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 р_к 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.

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 h₄ = G h₃ + (G + G )h₈. (2.51)

Массовый расход рабочего вещества первой ступени

G .

Материальный баланс промежуточного сосуда

G = G + G x₇,

где x₇ = (h₇ - h₉) / (h₈ - h₉).

Тогда

G = G (h₈ - h₉) / (h₈ - h₇). (2.52)

То же самое можно получить из теплового баланса промежуточного сосуда:

G h₆ = G h₉ + (G + G )h₈, (2.53)

G = G (h₈ - h₉) / (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 Т_m.

Массу образовавшегося при этом пара определяют по уравнению:

(2.55)

Материальный баланс промежуточного сосуда

G = G + G x₇ + . (2.56)

Массовый расход рабочего вещества первой ступени

G . (2.57)

Степень сухости пара

x₇ = (h₇ - h₈) / (h₄ - h₈). (2.58)

Тепловой баланс промежуточного сосуда

G h₆ + G h₃ = G h₈ + G h₄, (2.59)

откуда

G (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.

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 Т_m, 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 12-1), всасывается компрессором первой ступени.

Рис. 2.12. Схема и цикл двухступенчатой холодильной машины с теплообменниками

Значения Т₀, р₀, Т_к, р_к и р_m 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:

(2.61)

Состояние рабочего вещества в точке 7 находят из теплового баланса теплообменника V

(2.62)

Температура рабочего вещества в точке 8 задается по условиям теплообмена T₈ ≈ Т_m + 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

(2.63)

Для определения расхода рабочего вещества во второй ступени составляют тепловой баланс системы, которая состоит из теплообменников V и VI и дроссельного вентиля VII. Уравнение теплового баланса будет иметь вид:

(2.64)

откуда

(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 Т_s2 и Т´_s2, причем Т_s2 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, р_к определяют так же, как в предыдущих примерах. Давление р_m зависит от конкретных условий. Если нет жестких требований по значению Т_s2, тогда р_m определяют по данным ранее методикам. В том случае, когда по технологическому процессу необходимо получить определенное значение Т´_s2, тогда

, (2.66)

где ΔТ и () определяются типом испарителя.

В этом случае давление р_m, которое установится в испарите VII и в промежуточном сосуде VI при температуре Т_m, может не соответствовать оптимальному промежуточному давлению, оп­ределенному по указанным ранее методикам.

Массовый расход рабочего вещества через второй испаритель зависит от его холодопроизводительности :

(2.67)

Массовый расход рабочего вещества через первый испаритель при заданной холодопроизводительности Q₀

. (2.68)

Состояние рабочего вещества при входе в промежуточный сосуд (точка 4) находят из уравнения смешения:

(2.69)

Массовый расход рабочего вещества второй ступени определяют из теплового баланса промежуточного сосуда

(2.70)

откуда

(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 Т_m-Т_k и двухступенчатой в интервале температур Т₀-Т_к.

Однако в действительных условиях двухступенчатая холодильная машина на две температуры кипения выгоднее вследствие сокращения эксплуатационных затрат. Капитальные затраты тоже меньше.