Двухступенчатых холодильных машин

Влияние многоступенчатого сжатия и дросселирования на необратимые потери и энергетическую эффективность в циклах холодильных машин. При увеличении отношения давлений Р_К/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 р_к/р₀ и разности давлений р_к - 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, самовозгорание масла. Избежать этого можно путем сжатия в несколько этапов с промежуточным охлаждением пара.

При увеличении отношения р_к/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 р_к/р₀. Очевидно, что целесообразнее осуществлять ступенчатое дросселирование с отбором образовавшегося пара.

Все перечисленные факторы являются причинами, по которым при р_к/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-экономичес-ких расчетов для конкретных внешних условий и требований к холодильной машине.

Выбор промежуточного давления в двухступенчатых холодильных машинах. Выбор промежуточного давления р_m зависит от требований, предъявляемых к холодильной машине. Существует несколько способов выбора р_m. 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,

(2.28)

где - 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 р₀ = р_m = RТ_вс, тогда после некоторых преобразований получают

(2.29)

Для определения значения р_m, при котором суммарная работа минимальна, находят производную . После дифференцирования и некоторых преобразований получают , 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 р_m - по максимальному холодильному коэффициенту. Для этого задаются несколькими значе­ниями р_m, и для каждого значения р_m строят цикл и определяют холодильный коэффициент. Для упрощения расчетов можно сначала определить р_m по уравнению (2.30), а следующие значения выбирать меньше и больше этого значения. После определения нескольких значений ε строят зависимость ε = f (р_m), определяют ε_mах и промежуточное давление, которое соответствует максимальному холодильному коэффициенту.

Третий способ - по минимальной суммарной теоретической объемной производительности компрессоров первой и второй ступеней ΣV_T. Для этого задаются несколькими значениями р_m, определяют объемную производительность компрессора первой ступени и второй ступени для каждого из р_m и строят зависимость ΣV_T = f (р_m). По минимальному значению ΣV_T выбирают р_m.

Расчеты показывают, что для двухступенчатой аммиачной холодильной машины при Т_к = 303 К, Т₀ = 223 К промежуточное давление, определенное по зависимости ε = f (р_m), равно 0,2 МПа, по зависимости ΣV_T = f (р_m) - 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.