего из испарителя, и в теплообменнике VI за счет кипения жидкости при температуре Тm, которая подается через дроссельный вентиль VII. Пар, образовавшийся в теплообменнике VI, отсасывается компрессором второй ступени. Охлажденное рабочее вещество в состоянии 8 дросселируется в основном дроссельном вентиле VIII (процесс 8-9) и поступает в испаритель IX. В состоянии 12 рабочее вещество выходит из испарителя, пройдя через теплообменник V (процесс 121), всасывается компрессором первой ступени. Рис. 2.12. Схема и цикл двухступенчатой холодильной машины с теплообменниками Значения Т0, р0, Тк, рк и рm находят так же, как и в предыдущих циклах. Температурой всасывания в компрессор первой ступени задаются (t1 = t0 + 15 ºС). Положение точки 4 определяют из уравнения смешения: GaI h3 (GaII GaI )h11 GaII h4 . (2.61) 58 Состояние рабочего вещества в точке 7 находят из теплового баланса теплообменника V GaII (h6 h7 ) GaI (h1 h12 ). (2.62) Температура рабочего вещества в точке 8 задается по условиям теплообмена T8 ≈ Тm + 5. Положение точки 12 определяется свойствами рабочего вещества. Это может быть состояние влажного пара (х = 0,98) или перегретого пара (Т12 = Т0 + 2÷3). Можно поставить точку 12 на правой пограничной кривой. При заданной холодопроизводительности Q0 расход рабочего вещества в первой ступени GaI Q0 . h12 h9 (2.63) Для определения расхода рабочего вещества во второй ступени G IIa составляют тепловой баланс системы, которая состоит из теплообменников V и VI и дроссельного вентиля VII. Уравнение теплового баланса будет иметь вид: G IIa h6 GaI h12 GaI h8 (GaII GaI )h11 GaI h1 , (2.64) откуда GaII GaI (h11 h8 ) (h1 h12 ) . h11 h6 (2.65) Затем по формулам (2.38)-(2.43) можно определить остальные необходимые величины. Двухступенчатая холодильная машина с двумя испарителями. В некоторых случаях появляется необходимость с помощью одной холодильной машины отвести теплоту от двух источников с низкими температурами, например Тs2 и Т´s2, причем Тs2 ниже, чем Т´s2. Для этого в схему двухступенчатой холодильной машины с двукратным дросселированием необходимо включить второй испаритель. Цикл такой машины и ее принципиальная схема показаны на рис. 2.13. 59 Рис. 2.13. Схема и действительный цикл холодильной машины с двумя испарителями Давления р0, рк определяют так же, как в предыдущих примерах. Давление рm зависит от конкретных условий. Если нет жестких требований по значению Тs2, тогда рm определяют по данным ранее методикам. В том случае, когда по технологическому процессу необходимо получить определенное значение Т´s2, тогда Ts1/ Ts/2 Tm T , (2.66) 2 где ΔТ и ( Ts1/ Ts/2 ) определяются типом испарителя. В этом случае давление рm, которое установится в испарите VII и в промежуточном сосуде VI при температуре Тm, может не соответствовать оптимальному промежуточному давлению, определенному по указанным ранее методикам. Массовый расход рабочего вещества через второй испаритель Gапр зависит от его холодопроизводительности Q0 : Gапр Q0 . i5 i9 (2.67) Массовый расход рабочего вещества через первый испаритель при заданной холодопроизводительности Q0 GаI Q0 . i1 i10 (2.68) Состояние рабочего вещества при входе в промежуточный сосуд (точка 4) находят из уравнения смешения: 60 Gапр i5 GaI i3 (GaI Gaпр )i4 . (2.69) Массовый расход рабочего вещества второй ступени определяют из теплового баланса промежуточного сосуда GаII i7 (Gaпр GаI )i4 GaI i9 GaII i5 , (2.70) откуда (GаI Gапр )(i4 i9 ) G . (i5 i7 ) II а (2.71) Вентиль X служит для регулирования подачи рабочего вещества во второй испаритель. Остальные величины, которые характеризуют холодильную машину, определяют так же, как в предыдущих схемах. Данная холодильная машина по термодинамической эффективности не отличается от одноступенчатой в интервале температур Тm-Тk и двухступенчатой в интервале температур Т0-Тк. Однако в действительных условиях двухступенчатая холодильная машина на две температуры кипения выгоднее вследствие сокращения эксплуатационных затрат. Капитальные затраты тоже меньше. Вопросы для самоконтроля 1 Критерий перехода в двухступенчатому сжатию? 2 При какой величине степени повышения давления переходит к двухступенчатому сжатию? 3 Назовите основные способы определения промежуточного давления в двухступенчатых холодильных машинах? 4 Напишите формулу промежуточного давления двухступенчатых холодильных машин? 5 Напишите уравнения смешения потоков двухступенчатых холодильных машинах с однократным дросселированием? 6 По какой зависимостью определяется массовый расход рабочего вещества компрессорах первой ступени в двухступенчатых холодильных машинах с однократным дросселированием? 7 Назначение в схеме двухступенчатой холодильной машины промежуточного сосуда. 8 Изобразите процессы в Т.Д.Д., происходящих в двухступенчатой холодильной машине со змеевиковым промежуточным сосудом и полным промежуточным охлаждением. Рекомендуемая литература Основная 61 4.1.1, с. 90-100 Лекция 6 Тема. Парокомпрессорные холодильные машины. Действительные циклы и принципиальные схемы двухступенчатых холодильных машин. Вопросы 1 Действительные двухступенчатые холодильные машины с промежуточными сосудами. 2 Действительная двухступенчатая холодильная машина с теплообменниками. 3 Действительная двухступенчатая холодильная машина с одноступенчатым винтовым компрессором. 4 Действительная двухступенчатая холодильная машина с двумя испарителями. Двухступенчатые холодильные машины с однократным дросселированием Двухступенчатая холодильная машина со змеевиковым промежуточным сосудом и неполным промежуточным охлаждением. Принципиальная схема и теоретический цикл такой холодильной машины показаны на рис. 2.8. Рис. 2.8. Схема и теоретический цикл двухступенчатой холодильной машины Рабочее вещество в состоянии сухого насыщенного пара (точка 1) поступает в компрессор первой ступени I, где изоэнтропно сжимается (процесс 62 2-1) и направляется в промежуточный теплообменник II. В теплообменнике рабочее вещество охлаждается (процесс 2-3) за счет окружающей среды. Наличие теплообменника не обязательно и зависит от режима работы машины и рабочего вещества, так как если точка 2 находится на уровне температуры окружающей среды, то его установка теряет смысл. После теплообменника происходит смешение рабочего вещества, идущего из первой ступени и из промежуточного сосуда VI. После смешения состояние рабочего вещества определяется точкой 4. Затем рабочее вещество поступает в компрессор второй ступени III, где изоэнтропно сжимается (процесс 4-5), потом - в конденсатор IV, где сначала охлаждается до состояния сухого насыщенного пара и конденсируется (процесс 5-6). Большая часть рабочего вещества идет через змеевик промежуточного сосуда, а меньшая - дросселируется во вспомогательном дроссельном вентиле V (процесс 6-7). В промежуточном сосуде влажный пар, который получился после дросселирования, делится на составляющие: сухой насыщенный пар (состояние 8), идущий во вторую ступень, и насыщенную жидкость (состояние 9), скапливающуюся в нижней части промежуточного сосуда. Под воздействием теплоты, которая поступает от рабочего вещества, идущего по змеевику, жидкость кипит при давлении рm. Пар, образовавшийся при кипении, также отсасывается компрессором второй ступени. Рабочее вещество, которое идет по змеевику, охлаждается (процесс 610), затем дросселируется в основном дроссельном вентиле VII (процесс 1011) и поступает в испаритель VIII, где кипит (процесс 11-1). В задачу теплового расчета теоретического цикла двухступенчатой холодильной машины входит определение теоретических объемов компрессоров первой и второй ступеней, мощности, необходимой для привода компрессоров, холодильного коэффициента. Исходными величинами являются: холодопроизводительность Q0 (кВт); внешние источники (или температуры конденсации и кипения), а также рабочее вещество. Промежуточное давление рm определяют одним из методов, описанных ранее. Температуру рабочего вещества в точке 10 находят из условий недорекуперации при охлаждении жидкости в змеевике T10 ≈ Тm + (2÷5). Состояние рабочего вещества в точке 4 находят из уравнения смешения сухого насыщенного пара, идущего из промежуточного сосуда, и рабочего вещества после теплообменника: G aII h4 = G aI h3 + (G aII - G aI )h8, откуда h4 = h8 + G aI (h3 h8 ) / GaII , (2.31) где G aI , G aII - массовый расход рабочего вещества компрессоров первой и второй ступеней. Величину G aI определяют по заданной холодопроизводительности 63 G aI Q0 Q0 . q0 (h1 h11 ) (2.32) Расход рабочего вещества второй ступени можно определить двумя способами: из материального или теплового балансов промежуточного сосуда. Материальный баланс промежуточного сосуда G aII = G aI + (G aII - G aI )х7 + С'а, (2.33) где х7 - степень сухости пара в точке 7; G'а - масса рабочего вещества, испаряющегося в промежуточном сосуде под воздействием теплоты рабочего вещества, которое идет по змеевику. С'а(h8 – h9) = G aI (h6 – h10) (2.34) Подставив в уравнение (2.33) значения х7 = (h7 - h9) / (h8 - h9) и GIа, выраженные из уравнения (2.34), получают G aII = G aI (h8 - h10) / (h8 - h7). (2.35) Тепловой баланс промежуточного сосуда G aII h6 = G aI h10 + (G aII - G aI )h8. (2.36) Откуда следует G aII = G aI (h8 - h10) / (h8 - h7), (2.37) т.е. получился такой же результат, как и на основании материального баланса. Следует обратить внимание на то, что G aII больше G aI , т.е. на 1 кг рабочего вещества первой ступени приходится G aII / G aI > 1 во второй, поэтому изображение процессов второй ступени на тепловых диаграммах условно, так как они составлены для 1 кг вещества. После определения G aII и G aI находят необходимую объемную производительность компрессоров первой VI и второй VII ступеней по условиям всасывания: 64 VI = G aI v1; VIh = VI / λ1; (2.38) VII VIIh N sI GaI (h2 h1 ); NIе = NIs / ηIе; N sII GaII (h5 h4 ); NIIе = NIIs / ηIIе. G aII = VII λ2. v4 ; = / (2.39) Мощности компрессоров (2.40) (2.41) Холодильный коэффициент теоретического цикла Т Q0 N N sII I s h1 h11 . h8 h10 (h2 h1 ) (h5 h4 ) h8 h7 (2.42) Холодильный коэффициент действительного цикла Д Q0 . N N еII I е (2.43) Двухступенчатая холодильная машина со змеевиковым промежуточным сосудом и полным промежуточным охлаждением. Эта схема (рис. 2.9) отличается от предыдущей тем, что рабочее вещество после промежуточного холодильника II идет в промежуточный сосуд VI. 65 Рис. 2.9. Схема и теоретический цикл двухступенчатой холодильной машины со змеевиковым промежуточным сосудом и полным промежуточным охлаждением В промежуточном сосуде рабочее вещество за счет непосредственного контакта с более холодным жидким рабочим веществом, температура которого равна Тm, охлаждается до состояния сухого насыщенного пара при давлении рm (точка 4). После этого рабочее вещество всасывается компрессором второй ступени III, и далее процесс проходит, как в предыдущей схеме. Материальный баланс промежуточного сосуда G aII = G aI + (G aII - G aI )x7 + G'а + G"а, (2.44) где х7 - степень сухости рабочего вещества после процесса дросселирования 67; G'а - масса сухого насыщенного пара, образовавшегося в промежуточном сосуде под воздействием теплоты, которая идет от рабочего вещества, поступающего по змеевику; G"а - масса сухого насыщенного пара, образовавшегося в промежуточном сосуде под воздействием теплоты, поступающей от рабочего вещества первой ступени. Составляющие формулы (2.44) определяют из уравнений: 66 x7 (h7 h8 ) ; (h4 h8 ) (2.45) G a/ (h4 – h8) = G aI (h6 – h9); G a// (h4 – h8) = G aI (h3 – h4); (2.46) (2.47) G aI Q0 . (h1 h10 ) (2.48) Однако значительно проще G aII можно определить из теплового баланса промежуточного сосуда G aII i6 + G aI i3 = G aI i4 + G aII i9, (2.49) откуда G aII = G aI (i3 – i9) / (i4 – i6). (2.50) Определение объемных производительностей, мощностей и холодильных коэффициентов не отличается от предыдущей схемы (см. формулы (2.38)(2.43)). Двухступенчатые холодильные машины с двукратным дросселированием Двухступенчатая холодильная машина с неполным промежуточным охлаждением. Принципиальная схема и теоретический цикл этой машины представлены на рис. 2.10. Рабочее вещество после изоэнтропного сжатия в компрессоре первой ступени I (процесс 1-2) охлаждается в промежуточном теплообменнике II (процесс 2-3). Наличие теплообменника II не обязательно и зависит от условий работы машины и рабочего вещества. После теплообменника рабочее вещество первой ступени смешивается с сухим насыщенным паром, который идет из промежуточного сосуда VI. После смешения состояние рабочего вещества характеризуется состоянием 4. Затем происходит сжатие в компрессоре второй ступени III (процесс 4-5). После охлаждения и конденсации при давлении рк в конденсаторе IV за счет отвода теплоты в окружающую среду (процесс 5-6) рабочее вещество дросселируется (процесс 6-7) в дроссельном вентиле V. Следует отметить, что в схемах с двукратным дросселированием в первом дроссельном вентиле дросселируется все рабочее вещество, а не часть его, как в схемах с однократным дросселированием. После дросселирования рабочее вещество находится в состоянии влажного пара. В промежу67 точном сосуде VI оно разделяется на насыщенную жидкость состояния 9 и сухой насыщенный пар состояния 8. Пар отсасывается компрессором второй ступени, а жидкость дросселируется во втором дроссельном вентиле VII (процесс 9-10), затем поступает в испаритель VIII, где кипит (процесс 10-1) вследствие подвода теплоты от источника низкой температуры при давлении р0. Пар, образовавшийся при кипении, отсасывается компрессором первой ступени. Рис. 2.10. Схема и теоретический цикл двухступенчатой холодильной машины с двукратным дросселированием и неполным промежуточным охлаждением Состояние рабочего вещества при всасывании в компрессор второй ступени (точка 4) определяют из уравнения смешения: G aII h4 = G aI h3 + (G aII + G aI )h8. (2.51) Массовый расход рабочего вещества первой ступени G aI Q0 Q0 . q0 (h1 h10 ) Материальный баланс промежуточного сосуда 68 G aII = G aI + G aII x7, где x7 = (h7 - h9) / (h8 - h9). Тогда G aII G aI = (h8 - h9) / (h8 - h7). (2.52) То же самое можно получить из теплового баланса промежуточного сосуда: G aII h6 = G aI h9 + (G aII + h9) / G aI )h8, (2.53) G aII = G aI (h8 - (h8 - h7). (2.54) Далее рассчитывают объемные производительности, мощности и холодильный коэффициент (см. формулы (2.38)-(2.43)). Двухступенчатая холодильная машина с полным промежуточным охлаждением (рис. 2.11). В схеме данной машины рабочее вещество после промежуточного теплообменника II поступает в промежуточный сосуд VI, где охлаждается до состояния сухого насыщенного пара (точка 4) при непосредственном контакте с жидким рабочим веществом температурой Тm. Массу образовавшегося при этом пара определяют по уравнению: Ga// (h4 h8 ) GaII (h3 h4 ). (2.55) Материальный баланс промежуточного сосуда G aII = G aI + G aII x7 + Ga// . (2.56) Массовый расход рабочего вещества первой ступени G aI Q0 . (h1 h9 ) (2.57) Степень сухости пара x7 = (h7 - h8) / (h4 - h8). (2.58) 69 Тепловой баланс промежуточного сосуда G aII h6 + G aI h3 = G aI h8 + G aII h4, (2.59) откуда G aII Ga1 (h3 h8 ) . (h4 h6 ) (2.60) Рис. 2.11. Схема и теоретический цикл двухступенчатой холодильной машины с двукратным дросселированием и полным промежуточным охлаждением Далее ведут расчет по вышеуказанной методике (см. уравнения (2.38)(2.43)). Сравнение энергетической эффективности теоретических циклов двухступенчатых холодильных машин с промежуточным сосудом. Для сравнения энергетической эффективности циклов с однократным и двукратным дросселированием необходимо рассмотреть их холодильные коэффициенты. В том случае, когда охлаждение рабочего вещества, идущего по змеевику промежуточного сосуда (в цикле с однократным дросселированием), происходит при бесконечно малой разности температур, оба цикла будут равнозначны. 70 Так как в реальных условиях теплообмен идет при конечной разности температур, то в цикле с однократным дросселированием появляются необратимые потери, связанные с действительным процессом теплообмена. Удельная массовая холодопроизводительность цикла с двукратным дросселированием больше, чем в цикле с однократным дросселированием, поэтому теоретический холодильный коэффициент цикла с двукратным дросселированием больше. Однако, несмотря на меньшую энергетическую эффективность, холодильные машины, работающие по циклу с однократным дросселированием, имеют ряд эксплуатационных преимуществ, поэтому они широко распространены. Таким образом, при выборе схемы двухступенчатой холодилъной машины нужно учитывать такие факторы, как внешние источники, рабочее вещество, конкретный охлаждаемый объект и многие другие. Двухступенчатая холодильная машина с теплообменниками. В двухступенчатой холодильной машине, принципиальная схема и действительный цикл которой показаны на рис. 2.12, в качестве рабочего вещества используется в основном хладон 22. Рабочее вещество поступает в компрессор первой ступени в состоянии 1. Процесс 1-2 - сжатие в компрессоре первой ступени I, процесс 2-3 - охлаждение в промежуточном теплообменнике II. Состояние 4 определяется смешением рабочего вещества первой ступени и пара, который поступает из жидкостного теплообменника VI. Процесс 1-5 сжатие в компрессоре второй ступени III. В состоянии 5 рабочее вещество входит, а в состоянии 6 выходит из конденсатора IV. Процессы 6-7 и 7-8 - охлаждение рабочего вещества в парожидкостном теплообменнике V за счет пара, идущего из испарителя, и в теплообменнике VI за счет кипения жидкости при температуре Тm, которая подается через дроссельный вентиль VII. Пар, образовавшийся в теплообменнике VI, отсасывается компрессором второй ступени. Охлажденное рабочее вещество в состоянии 8 дросселируется в основном дроссельном вентиле VIII (процесс 8-9) и поступает в испаритель IX. В состоянии 12 рабочее вещество выходит из испарителя, пройдя через теплообменник V (процесс 121), всасывается компрессором первой ступени. 71 Рис. 2.12. Схема и цикл двухступенчатой холодильной машины с теплообменниками Значения Т0, р0, Тк, рк и рm находят так же, как и в предыдущих циклах. Температурой всасывания в компрессор первой ступени задаются (t1 = t0 + 15 ºС). Положение точки 4 определяют из уравнения смешения: GaI h3 (GaII GaI )h11 GaII h4 . (2.61) Состояние рабочего вещества в точке 7 находят из теплового баланса теплообменника V GaII (h6 h7 ) GaI (h1 h12 ). (2.62) Температура рабочего вещества в точке 8 задается по условиям теплообмена T8 ≈ Тm + 5. Положение точки 12 определяется свойствами рабочего вещества. Это может быть состояние влажного пара (х = 0,98) или перегретого пара (Т12 = Т0 + 2÷3). Можно поставить точку 12 на правой пограничной кривой. При заданной холодопроизводительности Q0 расход рабочего вещества в первой ступени GaI Q0 . h12 h9 (2.63) Для определения расхода рабочего вещества во второй ступени G IIa составляют тепловой баланс системы, которая состоит из теплообменников V и VI и дроссельного вентиля VII. Уравнение теплового баланса будет иметь вид: G IIa h6 GaI h12 GaI h8 (GaII GaI )h11 GaI h1 , (2.64) 72 откуда GaII GaI (h11 h8 ) (h1 h12 ) . h11 h6 (2.65) Затем по формулам (2.38)-(2.43) можно определить остальные необходимые величины. Двухступенчатая холодильная машина с двумя испарителями. В некоторых случаях появляется необходимость с помощью одной холодильной машины отвести теплоту от двух источников с низкими температурами, например Тs2 и Т´s2, причем Тs2 ниже, чем Т´s2. Для этого в схему двухступенчатой холодильной машины с двукратным дросселированием необходимо включить второй испаритель. Цикл такой машины и ее принципиальная схема показаны на рис. 2.13. Рис. 2.13. Схема и действительный цикл холодильной машины с двумя испарителями Давления р0, рк определяют так же, как в предыдущих примерах. Давление рm зависит от конкретных условий. Если нет жестких требований по значению Тs2, тогда рm определяют по данным ранее методикам. В том случае, когда по технологическому процессу необходимо получить определенное значение Т´s2, тогда Ts1/ Ts/2 Tm T , 2 (2.66) где ΔТ и ( Ts1/ Ts/2 ) определяются типом испарителя. В этом случае давление рm, которое установится в испарите VII и в промежуточном сосуде VI при температуре Тm, может не соответствовать оп73 тимальному промежуточному давлению, определенному по указанным ранее методикам. Массовый расход рабочего вещества через второй испаритель Gапр зависит от его холодопроизводительности Q0 : Gапр Q0 . i5 i9 (2.67) Массовый расход рабочего вещества через первый испаритель при заданной холодопроизводительности Q0 GаI Q0 . i1 i10 (2.68) Состояние рабочего вещества при входе в промежуточный сосуд (точка 4) находят из уравнения смешения: Gапр i5 GaI i3 (GaI Gaпр )i4 . (2.69) Массовый расход рабочего вещества второй ступени определяют из теплового баланса промежуточного сосуда GаII i7 (Gaпр GаI )i4 GaI i9 GaII i5 , (2.70) откуда GаII (GаI Gапр )(i4 i9 ) . (i5 i7 ) (2.71) Вентиль X служит для регулирования подачи рабочего вещества во второй испаритель. Остальные величины, которые характеризуют холодильную машину, определяют так же, как в предыдущих схемах. Данная холодильная машина по термодинамической эффективности не отличается от одноступенчатой в интервале температур Тm-Тk и двухступенчатой в интервале температур Т0-Тк. Однако в действительных условиях двухступенчатая холодильная машина на две температуры кипения выгоднее вследствие сокращения эксплуатационных затрат. Капитальные затраты тоже меньше. Вопросы для самоконтроля 1 По какой зависимостью определяется массовый расход рабочего вещества компрессорах второй ступени в действительных двухступенчатых холодильных машинах с промежуточными сосудами. 74 2 Изобразите процессы в Т.Д.Д., происходящих в действительной двухступенчатой холодильной машине с промежуточными сосудами. 3 Назначение теплообменника в схеме действительной двухступенчатой холодильной машины с теплообменниками. 4 Изобразите процессы в Т.Д.Д., происходящих в действительной двухступенчатой холодильной машине с одноступенчатым винтовым компрессором. 5 Нарисуйте схему действительной двухступенчатой холодильной машины с одноступенчатым винтовым компрессором? 6 Напишите уравнения смешения потоков действительных двухступенчатых холодильных машинах с двумя испарителями? 7 Изобразите процессы в Т.Д.Д., происходящих в действительной двухступенчатой холодильной машине с двумя испарителями? Рекомендуемая литература Основная 4.1.1, с. 104-116 Лекция 7 Тема. Теоретические и действительные циклы и принципиальные схемы трехступенчатых и каскадных холодильных машин. Вопросы 1 Теоретическая трехступенчатая холодильная машина. 2 Действительная трехступенчатая холодильная машина для получения твердой двуокиси углерода. 3 Действительный цикл и принципиальная схема каскадной холодильной машины. 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. Теоретическая трехступенчатая холодильная машина. Принципиальная схема и теоретический цикл такой холодильной машины показаны на рис. 2.14. 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. Процессы теоретического и действительного циклов трехступенчатой холодильной машины аналогичны процессам в двухступенчатой машине, поэтому нет необходимости их описывать. Следует, очевидно, остановиться 75 только на выборе промежуточных давлений, которые выбирают из условий примерно одинаковых отношений давлений в ступенях, т.е. рк/рm = Рm/Р'm = Р'm/Р0, откуда Pm 3 pk2 p0 ; Pm 3 pk p 2 . 0 (2.72) Рис. 2.14. Схема и теоретический цикл трехступенчатой холодильной машины : I, II и IV - компрессоры первой, второй и третьей ступеней; III - теплообменник; V - конденсатор; VI, VII и X - дроссельные вентили; VIII и IX - промежуточные сосуды; XI - испаритель Тепловой расчет трехступенчатых холодильных машин, который основан на методах тепловых и материальных балансов, соответствует расчету двухступенчатых. К каждому из промежуточных сосудов можно подсоединить испаритель так же, как на рис. 2.13. Тогда машина будет работать на три изотермы. В этом случае расчет машины будет аналогичен расчету двухступенчатой холодильной машины с двумя испарителями. Трехступенчатая холодильная машина для получения твердой двуокиси углерода (сухого льда). Особенностью данной холодильной машины является то, что рабочее вещество, совершая обратный цикл, в твердом состоянии выводится из машины, поэтому отвод теплоты от источника низкой температуры происходит в другом месте. Таким образом, рабочее вещество совершает разрывной цикл (квазицикл). Такой цикл можно осуществить вследствие того, что двуокись углерода (углекислота) при давлении 0,53 МПа и температуре 216,6 К может находиться одновременно в трех фазах: жид76 кой, газообразной и твердой. Если давление и температуру увеличить, то углекислота будет находиться только в двух фазах: жидкой и газообразной, поэтому ее можно использовать в этих условиях как рабочее вещество обычной паровой холодильной машины. При давлении ниже 0,53 МПа углекислота находится только в твердом и газообразном состоянии. Эти свойства и используют при производстве твердой углекислоты с помощью обратного цикла. Далее рассматривается работа представленной машины, ее принципиальная схема и цикл на диаграмме s-Т показаны на рис. 2.15. Предположим, что 1 кг жидкой углекислоты дросселируется в дроссельном вентиле VII (процесс 9-10), тогда в конце процесса образуется влажный пар, который, попадая в промежуточный сосуд, разделяется на х10 (кг) сухого насыщенного пара (состояние 11), отсасываемого компрессором высокой ступени V, и (1 - х10) (кг) насыщенной жидкости (состояние 12), поступающей во второй дроссельный вентиль IX. В результате второго дросселирования (процесс 12-13) в промежуточном сосуде образуются (1 - х10)х13 (кг) сухого насыщенного пара (состояние 14) и (1 - х10)(1-х13) (кг) жидкости (состояние 15). Пар отсасывается компрессором средней ступени III, а жидкость дросселируется в третьем дроссельном вентиле XI (процесс 15-16) до давления 0,1 МПа (атмосферное давление). Так как точка 16 находится ниже тройной точки, то в этом состоянии углекислота находится в твердой и парообразной фазах. В сепараторе XII происходит разделение фаз. Твердая углекислота в количестве (1 - х10)(1 х13)(1 – х16) (кг) удаляется из системы (как правило, в виде брикетов, которые получают в специальном прессе в состоянии 18), а пар в состоянии а отсасывается компрессором низкой ступени I. Количество этого пара равно (1 - х10)(1 – х13)х10 (кг). Положение точки а зависит от конструкции сепаратора и теплопритоков извне. Для простоты принимают, что из сепаратора выходит насыщенный пар в состоянии 17, который смешивается со свежей порцией углекислоты (состояние О), количество которого равно количеству выведенной из системы твердой углекислоты, т.е. (1 - х10)(1 - х13)(1 - х16) (кг), в результате смешения образуется состояние I. Удельный массовый расход углекислоты в компрессоре низкой ступени определяется из уравнения: (1 - х10)(1 - х13)(1 - х16) + (1 - х10)(1 - х13)х16 = (1 - х10)(1 - х13). (2.73) Энтальпию углекислоты при всасывании в компрессор низкой ступени (точка I) можно найти из уравнения смешивания: (1 - х10)(1 - х13)h1 = (1 - х10)(1 - х13)h0 + (1 - х10)(1 - х13)x16h17, (2.74) откуда 77 h1 = h0 – x16(h0 – h17). (2.75) С учетом действительных потерь удельная работа компрессора низкой ступени (2.76) l Дн (h2 h1 )(1 x10 )(1 x13 ) / sн , где sн - коэффициент, учитывающий энергетические потери компрессора низкой ступени. Рис. 2.15. Схема и цикл трехступенчатой холодильной машины для получения твердой двуокиси углерода Удельный массовый расход углекислоты в компрессоре средней ступени 78 (1 - х10)(1 - х13) + (1 - х10) х13= (1 - х10). (2.77) Уравнение смешения при всасывании в компрессор средней ступени имеет вид: (1 - х10)h4 = (1 - х10)(1 - х13)h3 + (1 - х10) х13h4. (2.78) откуда h4 = h3 - х13(h4 – h14). (2.79) Состояние углекислоты в точке 3 определяется недорекуперацией в теплообменнике II (можно принять Т3 = Тк). Действительная удельная работа компрессора средней ступени l Дс (hs h4 )(1 x10 ) / sс , (2.80) где sс - коэффициент, учитывающий энергетические потери компрессора средней ступени. Через компрессор высокой ступени проходит 1 кг углекислоты, а энтальпию в точке 7 также определяют из уравнения смешения: h7 = (1 – x10)h6 + x10h11 = h6 - x10(h6 – h11). (2.81) Действительная удельная работа компрессора высокой ступени l Дв (h8 h7 ) sв , (2.82) где sв - коэффициент, учитывающий энергетические потери компрессора высокой ступени. Энергетическую оценку цикла делают по затрате работы для получения 1 кг твердой углекислоты (коэффициент М): М (1 x10 )(1 x13 )(1 x16 ) . l Дн l Дс l Дв (2.83) Цикл и принципиальная схема каскадной холодильной машины. Каскадная холодильная машина состоит из двух или трех ступеней (ветвей), в которых используются разные рабочие вещества. Наиболее распространен79 ными являются машины, состоящие из двух ветвей - нижней и верхней. В нижней ветви каскада используется рабочее вещество высокого давления (низкотемпературное), чаще всего это хладон 23. В верхней ветви - рабочее вещество среднего давления, как правило, это хладон 22. Причем в каждой из ветвей возможно применение двухступенчатого сжатия. Объединяются ветви каскада специальным теплообменным аппаратом, который называется «конденсатор-испаритель». Таким образом, при помощи верхней ветви каскада отводится теплота от рабочего вещества нижней ветви. На рис. 2.16 представлена принципиальная схема реальной каскадной холодильной машины, которая предназначена для работы при температуре кипения в нижней ветви каскада от -70 до -90 ºС. Далее рассматриваются циклы нижней и верхней ветвей каскада. Давления кипения нижней ветви р 0н и конденсации верхней ветви р вк определяются так же, как и для других паровых холодильных машин, т.е. в зависимости от внешних источников. Наибольшую сложность вызывает определение давлений конденсаций нижней ветви р нк и кипения верхней ветви р в0 . При упрощенном методе определения этих величин исходят из условия примерного равенства степеней повышения давления в нижней и верхней ветвях каскада, т.е. р вк /р в0 ≈ р нк /р 0н , задаваясь разностью температур в конденсаторе-испарителе t кн t0в 5-10 ºС. Рабочее вещество поступает в компрессор нижней ветви I при температуре от -15 до 0 °С, сжимается от давления р 0н до давления р нк . В теплообменнике II рабочее вещество охлаждается водой (процесс 2-3), в теплообменнике III холодным паром, идущим из испарителя (процесс 3-4). Далее рабочее вещество конденсируется в конденсаторе-испарителе VI. Теплота от конденсатора-испа-рителя Q нк отводится верхней ветвью каскада, холодопроизводительность которой равна Q в0 . Жидкое рабочее вещество затем поступает в теплообменник IV, охлаждается холодным паром, идущим из испарителя (процесс 5-6). Затем рабочее вещество дросселируется в дроссельном вентиле V. При выходе из испарителя (точка 8) рабочее вещество может стать сухим насыщенным паром (или перегретым). Рабочее вещество подогревают в теплообменнике IV (процесс 8-9) до температуры -50...-30 °С, затем в теплообменнике III до температуры -15...-0 °С (процесс 9-1). В теплообменнике III происходит подогрев пара, идущего на всасывание в компрессор, что, с одной стороны, увеличивает работу компрессора, но, с другой стороны, уменьшает тепловой поток в конденсаторе-испарителе, что, в свою очередь, снижает Т в0 и Т нк . Применение теплообменника III имеет смысл лишь в том случае, если установлен теплообменник II, который охлаждается водой. В противном случае растет тепловой поток на конденсаториспаритель вследствие увеличения работы сжатия компрессора при всасывании более нагретого пара. Кроме того, повышение температуры всасывания улучшает тепловой режим работы компрессора, так как всасывание в ком80 прессор рабочего вещества с низкой температурой может привести к температурным деформациям деталей компрессора. Необходимость теплообменника IV можно объяснить тем, что в нем охлаждается рабочее вещество перед дросселированием, что увеличивает удельную холодопроизводительность цикла. Теплообменники IV и III, кроме этого, защищают компрессор от гидравлического удара. Рис. 2.16. Схема и цикл каскадной холодильной машины 81 Верхняя ветвь каскада представляет собой одноступенчатую холодильную машину с регенеративным теплообменником, которая была рассмотрена ранее. Как уже отмечалось, в нижней ветви используется рабочее вещество высокого давления, поэтому при стоянке машины давление в ней может чрезмерно повыситься. Чтобы этого не произошло, в схеме предусмотрен расширительный сосуд XII, который автоматически подключается к системе, а при пуске рабочее вещество сначала отсасывается из него, а затем подключается испаритель. Сравнение эффективности каскадных и двухступенчатых холодильных машин показывает, что если в обеих ветвях каскада использовать одно и то же вещество, а теплообмен в конденсаторе-испарителе будет происходить при бесконечно малой разности температур, то такие машины термодинамически равноценны. В действительных условиях наличие конечной разности температур в конденсаторе-испарителе ведет к уменьшению холодильного коэффициента каскадной машины по сравнению с двухступенчатой. Наличие конденсатораиспарителя увеличивает капитальные затраты каскадной машины. Однако в реальных условиях очень часто каскадные машины выгоднее двухступенчатых. Это можно объяснить преимуществами, которые связаны с использованием в нижней ветви каскада рабочего вещества высокого давления. Объемная производительность компрессора нижней ветви меньше, чем у компрессора первой ступени двухступенчатой машины из-за большей плотности рабочего вещества при всасывании, что ведет к уменьшению мощности трения. При больших давлениях всасывания (при температуре кипения 80 °С давление хладона 23 равно 0,11 МПа, в то время как у хладона 22 оно 0,0105 МПа) относительные потери мощности в клапанах значительно меньше. Отношение давлений для одинаковых диапазонов температур в нижней ветви каскадной машины меньше, чем в первой ступени двухступенчатой машины (при tm = -40 °С и t0 = -80 °С для хладона 23 р нк /р 0н = 5,8 , для хладона 22 рm/р0 = 16,8). Это ведет к увеличению объемных и энергетических потерь в первой ступени двухступенчатой машины. Области возможного и рационального применения каскадных холодильных машин приведены в табл. 2.1. Таблица 2.1 Области применения каскадных и двухступенчатых холодильных машин Тип машин Каскадная: нижняя ветвь - одна ступень на R23, верхняя ветвь Возможная область применения min t0 t 0max -95 -40 Область выгодного применения t 0min t 0max -85 -40 82 на R22 Каскадная: нижняя ветвь - две ступени на R23, верхняя ветвь одна ступень на R22 Каскадная: нижняя ветвь - две ступени -110 -80 -100 -80 -140 -100 -135 -100 Окончание табл. 2.1 Тип машин на R14, средняя ветвь одна ступень на R23 и верхняя ветвь - одна ступень на R22 Двухступенчатая на R22 Возможная область применения min t0 t 0max -80 не ограничена Область выгодного применения t 0min t 0max -45 -25 Тепловой расчет каскадной холодильной машины состоит из расчетов машин нижней и верхней ветвей каскада, т.е. расчетов одно- или двухступенчатых холодильных машин, которые приведены ранее в соответствующих параграфах. Обязательным условием является равенство холодопроизводительности верхней ветви каскада Q0в и количества теплоты конденсации Qкн , отводимой от рабочего вещества нижней ветви каскада. Вопросы для самоконтроля 1 Область применения трехступенчатых холодильных машин. 2 Напишите формулу промежуточного давления трехступенчатых холодильных машин? 3 Напишите уравнения смешения потоков при всасывании в компрессор средней ступени действительных трехступенчатых холодильных машин для получения твердой двуокиси углерода. 4 Изобразите процессы в Т.Д.Д., происходящих действительной трехступенчатой холодильной машине для получения твердой двуокиси углерода. 5 По какой зависимостью определяется массовый расход рабочего вещества компрессорах первой ступени в двухступенчатых холодильных машинах с однократным дросселированием? 6 Назначение в схеме каскадной холодильной машины конденсатора испарителя. 7 Нарисуйте принципиальную схему действительной каскадной холодильной машины? Рекомендуемая литература 83 Основная 4.1.1, с. 116-124 Лекция 8 Тема. Поршневые компрессоры. Вопросы 1 Теоретический объемный компрессор. 2 Работа компрессора при различных термодинамических процессах сжатия. 4 Действительный поршневой компрессор. Поршневые компрессоры являются наиболее распространенным типом холодильных компрессоров. Их применяют в холодильных машинах производительностью от нескольких десятков ватт до сотен киловатт, а в области малых холодопроизводительностей (до 2-3 кВт) — это практически единственный используемый тип компрессоров. Вследствие этого общее число поршневых компрессоров, применяемых в современных холодильных машинах, намного превышает число компрессоров всех других типов вместе взятых, так как домашние и торговые холодильники и морозильники, небольшие автономные кондиционеры, холодильные машины для прилавков и мелких предприятий торговли выпускают во всем мире миллионами. Почти монопольно поршневые компрессоры используют и в области холодопроизводительностей до 100-150 кВт. Лишь недавно в области холодопроизводительностей 5-15 кВт с ними стали конкурировать спиральные компрессоры, но они пока еще не очень распространены. Делаются попытки применить в области холодопроизводительностей меньше 100 кВт винтовые компрессоры, однако их число пока остается ограниченным. Основное преимущество поршневых холодильных компрессоров перед винтовыми состоит в более высокой энергетической эффективности. В условиях высокой стоимости электрической энергии это преимущество оказывает в ряде случаев решающее влияние на выбор именно поршневого компрессора, несмотря на то что по надежности и сроку службы он уступает винтовому. Поэтому в последнее время в холодильной технике все чаще применяют крупные крейцкопфные поршневые компрессоры производительностью до 800-1000 кВт и выше. Основные понятия и определения. Бескрейцкопфный, или тронковый, компрессор имеет поршни, непосредственно связанные с шатунами с помощью поршневого пальца (рис. 1, а, б). Крейцкопфный компрессор имеет дисковые поршни, которые жестко соединены со штоками, совершающими вместе с поршнями возвратнопоступательное движение. С другой стороны, штоки соединены с крейцкоп84 фами, также движущимися возвратно-поступательно. Шатуны связаны с крейцкопфами с помощью специальных пальцев (рис. 1, в). В компрессоре простого действия рабочий процесс осуществляется только по одну сторону поршня. Все тронковые и некоторые крейцкопфные компрессоры — простого действия. В компрессоре двойного действия рабочий процесс осуществляется по обе стороны поршня (рис. 1, в). Объем, описанный поршнем в задней полости цилиндра, меньше, чем в передней, на объем штока, связывающего поршень с крейцкопфом. Крейцкопфные компрессоры чаще всего бывают двойного действия. Теоретический объем, или объем, описанный поршнями компрессора. Объем Vп (м3), описанный поршнем компрессора простого действия за один оборот, равен объему цилиндра (1) 85 Рис. 1. Схемы поршневых холодильных компрессоров: а — тронковый непрямоточный; б — тронковый прямоточный; в — крейцкопфный двойного действия Для компрессора двойного действия (рис. 1, в) этот объем равен удвоенному объему цилиндра за вычетом объема, занимаемого штоком поршня, (2) Объем, описанный поршнями компрессора с числом цилиндров z за один оборот, (3-5) В формулах (1)-(5) D — диаметр цилиндра, м; SП — полный ход поршня от верхней мертвой точки (ВМТ) до нижней (НМТ), м; (dШТ — диаметр штока крейцкопфного компрессора, м; z — число цилиндров компрессора. Теоретическим объемом, или объемом, описанным поршнями компрессора в единицу времени, называют объем, описанный поршнями всех цилиндров компрессора в единицу времени. Для компрессора простого действия, обычно тронкового (см. рис. 1, а, б), теоретический объем Vт(м3/с) (6) а для крейцкопфного компрессора двойного действия(см. 1.в) (7) где п — частота вращения коленчатого вала, 1/с. Мертвый объем. В действительном компрессоре всегда предусмотрен зазор между крышкой цилиндра и поршнем, условно называемый линейным мертвым пространством, в крышке цилиндра имеются углубления в виде цилиндрических, прямолинейных или кольцевых каналов, образуемых клапанами, между поршнем и зеркалом цилиндра также существует зазор и, кроме того, могут быть дополнительные пустоты в виде каналов, сверлений или проточек. Вместе они образуют мертвый объем, или мертвое простран86 ство. Когда поршень приходит в ВМТ, в цилиндре всегда остается рабочее вещество. 87 Мертвый объем V,. (м3) — это объем рабочего вещества, который не может быть вытеснен из цилиндра поршнем. Относительный мертвый объем является безразмерной величиной и определяется отношением мертвого объема V,. к объему, описанному поршнем за один оборот Уп, (8) У холодильных поршневых компрессоров относительный мертвый объем находится в пределах с = 0,02 + 0,06, причем большие значения относятся к компрессорам меньших размеров и холодопроизводительности. В отдельных случаях малые значения с = 0,015 + 0,025 имеют специальные одноступенчатые низкотемпературные компрессоры [85]. Это достигается за счет уменьшения проходных сечений и числа клапанов, что, в свою очередь, приводит к увеличению потерь давления в них. Такой подход характерен для одноступенчатых компрессоров, работающих при высоких отношениях давления п = рн/рв > 20 + 30, у которых мертвый объем особенно сильно влияет на объемную производительность, в то время как потери давления в клапанах влияют значительно меньше. Вопросы для самоконтроля 1 Напишите формулу работу сжатия поршневого компрессора? 2 Изобразите изотермические процессы сжатия в Т-S диаграмме? 3 Изобразите адибатный процесс сжатия в Т-S диаграмме? 4 Изобразите политропный процесс сжатия в Т-S диаграмме? 5 Записать формулу относительного мертвого объема? 6 Перчислите основные отличие дествительного поршневого компрессора от теоретического? 7 Изобразите индикаторную диаграмму действительного поршневого компрессора? Рекомендуемая литература Основная 4.1.2,с. 99-103 4.1.1,с. 317-326 Лекция 9 Тема. Поршневые компрессоры. Вопросы УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 89 из 57 1 Производительность действительного поршневого компрессора. 2 Мощность и КПД действительного поршневого компрессора. 3 Среднее индикаторное давление действительного компрессора. 4 Регулирование поршневых холодильных компрессоров. Действительный поршневой компрессор. Действительный поршневой компрессор во многом отличается от теоретического. Основные отличия, вызывающие ухудшение его объемных и энергетических показателей, рассмотрены ниже. Мертвый объем. Когда поршень компрессора находится в ВМТ, в мертвом объеме остается часть рабочего вещества под давлением, превышающим давление нагнетания на величину гидравлических потерь в нагнетательном клапане. При движении поршня от ВМТ к НМТ рабочее вещество, оставшееся в мертвом объеме, расширяется, вследствие чего давление в цилиндре, при котором может быть открыт всасывающий клапан, будет достигнуто лишь после того, как поршень пройдет определенное расстояние от ВМТ. В результате всасывание происходит лишь на части хода поршня, что приводит к снижению объемной производительности действительного компрессора по сравнению с теоретическим. Гидравлические потери. Гидравлические потери возникают по всей протяженности газового тракта компрессора, достигая наибольших значений в тех сечениях, где высоки скорости рабочего вещества. Обычно это всасывающие и нагнетательные клапаны компрессора. В итоге давление в цилиндре в начале процесса сжатия оказывается ниже давления всасывания, а в его конце — выше давления нагнетания. Это также вызывает снижение объемных и энергетических показателей компрессора. Подогрев рабочего вещества при всасывании. При движении рабочего вещества по всасывающему тракту оно нагревается, воспринимая теплоту сначала от корпуса компрессора, а затем от клапанов, цилиндра и поршня. В результате в момент закрытия всасывающего клапана удельный объем рабочего вещества будет больше, чем при входе в компрессор, что дает дополнительное снижение объемных и энергетических показателей компрессора. Энергетические показатели уменьшатся вследствие того, что процесс сжатия начнется при более высокой температуре и, значит, возрастет удельная работа, затрачиваемая на его осуществление. Теплообмен в цилиндре. Находясь в цилиндре, рабочее вещество обменивается теплотой с окружающими деталями. При всасывании и в начале сжатия его температура ниже и, воспринимая от деталей теплоту, оно нагревается. В конце сжатия и при нагнетании температура рабочего вещества становится выше, чем у окружающих деталей, и процесс теплообмена идет в обратном направлении. В результате процессы сжатия и обратного расширения идут с переменными значениями показателя политропы. 89 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 90 из 57 Колебания рабочего вещества в полостях компрессора. Они возникают вследствие периодичного характера его работы, что проявляется в пульсациях давления и температуры при входе и выходе компрессора. На частоту и амплитуду изменения давления сильно влияют объем и протяженность сети — трубопроводов и аппаратов, соединенных с компрессором. Колебательные процессы рабочего вещества в системе компрессор-сеть могут значительно повлиять на производительность и мощность компрессора. Утечки и перетечки рабочего вещества. Они обусловлены наличием зазоров и неплотностей между деталями компрессора: гильзой цилиндра и поршнем, в замках поршневых колец, уплотнениях, клапанах и т. п. Утечка — это перетекание рабочего вещества, приводящее к его потере для рассматриваемого процесса. Например, перетекание рабочего вещества из цилиндра в картер тронкового компрессора через неплотности в цилиндро-поршневой группе или всасывающем клапане является утечкой. Перетечка — это перетекание рабочего вещества из одной полости в другую, не приводящее к его потере для данного процесса, Так, перетекание рабочего вещества через не-плотности нагнетательного клапана в цилиндр или через неплотности цилиндро-поршневой группы из одной полости крейцкопфного компрессора двойного действия в другую является перетечкой. Утечки и перетечки приводят к снижению производительности и энергетической эффективности компрессора, так как представляют собой внутренне необратимые процессы дросселирования. Т р е н и е. На преодоление трения в трущихся парах действительного компрессора затрачивается мощность, называемая мощностью трения. В нее, как правило, включается также мощность, затрачиваемая на привод масляного насоса и барботаж масла в картере компрессора. Мощность трения переходит в теплоту, часть которой передается рабочему веществу, что влияет на характер рабочих процессов компрессора. Остальная часть теплоты передается в окружающую среду. Влияние этих факторов приводит к тому, что индикаторная диаграмма действительного компрессора значительно отличается от теоретической (рис. 2). Процесс сжатия 1—2 начинается в точке 1 при давлении ниже давления рв при всасывании в компрессор на величину р1, определяемую гидравлическими потерями во всасывающей полости и особенно в клапанах. В точке 2 давление в цилиндре достигнет давления нагнетания компрессора, однако сжатие будет продолжаться. Для того чтобы открыть клапан действительного компрессора, необходимо преодолеть силу упругости пружины или упругой пластины клапана и силу ее инерции, так как при поднятии или изгибе пластина движется с ускорением. По мере открытия клапана рабочее вещество будет проходить в нагнетательную полость, преодолевая гидравлическое сопротивление, повышенное до тех пор, пока пластина клапана не поднимется полностью. 90 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 91 из 57 Рис. 2. Индикаторная диаграмма действительного поршневого компрессора На рис. 2 над индикаторной диаграммой условно представлена кривая изменения высоты подъема пластины клапана хнкл, из которой видно, что клапан начинает открываться в точке 2 при давлении более высоком, чем давление нагнетания рн. Процесс нагнетания 2-3 идет при переменном давлении, которое достигает максимума в точке а, а затем по мере уменьшения скорости поршня снижается до давления р3, превышающего давление нагнетания рн на величину р3 потерь давления в нагнетательном клапане. По мере приближения поршня к ВМТ нагнетательный клапан начинает закрываться. Это видно из кривой подъема клапана. Процесс обратного расширения 3-4 рабочего вещества, оставшегося в мертвом пространстве под давлением р3, проходит на части хода поршня и заканчивается в точке 4 при давлении в цилиндре более низком, чем давление всасывания. Это обусловлено необходимостью преодоления сил упругости пружины и инерции, а также гидравлического сопротивления всасывающего клапана. Эти особенности качественно одинаковы для всех типов самодействующих клапанов. Процесс всасывания 4—1 проходит с переменным давлением, которое достигает максимума в точке б, примерно соответствующей полному открытию всасывающего клапана, и в дальнейшем несколько повышается до давления рх меньшего, чем давление всасывания, на величину Δр1 потерь давления во всасывающем клапане. 91 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 92 из 57 Схематизированные индикаторные диаграммы действительного поршневого компрессора используют в практике инженерных расчетов потому, что дать точное и вместе с тем достаточно простое описание всех процессов действительного компрессора оказывается практически невозможным. В настоящее время применяют две схематизации. Рис. 3. Первая схематизация индикаторной диаграммы поршневого компрессора Первая схематизация индикаторной диаграммы (рис. 3), наиболее распространенная, лучше всего отражает особенности действительных процессов компрессора. С ее помощью можно рассчитывать не только производительность компрессора, но и его мощность. Главное требование схематизации — равенство площадей схематизированной и экспериментально полученной индикаторных диаграмм. Это условие обеспечивает равенство работ и, значит, индикаторных мощностей. При первой схематизации процессы сжатия 1-2 и обратного расширения 3-4 представляются политропами с постоянными показателями. Процессы всасывания 4—1 и нагнетания 2—3 считаются изобарными, которые проходят при давлениях, отличающихся от давлений при всасывании и нагнетании на осредненные потери давления в клапанах. Сравнение опытной индикаторной диаграммы, изображенной штриховыми линиями, со схематизиованной показывает, что, хотя схематизация искажает действительные процессы, качественное соответствие сохраняется. С точки зрения точности оценки производительности компрессора важно примерное равенство отрезков изобары рв, отсекаемых линиями сжатия и обратного расширения. Давление в процессе всасывания и нагнетания вычисляют с помощью уравнений (9-10) 92 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 93 из 57 Осредненные, относительные потери давления в клапанах кісР = Рв/Рв и к2сР = Рн/Рн определяют по результатам анализа опытных данных. При расчетах компрессоров их обычно принимают в пределах к 1ср = 0,02÷ 0,04, к2ср = 0,03 ÷ 0,06 для аммиачных и воздушных и к1ср= 0,03 ÷ 0,08, к2ср = 0,04 ÷ 0,10 для хладоновых компрессоров. Для расчета процессов сжатия и обратного расширения используют эквивалентные показатели политроп, обеспечивающие равенство площадей схематизированной и экспериментальной индикаторных диаграмм. Результаты анализа большого числа опытных данных, проведенного на различных холодильных и газовых компрессорах [8, 56, 58, 76, 82, 85, 88], обобщены авторами работы [58], получившими формулы для эквивалентного показателя политропы сжатия (9-10) и для эквивалентного показателя политропы обратного расширения (9-10) где k— показатель изоэнтропы идеального или условный показа-тель изоэнтропы идеализированного газа. Вторая схематизация индикаторной диаграммы (рис. 4) состоит в ее разделении на три области. Основная область L1 располагается между изобарами всасывания и нагнетания. Эквивалентные политропы сжатия 1'-2' и обратного расширения 3'-4' строят так, что площадь области L1 равна площади 1'-2'-3'-4' опытной индикаторной диаграммы, показанной на рис.2. Площадь области L2 равна площади части опытной диаграммы 1-1'-4'-4-6-1, расположенной ниже изобары рв , и эквивалент-на работе, потерянной в процессе всасывания. Площадь области L3 равна площади части опытной диаграммы 2'-2-а-З-З'-2', расположенной выше изобары рн, и эквивалентна работе, потерянной в процессе нагнетания. Вторая схематизация пригодна только для оценки работы и мощности компрессора. 93 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 94 из 57 Рис. 4. Вторая схематизация индикаторной диаграммы поршневого компрессора Сопоставление опытной и схематизированной по второму способу индикаторных диаграмм показывает, что второй способ, обеспечивая равенство площадей, вносит существенные качественные изменения в диаграмму. Так, процесс сжатия 1-2 состоит из основного участка политропного сжатия 1'-2' и двух участков изохорного сжатия 1-1'и 2'-2. То же можно сказать и о процессе обратного расширения 3—4. Это, как показывает сравнение с опытными диаграммами, не соответствует действительному характеру течения этих процессов. Однако в тех случаях, когда потери давления в клапанах незначительны, вторая схематизация может казаться приемлемой. Поэтому ее используют для схематизации диаграмм крупных малоооборотных поршневых компресоров, имеющих небольшие потери в клапанах. Вопросы для самоконтроля 1 Что называется коэффициентом подачи? 2 Произведением, каких коэффициентов является коэффициент подачи? 3 Что называется индикаторным коэффициентом? 4 Что называется коэффициентом скрытых потерь? 5 Какие потери учитывает коэффициент подогрева? 6 Какие потери учитывает объемный коэффициент? 7 Записать формулу средне индикаторного давления действительного компрессора? 8 Записать формулу индикаторного КПД? 9 Из каких мощностей состоит мощность трения? 10 Перечислите способы регулирования холодопроизводительности поршневых компрессоров? 11 Какой способ регулирования холодопроизводительности поршневых компрессоров является экономичным? Рекомендуемая литература Основная 4.1.4, с. 5-9, 30-31 Лекция 10 Тема. Винтовые компрессоры. Вопросы 94 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 95 из 57 1 Классификация и принцип работы. 2 Достоинства и недостатки винтовых компрессоров. 3 Рабочие процессы винтовых компрессоров. В практике холодильного машиностроения применяются «сухие» и маслозаполненные винтовые компрессоры. Рис. 6. Винтовой компрессорный агрегат: 1 — компрессор, 2 — всасывающий трубопровод, 3 — обратный клапан (развернут); 4 — паровой фильтр; 5 — электродвигатель; 6 — маслоохладитель; 7 — масляный насос; 8 — штуцер выпуска воздуха; 9 — фильтр грубой очистки масла, 10— маслоотделитель, 11— маслосборник; 12— масляный бачок гидравлической системы; 13— смотровое стекло; 14 — фильтр тонкой очистки масла; 15—редукционный клапан Отличительной особенностью компрессоров сухого сжатия является соединение винтовых роторов с помощью синхронизирующих .шестерен, расположенных на ведущем и ведомом роторах. Винтовые профили обкатываются друг около друга с минимальным зазором, но не касаясь друг друга. Поэтому смазка на винтовые профили не подается, смазываются только синхронизирующие шестерни. Использование компрессоров такого типа дает возможность исключить попадание масла в теплообменные аппараты и тем самым обеспечить в них хорошую теплопередачу. 95 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 96 из 57 Конструкция маслозаполненных компрессоров несколько проще. При наличии смазки, которая подается непосредственно в полость сжатия компрессора, отпадает необходимость в установке синхронизирующих шестерен. Передача крутящего момента ведомому ротору осуществляется сжимаемым паром, а касание роторов при работе компрессора не происходит, поскольку в зазорах всегда имеет место масляный клин. Уменьшение перетекания пара через неплотности дало возможность уменьшить частоту вращения приводного электродвигателя до 50 с~', в результате чего отпала необходимость в установке мультипликатора. Недостатком маслозаполненных компрессоров является необходимость отделения масла от пара, нагнетаемого компрессором, что усложняет конструкцию агрегата (рис. 6). Винтовые компрессоры выпускаются одно-, двух- и трех-роторные. Последние не нашли широкого распространения, использование однороторных ограничено. В нашей стране наибольшее распространение находят винтовые маслозаполненные компрессоры типа 5ВХ-350 отечественного производства и закупаемые в ГДР у предприятия «Кюльаутомат» компрессоры типа 53-900. Эти компрессоры входят в состав агрегатов, обеспечивающих смазку и охлаждение компрессоров, маслоотделение, регулирование холодопроизводительности и т. д. Характеристики агрегатов представлены в табл. 21—24. Принцип действия винтового агрегата Из испарительной системы пар хладагента засасывается компрессором через всасывающий вентиль, обратный клапан и паровой фильтр. В камеру сжатия компрессора подается масло. Сжатый в компрессоре пар вместе с маслом нагнетается в маслоотделитель, где происходит отделение масла, и через обратный клапан и нагнетательный вентиль пар направляется к конденсатору. Винтовой компрессор. Он имеет всасывающие и нагнетательные окна, которые расположены в торцовых частях компрессора по диагонали его корпуса (рис.7). Винтовые роторы представляют собой крупномодульные цилиндрические шестерни постоянного шага с зубьями специального профиля. Зубья парных винтов образуют теоретически беззазорное зацепление. К моменту соединения со всасывающим окном зубья каждого ротора находятся во впадинах другого ротора. Всасывание пара происходит за счет того, что по мере вращения роторов зубья выходят из впадин и освобождающийся объем впадин обоих роторов (парная полость) увеличивается. При увеличении объема парной полости давление в ней понижается, и пар заполняет ее. Когда торцы винтовых впадин будут отсечены от всасывающего окна, начинается процесс переноса хладагента в направлении секции нагнетания. При этом впадины постепенно заполняются зубьями парного винта. Объемы полостей постепенно уменьшаются. Пар, заключенный в парной полости, сжимает- 96 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 97 из 57 ся, его давление повышается. В тот момент, когда парная полость соединится с нагнетательным окном, произойдет процесс нагнетания. Рис. 7. Винтовой компрессор: 1— всасывающая полость; 2 — винтовой ротор; 3— полость нагнетания; 4— золотник; 5 — штуцер подачи масла в полость сжатия; 6. 9 — штуцеры подачи и выпуска масла или пара в полость перестановочного устройства золотника; 7 — поршень перестановочного устройства; 8 — скрученный стержень; 10 — потенциометр Вследствие отсутствия нагнетательного клапана (у винтового компрессора нет всасывающего и нагнетательного клапанов) компрессор имеет постоянную степень сжатия, определяемую размерами нагнетательного окна. При меньших размерах нагнетательного окна степень сжатия увеличивается. Эта величина называется внутренней степенью сжатия компрессора (РЯ/РК), которая, как правило, отличается от степени сжатия холодильной установки (Рк/Ро). Работа компрессора наиболее эффективна, когда внутренняя степень сжатия совпадает со степенью сжатия холодильной установки. При меньшем давлении нагнетания компрессора давление конденсации обеспечивается количественным расходом хладагента: при соединении парной полости, заполненной сжатым хладагентом, с нагнетательным окном некоторое количество пара из нагнетательной полости поступает в парную полость, и давление в последней становится равным />„ = />,, а после этого пар выталкивается в нагнетательную полость. При давлении нагнетания, превышающем Рк, происходит падение давления при соединении парной полости с нагнетательным окном. Оба фактора приводят к понижению холодопроизводительности компрессора и затрате непроизводительной работы. Поэтому при выборе модификации компрессора обращают внимание на рекомендуемые рабочие параметры. 97 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 98 из 57 Как и в поршневых компрессорах, процессы всасывания, сжатия и нагнетания винтовых компрессоров носят циклический характер, следуя один за другим. Их частота зависит от частоты вращения ведущего ротора и числа его зубьев. При п = 50~' и .г=4 частота составит 200 циклов в секунду, что полностью исключает пульсацию пара и воспринимается как непрерывная подача рабочего вещества. Обратные клапаны. В винтовых агрегатах обратные клапаны устанавливаются на всасывании и нагнетании компрессора. При остановке компрессора с открытыми запорными вентилями на всасывании и нагнетании, при отсутствии обратных клапанов или их несрабатывании произойдет раскручивание роторов в направлении, противоположном рабочему вращению. При этом пар из конденсатора будет поступать в испарительную систему. В практике имели место случаи, когда при несрабатывании обратного клапана на всасывании компрессора в нагнетательную полость компрессора засасывалась стружка из маслоотделителя, которую предприятие «Кюльаутомат» применяет в качестве масляного фильтра в маслоотделителе. Паровой фильтр. Фильтр предназначен для очистки пара хладагента от загрязнений, окалины, песка и частиц прокладочного материала перед поступлением его в компрессор. Вопросы для самоконтроля 1 Типы винтовых компрессоров. 2 Что называется защемленным объемом? 3 Что называется утечками и протечками? 4 Перечислите основные преимущества и недостатки холодильных винтовых компрессоров? 5 Что называется геометрической степенью сжатия? 6 Что называется внутренней степенью сжатия? 7 Произведением, каких коэффициентов является коэффициент подачи винтового компрессора? 8 Какой режим работы винтового компрессора является экономичным? Рекомендуемая литература Основная 4.1.1, с. 391-450 Лекция 11 Тема. Маслозаполненные холодильные винтовые компрессоры. 98 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 99 из 57 Вопросы 1 Коэффициент подачи. 2 Мощность, потребляемая винтовым компрессором, к.п.д. 3 Назначение масла впрыскиваемого в винтовой компрессор. 4 Расчет расхода масла в холодильном маслозаполненном винтовом компрессоре. 5 Регулирование производительности ВМК. Система смазки винтового агрегата Масло в зависимости от типа агрегата в количестве 130—230 кг находится в маслосборнике и нижней части маслоотделителя. Его уровень наблюдают по смотровому стеклу Клингера или (на агрегатах типа 53-900) по круглым смотровым стеклам, в которые для удобства наблюдения вставлены поплавки белого цвета. Рис. 28. Принципиальная схема трубопроводов винтового агрегата: 1 - манометр; 2 -дифференциальное реле давления; 3 - реле высокого давления; 4 -реле низкого давления; 5 -температурное реле масла; 6 - запорный вентиль на всасывании компрессора; 7 - обратный клапан на всасывании компрессора, 8, 21 - запорные вентили на обводных линиях; 9 - паровой фильтр; 10, 12, 13, 14 — соленоидные вентили; 11 -перепускной предохранительный кла- 99 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 100 из 57 пан; 15 - дроссельные шайбы; 16 - редукционный клапан; 17-маслоотделитель; 18 - обратный клапан на нагнетательном трубопроводе; 19 - предохранительный клапан; 20 - запорный вентиль на нагнетании агрегата; 22-фильтр грубой очистки масла; 23 -масляный насос; 24-вентиль заправки масла, 25-вентиль выпуска масла; 26 - секции маслоохладителя; 27 - фильтр тонкой очистки масла; 28 - дросселирующий клапан; 29 - компрессор; 30 - поршень перестановочного устройства Масло заправляется в агрегат от автономного насоса через вентиль, размещенный в нижней части маслосборника. Допускается использование штуцера предохранительного клапана для заливки масла в маслоотделитель, для чего клапан должен быть снят. В агрегатах типа /7М53-900 заправка производится автономным насосом через заправочный патрубок перед фильтром грубой очистки. Заполнение маслом производится до средней линии верхнего смотрового стекла маслоотделителя. Масло применяется для смазки трущихся поверхностей; создания гидрозатворов, препятствующих перетеканию хладагента из полости сжатия во всасывающую полость через неплотности; охлаждения хладагента в процессе сжатия; уменьшения уровня шума. При работе масляного насоса (рис. 28) масло из маслосборника засасывается шестереночным насосом через фильтр грубой очистки, направляется в маслоохладитель, затем в фильтр тонкой очистки и через распределительный коллектор подается в компрессор для смазки подшипников, золотника, сальника и впрыска в полость сжатия компрессора (когда полость отсоединится от всасывающего окна). Из компрессора вместе с нагнетаемым паром масло поступает в маслоотделитель и, отделившись от хладагента, сливается в маслосборник. Подача насоса превышает потребную и указана в табл. 25. Расход масла ограничен работой редукционного клапана, который перепускает масло из маслоохладителя в маслоотделитель, а также наличием дросселирующего клапана. Редукционный клапан настраивают на разность между давлением масла на входе в компрессор (после фильтра тонкой очистки) и давлением его в маслоотделителе (давление конденсации). Разность этих давлений должна находиться в пределах 0,2—0,3 МПа. В некоторых инструкциях по эксплуатации указана меньшая разность давлений, рекомендуемая для винтовых агрегатов, но практически установлено, что при разности давлений 0,1 МПа появляются задиры на поверхностях трения и прежде всего на рабочих поверхностях винтов. Дросселирующий клапан впрыскивания масла в рабочую полость компрессора предназначен для регулирования конечной температуры сжатия. Конус клапана имеет сверление, через которое при закрытом клапане проходит минимально допустимое количество масла. В компрессор масло подается через штуцеры на всасывающей и нагнетательной стороне, а также в объем впадин 100 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 101 из 57 между зубьями ведущего и ведомого роторов, который называется парной полостью (рис 29) Масло, поступающее в парную полость, называется инжекционным. Оно поступает в парную полость компрессора, пройдя через дросселирующий клапан (рис 28) Масло смазывает зубья роторов, находящихся в зацеплении, охлаждает пар в процессе его сжатия, уплотняет зазоры между роторами и корпусом, уменьшает уровень шума. Масло, подаваемое на сторону всасывания компрессора, имеет полное давление, создаваемое масляным насосом и редукционным клапаном, установленным между маслоохладителем и маслоотделителем Масло охлаждает и смазывает детали сальника, затем проходит через подшипники-втулки роторов, обеспечивая их смазку, и поступает к винтовым профилям, где смешивается со всасываемым паром К стороне нагнетания масло поступает также с давлением, равным давлению насоса Оно проходит через подшипники-втулки роторов, охлаждая и смазывая их, и одновременно это давление масла воздействует на разгрузочный поршень (рис 30) Разгрузочный поршень, напрессованный на цапфу ведущего ротора, служит для уменьшения осевых усилий, воздействующих на радиальноупорные подшипники При работе компрессора возникают усилия, стремящиеся сместить роторы в сторону всасывания компрессора. Шарикоподшипники препятствуют этому смещению, но их прочность для длительной работы недостаточна. Масло, поступающее к стороне нагнетания, воздействует на разгрузочный поршень, проходит между ним и втулкой поршня, смазывает шарикоподшипники и через штуцер направляется в полость всасывания ведомого ротора (см. рис 29) Таким образом, за счет разности давлений до разгрузочного поршня (давление масляного насоса) и в полости шарикоподшипников (давление всасывания) разгрузочный поршень удерживает ротор от осевого смещения к стороне всасывания и уменьшает нагрузку на шарикоподшипники. Для увеличения эффективности работы разгрузочного поршня на его поверхности имеется резьбовая выточка, выполняющая задачу уплотнения и являющаяся шнеком обратной подачи При работе ведомого ротора на него воздействуют значительно меньшие осевые усилия Поэтому ограничиваются установкой одного шарикоподшипника и не применяют разгрузочный поршень Масло из шарикоподшипников ведущего ротора по внешнему трубопроводу направляется в полость всасывания ведомого ротора (см рис 29) и поступает в отверстие полого ведомого ротора В этом отверстии располагается золотник, жестко прикрепленный к крышке ведомого ротора стержнем круглого сечения. Золотник закрывает отверстия, ведущие от полости ротора к его впадинам (рис. 31). При вращении ротора золотник неподвижен. Внешний контур зо- 101 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 102 из 57 лотника оформлен таким образом, чтобы при вращающемся роторе радиальные его отверстия открывались только по завершении процесса всасывания, когда впадины не связаны со всасывающим окном. Через радиальные отверстия масло поступает в парную полость, что способствует интенсивной циркуляции масла в компрессоре, создает условия для улучшения его смазки. Рис 29 Циркуляция масла в винтовом компрессоре 1 — подача масла для смазывания сальника и подшипников скольжения на стороне всасывания, 2 — подача масла в полость ведомого ротора, 3 — место подачи масла в парную полость, 4 — подача масла для смазывания подшипников на стороне нагнетания, а также воздействия на разгрузочный поршень, 5 — выход масла из полости подшипников качения, 6 — разгрузочный поршень Рис 30 Узел разгрузочного поршня 1 — разгрузочный поршень 2 — втулка разгрузочного поршня, 34 — ради-ально упорные подшипники качения, 5 — приемная втулка подшипников 102 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 103 из 57 Рис. 31. Циркуляция масла в роторной части винтового компрессора. 1— ведомый ротор, 2 — сверление ведомого ротора, 3 — неподвижный золотник, 4—ведущий ротор, 5 — подача инжекционного масла в парную полость, 6 — парная полость Маслоотделитель как элемент системы смазки (рис. 32) является несущей конструкцией агрегата. Смесь нагнетаемого компрессором хладагента и масла, поступая в маслоотделитель, попадает на отбойный слой. Происходит грубое отделение масла, которое стекает через прорези в монтажной плите в маслоотстойник. Смесь хладагента и масла далее поступает в циклонный сепаратор, где происходит тонкое отделение масла. Хладагент, очищенный от масла, выходит через верхнее отверстие сепаратора, а масло стекает вниз. Хладагент проходит через три пакета спрессованной проволоки (фирма «Кюльаутомат» использует сливную стальную стружку), где масло окончательно отделяется от хладагента, и он через патрубок выходит из маслоотделителя. Масло из отбойного слоя, циклонного сепаратора и проволочных фильтров стекает в маслоотстойник. При нормальном заполнении агрегата маслом уровень его должен быть примерно на 50 мм выше верхней кромки маслосборника, но не ниже этой кромки. Маслоотделитель не требует работ по техническому обслуживанию. Фильтр грубой очистки масла (рис. 33), установленный перед масляным насосом, позволяет отделить от масла абразивные частицы. У магнитной системы фильтра задерживаются стальные стружки и другие магнитные продукты износа Немагнитные частицы (продукты износа антифрикционного металла, производственные загрязнения, продукты старения масла) задерживаются на поверхности перлонового сита. Очистка фильтра должна производиться через 100—200 ч работы агрегата после монтажа, а затем через каждые 5000 ч его работы. Магнитную систему и перлоновую вставку промывают тетрахлорметаном, если агрегат работает на хладонах, и керосином — при использовании аммиака. Вставки продувают сжатым воздухом и просушивают, а перед установкой смазывают используемым в установке маслом. 103 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 104 из 57 Уплотнительные кольца круглого сечения промывают и при необходимости заменяют. Одновременно с очисткой вставок нужно промыть корпус фильтра, вывернув пробку слива масла. Внеочередная очистка масляного фильтра производится при нарушении режима работы масляного насоса. Рис 32 Маслоотделитель винтового агрегата: 1 — отбойный слой, 2 — патрубок входа маслоаммиачной смеси, 3— циклонный сепаратор, 4, 5, 6 — фильтры из стальной стружки, 7 — нагнетательный патрубок, 8 — трубопровод к масляному насосу, 9 — маслосборник, 10 — патрубок для подключения указателя уровня масла, 11 — перегородка Рис. 33. Фильтр грубой очистки масла: 104 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 105 из 57 1 — магнитная система; 2 — перлоновое сито; 3 — пробка для слива масла, 4 — штуцер для выпуска воздуха Маслоохладитель (рис. 34) служит для охлаждения масла водой. Он представляет собой одно-, двух- или трехсекционный кожухотрубный аппарат. Вода циркулирует по биметаллическим трубам (в стальные трубы запрессованы медно-никелевые). Масло проходит в межтрубном пространстве, где за счет вертикальных перегородок обеспечено поперечное смывание труб маслом. Крышки и трубные решетки защищены от коррозии эпоксидной смолой слоем 5—6 мм. Работы по обслуживанию маслоохладителя включают в себя проверку работы аппарата, очистку труб, проверку защитного покрытия, контроль состояния прокладок. После слива воды из аппарата и снятия крышек проверяют герметичность труб (по отсутствию подтекания масла). Очистку труб производят специальным ершом, стараясь не повредить слой эпоксидной смолы на трубных решетках. Очищать трубы следует, если температура масла перед компрессором превышает допустимое значение; через каждые 5000 ч работы; не реже чем через каждые 12 мес эксплуатации агрегата. При обнаружении повреждений антикоррозийного эпоксидного покрытия производят его восстановление (см. раздел 10). Воду из маслоохладителя сливают: в зимнее время с целью избежания повреждения труб и крышек при замерзании воды; при работе агрегата влажным ходом. Фильтр тонкой очистки масла (рис. 35) устанавливается после маслоохладителя. Предназначен для фильтрации мелких абразивных частиц. Работы по уходу за фильтром сводятся к промывке вставки с опорным кожухом и сеткой и продувке ее сжатым воздухом. Перед установкой вставки на место ее смазывают маслом. Промывка вставки должна производиться не реже чем через 5000 ч работы агрегата. При падении разности давлений масла промывка фильтра производится внепланово. Выполнение работ по очистке маслоохладителя и фильтров грубой и .тонкой очистки масла, как правило, совмещают с очередной заменой масла. Рис. 34. Маслоохладитель: 105 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 106 из 57 1 — кожух; 2 — патрубки для входа и выхода масла; 3 — перегородка; 4 — резиновое кольцо; 5 — крышка; 6 — трубная решетка; 7 — трубы; 8 — пробка для слива масла; 9, 10 — патрубки входа и выхода воды; И — пробка выпуска воздуха Рис. 35. Фильтр тонкой очистки масла: 1 — входной патрубок; 2 — перлоновое сито, 3 — контрольная сетка; 4— нажимная пружина; 5 — пробка для удаления воздуха; 6 — клапан удаления воздуха; 7 — хомутик; 8 — вставка фильтра; 9 — выходной патрубок; 10 — пробка слива масла Эксплуатация любых компрессоров, особенно винтовых, с применением загрязненного или потерявшего первоначальные свойства масла экономически нецелесообразна. Замена масла в винтовом агрегате производится в зависимости от количества часов его работы. При использовании в качестве хладагента R-12 или R-22 масло заменяют через каждые 10 000 ч работы (подсчет наработки агрегатов производится по сменному журналу).Необходимо помнить, что из хладонового агрегата удаляется только часть масла. Остальное масло, растворенное в хладоне, находится в аппаратах системы. При замене минерального масла на синтетическое и наоборот необходима полная очистка от масла не только агрегата, но и всех аппаратов. В противном случае смешивание масел приведет к их сворачиванию, полной потере смазывающих свойств, что выведет агрегат из строя. При длительной эксплуатации хладонового агрегата, но когда количество выработанных часов невелико, масло заменяют через 2 года эксплуатации. В аммиачных агрегатах замена масла производится через каждые 5000 ч работы, но не позднее 1 года эксплуатации. При замене масла на несовместимое с используемым ранее производится очистка от масла всех элементов агрегата. Одновременный выпуск масла из аппаратов аммиачной установки необязателен, поскольку возврат масла в них отсутствует. Независимо от выполнения ремонтных и профилактических работ, проводимых в соответствии с графиком ППР, при замене масла производится очистка фильтров грубой и тонкой очистки. 106 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 107 из 57 Винтовой агрегат перед выпуском должен работать не менее часа, затем его останавливают, приоткрывая вентиль 8 (см. рис. 28), понижают давление до 0,1—0,2 МПа, отсасывая пар другими работающими компрессорами. Масло выпускают через вентили 24 и 25. Через штуцеры или вентили выпуска воздуха полностью освобождают агрегат от хладагента. Оставшееся в системе масло выпускают, предварительно вывернув пробки в маслоотделителе, компрессоре и масляных фильтрах. После очистки фильтров и вакуумирования агрегата производится заполнение его маслом с помощью автономного насоса через запорный вентиль 24. Регулирование холодопроизводительности винтовых агрегатов Холодопроизводительность винтовых агрегатов регулируют плавно или ступенчато перемещением золотника (регулирующих салазок) компрессора (рис. 36), а также с помощью пуска и остановки компрессора. Перемещение золотника в отечественных компрессорах осуществляется вручную или электрическим приводом. В компрессорах производства ГДР «Кюльаутомат» золотник перемещается гидравлическим приводом. В нижней части корпуса компрессора, в области сжатия пара, в цилиндрической расточке помещен золотник, предназначенный для регулирования холодопроизводительности компрессора. Форма золотника соответствует форме роторной части корпуса. Золотник от проворачивания предохраняет направляющая шпонка, позволяющая в то же время ему свободно перемещаться вдоль оси. На рис. 37 показан золотник с гидравлическим приводом компрессора типа 53-900. При смещении в сторону секции всасывания золотник совместно с корпусом компрессора образует рабочую полость, в которой происходит сжатие пара. Перемещаясь в сторону секции нагнетания, золотник открывает доступ пара из рабочих полостей в полость всасывания. Этим достигается сокращение рабочей длины винтовых роторов и, следовательно, уменьшение холодопроизводительности компрессора. В случае нахождения золотника в крайнем левом положении (рис. 37, а) образующая золотника (форма профиля золотника) повторяет форму расточки роторов. При этом Холодопроизводительность компрессора максимальна. При перемещении золотника вправо, в сторону секции нагнетания, освобождается пространство под винтовыми 107 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 108 из 57 Рис. 36. Размещение золотника в винтовом компрессоре: 1 — золотник, 2 — ведомый ротор, 3 — ведущий ротор профилями роторов; это пространство соединяется с полостью всасывания компрессора (рис. 37,6). Это приводит к уменьшению холодопроизводительности компрессора. На участке, где отсутствует золотник (до сечения 1— 1), зубья роторов частично входят во впадины парных роторов, и объем винтовых впадин уменьшается. Так как полости сжатия из-за отсутствия золотника соединены со всасывающей полостью, часть пара из парной полости уходит на всасывание компрессора. Сжатие пара компрессором начинается только после сечения 1—1. При дальнейшем перемещении золотника вправо, в сторону секции нагнетания, происходит соответствующее уменьшение холодопроизводительности компрессора. При достижении золотником сечения 2—2 пар будет занимать только незначительную часть объема парной полости. Холодопроизводительность компрессора при этом минимальная. Во всех режимах компрессора мощность трения и энергозатраты на перекачивание масла остаются постоянными. Поэтому относительный расход электроэнергии на выработку холода при работе компрессора с неполной холодопроизводительностью увеличивается. Кроме того, максимальная эффективность винтового агрегата достигается при совпадении внутренней (Р„/РВс) и внешней (Рк/Ро) степеней сжатия. 108 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 109 из 57 Рис. 37. Схема регулирования производительности винтового компрессора: а, б, в — положения золотника, соответствующие максимальной, средней и минимальной производительности, 1 — всасывающий патрубок, 2— ротор; 3 — нагнетательный патрубок; 4 — золотник, 5,6 — патрубки входа и выхода масла в цилиндр перестановочного устройства; 7 — поршень перестановочного устройства, 8 — отверстие для прохода пара из парной полости в полость всасывания При уменьшении производительности компрессора за счет перемещения золотника в сторону секции нагнетания внутренняя степень сжатия уменьшается пропорционально падению холодопроизводительности компрессора, что делает работу компрессора энергетически неэффективной. Поэтому на энергонасыщенных предприятиях винтовые агрегаты эксплуатируют с полной холодопроизводительностью, используя в качестве ее регулирования изменение количества работающих агрегатов. В этих случаях надежен и удобен ручной привод золотника компрессора, который находит применение на части выпускаемых отечественной промышленностью винтовых компрессоров. Автоматическое поддержание заданной температуры в охлаждаемом помещении с высокой точностью (±1°С) может быть осуществлено только при плавном регулировании холодопроизводительности компрессора. Для этого применяют агрегаты с компрессорами, имеющими электрический или гидравлический привод золотника. В последнем случае возможна организация безвахтенного обслуживания агрегата. Для ручного привода золотника применяется маховик, установленный в передней части компрессора типа 5ВХ-350-70(2). При вращении маховика по часовой стрелке он перемещается в сторону нагнетательного патрубка и устанавливается в положении минимальной холо- 109 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 110 из 57 допроизводительности компрессора, вращение маховика против часовой стрелки приводит к увеличению холодопроизводительности. Компрессоры типа 5ВХ-350-7-1 (3) оборудуют устройством А80, состоящим из электродвигателя и червячного редуктора. С помощью электропривода возможно плавное регулирование холодопроизводительности. Перемещение золотника производится включением устройства А80 на определенное время. Компрессоры типа 53-900 имеют гидравлический привод золотника. В агрегатах типа РМ53-900 устроена специальная система гидропривода золотника компрессора (рис. 38) Масляный насос гидросистемы работает непрерывно. В винтовых агрегатах типа ГМЗЗ-900 последних выпусков отсутствует специальная гидравлическая система; для перемещения регулирующих салазок компрессора используется масляное давление насоса компрессора. В одноступенчатых агрегатах и агрегатах высокого давления для управления золотником компрессора предусмотрено два соленоидных вентиля (см. рис. 28, поз. 12 и 10) Соленоидные вентили 13 к 14 в этих схемах отсутствуют Для уменьшения производительности компрессора открывается соленоидный вентиль 12, и масло от насоса подается через него и дроссельную шайбу 15 в левую полость цилиндра перестановочного устройства (см. рис. 27). Поршень перестановочного устройства, а следовательно, и золотник компрессора перемещаются в сторону нагнетательного патрубка. Из правой полости перестановочного устройства при этом вытесняется пар хладагента. Для увеличения производительности компрессора открывается соленоидный вентиль 10 (см. рис. 28), и через соответствующую дроссельную шайбу 15 и соленоидный вентиль 10 масло из левой полости перестановочного устройства (см. рис. 27) уходит во всасывающий трубопровод, а поршень перестановочного устройства 7 (см. рис. 27) перемещается влево под действием пара, сжимаемого компрессором. Перемещение золотника компрессора влево приводит к увеличению производительности компрессора. Для компрессоров низкого давления в двухступенчатых винтовых агрегатах применяется двухстороннее гидравлическое перемещение поршня перестановочного устройства, поскольку давление конца сжатия этого компрессора недостаточно для воздействия на поршень перестановочного устройства. Для уменьшения производительности компрессора открываются соленоидные вентили 12 и 14 (см. рис. 28). Масло под давлением насоса подается через соленоидный вентиль 12 в левую полость цилиндра перестановочного устройства (см. рис. 27), а из правой полости через соленоидный вентиль 14 (см. рис. 28) уходит во всасывающий трубопровод компрессора. Поршень перестановочного устройства, а следовательно, и золотник компрессора перемещаются в сторону нагнетательного патрубка. Для увеличения холодопроизводительности компрессора открываются соленоидные вентили 13 и 10, масло через соленоидный вентиль 14 нагнетается в правую полость цилиндра перестановочного устройства (см. рис. 27), а из ле- 110 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 111 из 57 вой полости масло через соленоидный вентиль 10 (см. рис. 28) уходит во всасывающий трубопровод компрессора. Поршень перестановочного устройства 7 (см. рис. 27), а следовательно, и золотник 4 компрессора перемещаются влево. Рис 38 Гидравлическая система привода золотника 1 — компрессор, 2 — поршень перестановочного устройства, 3 — многоходовой золотниковый распределитель, 4 — шестереночный насос, 5 — фильтр, 6 — масляный бачок Положение золотника компрессора контролируется или потенциометром, или герметичным датчиком. Перемещение поршня перестановочного устройства 7 достигается вращением скрученного стержня 8, который в свою очередь поворачивает магнитодержатель с пятью постоянными магнитами. Через немагнитную уплотнительную прокладку магниты управляют герметичными контактами. Сигнал от потенциометра или герметичного датчика передается на прибор, показывающий холодопроизводительность компрессора в данный момент в процентах. В ходе эксплуатации холодильной установки задачей золотникового устройства является: пуск компрессора при минимальной производительности; ручное или автоматическое поддержание необходимой производительности компрессора с целью обеспечения заданной температуры охлаждаемого объекта. В последнем случае команда на перемещение золотника поступает автоматически в зависимости от температуры потребителя холода или давления кипения хладагента. Для устойчивой работы винтового агрегата необходимо поддержание определенных параметров его работы в расчетных Вопросы для самоконтроля 111 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 112 из 57 1 Из каких мощностей складывается мощность ВМК? 2 Записать формулу индикаторного КПД? 3 С какой целью масла впрыскиваемого в винтовой компрессор? 4 Напишите формулу расхода масла в ВМК? 5 Перечислите способы регулирования холодопроизводительности винтовых компрессоров? Рекомендуемая литература Основная 4.1.1, с. 460-475 Лекция 12 Тема. Спиральные компрессоры. Вопросы 1 Классификация, конструкция и принцип работы. 2 Достоинства и недостатки СПК. 3 Типы спиралей и их расчет. 4 Геометрическая степень сжатия. Спиральные компрессоры. Спиральные компрессоры (СПК) относятся к одновальным машинам объемного принципа действия. Как известно, машины такого принципа действия обратимы, т.е. могут работать практически без изменения конструкции, и как компрессоры, и как моторы (детандеры или расширители). Идея такой машины известна более ста лет, но реализовывать ее и довести до промышленного производства и широкого применения удалось только в 80-е годы ХХ века. Причина та же, что и при разработке винтовых компрессоров – не было достаточно точного оборудования для изготовления такой формы деталей, как спирали. В настоящее время в холодильной технике СПК используют в основном в бытовых и транспортных кондиционерах, тепловых насосах, холодильных машинах малой и средней мощности до 50 кВт. Но расчеты показывают, что холодильную мощность СПК можно существенно увеличить - до 100 и более кВт по мере совершенствования их конструкции и их технологии изготовления. Спиральные компрессоры классифицируются следующим образом: маслозаполненные; с впрыском капельной жидкости (например, холодильного агента); сухого сжатия. 112 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 113 из 57 И естественно одно- и двухступенчатые с различными расположением ступеней по отношению к двигателю. В зависимости от рода газа, мощности и других условий: герметичные; бессалниковые; сальниковые. По типу применяемых спиралей: с эвольвентными спиралями, со спиралями Архимеда, с кусочно-окружными и др. Существенно деление СПК на вертикальные и горизонтальные. В последних вал 1 расположен горизонтально (см. рис. 8.91). В горизонтально расположенных СПК, например, у транспортного кондиционера с параллельным расположением вала СПК и продольной оси транспортного средства, труднее обеспечить надежную работу системы смазывания компрессора. Основными достоинствами СПК являются: Высокая энергетическая эффективность; их эффективный КПД достигает 80-86%; Высокая надежность и долговечность, определяемая долговечностью подшипников Вопросы для самоконтроля 1 Область применение спиральных компрессоров. 2 Типы спиральных компрессоров. 3 Перечислите основные преимущества и недостатки СПК? 4 Что называется геометрической степенью сжатия СПК? 5 Перечислите способы регулирования холодопроизводительности СПК? Рекомендуемая литература Основная 4.1.1, с. 490-503 Лекция 13 Тема. Ротационные компрессоры. Вопросы 1 Классификация холодильных ротационных компрессоров. 2 Достоинства и недостатки. 3 Теоретический и действительный процессы работы пластинчатых компрессоров. 4 Объемные энергетические коэффициенты. 113 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 114 из 57 5 Выбор конструктивных размеров. Конструкции холодильных ротационных компрессоров и агрегатов на их базе определяются главным образом типом смазки и способом охлаждения. Тип смазки. От типа смазки и объемной производительности компрессора зависит количество (расход) подаваемого в компрессор масла. В компрессорах с капельной смазкой подаваемое масло предназначено только для уменьшения трения. Количество масла составляет (0,3-=- 1,7)10~4 кг/с в зависимости от производительности компрессора. При этом большие значения расхода соответствуют большим производительностям. В таких компрессорах используют, как правило, выносные многоточечные плунжерные маслонасосы. При циркуляционной системе смазки расходы масла существенно больше и могут соответствовать 1 кг/с на 3—3,5 м3/с объемной производительности в случае комбинированного охлаждения (наличие охлаждающей рубашки) или 1 кг/с на 0,35 — 0,4 м3/с производительности при охлаждении компрессора только впрыском масла (такие компрессоры называют маслозаполненными). Движение масла в этом случае осуществляется между компрессором и маслоотделителем, который установлен на нагнетании и служит одновременно емкостью для масла. Масло в компрессор может подаваться под действием разности давлений нагнетания (в маслоотделителе) и всасывания или с помощью насоса. Поскольку в холодильных компрессорах в зависимости от режима работы перепады давлений могут существенно меняться, обычно применяют насос, располагаемый чаще в торцевой крышке компрессора и приводимый во вращение непосредственно от вала ротора. Масляный насос обеспечивает стабильную подачу масла- независимо от режима работы и позволяет автоматизировать защиту компрессора от нарушений условий смазки. При циркуляционной системе смазки в отличие от капельной требуется применение эффективных маслоотделителей [10], а также охлаждение масла перед подачей в компрессор. Циркуляционная система смазки конструктивно сложнее капельной и содержит большее количество элементов, в том числе автоматизации. Однако это усложнение оправдано тем, что помимо уменьшения трения масло, подаваемое в больших количествах, отводит часть теплоты трения и сжатия, охлаждает рабочие органы компрессора, снижая его температурный уровень. Кроме того, оно уплотняет зазоры, уменьшая вредные перетечки внутри машины, в результате чего улучшаются объемные и энергетические характеристики. Повышение коэффициента подачи и эффективного КПД с увеличением расхода масла происходит лишь до определенного уровня. Так, для компрессоров РАБ100А и Р90 при расходах масла свыше 1 кг/с на 3,3 м3/с производительности рост этих коэффициентов не отмечен. Дальнейшее увеличение расхода масла приводит лишь к снижению температурной напряженности компрессоров и уровня шума. 114 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 115 из 57 Обычная схема циркуляции масла: маслоотделитель — фильтр грубой очистки — маелонасос — маслоохладитель — фильтр тонкой очистки — компрессор — маслоотделитель. Для уменьшения перетечек внутри компрессора рекомендуется подавать масло через торцевые зазоры, а также в нескольких точках по длине цилиндра так, чтобы масло попадало в ячейку, соответствующую началу сжатия (после перекрытия всасывающего окна). Тип охлаждения. При капельной смазке для отвода теплоты трения и части теплоты сжатия обязательно применяют охлаждающую рубашку, водяную или масляную. Водяная рубашка эффективна и при циркуляционной системе смазки, когда количество циркулирующего масла находится в пределах 1 кг/с на 2 —3,5 м3/с производительности. При этом до 50% теплоты отводится в рубашке циркулирующей водой, В некоторых конструкциях, например, фирмы РЕ5 (США) в охлаждающей рубашке циркулирует масло, которое затем охлаждается в маслоохладителе, причем контур циркуляции этого масла не связан со смазкой компрессора и в соприкосновение с холодильным агентом масло не вступает. За рубежом широко распространены холодильные маслозаполненные компрессоры без охлаждающей рубашки. Здесь охлаждение производится только маслом, впрыскиваемым в полость сжатия, которое затем охлаждается водой в маслоохладителе или другими способами. Например, в конструкциях маслозаполненных компрессоров фирмы «Рпск» (США) предусмотрен также вариант, когда масло охлаждается за счет испарения холодильного агента, который впрыскивается в специальную камеру, расположенную в нагнетательной полости компрессора, с помощью терморегулирующего вентиля. Последний поддерживает температуру масла на входе в маслоотделитель в требуемых пределах. Рис.1. Компрессор Р90-7-6 115 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 116 из 57 1-цилиндр; 2- ротор; 3- пластина; 4- водяная рубашка; 5,10- крышка; 6корпус сальника; 7- сальник; 8- крышка сальника; 9- вал; 11- опорные подшипники; 12- шестеренчатый насос; 13- крышка насоса; 14- радиально-упорные подшипники. Конструкции и характеристики компрессоров. Отечественный бустеркомпрессор Р90 изображен на рис. 1У-6. Стальной ротор с фрезерованными по всей длине пазами, в которых свободно размещены пластины, расположен эксцентрично в верхней части цилиндра. С торцов цилиндр закрыт крышками, в которых находятся радиальные роликоподшипники, являющиеся опорами ротора. Ротор со стороны глухой крышки фиксируется в осевом направлении с помощью радиально-упорного шарикоподшипника. С той же стороны расположен встроенный шестеренчатый маслонасос с непосредственным приводом от ротора. Со стороны сальника к торцу ротора крепится диск, утопленный в крышке, назначение которого — уменьшать вредные перетекания через торцевой зазор. Для этой же цели подача масла в полость сжатия осуществляется через подшипниковые камеры и торцевые зазоры. Для уменьшения защемленного объема и перетеканий через радиальный зазор между ротором и цилиндром предназначена выточка в верхней части цилиндра радиусом ротора, позволяющая иметь минимальный зазор не по одной образующей, а на определенном угле. Смазка компрессора насосно-циркуляционная, охлаждение комбинированное — впрыском масла и с помощью водяной рубашки в цилиндре. Бустер-компрессор предназначен для встраивания в блочные одно- и двухступенчатые агрегаты, где его снабжают необходимыми элементами маслосистемы и автоматической защиты [11]. Регулирование холодопроизводительности компрессора осуществляется пуском — остановом. Из других способов регулирования как в отечественных, так и в зарубежных конструкциях наиболее распространено байт пасирование с нагнетания на всасывание. Регулирование можно также осуществлять, изменяя положение кромки всасывающего окна с уменьшением начального объема ячейки. Холодопроизводительность и потребляемая мощность компрессора при работе на аммиаке при разных температурах кипения t 0 и промежуточных tпр приведен на рис. Основными деталями компрессора являются цилиндры, роторы, пластины и подшипники. Цилиндры пластинчатых компрессоров выполняют, как правило, чугунными, литыми, с водяной охлаждающей рубашкой или без нее. Они могут иметь одно или несколько всасывающих и нагнетательных окон по длине, которые располагаются перпендикулярно или наклонно к образующей цилиндра. 116 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 117 из 57 Основные требования к рабочей поверхности: высокая чистота обработки и повышенная твердость (более 190НБ). Роторы в основном изготовляют из стали. В крупных машинах применяют комбинированные роторы: чугунный барабан, в котором нарезаются пазы для пластин, насажен на стальной вал. Пазы под пластины располагают радиально или с наклоном в сторону вращения. В некоторых конструкциях во избежание касания о цилиндр при чрезмерном износе подшипников ротор размещают в верхней части цилиндра по вертикали или несколько смещенным в сторону нагнетательных окон. Для уменьшения перетеканий сжимаемой среды через торцевые зазоры на одном или обоих торцах ротора расположены диски, которые утоплены в торцевых крышках. Наиболее распространены пластины из неметаллических материалов, изготовленных прессованием тканей, пропитанных специальными смолами. Эти материалы имеют достаточно высокий предел прочности, термическую стойкость до 160—180°С, сравнительно низкий коэффициент трения (0,08—0,12) по чугуну в присутствии масла, низкую плотность (1,6— 1,9 г/см3), которая непосредственно влияет на мощность трения и позволяет выдержать при малой массе пластин достаточную ширину пазов, чтобы обеспечить технологичность их изготовления. Неметаллические пластины скользят непосредственно по рабочей поверхности цилиндра с окружной скоростью 10—16 м/с; при этом в присутствии смазки достигается необходимый ресурс. Пластины по длине выполняют короче ротора с учетом разницы в коэффициентах линейного расширения материалов пластин и ротора, а также их абсолютной длины. Толщина пластин меньше ширины паза на 0,2—0,4 мм, чтобы обеспечить свободное движение их в пазах. Применение металлических пластин усложняет компрессоры конструктивно и технологически, так как требуется использование вращающихся колец или барабанов, на которые опираются пластины. Металлические пластины без разгрузочных колец применяют лишь в компрессорах малой производительности с окружными скоростями 7—8 м/с. В таких случаях к физикомеханическим свойствам самих пластин и рабочей поверхности цилиндра предъявляют особые требования. В качестве опорных подшипников чаще используют подшипники качения с цилиндрическими роликами, имеющие высокие коэффициенты работоспособности и обеспечивающие простоту сборки и разборки компрессора. Компрессоры снабжают также подшипником, фиксирующим ротор в осевом направлении. В компрессорах двойного действия в качестве опорных наиболее целесообразно применение подшипников скольжения, так как в этом случае радиальные нагрузки фактически отсутствуют. 117 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 118 из 57 Конструкции остальных узлов и деталей (насосы, сальники, фильтры и т. п.) аналогичны тем, что применяются в холодильных компрессорах других типов. Теоретические положения Компрессор, в котором ротор (поршень) вращается относительно цилиндра, называется ротационным. По характеру движения ротора ротационные компрессоры разделяют на две основные группы - с катящимся ротором и с вращающимся ротором. Ротационные компрессора с катящимся ротором применяются для малых холодильных машин. Ротационные компрессора с вращающимся ротором имеют пластины свободно скользящие в пазах ротора. Применяют ротационные пластинчатые компрессоры в холодильной технике главным образом в качестве ступеней низкого давления (бустеркомпрессоров) в двух- и трёхступенчатых холодильных установках. Это обусловлено тем, что именно в области малых перепадов давлений (до 300-400 кПа) пластинчатые компрессоры имеют достаточно высокие объёмные и энергетические показатели. Область применения холодильных ротационных бустер-компрессоров характеризуется холодопроизводительностью от нескольких киловатт до 900 кВт (теоретическая производительность до 1,3 м3/с) при температуре кипения tо = - 40 0C,промежуточной температуре t ПР = - 10°С; температурой кипения от 25 до -70°С; разностью давлений нагнетания и всасывания до 400 кПа. Компрессоры используют для работы на аммиаке и хладонах. Основным преимуществом ротационных пластинчатых компрессоров является простота конструкции. Изготовление таких компрессоров но связано с применением сложного специального технологического оборудования. В эксплуатации они отличаются простотой обслуживания и ремонта, причём ремонтно-восстановительные работы требуется сравнительно мало времени. Малое количество изнашиваемых деталей, отсутствие всасывающих и нагнетающих клапанов обеспечивают надёжность и достаточный ресурс к другим преимуществам ротационных компрессоров относятся малые материалоёмкость и удельная занимаемая площадь, хорошая уровновешанность; практически безопасная работа при попадании жидкого холодильного агента в цилиндр при аварийных ситуациях; стабильность характеристик в процессе длительной эксплуатации, обусловленные тем, что вследствие прижима пластин к цилиндру центробежными силами величина зазора между ними не зависит от износа пластин по высоте. Недостатком ротационных пластинчатых компрессоров является то, что их можно использовать при сравнительно малых перепадах давлений нагнетания и всасывания, а также сравнительно большие потери на трение пластин по цилиндру, повышенный шум машин крупной производительности. 118 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 119 из 57 Принцип работы На рис.1 изображена схема компрессора с вращающимся ротором 2 в неподвижном цилиндре или корпусе I. Ось вращения ротора смещена относительно оси цилиндра. В роторе имеются прорези, в которых скользят пластины 3. При вращении ротора пластины под действием центробежной силы выталкиваются из прорезей и упираются в поверхность, затем вновь занимают первоначальное положение. Пространство между цилиндром и ротором делится пластинами на отдельные камеры, наибольший объём которых - в нижней части цилиндра, наименьший - в верхней части цилиндра. Пар из всасывающего трубопровода захватывается пластинами и сжимается в камерах между пластинами. Когда камера достигает нагнетательного окна, пар выталкивается через окно в нагнетательный трубопровод. Ротационные пластинчатые аммиачные компрессоры в настоящее время применяют в качестве поджимающих для получения низких температур в двухступенчатой установке. Промышленность выпускает пластинчатый ротационный аммиачный компрессор Р-90-7-6. Комплектующий двухступенчатые агрегаты А-90-7-6. Регулирование холодопроизводительности компрессора осуществляется пуском-остановкой. Из других способов регулирования как в отечественных, так и в зарубежных конструкциях наиболее распространено байпасирование с нагнетания на всасывание. Регулирование можно также осуществлять, изменяя положение кромки всасывающего окна с уменьшением начального объёма ячейки. Потребляемая мощность Потребляемая мощность (в кВт) на валу (эффективная) холодильного ротационного компрессора Ne=Ga lАД/е гдеGa - расход, кг/с; lАД - удельная адиабатическая работа; е - эффективный КПД. Мощность электродвигателя определяется по формуле: Nэ=Ne/ ЭМ где Э - КПД электродвигателя М - КПД механической передачи. Производительность компрессора Теоретическая объёмная производительность компрессора без учёта потерь: 119 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 120 из 57 VT= F1z lP n где F1 - максимальная площадь сечения одной ячейки, м2; z - количество ячеек или пластин; lP - длина ротора, м; n- частота вращения ротора, с-1. Действительная объёмная подача компрессора VД = VT Коэффициент подачи =1-а рК/р0, где а равно 0,05. Вопросы для самоконтроля 1 Область применение ротационных компрессоров. 2 Типы ротационных компрессоров. 3 Перечислите основные преимущества и недостатки ротационных компрессоров? 4 Что называется геометрической степенью сжатия ротационного компрессора? 5 Какие основные потери учитывает коэффициент подачи? 6 Напишите формулу теоретической объемной производительностью пластинчатого ротационного компрессора? 7 Назовите основные конструктивные параметры выбираемые пластинчатого ротационного компрессора? Рекомендуемая литература Основная 4.1.1, с. 521-529 Лекция 14 Тема. Центробежные компрессоры. Вопросы 1 Конструктивная схема и принцип действия центробежных компрессоров холодильных машин. 2 Термогазодинамические процессы в элементах ступеней. 3 Треугольники скоростей. 4 Потери в ступени. 5 Мощность ступени, к.п.д. 6 Коэффициент реактивности. 120 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 121 из 57 Центробежные холодильные компрессоры в большинстве случаев по условиям производства и эксплуатации невозможно отделить от холодильных машин, в составе которых они работают. Вследствие этого в данной главе наряду с вопросами, относящимися собственно к компрессорам, рассмотрены вопросы, связанные с центробежными холодильными машинами. Холодильные машины с центробежными компрессорами разделяют на две группы 1: комплексные холодильные машины для охлаждения воды или рассола, наиболее распространенные в установках комфортного и промышленного кондиционирования воздуха; компрессорные агрегаты, применяемые в холодильных установках промышленных производств (в химической, нефтеперерабатывающей, газовой промышленности и т. п.). Для холодильных машин первой группы характерно использование фреонов, второй группы — аммиака, пропана и других углеводородов. Холодильные машины первой группы включают в себя компрессор, привод, конденсатор, испаритель, систему смазки, систему автоматики, вспомогательную аппаратуру (обычно в едином агрегате). Второй группы — компрессор, привод, систему смазки, систему автоматики, комплект вспомогательной аппаратуры, трубопроводов и арматуры. Холодильные машины с центробежными компрессорами применяют в широком диапазоне низких температур (от условий кондиционирования воздуха до —120° С). В химической и нефтеперерабатывающей промышленности при производстве синтетического каучука и спирта, для сжижения газов, кристаллизации солей и т. д. В установках кондиционирования воздуха в цехах промышленных предприятий, глубоких угольных шахтах, больших административных, общественных и торговых зданиях; в холодильных установках пищевой промышленности; в судовых холодильных установках; в качестве тепловых насосов для отопления производственных, общественных и жилых зданий, машинных залов и служебных помещений гидроэлектростанций; в экспериментальных установках различного назначения. Холодильные машины и установки с центробежными компрессорами применяют главным образом для больших холодопроизводительностей. Наименьшая холодопроизводительность их определяется целесообразным минимальным расходом холодильного агента при выходе из последнего колеса. Для современных фреоновых компрессоров этот расход можно принять равным примерно 0,165 м3/с, что соответствует диаметру рабочего колеса D2 (см. рис. 11), равному 250 мм. Тогда наименьшая холодопроизводительность холодильных машин промышленного типа при стандартных условиях составит при работе на R12 700 кВт, на R11 160 кВт и на R113 85 кВт (при условиях кондиционирования воздуха эти цифры мало изменятся). Оптимальную нижнюю границу холодопроизводительности при серийном производстве холодильных машин с центробежными компрессорами назначают с учетом верхней границы холодопроизводительности машин других типов (поршневых и винтовых). Наибольшая холодопроизводительность холодильных машин с центробежными 121 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 122 из 57 компрессорами в зависимости от вида холодильного агента достигает в современных конструкциях 20 тыс. кВт при стандартных условиях. По сравнению с наиболее распространенными поршневыми центробежные компрессоры имеют следующие преимущества [13]: меньшие масса и габариты при одинаковой холодопроизводительности; простота устройства, надежность и безопасность; отсутствие неуравновешенных инерционных сил и связанная с этим возможность использования легких фундаментов; равномерность вытекающей струи пара, отсутствие смазочного масла в холодильном агенте; возможность осуществления циклов с многоступенчатым сжатием паров и дросселированием жидкости и циклов с несколькими температурами кипения; возможность непосредственного соединения с быстроходным двигателем (паровой или газовой турбиной, высокочастотным электродвигателем); сравнительная простота регулирования холодопроизводительности в широких пределах. Недостатки центробежных холодильных компрессоров проявляются особенно при небольших холодопроизводительностях. Малые компрессоры имеют высокую частоту вращения — 0,5÷ 1,66 тыс. с -1 (30÷ 100 тыс. об/мин), что связано с применением специального привода или многоступенчатой повышающей передачи. Кроме того, КПД малых центробежных машин существенно ниже, чем у поршневых. Тем не менее центробежные холодильные компрессоры иногда применяют и при малых холодопроизводительностях (40—50 кВт), особенно там, где необходимы компактность, малая масса, хорошая уравновешенность, надежность и др. По сравнению с воздушными и газовыми холодильные центробежные компрессоры имеют следующие особенности. Холодильные компрессоры имеют меньшую объемную производительность (обычно от 0,55 до 5,5 м3/с), лишь в отдельных случаях всасываемый объем достигает 20 м3/с, процесс сжатия, как правило, более сложный (с различным расходом холодильного агента в каждой секции или ступени). В заданном диапазоне изменения температур кипения и конденсации компрессор должен обеспечить все режимы работы, т, е. степень повышения давления может существенно меняться. Система регулирования компрессора должна гарантировать эффективную работу в пределах изменения холодопроизводительности от 100 до 30%. Процесс сжатия протекает вблизи пограничной кривой пара, т. е. в области, где законы и уравнения идеального газа теряют силу. При сжатии тяжелых рабочих веществ (фреонов) числа Маха Мu = u2/а значительно выше, чем в стационарных воздушных и газовых компрессорах; при этом в одной ступени достигается высокая степень повышения давления (до 3,2) и сильно уменьшается объем сжимаемых паров. Впервые холодильные машины с центробежными компрессорами появились в 1922 г., когда фирма «Кэрриэр» (США) начала выпускать машины этого типа, работавшие на дихлорметане и дихлорэтилене. Несколько позднее (в 1926 г.) фирмой «Броун—Бовери» были построены аммиачные холодильные маши- 122 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 123 из 57 ны с центробежными компрессорами. С 30-х годов в холодильных машинах с центробежными компрессорами применяют преимущественно фреоны. В настоящее время, кроме фреонов используют также аммиак, пропанпропиленовую смесь, этилен, этан и метан. В СССР центробежные холодильные компрессоры, работающие на R12, аммиаке, и пропане, изготовляет с 1960 г. Казанский компрессорный завод. Вопросы для самоконтроля 1 Изобразите рабочие процессы центробежного в Т-S диаграмме?. 2 Перечислите основные преимущества и недостатки центробежных компрессоров? 3 Что называется коэффициентом реактивности? 4 Какие типы рабочих колес применяются в центробежных компрессорах? 5 Что называется коэффициентом мощности? 6 Изобразите треугольник скоростей при закрутке потока ВРА?. Рекомендуемая литература Основная 4.1.1, с. 538-567 Лекция 15 Тема. Центробежные компрессоры. Вопросы 1 Характеристики центробежных компрессоров. 2 Способы регулирования холодопроизводительности центробежных компрессоров и автоматизации их работы. Конструктивная схема компрессора определяется относительным расположением основных элементов: рабочих колес, сальниковых уплотнений, устройств регулирования, мультипликатора, патрубков для подвода и отвода холодильного агента. Схемы используют в диапазоне холодопроизводительностей от 140 до 1750 кВт при работе на R11 в одноступенчатом исполнении и от 1400 до 3500 кВт при работе преимущественно на R12 123 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 124 из 57 Рис. 111-17. Двухступенчатый фреоновый центробежный компрессор со встроенным электродвигателем (фирма «Кэрриер»): 1 — колесо первой ступени; 2 — колесо второй ступени; 3 — корпус; 4 — встроенный двигатель; 5 — масляный бак-картер; 6 — входной регулирующий аппарат. в двухступенчатом исполнении (рис. 111-17). Предельной холодопроизводительностью компрессоров со встроенным приводом считается 7000 кВт прежде всего из-за трудностей осуществления привода. Применение перспективной схемы 6, в пока ограничено из-за дороговизны электропривода с преобразователем частоты. Наиболее распространена схема 5, в которой использованы компрессоры со встроенным мультипликатором. Преимущество такой схемы — сравнительно высокая надежность сальника, уплотняющего тихоходный вал привода (рис. 111-18). Для агрегатов, комплектующих холодильные машины группы II (см. табл. 111-3), применяют в основном компрессоры, рассчитанные на большой объемный расход (при условиях всасывания от 5000 м3/ч и выше). Наиболее перспективной считается схема 3 (рис. 111-19 и 111-20), в которой предусмотрены две камеры всасывания и две секции ступеней, что позволяет осуществлять эффективные циклы, а также экономичное и глубокое регулирование холодо-производительности. Схему 1 применяют сравнительно редко — только для крупных многоступенчатых компрессоров. Преимуществами такой схемы являются полное отсутствие смазочного масла в холодильном агенте и система смазки, единая для компрессора и привода, недостатком — наличие двух сальников. Схемы 2 и 4 (с электроприводом) в новых конструкциях применяют редко. 124 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 125 из 57 Рис. 111-18. Двухступенчатый фреоновый центробежный компрессор с мультипликатором: 1 — уплотнение вала, г— планетарный мультипликатор; 3 — ротор; 4 — пакет диафрагм; 5 — кожух; 6 — входной регулирующий аппарат, 7 — радиальный подшипник; в — радиально-упорный подшипник. Рис 111-19 Пропановый центробежный компрессор ТКП-435 1 — корпус, 2 — радиально упорный подшипник, 3 — входной регулирующий аппарат первой секции, 4 — ротор, 5 — пакет диафрагм, 6 — рабочие колеса, 7 — улитка первой секции, 8—улитка второй секции, 9—входной 125 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 126 из 57 регулирующий аппарат второй секции, 10 — радиальный подшипник; 11 — уплотнение вала; 12 — всасывающий патрубок первой секции, 13 — всасывающий патрубок второй секции Привод компрессора Рабочая частота вращения роторов холодильных компрессоров составляет преимущественно 100—250 с-1. Минимальная частота вращения, применяемая на практике, 60 с-1; максимальная (не считая отдельных специальных случаев) 300 с-1. Наиболее распространенный тип привода электрический, с частотой вращения 25 или 50 с-1, с передачей через зубчатые мультипликаторы. Применяют асинхронные и синхронные электродвигатели с мощностью до 10 000 кВт и напряжением до 10 кВт при частоте тока 50 Гц (60 Гц). Встроенные электродвигатели только асинхронные, короткозамкнутые, с мощностью не выше 1500 кВт и напряжением не более 6 кВт, обычно двухполюсные. Частота вращения ротора у таких электродвигателей составляет 50 с-1 при частоте тока 50 Гц. Они имеют специальную изоляцию обмотки, стойкую в среде холодильного агента и масла. Используют также встроенные электродвигатели, работающие при высокой частоте тока (300 Гц), достигаемой в специальных преобразователях, что позволяет получить частоту вращения ротора компрессора, равную 300 с-1, без мультипликатора. Габариты таких электродвигателей при надлежащем охлаждении их значительно меньше, чем у электродвигателей промышленной частоты. 126 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 127 из 57 Рис. 111-20. Аммиачный центробежный компрессор ТКА-545 1—радиально-упорный подшипник; 2 — корпус, 3 — входной регулирующий аппарат первой секции; 4 — колесо первой ступени; 5 — лопаточный диффузор, 5—обратный направляющий аппарат, 7 — колесо второй ступени; 8 — улитка первой секции, 9 — думмис, 10 — колеса второй секции (третья, четвертая и пятая ступени); 11 — входной регулирующий аппарат второй секции; 12 — радиальный подшипник 13 — уплотнение вала; 14 — пакет диафрагм, 15 — всасывающий патрубок первой секции, 16 — всасывающий патрубок второй секции; 17 — улитка и нагнетательный патрубок патрубок второй секции. Наиболее распространенные виды зубчатых мультипликаторов одноступенчатые, с эвольвентным зацеплением (косозубые или шевронные) или зацеплением Новикова [5], с передаточным отношением до 6. Прогрессивным направлением является применение мультипликаторов планетарного типа (обычно с заторможенным водилом), особенно при встроенном приводе (см. рис. 111-18). Основные преимущества такого мультипликатора — соосность валов электродвигателя и компрессора, низкий уровень вибрации и шума, высокая надежность. При использовании холодильных компрессоров со встроенным приводом следует учитывать дополнительные энергетические потери, вызванные быстрым вращением деталей в относительно плотной среде паров фреона [1]. На предприятиях, использующих пар для технологических целей или для получения электроэнергии, применяют паротурбинный привод. Паровая турбина соединяется с компрессором без промежуточной передачи и позволяет регулировать холодопроизводительность машины изменением частоты вращения. Если центробежный компрессор включен в общую схему холодоснабжения с абсорбционной холодильной машиной, то пар после турбины используется в генераторе абсорбционной машины. При наличии бросовой теплоты можно применять привод от турбины, работающей на холодильном агенте [12] по схеме, показанной на рис. 111-11. В настоящее время этот вид привода используют лишь в отдельных случаях, например в установках охлаждения и сжижения газа при его транспортировке. В отдельных случаях применяют в качестве привода газовые турбины. Система смазки Система смазки обеспечивает смазку всех трущихся элементов компрессора, привода, а также гидравлическое уплотнение вала при выходе его из корпуса. Система смазки может быть закрытой и открытой (область применения систем смазки характеризуется табл. Ш-3). В системах обоих типов масло из бака (картера) подается шестеренчатым насосом с приводом от отдельного электродвигателя, реже от вала компрессора или зубчатой передачи (в открытой системе). После насоса масло охлаждается в водяном холодильнике, фильтруется в щелевых самоочищающихся или ме- 127 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 128 из 57 таллокерамических регенерируемых фильтрах. Для предотвращения подсоса масла в проточную часть предусматривают уравнительные паровые линии, обеспечивающие наиболее низкое давление паров в масляном баке и подшипниковых камерах. В закрытых системах не нужны автоматические приборы, поддерживающие заданное давление масла, подводимого к сальниковому уплотнению вала, так как абсолютное давление масла определяется давлением паров холодильного агента в масляном баке (близким к давлению всасывания) и напором масляного насоса как при работе, так и после остановки машины. В открытых системах необходима такая следящая и постоянно действующая система; при этом масляный насос должен создавать значительно более высокие разности давлений, чтобы во всех режимах обеспечить превышение давления масла в уплотнении над давлением паров в смежной полости компрессора. В закрытых системах перед пуском масло нагревается до заданной температуры с помощью электрического или водяного (парового) подогревателя. Нагрев необходим для предотвращения вспенивания масла при понижении давления паров в масляном баке во время пуска компрессора, а также уноса масла в проточную часть компрессора вместе с парами фреона. Автоматизация холодильных машин с центробежными компрессорами Холодильные машины с центробежными компрессорами полностью автоматизированы и требуют в процессе эксплуатации лишь минимального наблюдения за их работой. Автоматика холодильных машин с центробежными компрессорами по сравнению с другими холодильными машинами имеет некоторые особенности. Регулирование ^холодопроизводительности методом пуск — остановка для машин столь крупной производительности не применяют. Автоматический самозапуск (например, по температуре теплоносителя) обычно не осуществляется. Пуск производится вручную под наблюдением оператора. В схеме агрегатов часто (особенно для агрегатов группы II) для разгрузки во время пуска предусматривают байпасирование пара (перепуск после охлаждения с нагнетательной стороны на всасывание). Закрытие байпасной линии и перевод агрегата на нормальную работу производятся автоматически по сигналу реле времени или другого датчика, контролирующего тот или иной параметр. Байпасная система часто выполняет функцию регулирования — она автоматически включается при минимально допустимом расходе пара через компрессор. Система регулирования производительности наряду с основной функцией - изменение холодопроизводительности по давлению всасывания или температуре теплоносителя в зависимости от теплового потока — в некоторых случаях выполняет вторую функцию — ограничение производительности агрегата при перегрузке по сигналу датчика мощности. Это позволяет без вмешательства оператора в автоматическом режиме производить захолаживание отепленной системы холодоснабжения или продолжать выработку холода в возможных 128 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 129 из 57 пределах при нерасчетных условиях эксплуатации (скачкообразное изменение теплового потока, временное ухудшение работы системы охлаждения конденсаторов и т. п.). Система автоматизации всегда предусматривает термостатирование масла — нагрев перед пуском, регулируемое охлаждение во время работы. Наряду с другими видами защитной автоматики, применяемой в холодильных машинах, в холодильных машинах с центробежными компрессорами применяют защиту по температурам масла и подшипников, по осевому сдвигу ротора (возможному при нерасчетных осевых усилиях по ротору, например, при попадании жидкости в компрессор) с помощью электрических (емкостных контактных или бесконтактных) или гидравлических (пневматических) датчиков. Холодильные машины группы I, работающие на холодильных агентах низкого давления, и низкотемпературные агрегаты, работающие на холодильных агентах среднего и высокого давления, при наличии вакуума в системе оснащаются автоматическими устройствами отделения и удаления воздуха из системы. Вопросы для самоконтроля 1 Перечислите основные способы регулирования холодопроизводительности? 2 Какой из способов регулирования холодопроизводительности является экономичным? 3 Используя способ регулирования холодопроизводительности поворотом лопаток диффузора насколько можно снизить производительность компрессора? Рекомендуемая литература Основная 4.1., с. 536-595 Лекция 16 (1 час) Тема. Введение. Газовые холодильные машины. Вопросы 1. Классификация газовых холодильных машин. 2. Теоретические циклы газовых холодильных машин 3. Действительные циклы. 4. Характеристики газовых холодильных машин. 129 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 130 из 57 Холодильные машины, весь термодинамический цикл которых совершается в области сильно перегретого пара — газа, называются газовыми холодильными машинами (ГХМ). По принципу получения низких температур ГХМ делятся на два типа: 1) ГХМ, в которых эффект охлаждения получается вследствие расширения газа в специальных расширительных машинах — детандерах с отдачей внешней полезной работы; 2) ГХМ, в которых эффект охлаждения получается в вихревых трубах без отдачи полезной работы. Независимо от того, в каком устройстве достигается эффект охлаждения, ГХМ могут работать по нерегенеративному или регенеративному циклу. ГХМ, рабочим веществом которых является воздух, называют воздушными холодильными машинами (ВХМ). Воздух невзрывоопасен, гигиеничен, может подаваться прямо в охлаждаемое помещение; только на воздухе можно практически осуществлять циклы с тепломассообменом, что позволяет обойтись без водяного теплообменника, снизить металлоемкость машины и сделать ее более простой в эксплуатации, а при необходимости и транспортабельной. При умеренно низких температурах газа работа, получаемая при его расширении в детандере, может составлять значительную часть его работы, затрачиваемой в компрессоре. Поэтому в ГХМ первого типа работа детандера передается компрессору и используется для сжатия газа, что позволяет уменьшить работу, необходимую для привода ГХМ, и повысить ее энергетическую эффективность. В ГХМ второго типа кинетическая энергия, получаемая при расширении газа, в сложном газодинамическом процессе, проходящем в вихревой трубе, переходит в теплоту и затрачивается на нагрев той части газа, которая отводится в виде теплого потока. Кроме того, в вихревой трубе до низкой температуры охлаждается обычно не более 50-70% от полного массового расхода газа, поэтому эффективность ГХМ с вихревыми трубами значительно ниже, чем ГХМ с детандерами. Охлаждение с помощью вихревого эффекта энергетически невыгодно. Тем не менее ГХМ второго типа компактны, просты в изготовлении, надежны в эксплуатации и относительно дешевы, поэтому их применение оправдано только в машинах специального назначения или в тех случаях, когда они работают периодически в течение коротких промежутков времени. Вопросы для самоконтроля 1. Назовите типы газовых холодильных машин. 2. Как определяется холодильный коэффициент цикла? 3. От чего зависит коэффициент обратимости? Рекомендуемые источники 130 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 131 из 57 4.1.1 с. 3-7. Дополнительные 4.2.1 с. 3. Лекции 17 (1часа) Тема. Термоэлектрические холодильные машины Вопросы 1. Основные положения теории термоэлектрического охлаждения. 2. Режимы работы термоэлемента и его основные параметры. Термоэлектрические холодильные машины, в устройстве которых использованы новые полупроводниковые материалы, широко применяют в различных охлаждающих устройствах. В современных термоэлементах в области температур окружающей среды максимальная разность температур на спаях достигает 70-90 °С. На многокаскадных устройствах эта разность температур может быть более 100 °С. Таким образом, разность температур, получаемая в термоэлектрических холодильных машинах, вполне достаточна для использования этого способа охлаждения в различных областях науки и техники. Ряд особенностей термоохлаждающих устройств способствовал их распространению. Уже в начале 1960-х годов разработкой и промышленным выпуском термоэлектрических охлаждающих устройств были заняты многие организации и предприятия как у нас в стране, так и за рубежом. Виды проводимости термоэлементов. Энергетическая эффективность термоэлектрических холодильных машин зависит от физических свойств материалов термоэлементов. Одним из основных свойств материалов термоэлементов считается электропроводность; количественной мерой электропроводности материала являются, как известно, значения удельного электрического сопротивления р или удельной электропроводности ст = 1/р. Как уже отмечалось ранее, в термоэлементах используют полупроводники. Удельная электропроводность полупроводников в большей мере зависит от инородных примесей, температуры, давления, освещения. Примеси, введенные в материал полупроводника, могут воздействовать на него по-разному. Если в кристаллическую решетку полупроводника вводят атомы, внешние электроны которых связаны непрочно, то при их отрыве число свободных электронов проводимости в материале увеличивается, в результате чего электропроводимость полупроводника возрастает. Примеси, которые увеличивают число электронов проводи131 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 132 из 57 мости, называют донорами. В том случае, когда в чистый материал полупроводника вводят атомы с незаполненной внешней электронной оболочкой, такие атомы укомплектовывают свой незаполненный уровень «чужими» электронами, т. е. электронами соседних атомов, у которых связь электронов непрочна. Это приводит к образованию «дырки» на месте утраченного электрона у основного атома. «Пострадавший» атом теряет электрическую нейтральность и превращается в положительно заряженный ион, который также стремится захватить электрон у соседнего атома. Примеси, атомы которых повышают ионную проводимость материала полупроводника, называют акцепторными. Переход электрона от одного атома к другому приводит к тому, что место, где образовалась электронная дырка, постоянно и беспорядочно перемещается по всей кристаллической решетке от одного атома к другому. Такое перемещение электронной дырки эквивалентно перемещению положительных зарядов. Если на такой кристалл воздействовать внешним электрическим полем, то движение электронных дырок будет противоположно движению электронов. Проводимость, обусловленная передвижением электронных дырок, получила название дырочной проводимости. В зависимости от типа проводимости (электронной или дырочной) полупроводниковые материалы делят на электронные (n-типа) и дырочные (р-типа). Чистым полупроводниковым материалам свойственна смешанная проводимость — электронная и дырочная. При создании в полупроводнике электрического поля возникает движение электронов и дырок, а общий ток представляет собой сумму электронного и дырочного тока. Так как электроны более подвижны, чем дырки, то у полупроводников со смешанной проводимостью электронный ток преобладает, как правило, над дырочным. Проводимость чистого полупроводника называют собственной проводимостью, а проводимость, которая обусловлена примесью, — примесной проводимостью. Таким образом, электропроводимостью проводников можно управлять, вводя в них незначительное количество примесей. Такой способ является основным и наиболее доступным средством изменения показателей полупроводниковых материалов. Теория термоэлектрических холодильных машин базируется на термоэлектрических явлениях. К их числу обычно относят три термоэлектрических эффекта: Зеебека, Пельтье и Томсона. Эти эффекты связаны со взаимным превращением тепловой энергии в энергию электрического тока. Термоэлектрические эффекты. Эффект Зеебека. Сущность эффекта Зеебека заключается в следующем: если в разомкнутой электрической цепи, состоящей из нескольких разнородных проводников, на одном из контактов поддерживать температуру ТГ (горячий спай), а на другом температуру ТХ (холодный спай), то при условии ТГ ТХ на концах цепи возникает термоэлектродвижущая сила Е, а при замыкании цепи в ней появляется электрический ток. Такую цепь называют термоэлементом, или термопарой 132 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 133 из 57 Вопросы для самоконтроля Рекомендуемые источники Основные 4.1.1. с. 60 4.1.4 с. 4-29 Дополнительные 4.2.1 с. 33-53 4.2.4 4.2.5 4.2.6 Лекции 18 (1 часа) Тема. Термоэлектрические холодильные машины Вопросы 1. Материалы для ветвей термоэлементов. 2. Энергетическая эффективность применения термоэлектрического метода охлаждения. 3. Термодинамическая оценка потерь. Надежность. Перспективы применения. Выбор материалов для термоэлементов. Экономичность термоэлемента, а также максимальное снижение температуры на спаях зависят от эффективности (добротности) полупроводникового вещества z, в которую входят удельная электропроводность а, коэффициент термоЭДС и удельная теплопроводность к. Эти величины взаимосвязаны, так как зависят от концентрации свободных электронов или дырок. Такая зависимость представлена на рис.1. Из рисунка видно, что электропроводность а пропорциональна числу носителей п, термоЭДС стремится к нулю с увеличением п и возрастает при уменьшении п. Теплопроводность к состоит из двух частей: теплопроводности кристаллической решетки кр, которая практически не зависит от п, и электронной теплопроводности кэ, пропорциональной п. Эффективность металлов и металлических сплавов мала из-за низкого коэффициента термоЭДС, а в диэлектриках — из-за очень малой электропроводимости. По сравнению с металлами и диэлектриками эффективность полупроводников значительно выше, чем и объясняется их широкое применение в настоящее время в термоэлементах. Эффективность материалов также зависит от температуры. Термоэлемент состоит из двух ветвей: отрицательной (n-тип) и положительной (р-тип). Так как материал с электронной проницаемостью имеет термоЭДС с 133 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 134 из 57 отрицательным знаком, а материал с дырочной проводимостью — с положительным, то можно получить большее значение термоЭДС. При увеличении термоЭДС растет z. Для термоэлементов в настоящее время применяют низкотемпературные термоэлектрические материалы, исходными веществами которых являются висмут, сурьма, селен и теллур. Максимальная эффективность г для этих материалов при комнатных температурах составляет: 2,610-3 0С-1 для n-типа, 2,210 -1 0С-1 — для р-типа. В настоящее время Вi2Те3 применяют редко, поскольку созданные на его основе твердые растворы Вi2Те3-Ве2Sе3 и Вi2Те3Sb2Те3 имеют более высокие значения z. Эти материалы впервые были получены и исследованы в нашей стране, и на их основе освоен выпуск сплавов ТВЭХ-1 и ТВЭХ-2 для ветвей с электронной проводимостью и ТВДХ-1 и ТВДХ-2 — для ветвей с дырочной проводимостью. Твердые растворы Вi-Sе применяют в области температур ниже 250 К. Максимального значения z = 610 -3 0С-1 достигает при Т 8090 К. Интересно отметить, что эффективность этого сплава значительно повышается в магнитном поле. Рис.1. Качественные зависимости термоЭДС, электропроводности и теплопроводности от концентрации носителей Рис. 2. Схема термоэлемента Полупроводниковые ветви в настоящее время изготавливают тремя методами: методом порошковой металлургии, литьем с направленной кристаллизацией и вытягиванием из расплава. Метод порошковой металлургии с холодным или горячим прессованием образцов наиболее распространен. В термоэлектрических охлаждающих устройствах применяют, как правило, термоэлементы, у которых отрицательная ветвь изготовлена методом горячего прессования, а положительная — методом холодного прессования. Механическая прочность термоэлементов незначительна. Так, у образцов сплава Вi2Те3-SbТе3, изготовленных методом горячего или холодного прессования, 134 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 135 из 57 предел прочности при сжатии составляет 44,6-49,8 МПа. Для повышения прочности термоэлемента между коммутационной пластиной 1 (рис.2) и полупроводниковой ветвью 6 ставится демпфирующая свинцовая пластина 3; кроме того, применяют легкоплавкие припои 2, 4 и припой SiSb 5. Испытания показывают, что термоэлектрические устройства имеют виброударную стойкость до 20g, термоэлектрические охладители малой холодопроизводительности — до 250g. Вопросы для самоконтроля Рекомендуемые источники Основные 4.1.1 с. 142-149 4.1.4 с. 126-148 Дополнительные 4.2.1 с. 53-72 4.2.7 Лекция 19 (1 час) Тема. Пароэжекторные холодильные машины Вопросы 1. Схема и принцип действия. 2. Теоретические циклы пароэжекторные холодильные машины. 3. Газодинамические основы работы пароструйного аппарата. 4. Действительные циклы пароэжекторных машин. 5. Коэффициенты эжекции. Рабочим веществом ПЭХМ преимущественно 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 135 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 136 из 57 пара из испарителя паровым эжектором позволило создать относительно компактную и надежную в эксплуатации машину. Недостатками ПЭХМ являются низкая энергетическая эффективность изза больших потерь в эжекторе, а также необходимость поддержания глубокого вакуума в испарителе, конденсаторе и пароструйном аппарате. Наиболее широко ПЭХМ применяют в системах кондиционирования воздуха на судах с парогенераторными энергетическими установками, а также на промышленных предприятиях, располагающих вторичными энергетическими ресурсами повышенного температурного потенциала. Принцип действия и теоретический процесс работы пароэжекторной машины. Пароэжекторная машина представляет собой систему совмещенных неразделимых процессов прямого и обратного циклов, т. е. в ней совмещены пароэнергетическая установка с двигателем-эжектором и холодильная машина со струйным компрессором-эжектором. Пароэнергетическая установка включает в себя парогенератор, эжектор, конденсатор и насос. В состав холодильной машины входят эжектор, конденсатор, регулирующий вентиль и испаритель. Схема пароэжекторной машины показана на рис.1. Рабочий пар из парогенератора Г, образованный в нем за счет подвода теплоты qг, направляется в сопло эжектора Э. В сопле потенциальная энергия пара преобразуется в кинетическую энергию — скорость пара возрастает. Струя рабочего пара, увлекая холодный пар, идущий из испарителя И, смешивается с ним в камере смешения эжектора. Смесь рабочего и холодного пара направляется в диффузор эжектора, в котором давление смеси повышается вследствие снижения скорости. Таким образом, за счет кинетической энергии струи рабочего пара осуществляется работа сжатия смеси рабочего и холодного пара от давления в испарителе р0 до давления в конденсаторе рк. Теплота конденсации qк в конденсаторе ГК отводится водой, а образовавшийся конденсат направляется по двум потокам: одна часть конденсата в количестве, равной массе рабочего пара, подается конденсатным насосом КН в парогенератор Г, другая — через дроссельный вентиль РВ1 поступает в испаритель И. Вода в испарителе охлаждается в результате ее частичного испарения при глубоком вакууме. Количество теплоты, отводимой холодным паром, зависит от удельной теплоты парообразования воды при давлении и температуре в испарителе и расхода холодного пара. Из испарителя И образующийся пар непрерывно отсасывается эжектором, благодаря чему в испарителе поддерживаются постоянное давление и непрерывный процесс испарения. Охлажденная вода, называемая «рабочей водой», циркулирует между испарителем И и потребителем холода ПХ. Рабочая вода подается к потребителю холода циркуляционным насосом ЦН, в испаритель она возвращается через вентиль РВ2. 136 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 137 из 57 Рис.1. Схема пароэжекторной холодильной машины Вопросы для самоконтроля Рекомендуемые источники Основные 4.1.5 с. 37-38. 4.1.4 с. 183-255 Дополнительные 4.2.8 Лекции 20 (1 часа) Тема. Пароэжекторные холодильные машины Вопросы 1. Рабочие схемы и конструкции пароэжекторных холодильных машин. 2. Тепловой и конструктивный расчеты основных элементов машин. 3. Характеристики и энергетическая оценка пароэжекторных холодильных машин. Машины с поверхностными и смешивающими барометрическими конденсаторами. Пароводяные эжекторные холодильные машины в зависимости от конструкции и принципа работы главных конденсаторов делятся на два основных типа: машины с поверхностными конденсаторами и машины со смешивающими конденсаторами. 137 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 138 из 57 Рис. 2. Схема пароэжекторной холодильной машины с поверхностными конденсаторами Преимуществом машин с поверхностными конденсаторами является возможность сохранения конденсата вследствие того, что конденсирующийся пар в них отделен от охлаждающей воды трубками, образующими теплопередающую поверхность. Машины этого типа имеют меньшие габаритные размеры и могут устанавливаться в производственных помещениях в непосредственной близости от потребителей холода. По сравнению с машинами со смешивающими конденсаторами они несколько сложнее в эксплуатации и требуют дополнительного вспомогательного оборудования. Рабочая схема пароводяной эжекторной холодильной машины с поверхностными конденсаторами показана на рис. 2. Рабочая вода, отепленная у потребителей, через запорный " клапан 1 поступает в испаритель 2. В испарителе вследствие непрерывного отсоса главными эжекторами 3 образующегося пара поддерживается давление насыщения, соответствующее температуре выходящей из испарителя рабочей воды. Небольшая часть рабочей воды испаряется, отнимая теплоту испарения от основной массы воды, циркулирующей через испаритель, благодаря чему вода охлаждается. Из испарителя охлажденная вода откачивается центробежным насосом 4 и подается потребителям. Рабочий пар поступает в редукционный клапан 5, где давление пара снижается до требуемого значения, и далее через клапан 6 поступает к соплам главных эжекторов. Проходя через сопла, рабочий пар расширяется до давления несколько меньше требуемого давления насыщения в испарителе. Благодаря этому из испарителя в приемную камеру главного эжектора отсасывается холодный пар, который затем, смешиваясь с паром, вышедшим из сопла, поступает в главный конденсатор 7. Смесь холодного и рабочего пара конденсируется, отдавая теплоту конденсации охлаждающей воде, циркулирующей через трубки главного конденсатора. Конденсат, образующийся в главном конденсаторе, откачивается конденсатным насосом 5 и через невозвратно-запорный клапан 9 нагнетается в конденсатную систему. Часть конденсата, необходимая для компенсации испарившейся рабочей 138 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 139 из 57 воды, поступает в испаритель через электромагнитный клапан и поплавковый регулятор уровня 10. В пароводяной эжекторной машине все основные аппараты — испаритель, главный конденсатор и другие — работают под давлением ниже атмосферного, в результате чего в машину поступает воздух извне. Для поддержания в аппаратах заданных давлений необходимо непрерывно отсасывать воздух из системы. Из испарителя вместе с холодным паром главные эжекторы отсасывают и воздух. Отсос воздуха из главного конденсатора с выбросом в атмосферу осуществляется вспомогательными эжекторами в две ступени. Необходимость двух ступеней объясняется тем, что воздух отсасывается со степенью сжатия 15-30, что не может быть обеспечено одним эжектором. Вместе с воздухом эжекторы первой и второй ступени отсасывают и некоторое количество пара. Паровоздушная смесь из эжектора первой ступени 11 поступает в конденсатор первой ступени 14, где пар конденсируется, а освободившийся воздух из конденсатора первой ступени отсасывается эжектором второй ступени 12 в конденсатор второй ступени 13, из конденсатора второй ступени воздух выбрасывается в атмосферу. В конденсаторе второй ступени давление несколько больше атмосферного, в конденсаторе первой ступени давление промежуточное между давлением в главном конденсаторе и атмосферным давлением. Давление в главном конденсаторе, при котором происходит конденсация пара, зависит от температуры и количества охлаждающей воды, поступающей в главный конденсатор, а также от степени загрязнения конденсатных трубок. Конденсат, образовавшийся в конденсаторе второй ступени, через перепускной клапан 15 поступает в конденсатор первой ступени. Конденсат из конденсатора первой ступени под влиянием разности давлений по U-образной трубе через уравновешивающий клапан 16 перетекает в главный конденсатор. Вопросы для самоконтроля Рекомендуемые источники Основные 4.1.3 с. 103-121, 121-209, 320-410. Дополнительные 4.2.1 с. 73-108 4.2.9 4.2.10 Лекции 21 (1 часа) Тема. Абсорбционные холодильные машины 139 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 140 из 57 Вопросы 1. Схема и принцип действия абсорбционной холодильной машины. 2. Принцип совмещения прямого и обратного циклов. 3. Рабочие вещества абсорбционных холодильных машин. 4. Термодинамические свойства растворов. 5. Диаграммы состояний. 6. Расчет принципиальной схемы абсорбционной холодильной машины аналитическим и графическим методами. 7. Способы ректификации пара. Общая характеристика и принцип действия абсорбционной холодильной машины. Абсорбционные холодильные машины (АХМ) изобретены Лесли (1810 г.) и Карре (1850г.). Процессы абсорбционных холодильных машин осуществляются с помощью рабочих веществ — растворов, состоящих, как правило, из двух компонентов: хладагента и абсорбента. При работе машины хладагент периодически находится как в жидком, так и в парообразном состояниях, а абсорбент — только в жидком состоянии. Из-за возросших требований, связанных с созданием безотходной технологии различных производств и экономией топливно-энергетических ресурсов, абсорбционные холодильные машины стали широко применять в промышленности на тех объектах, которые располагают источниками дешевой теплоты. АХМ по температурному уровню охлаждаемого источника разделяют на две подгруппы: АХМ для области положительных и АХМ для области отрицательных температур охлаждения; некоторые типы АХМ могут применяться как в области отрицательных, так и в области положительных температур охлаждения. В зависимости от используемых в настоящее время в промышленных АХМ рабочих веществ их можно разделить на две основные группы: водоаммиачные и бромистолитиевые. Водоаммиачные АХМ конструкции Карре появились на 25 лет раньше аммиачных парокомпрессорных холодильных машин Линде, построенных в 1875 г. Бромистолитиевые АХМ промышленного типа были созданы в США фирмой «Керриер» в 1949 г. Однако в результате широких исследований возможностей использования в АХМ других рабочих веществ к указанным АХМ можно добавить хладоновые, углеводородные и АХМ с неводными растворами солей и др. По типу циклов АХМ можно разделить на АХМ с одно- и многоступенчатыми циклами. АХМ с одноступенчатыми циклами в основном используют для выработки холода в области положительных и отрицательных температур охлаждения (до -45 °С). Для получения холода с температурой ниже -45 °С применяют, как правило, двухступенчатые АХМ; могут применяться и трехступенчатые АХМ, а также машины с двумя и более температурными уровнями охлаждения. Одноступенчатые и многоступенчатые циклы АХМ разделяют, в свою очередь, на циклы с простыми и сложными процессами тепломассопереноса в основных аппара140 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 141 из 57 тах. Простыми процессами являются одноступенчатые со совмещенным и раздельным тепломассопереносом в аппаратах; к сложным процессам относятся процессы со ступенчатой абсорбцией, десорбцией, конденсацией, кипением, материальной регенерацией рабочих веществ и др. При существенном изменении диапазона температур внешних источников теплоты могут применяться абсорбционнорезорбционные АХМ, характеризующиеся в данных условиях высокой энергетической эффективностью. В зависимости от вида используемых внешних источников теплоты АХМ разделяются на АХМ с паровым, газовым, жидкостным или солнечным обогревом генераторов, АХМ с водяным или воздушным охлаждением абсорберов и конденсаторов (или с комбинацией указанных источников охлаждения аппаратов). По степени агрегатирования АХМ разделяются на агрегатированные (с конструктивным объединением всех элементов в один или несколько блоков) и неагрегатированные (с отдельно выполненными элементами АХМ). К агрегатированным относятся бромистолитиевые АХМ. В зависимости от схем включения АХМ в технологические процессы различных производств их можно разделить на автономные, не зависящие от схемы технологического процесса, и встроенные — с объединением части цикла АХМ с технологическим процессом. Широко применяют также безнасосные АХМ как непрерывного, так и периодического принципов действия. На выбор типа АХМ и ее схемы основное влияние оказывают требования объекта, особенности технологического процесса, обслуживаемого АХМ, температурный уровень и виды греющего, охлаждаемого источников и источника окружающей среды, стоимостные показатели теплоты, охлаждающей воды, рабочих веществ, конструкционных материалов АХМ и другие факторы. На выбор АХМ существенное влияние оказывает вид выпускаемой продукции на предприятии. Например, на аммиачных, углеводородных, хладоновых и подобных им производствах предпочтительно применять встроенные АХМ с использованием теплоты ВЭР указанных производств. При этом в АХМ могут использоваться рабочие вещества, являющиеся продукцией соответствующих производств. Следует иметь в виду то обстоятельство, что наличие дешевой теплоты ВЭР технологич!еских процессов с необходимым температурным уровнем для обогрева генераторов АХМ практически всегда предопределяет экономическую целесообразность их применения для выработки холода. Однако в каждом случае выбор типа АХМ должен устанавливаться на основе технико-экономических расчетов или комплексной оптимизации для конкретных условий эксплуатации АХМ на объекте. 141 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 142 из 57 Рис.1. Простейшая схема абсорбционной холодильной машины Теплота в АХМ переносится от источника низкой температуры ТИНТ (охлаждаемого объекта) к источнику окружающей среды с температурой ТОС с помощью системы совмещенных прямого и обратного циклов раствора за счет использования теплоты греющего источника с температурой Тк. Простейшая схема АХМ приведена на рис.1. В генераторе Г осуществляется кипение слабого (по абсорбенту) раствора вследствие подвода теплоты от греющего источника. Образующийся при этом пар рабочего вещества (растворителя) поступает в конденсатор Кд, где конденсируется путем отвода теплоты конденсации к источнику окружающей среды. Жидкость, полученная в конденсаторе, расширяется в детандере Д1 и поступает в испаритель И. Вследствие подвода теплоты от источника низкой температуры в испарителе происходит кипение жидкости и образующийся при этом пар поступает в абсорбер А. Крепкий (по абсорбенту) раствор из генератора через детандер Д2 также поступает в абсорбер. В генераторе АХМ поддерживается давление конденсации, а в абсорбере — давление кипения, так как указанные аппараты соединены по паровому пространству соответственно с конденсатором и испарителем. В абсорбере пар поглощается крепким раствором, концентрация которого снижается и достигает концентрации, соответствующей начальному ее значению при кипении раствора в генераторе. Теплота, выделяющаяся при абсорбции пара раствором, отводится к источнику окружающей среды. Слабый раствор, образовавшийся в конце процесса абсорбции, отводится из абсорбера в генератор насосом Н. В АХМ с помощью ее основных элементов — генератора Г, детандера Д2, абсорбера А и насоса Я — осуществляется прямой термодинамический цикл, а с помощью конденсатора Кд, детандера Д1 и испарителя И — обратный термодинамический цикл. Иллюстративно это может быть объяснено следующим образом (рис. 1). Пар, образующийся в генераторе, можно было бы направить не в конденсатор, а в паровую турбину Т, где после его расширения от давления кипения раствора (конденсации пара) до давления абсорбции, равного давлению кипения ра142 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 143 из 57 бочего вещества в испарителе, была бы получена внешняя работа, а пар после турбины направлялся бы в абсорбер для поглощения крепким раствором. Одновременно пар из испарителя мог бы быть направлен в компрессор К, где за счет затраты работы сжимался бы от давления пара в испарителе до его давления в конденсаторе и подавался в последний на конденсацию. Так как вся работа, полученная в турбине, полностью расходуется на привод компрессора, то, подавая пар из генератора непосредственно в конденсатор, можно исключить из схемы турбину и компрессор и тем самым совместить прямой и обратный циклы. Наличие детандеров Д1 и Д2 с получением в них внешней работы снижает необратимые потери соответственно в обратном и прямом циклах. Термодинамические принципы АХМ наиболее просто можно представить в предположении, что прямые и обратные циклы осуществляются между источниками с постоянными температурами, что облегчает анализ и сводит его к рассмотрению эквивалентных циклов Карно при совершенном теплообмене. В прямом цикле тепловой двигатель, расходуя Qh теплоты греющего источника с температурой Тн, отдает источнику окружающей среды с температурой Tос количество теплоты Qа и производит механическую работу L (рис.1). Это количество работы при использовании в холодильной машине позволит отвести теплоту в количестве Q0 от источника низкой температуры с потенциалом Tинт и передать источнику окружающей среды теплоту в количестве Qк. Вопросы для самоконтроля Рекомендуемые источники Основные 4.1.2 с. 9-37, 105-158, 265-298, 328-357. Дополнительные 4.2.1 с.135-156. 4.2.11 Лекции 22 (1 часа) Тема. Абсорбционные холодильные машины. Вопросы 1. Расчет абсорбционной холодильной машины с теплообменником растворов и водяным дефлегматором аналитическим и графическим методами. 2. Многоступенчатые машины с материальной регенерацией, со ступенчатой абсорбцией, с превышением температур. 143 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 144 из 57 3. Действительные рабочие процессы абсорбционных холодильных машин. Абсорбционные машины, работающие с превышением температур. При достаточном расширении зоны дегазации, небольшом перепаде между давлениями испарения р0 и конденсации рк можно получить такой режим работы абсорбционной машины, при котором температура в начальной стадии абсорбции будет выше температуры в начальной стадии выпаривания. Это превышение температур можно использовать Для обогрева части генератора за счет части теплоты абсорбции. Принцип превышения температур практически можно реализовать путем обратной подачи через генератор и абсорбер. Реализация принципа превышения температур приводит к сокращению теплоты генератора, подводимой извне, и, следовательно, к повышению эффективности машины. Влияние температур внешних источников на эффективность абсорбционных холодильных машин. Температуры греющего и охлаждаемого источников, а также охлаждающей среды, оказывают существенное влияние на эффективность отдельных процессов и абсорбционной машины в целом. Для образцового цикла эти температуры находятся в однозначной зависимости, определяемой термодинамическими свойствами рабочего раствора. Влияние температуры греющего источника. При заданных Т0 и Т0 с следует говорить о вполне определенной оптимальной температуре греющего источника. Это положение не теряет своего значения при переходе от образцового цикла к действительному. При понижении Тh уменьшится высшая температура раствора в генераторе Т2. На -i-диаграмме точка 2 сместится вправо. Концентрация слабого раствора увеличится, что, в свою очередь, приведет к уменьшению зоны дегазации и увеличению кратности циркуляции раствора. При этом возрастет теплота генератора и абсорбера, а тепловой коэффициент машины уменьшится. При дальнейшем понижении Тп зона дегазации может уменьшиться настолько, что осуществить цикл машины окажется невозможно. Для водоаммиачных абсорбционных машин минимальное значение зоны дегазации составляет 4%. При сравнительно низких значениях Th, когда невозможно осуществить цикл одноступенчатой абсорбционной машины, машина может работать по более сложным схемам. Некоторые из них будут рассмотрены в этой главе. При повышении температуры греющего источника и неизменных Т0 и Тос повышается высшая температура раствора в генераторе. Это приводит к уменьшению концентрации слабого раствора и увеличению зоны дегазации. Следовательно, будут уменьшаться кратность циркуляции, теплота генератора и абсорбера и увеличиваться тепловой коэффициент машины. Значительное увеличение Тh вызовет дополнительную необратимость в процессе выпаривания раствора в генераторе. Этим, в частности, объясняется тот факт, что повышение Тh почти не отражается на экономичности машины и что АХМ оказыва- 144 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 145 из 57 ются наиболее конкурентоспособными при умеренной температуре греющего источника. При высокой температуре греющего источника в абсорбционной машине прямой совмещенный цикл может быть осуществлен с применением полной регенерации теплоты, какой, по существу, является система с превышением температур. Влияние температуры охлаждающей среды. При понижений температуры охлаждающей среды понижаются температура и давление конденсации в конденсаторе, а следовательно, и давление в генераторе. Это приводит к уменьшению концентрации слабого раствора на выходе из генератора при неизменной Тh или при неизменной d дает возможность использовать греющий источник более низкой температуры. Охлаждение абсорбера более холодной водой приводит к повышению концентрации крепкого раствора. Таким образом, понижение температуры охлаждающей среды увеличивает зону дегазации, уменьшает кратность циркуляции раствора, повышает эффективность совмещенных циклов и может привести к осуществлению циклов с превышением температур. Повышение температуры охлаждающей среды приводит к повышению давления в конденсаторе и генераторе, уменьшению концентрации крепкого раствора и повышению концентрации слабого. В ряде случаев при высокой температуре охлаждающей среды и сравнительно низкой температуре греющего источника зона дегазации становится настолько мала, что невозможно осуществить прямой цикл машины и приходится переходить к двухступенчатым и иным схемам машин. Влияние температуры охлаждаемого источника. С понижением температуры охлаждаемого источника понижаются температура кипения в испарителе и давление в испарителе и абсорбере. Уменьшается также концентрация крепкого раствора, а следовательно, становится меньше зона дегазации. Как следствие, увеличиваются кратность циркуляции раствора, теплота генератора и абсорбера и уменьшается тепловой коэффициент. Повышение температуры охлаждаемого источника приводит к противоположным результатам. При определенном сочетании температур внешних источников зона дегазации в одноступенчатой машине может оказаться слишком малой, равной нулю или даже отрицательному значению. В первом случае практическое осуществление цикла одноступенчатой машины не рационально, а в остальных вообще невозможно. Между тем такие сочетания температур довольно часто встречаются на практике при необходимости использования греющего источника низкой температуры, либо при низких температурах кипения, а также высокой температуре охлаждающей среды. Сужение зоны дегазации вызывает сильное увеличение теплоты генератора и теплоты теплообменника растворов. Резко увеличивается также расход энергии на привод насосов крепкого раствора. 145 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 146 из 57 В этих случаях применяют абсорбционные машины с двухкратной или многократной абсорбцией, двухступенчатые машины, машины с материальной регенерацией, абсорбционно-резорбционные машины и другие машины, работающие по специальным циклам. Вопросы для самоконтроля Рекомендуемые источники Основные 4.1.2 с. 9-37, 105-158, 265-298, 328-357. Дополнительные 4.2.1 с.135-156. 4.2.11 Лекция 23 (1 час) Тема. Конденсаторы паровых холодильных машин. Вопросы 1. Классификация конденсаторов. 2. Основные типы конденсаторов водяного охлаждения. Конденсатор служит для передачи теплоты рабочего вещества охлаждающей среде или источнику теплоты высокой температуры. В общем случае перегретый пар рабочего вещества в конденсаторе охлаждается до температуры насыщения, конденсируется и охлаждается на несколько градусов ниже температуры конденсации. По роду охлаждающей среды конденсаторы можно разделить на две большие группы: с водяным и воздушным охлаждением. К специальным конденсаторам относятся испарители-конденсаторы каскадных холодильных машин и конденсаторы с охлаждением технологическим продуктом. По принципу отвода теплоты конденсаторы с водяным охлаждением делятся на проточные, оросительные и испарительные. Два последних типа аппаратов называют также конденсаторами с водовоздушным охлаждением. К проточным конденсаторам относятся горизонтальные и вертикальные кожухотрубные, пакетно-панельные и элементные. В последние годы проводятся интенсивные исследования опытных образцов пластинчатых конденсаторов. Полученные результаты свидетельствуют о перспективности применения этих аппаратов. 146 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 147 из 57 Теплота в проточных конденсаторах отводится за счет нагрева воды в среднем на 4-8 °С. Движение воды внутри труб или каналов обеспечивается насосами. В оросительных конденсаторах основная часть теплоты отводится также за счет нагрева воды, кроме того, определенная часть теплоты идет на испарение воды в воздух. В испарительных конденсаторах обеспечиваются условия более интенсивного тепломассообмена воды и воздуха, при которых теплота рабочего вещества расходуется на испарение воды и нагрев воздуха. Температура воды, орошающей поверхность теплопередачи испарительного конденсатора, практически не меняется. Воздушные конденсаторы делятся на конденсаторы с принудительным и со свободным движением воздуха. Первый тип конденсатора представляет собой агрегат, состоящий из теплопередающего пучка и вентилятора с автономным приводом или с приводом от электродвигателя компрессора. Конденсаторы со свободным движением воздуха не имеют вентилятора, они проще в изготовлении и дешевле, имеют лучшие акустические показатели. В то же время теплоотдача в них хуже, поэтому они работают при более высоких давлениях и температурах конденсации. Область применения конденсаторов со свободным движением воздуха ограничена малыми холодильными машинами, преимущественно бытового назначения. При охлаждении водой интенсивность теплопередачи значительно выше, чем при охлаждении воздухом. По этой причине для машин средней и большой производительности до недавнего времени использовали исключительно конденсаторы водяного охлаждения. В связи с возникшей проблемой сокращения потребления пресной воды ряд отраслей промышленности, в том числе и холодильная, переходят от водяного охлаждения к воздушному или водовоздушному. Высокая эффективность работы конденсатора — непременное условие экономичности холодильной машины. Так, понижение температуры конденсации на один градус (с 30 до 29 °С) для холодильной машины с поршневым компрессором, работающей при средних температурах кипения, приводит к уменьшению удельного расхода энергии примерно на 1,5%. Такой же энергетический эффект достигается при охлаждении жидкого рабочего вещества на 1 °С ниже температуры конденсации. Из этого видно, что требование высокой интенсивности процесса теплопередачи является для конденсатора особенно важным. Для выполнения этого требования необходимо, чтобы конструкция конденсатора обеспечивала: быстрое удаление конденсата с поверхности теплопередачи; выпуск воздуха и других неконденсирующихся газов; удаление масла в аммиачных аппаратах; удаление загрязнений со стороны охлаждающей среды: водяного камня и других отложений в аппаратах водяного охлаждения, пыли, копоти, ржавчины в конденсаторах воздушного охлаждения. Практика показывает, что выполнить в полной мере все требования (многообразные и в ряде случаев противоречивые) невозможно. Максимально пол- 147 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 148 из 57 ное их выполнение и составляет основы разработки рациональных конструкций теплообменных аппаратов. Вопросы для самоконтроля Рекомендуемые источники Основные 4.1.5 с.8, 10-11, 14-27, 42-50, 53-57, 65-70, 110-123, 134-140, 143-150 Дополнительные 4.2.12 Лекция 24 (1 час) Тема. Конденсаторы паровых холодильных машин. Вопросы 1. Тепловой расчет конденсаторов. 2. Гидравлический и конструктивный расчеты конденсаторов. 3. Расчет теплоотдачи со стороны охлаждающей среды. Задача теплового и конструктивного расчета состоит в определении площади теплопередающей поверхности аппарата и его основных геометрических размеров. Рассмотрим сначала общую методику решения этой задачи, а затем остановимся на особенностях расчета отдельных типов конденсаторов. Исходными данными для расчета конденсаторов обычно служат тепловой поток, температура конденсации, рабочее вещество , начальная температура охлаждающей среды. В случае если тепловой поток не задан, его можно определить по формуле (1) где QK — тепловой поток на конденсатор, Вт; Gа - массовый расход рабочего вещества, кг/с; i2, i3 — энтальпия рабочего вещества на входе и выходе из аппарата, Дж/кг. Значение QK можно определить так же, как сумму холодопроизводительности машины Q0 и индикаторной мощности ком и рог сора: QK =Q0 + Ni. Кроме исходных данных для расчета необходим еще ряд параметров: скорость и степень нагрева охлаждающей среды, средняя логарифмическая разность температур, геометрические размеры элементов теплопередающей поверхности и др. Эти параметры можно либо выбрать по рекомендациям, 148 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 149 из 57 основанным на опыте конструирования и эксплуатации конденсаторов данного типа, либо определить технико-экономическим расчетом. Для всех типов конденсаторов справедливо основное уравнение теплопередачи (2) где k — коэффициент теплопередачи, Вт/(мК); F — площадь поверхности теплопередачи, м2; m — средняя логарифмическая разность температур, К. Коэффициент теплопередачи может быть отнесен к площади внутренней, либо наружной поверхности теплопередачи, обозначаемой соответственно FВН и FН. Чаще всего в качестве расчетной принимают поверхность , обращенную к охлаждающей среде. Например, для кожухотрубных конденсаторов расчетной является внутренняя поверхность труб, и коэффициент теплопередачи для нее имеет вид (3) где а, w — коэффициенты теплоотдачи соответственно со стороны рабочего вещества и воды, Вт/(м2 -К); FТ.С — площадь поверхности, к которой отнесены термические сопротивления, м2; i — сумма термических сопроi тивлений загрязнений и стенки, м2 -К/Вт. Формула (11.87) применима как для гладких, так и наружно-оребренных труб при том условии, что эффективность peбep близка к единице. Среднюю логарифмическую разность температур определяют выражения (4) tОХЛ 1, tОХЛ 2 — начальная и конечная температуры охлаждающей среды; tK — температура конденсации. Вопросы для самоконтроля Рекомендуемые источники Основные 4.1.2 с. 357-457. 149 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 150 из 57 Дополнительные 4.2.1 с. 156-165 Лекция 25 (1 час) Тема. Испарители паровых холодильных машин. Вопросы 1. Назначение и классификация испарителей. 2. Требования к конструкциям испарителей 3. Испарители для охлаждения жидких теплоносителей. Испаритель является одним из элементов холодильной машины, в котором рабочее вещество кипит за счет теплоты, подводимой от источника низкой температуры. Образовавшийся при кипении рабочего вещества пар отсасывается из испарителя компрессором для совершения дальнейших процессов цикла холодильной машины. В зависимости от положенного в основу принципа испарители делятся на ряд групп: по х а р а к т е р у о х л а ж д а е м о г о и с т о ч н и к а : испарители для охлаждения жидких хладоносителей; испарители для охлаждения воздуха; испарители для охлаждения тигр дых сред; испарители-конденсаторы; в з а в и с и м о с т и от у с л о в и й ц и р к у л я ц и и о х л а ж д а е м о й жидкости: с закрытой системой циркуляции охлаждаемой жидкости (кожухотрубные и кожухозмеевиковые); с открытым уровнем охлаждаемой жидкости (вертикальнотрубные, панельные); по х а р а к т е р у з а п о л н е н и я р а б о ч и м вещ е с т в о м : затопленные; незатопленные (оросительный, кожухотрубный с кипением в трубах, змеевиковый с верхней подачей жидкости). Испарители могут подразделяться и на другие группы (в зависимости от того, на какой поверхности кипит рабочее вещество; по характеру движения рабочего вещества и др.). В качестве промежуточного жидкого теплоносителя в испарителях применяют рассолы (водные растворы солей NaCl, СаС12), воду, спирт, водный раствор этиленгликоля и т. д. 150 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 151 из 57 Рис.1. Диаграмма -t для рассолов На рис.1 показаны кривые, характеризующие свойства наиболее распространенных рассолов. С возрастанием концентрации рассола температура начала затвердевания (кристаллизации) сначала падает, затем становится равной температуре криогидратной точки и далее повышается. Заканчивается процесс кристаллизации вне зависимости от концентрации при криогидратной температуре. По мере выпадения кристаллов льда или соли с понижением температуры рассола оставшаяся жидкая фаза будет либо увеличивать свою концентрацию (левая кривая), либо уменьшать (правая кривая) до состояния эвтектического раствора, соответствующего концентрации криогидратной точки. Для раствора NaCl криогидратная температура равна —21,2 °С, а концентрация 28,9%; для раствора СаС12 — соответственно -55 °С и 42,5%. С помощью диаграмм —t или таблиц устанавливают зависимость концентрации рассола от температуры начала кристаллизации. Обычно выбирают рассол с концентрацией меньше или равной эвтектической, что обусловлено экономическими соображениями (меньший расход соли). Температура начала кристаллизации рассола должна быть ниже температуры кипения рабочего вещества. При высокой концентрации рассола (при низких температурах) повышается его вязкость, поэтому даже при больших скоростях движения режим течения жидкости будет ламинарным или переходным. Вследствие этого ухудшается теплоотдача от рассола, а соответственно увеличивается площадь теплопередающей поверхности аппарата, особенно при малых диаметрах применяемых труб. Увеличить плотность теплового потока можно, применяя теплоносители, имеющие меньшую вязкость (например, вязкость R30 в 20-40 раз ниже вязкости раствора СаС12). Вопросы для самоконтроля Рекомендуемые источники 151 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 152 из 57 Основные 4.1.2 с. 357-457. Дополнительные 4.2.1 с. 156-165 Лекция 26 (1 час) Тема. Испарители паровых холодильных машин. Вопросы 1. Интенсивность теплообмена от характера кипения рабочего вещества и его свойства. 2. Влияние примесей смазочного масла. Вопросы для самоконтроля Рекомендуемые источники Основные 4.1.2 с. 357-457. Дополнительные 4.2.1 с. 156-165 Лекция 27 (1 час) Тема. Испарители паровых холодильных машин. Вопросы 1. Расчет испарителей для охлаждения жидких теплоносителей. 2. Тепловой и конструктивный расчеты. Вопросы для самоконтроля Рекомендуемые источники Основные 4.1.2 с. 357-457. 152 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 153 из 57 Дополнительные 4.2.1 с. 156-165 Лекция 28 (1 час) Тема. Испарители паровых холодильных машин. Вопросы 1. Расчет испарителей для охлаждения воздуха. 2. Особенности тепломассообмена в воздухоохладителях. Вопросы для самоконтроля Рекомендуемые источники Основные 4.1.2 с. 357-457. Дополнительные 4.2.1 с. 156-165 Лекция 29 (1 час) Тема. Вспомогательная аппаратура холодильных машин. Вопросы 1. Вспомогательной аппаратуры в повышении эффективности работы холодильных машин. 2. Конструкция и принцип действия вспомогательных аппаратов. 3. Теплообменники и переохладители. Ресиверы. Промежуточные сосуды. Маслоотделители и маслосборники. Грязеуловители, фильтры и осушители. Рабочая схема любого типа холодильной машины отличается от принципиальной наличием наряду с основными элементами вспомогательной аппаратуры, запорной арматуры, приборов автоматического регулирования и защиты, а также контрольно-измерительных приборов. К вспомогательной аппаратуре относятся теплообменники, промежуточные сосуды, маслоотделители, отделители жидкости, грязеуловители, переохладители, ресиверы, фильтры, осушители, воздухоотделители и др. Они предназначены для 153 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 154 из 57 повышения термодинамической и энергетической эффективности холодильной машины, создания условий безопасной работы, повышения надежности эксплуатации оборудования. Остановимся на краткой характеристике вспомогательной аппаратуры различных типов холодильных машин. Вспомогательная аппаратура паровых компрессорных холодильных машин. Теплообменники и переохладители. Как известно, холодильные машины, использующие рабочее вещество R12, работают по регенеративному циклу. Переохлаждение жидкости в них перед дроссельным вентилем происходит за счет подогревания пара рабочего вещества, отсасываемого компрессором из испарителя. Теплообмен осуществляется в специальном паро-жидкостном регенеративном теплообменнике. Кроме охлаждения жидкости в теплообменнике одновременно подогревается и осушается пар, что позволяет осуществить сухой ход компрессора и обеспечить возврат масла в компрессор. Основной задачей при конструировании теплообменника является создание аппарата с малыми сопротивлениями в паровом пространстве и с высокими коэффициентами теплоотдачи со стороны пара. Наибольшее распространение нашли кожухозмеевиковые теплообменники с медными трубками, имеющими накатные ребра. В аммиачных холодильных машинах необратимые потери от дросселирования снижают, включая в схему между конденсатором и дроссельным вентилем переохладитель. Ресиверы. По назначению ресиверы делятся на линейные, циркуляционные и дренажные. Назначением линейного ресивера является освобождение конденсатора от жидкого рабочего вещества и обеспечение равномерной подачи его на регулирующую станцию. Циркуляционные ресиверы применяют в насосных, циркуляционных схемах подачи рабочего вещества в испарительную систему. Дренажные ресиверы предназначены для выпуска в них жидкого рабочего вещества при ремонте основных аппаратов и оттаивании снеговой шубы с батарей непосредственного испарения. Ресиверы представляют собой горизонтальные или вертикальные цилиндрические сосуды с патрубками для входа и выхода рабочего вещества, уравнительной линией и комплектующими арматурой и приборами. Вопросы для самоконтроля Рекомендуемые источники Основные 4.1.2 с. 357-457. 154 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 155 из 57 Дополнительные 4.2.1 с. 156-165 Лекция 30 (1 час) Тема. Агрегатирование холодильных машин Вопросы 1.Парокомпрессорные холодильные агрегаты. 2.Теплоиспользующие холодильные агрегаты. Агрегатирование — компоновка различных видов оборудования из унифицированных элементов является одним из эффективных методов совершенствования холодильных машин. Холодильным агрегатом называют конструктивное объединение нескольких основных элементов холодильной машины и вспомогательных устройств в единый блок. Конструктивное объединение всех элементов холодильной машины в один или несколько блоков называют агрегатированной комплексной холодильной машиной. Основные принципы агрегатирования парокомпрессорных холодильных машин. Современные предприятия холодильного машиностроения большую часть своей продукции выпускают в виде агрегатов, поскольку агрегатированные поставки холодильного оборудования существенно сокращают и упрощают работу при монтаже холодильной машины. Исключаются или значительно облегчаются такие работы, как изготовление элементов и сборка трубопроводов рабочего вещества, испытание оборудования на герметичность, монтаж приборов автоматики, осушка системы, центровка компрессора с электродвигателем. При этом осуществление всех перечисленных операций в заводских условиях значительно дешевле и на более высоком качественном уровне. Выпуск холодильного оборудования в виде агрегатов выдвигает требование высокой степени унификации элементов агрегата, что приводит к дополнительному сокращению затрат на их производство и упрощают эксплуатацию агрегатов, так как снижается номенклатура запасных частей. Важная задача заводского агрегатирования — создание компактных конструкций, площади для размещения и обслуживания которых минимальны. Только при заводском агрегатировании достигаются минимальные габаритные размеры агрегата путем использования вспомогательных элементов, выполненных специально для типовой компоновки агрегатов заданного ряда. Агрегатирование в заводских условиях способствует типизации не только холодильного оборудования, но и проектов холодильных установок в целом. 155 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 156 из 57 В зависимости от объема и вида оборудования, включенного в состав холодильных агрегатов, их разделяют на следующие основные виды: компрессорные агрегаты, компрессорно-конденсаторные агрегаты, компрессорноиспарительные агрегаты, аппаратные агрегаты, агрегатированные комплексные холодильные машины. Компрессорные агрегаты. Компрессорные агрегаты состоят из компрессора с электроприводом и необходимых приборов автоматической защиты и визуального контроля. В состав компрессорных агрегатов могут входить вспомогательные аппараты и арматура, обеспечивающие отделение и возврат масла, его охлаждение, а также разгрузку компрессора при пуске и др. Компрессорные агрегаты используют, как правило, в составе крупных холодильных установок, чаще всего с непосредственной системой охлаждения. Их применяют также и в установках с рассольной системой охлаждения, когда к одному крупному аппарату подключают несколько компрессоров, и в многоступенчатых низкотемпературных машинах, где большой объем оборудования затрудняет его компоновку в более сложные агрегаты. Агрегаты с поршневыми компрессорами наиболее широко используют в диапазоне холодопроизводительностей от 40 до 200 кВт. Аммиачные агрегаты выпускают как в комплекте с маслоотделителем и маслоперепускным устройством, обеспечивающим автоматический возврат масла в картер компрессора, так и без указанных аппаратов. Исполнение агрегатов с маслоотделителями характерно для отечественных современных конструкций. Исключение из состава агрегата устройств, обеспечивающих отделение и возврат масла, приводит к структурной однотипности аммиачных агрегатов с хладоновыми, которые выпускают, за редким исключением, без маслоотделителя. Холодильные винтовые компрессоры, выпускаемые у нас в стране, применяют, как правило, в составе компрессорных агрегатов, в которые включены привод, маслоотделитель, система смазки, приборы автоматики и защиты. Подавляющее большинство современных компрессорных агрегатов выполняют с приводом от электродвигателя через эластичную муфту, и только некоторые фирмы в отдельных случаях (тяжелые условия эксплуатации, требующие снижения частоты вращения, применение привода от двигателя внутреннего сгорания и др.) используют клиноременную передачу. Сторона обслуживания компрессорного агрегата определяется конструктивными особенностями компрессора. Приборы защиты и визуального контроля в компрессорных агрегатах монтируют как объединяя их в едином щите приборов, так и децентрализованно с использованием свободных, доступных для обслуживания мест на раме агрегата и непосредственно на компрессоре. В последнем случае приборы защиты размещают на раме, а манометры — на общем щите или раме либо на соответствующих штуцерах компрессора. 156 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 157 из 57 В крупных компрессорных агрегатах размещать приборы на едином щите предпочтительнее, так как это не усложняет их конструкцию и не затрудняет обслуживание компрессора, позволяет существенно упростить разводку кабеля, повышает общую степень заводской готовности агрегата. Наибольший практический эффект достигается при включении в состав щита приборов блока управления агрегатом. Применение крупных компрессорных агрегатов в схемах многокомпрессорных установок, предусматривающих автоматическую остановку части компрессоров в зависимости от изменения потребной холодопроизводительности, вызывает необходимость в установке обратного клапана на нагнетательном трубопроводе за компрессором. Это обеспечивает отсоединение агрегата от коммуникаций и аппаратуры, находящихся под давлением конденсации. Таким образом, в течение всего периода стоянки агрегат находится под давлением кипения, что упрощает автоматический пуск компрессора. Для аммиачных компрессоров такое решение обязательно еще и по требованиям техники безопасности. При наличии маслоотделителя с автоматическим возвратом масла в компрессор обратный клапан устанавливают за маслоотделителем. Рамы компрессорных агрегатов выполняют стальными сварными или литыми чугунными. В крупных агрегатах в последнее время широко применяют железобетонные конструкции рам, дешевые в изготовлении, требующие минимального количества армирующего металлопроката и хорошо сочетающиеся с цокольной частью фундамента агрегата. Некоторое увеличение общей массы агрегата компенсируется снижением массы фундамента, а снижение металлоемкости таких рам весьма существенно. Муфты привода компрессора выполняют с упругим элементом, в качестве которого чаще всего используют резиновые оболочки. Основное требование, которое предъявляется к муфтам, — это возможность разбора сальника компрессора без смещения электродвигателя. Для передачи большой мощности целесообразно использовать неразрезные резинокордные оболочки или пальцевые. Применение муфт с резиновыми и резинокордными оболочками в агрегатах с поршневыми и ротационными компрессорами требует центровки валов компрессора и электродвигателя с выдержкой радиального смещения не более чем на 0,3 мм и перекосом (биением торцевых плоскостей) на радиусе 120-130 мм не более 0,3 мм. Общие виды и технические характеристики компрессорных агрегатов достаточно подробно приведены в справочнике. Вопросы для самоконтроля Рекомендуемые источники Основные 4.1.2 с. 357-457. 157 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 158 из 57 Дополнительные 4.2.1 с. 156-165 3 Практические занятия Практические и лабораторные занятия – одна из форм учебного занятия, направленная на развитие самостоятельности студентов и приобретение умений и навыков. Практические и лабораторные занятия должны способствовать углубленному изучению наиболее сложных вопросов дисциплины и служат основной формой подведения итогов самостоятельной работы студентов. Именно на этих занятиях студенты учатся грамотно излагать проблемы и свободно высказывать свои мысли и суждения, рассматривают ситуации, способствующие развитию профессиональной компетентности. Всё это помогает приобрести навыки и умения, необходимые современному специалисту. Практическое занятие 1 (1 час) Тема. Расчет цикла газовой (воздушной) холодильной машины Цель занятия. Освоить методику определения площади теплопередающей поверхности. Контрольные вопросы 1. Назначение конденсатора? 2 Классификация конденсаторов водяного охлаждения? 3. При каких условиях происходит конденсация? Практическое занятие 2 (1 час) Тема. Построение циклов пароэжекторных холодильных машин с помощью термодинамических диаграмм Цель занятия. Получение практических навыков построения циклов. Определение основных показателей цикла. Контрольные вопросы 1. Где используют воздуховоды? 2. Как можно осуществить равномерную раздачу воздуха? 158 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 159 из 57 3. В какой последовательности проводят расчет воздуховода? Задачи Задачи выдаются преподавателем на занятии и выполняются студентами по вариантам. Методические рекомендации При изучении темы студент должен уделить особое внимание методикам расчета различных воздуховодов. Литература 4.1.2, с. 184-194 Практическое занятие 3 (1 час) Тема. Построение циклов пароэжекторных холодильных машин с помощью термодинамических диаграмм Цель занятия. Получение практических навыков построения циклов. Определение основных показателей цикла. Контрольные вопросы 1. Что называется калорифером? 2. Как классифицируют калориферы? 3. Как устанавливают калориферы? 4. Какова последовательность расчета калорифера? Задачи Задачи выдаются преподавателем на занятии и выполняются студентами по вариантам. Методические рекомендации При изучении темы студент должен уделить особое внимание классификации и устройству калориферов, принципам расчета калориферов. Литература 159 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 160 из 57 4.1.2, с. 195-209 Практическое занятие 4 (1 час) Тема. Построение циклов абсорбционных холодильных машин с помощью термодинамических диаграмм Цель занятия. Получение практических навыков построения циклов. Определение основных показателей цикла. Контрольные вопросы 1. Что называется воздушной завесой? 2. Как классифицируют воздушные завесы? 3. В чем особенность проектирования воздушных завес? Задачи Задачи выдаются преподавателем на занятии и выполняются студентами по вариантам. Методические рекомендации При изучении темы студент должен уделить особое внимание классификации и устройству воздушных завес, принципам расчета воздушных завес. Литература 4.1.2, с. 310-325 Практическое занятие 5 (1 час) Тема. Построение циклов абсорбционных холодильных машин с помощью термодинамических диаграмм Цель занятия. Получение практических навыков построения циклов. Определение основных показателей цикла. Контрольные вопросы 1. Что называется воздуховодами? 2. Как рассчитывают воздуховоды? 160 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 161 из 57 Задачи Задачи выдаются преподавателем на занятии и выполняются студентами по вариантам. Методические рекомендации При изучении темы студент должен уделить особое внимание классификации и устройству воздуховодов, принципам расчета воздуховодов. Литература 4.1.2, с. 366-383 Практическое занятие 6 (1 час) Тема. Тепловой и конструктивный расчет горизонтального кожухотрубного конденсатора Цель занятия. Освоить методику определения площади теплопередающей поверхности. Контрольные вопросы 1. Назначение конденсатора? 2 Классификация конденсаторов водяного охлаждения? 3. При каких условиях происходит конденсация? 4. Какая зависимость лежит в расчетах для коэффициента теплоотдачи? Задачи Задачи выдаются преподавателем на занятии и выполняются студентами по вариантам. Методические рекомендации При изучении темы студент должен уделить особое внимание основным понятиям и определениям теплового и конструктивного расчета конденсатора. Литература 161 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 162 из 57 4.1.2, с. 16-36 Практическое занятие 7 (1 час) Тема. Расчет вертикального кожухотрубного конденсатора Цель занятия. Освоить методику определения площади теплопередающей поверхности. Контрольные вопросы 1. Назначение конденсатора? 2 Классификация конденсаторов водяного охлаждения? 3. При каких условиях происходит конденсация? 4. Какая зависимость лежит в расчетах для коэффициента теплоотдачи? Задачи Задачи выдаются преподавателем на занятии и выполняются студентами по вариантам. Методические рекомендации При изучении темы студент должен уделить особое внимание основным понятиям и определениям теплового и конструктивного расчета конденсатора. Литература 4.1.2, с. 41-60 Практическое занятие 8 (1 час) Тема. Расчет испарительного конденсатора Цель занятия. Освоить методику определения площади теплопередающей поверхности. Контрольные вопросы 1. Назначение конденсатора? 2 Классификация конденсаторов водяного охлаждения? 3. При каких условиях происходит конденсация в испарительном конденсаторе ? 162 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 163 из 57 4. Какая зависимость лежит в расчетах для коэффициента теплоотдачи? Задачи Задачи выдаются преподавателем на занятии и выполняются студентами по вариантам. Методические рекомендации При изучении темы студент должен уделить особое внимание основным понятиям и определениям теплового и конструктивного расчета конденсатора. Литература 4.1.2, с. 83-101 Практическое занятие 9 (1 час) Тема. Расчет испарительного конденсатора Цель занятия. Освоить методику определения площади теплопередающей поверхности. Контрольные вопросы 1. Назначение конденсатора? 2 Классификация конденсаторов водяного охлаждения? 3. При каких условиях происходит конденсация в испарительном конденсаторе ? 4. Какая зависимость лежит в расчетах для коэффициента теплоотдачи? Задачи Задачи выдаются преподавателем на занятии и выполняются студентами по вариантам. Методические рекомендации При изучении темы студент должен уделить особое внимание основным понятиям и определениям теплового и конструктивного расчета конденсатора. 163 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 164 из 57 Литература 4.1.2, с. 83-101 Практическое занятие 10 (1 час) Тема. Расчет горизонтального кожухотрубного испарителя Цель занятия. Освоить методику определения площади теплопередающей поверхности. Контрольные вопросы 1. Назначение испарителя 2 Классификация испарителей? 3. При каких условиях происходит кипение в горизонтальном кожухотрубном испарителе? 4. Какая зависимость лежит в расчетах для коэффициента теплоотдачи? Задачи Задачи выдаются преподавателем на занятии и выполняются студентами по вариантам. Методические рекомендации При изучении темы студент должен уделить особое внимание основным понятиям и определениям теплового и конструктивного расчета испарителя Литература 4.1.2, с. 158-195 Практическое занятие 11 (1 час) Тема. Расчет кожухотрубного испарителя с кипением холодильного агента внутри труб. Цель занятия. Освоить методику определения площади теплопередающей поверхности. 164 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 165 из 57 Контрольные вопросы 1. Где используют воздуховоды? 2. Как можно осуществить равномерную раздачу воздуха? 3. В какой последовательности проводят расчет воздуховода? Задачи Задачи выдаются преподавателем на занятии и выполняются студентами по вариантам. Методические рекомендации При изучении темы студент должен уделить особое внимание методикам расчета различных воздуховодов. Литература 4.1.2, с. 184-194 Практическое занятие 12 (1 час) Тема. Расчет воздухоохладителя. Цель занятия. Освоить методику определения площади теплопередающей поверхности. Контрольные вопросы 1. Что называется калорифером? 2. Как классифицируют калориферы? 3. Как устанавливают калориферы? 4. Какова последовательность расчета калорифера? Задачи Задачи выдаются преподавателем на занятии и выполняются студентами по вариантам. Методические рекомендации 165 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 166 из 57 При изучении темы студент должен уделить особое внимание классификации и устройству калориферов, принципам расчета калориферов. Литература 4.1.2, с. 195-209 Практическое занятие 13 (1 час) Тема. Расчет абсорбера Цель занятия. Освоить методику определения площади теплопередающей поверхности. Контрольные вопросы 1. Что называется воздушной завесой? 2. Как классифицируют воздушные завесы? 3. В чем особенность проектирования воздушных завес? Задачи Задачи выдаются преподавателем на занятии и выполняются студентами по вариантам. Методические рекомендации При изучении темы студент должен уделить особое внимание классификации и устройству воздушных завес, принципам расчета воздушных завес. Литература 4.1.2, с. 310-325 Практическое занятие 14 (1 час) Тема. Расчет Генератора Цель занятия. Освоить методику определения площади теплопередающей поверхности. 166 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 167 из 57 Контрольные вопросы 1. Что называется воздуховодами? 2. Как рассчитывают воздуховоды? Задачи Задачи выдаются преподавателем на занятии и выполняются студентами по вариантам. Методические рекомендации При изучении темы студент должен уделить особое внимание классификации и устройству воздуховодов, принципам расчета воздуховодов. Литература 4.1.2, с. 366-383 Практическое занятие 15 (1 час) Тема. Расчет Генератора Цель занятия. Освоить методику определения площади теплопередающей поверхности. Контрольные вопросы 1. Что называется воздуховодами? 2. Как рассчитывают воздуховоды? Задачи Задачи выдаются преподавателем на занятии и выполняются студентами по вариантам. Методические рекомендации 167 УМКД 042-05.1.20.41/03-2009 Ред. № 1 от «30» сентября 2009 г Страница 168 из 57 При изучении темы студент должен уделить особое внимание классификации и устройству воздуховодов, принципам расчета воздуховодов. Литература 4.1.2, с. 366-383 168
