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 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 р_m. Пар, образовавшийся при кипении, также отсасывается компрессором второй ступени. Рабочее вещество, которое идет по змеевику, охлаждается (процесс 6-10), затем дросселируется в основном дроссельном вентиле VII (процесс 10-11) 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 р_m определяют одним из методов, описанных ранее. Температуру рабочего вещества в точке 10 находят из условий недорекуперации при охлаждении жидкости в змеевике T₁₀ ≈ Т_m + (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 = G + (G - G )h₈, откуда

h₄ = h₈ + G , (2.31)

где G , G - массовый расход рабочего вещества компрессоров первой и второй ступеней.

Величину G определяют по заданной холодопроизводительности

G (2.32)

Расход рабочего вещества второй ступени можно определить двумя способами: из материального или теплового балансов промежуточного сосуда. Материальный баланс промежуточного сосуда

G = G + (G - G )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 (h₆ – h₁₀) (2.34)

Подставив в уравнение (2.33) значения х₇ = (h₇ - h₉) / (h₈ - h₉) и G^I_а, выраженные из уравнения (2.34), получают

G = G (h₈ - h₁₀) / (h₈ - h₇). (2.35)

Тепловой баланс промежуточного сосуда

G h₆ = G h₁₀ + (G - G )h₈. (2.36)

Откуда следует

G = G (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 больше G , т.е. на 1 кг рабочего вещества первой ступени приходится G / G > 1 во второй, поэтому изображение процессов второй ступени на тепловых диаграммах условно, так как они составлены для 1 кг вещества.

После определения G и G находят необходимую объемную производительность компрессоров первой V^I и второй V^II ступеней по условиям всасывания:

V^I = G v ₁; V^I_h = V^I / λ₁; (2.38)

V^II = G v ₄; V^II_h = V^II / λ₂. (2.39)

Мощности компрессоров

N^I_е = N^I_s / η^I_е; (2.40)

N^II_е = N^II_s / η^II_е. (2.41)

Холодильный коэффициент теоретического цикла

. (2.42)

Холодильный коэффициент действительного цикла

. (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.

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 Т_m, охлаждается до состояния сухого насыщенного пара при давлении р_m (точка 4). После этого рабочее вещество всасывается компрессором второй ступени III, и далее процесс проходит, как в предыдущей схеме.

Материальный баланс промежуточного сосуда

G = G + (G - G )x₇ + G'_а + G"_а, (2.44)

где х₇ - степень сухости рабочего вещества после процесса дросселирования 6-7; 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:

; (2.45)

G (h₄ – h₈) = G (h₆ – h₉); (2.46)

G (h₄ – h₈) = G (h₃ – h₄); (2.47)

G . (2.48)

Однако значительно проще G можно определить из теплового баланса промежуточного сосуда

G i₆ + G i₃ = G i₄ + G i₉, (2.49)

откуда

G = G (i₃ – i₉) / (i₄ – i₆). (2.50)

Определение объемных производительностей, мощностей и холодильных коэффициентов не отличается от предыдущей схемы (см. формулы (2.38)-(2.43)).