5.1.4. Схемы двухступенчатых холодильных машин и их изображения в диаграмме i — lgP

Для получения низких температур в охлаждаемых объектах необходимы низкие температуры кипения t0, т. е. в испарителе приходится поддерживать и низкое давление P0. Это приводит к увеличению значения отношения давлений Рк / Р0 и к трем нежелательным явлениям: увеличению температуры нагнетания компрессора, возрастанию объемных потерь в компрессоре и увеличению дроссельных потерь в регулирующем вентиле, что вызывает уменьшение холодопроизводительности установки. Для современных быстроходных аммиачных поршневых компрессоров температура нагнетания хладагента не должна превышать 160 °С, так как дальнейшее ее повышение приводит к нарушению нормальной смазки, вызывает пригорание масла и его самовозгорание. Снижение производительности компрессора при больших значениях отношения давлений Рк / Р0 связано с уменьшением коэффициента подачи. На основании опытных данных установлено, что при Рк / Р0 > 8 целесообразно применять многоступенчатое сжатие хладагента в двух (и более) последовательно соединенных цилиндрах или компрессорах. Для ограничения роста температуры нагнетания в результате последовательных сжатий (после каждой ступени сжатия) пар хладагента охлаждается либо водой в промежуточном холодильнике, либо кипящим хладагентом в специальном теплообменном аппарате.
    Наиболее распространенной двухступенчатой схемой является схема двухступенчатого сжатия со змеевиковым промежуточным сосудом и промежуточным охлаждением пара (рис. 59). Пар хладагента после сжатия в цилиндре низкого давления ЦНД до промежуточного давления РПР поступает в промежуточный сосуд ПС ниже уровня кипящего хладагента и охлаждается до состояния насыщения, барботируя через слой жидкости. Выходя из ПС, пар перегревается во всасывающем трубопроводе перед цилиндром высокого давления ЦВД и в перегретом состоянии поступает в него. Следует отметить, что даже в цикле с полным промежуточным охлаждением пар должен поступать в компрессор высокого давления (так же, как и в компрессор низкого давления) в перегретом состоянии, что является обязательным требованием техники безопасности. После сжатия в ЦВД до давления конденсации РK, пар конденсируется в конденсаторе КД, после чего жидкость высокого давления разделяется на два потока (точка 5′). Основной поток поступает в змеевик ПС, где переохлаждается, отдавая теплоту кипящей жидкости, и в состоянии глубокого переохлаждения поступает через регулирующий вентиль РВ2 в испаритель. Другой поток жидкости дросселируется в РВ1 от РK до промежуточного давления Рпр и поступает в промежуточный сосуд. Таким образом, в промежуточном сосуде происходит сбив перегрева пара между компрессорами низкого и высокого давления, а также переохлаждение жидкости перед РВ2 за счет кипения жидкого хладагента при РПР. Для анализа работы двухступенчатых схем и построения цикла в диаграмме необходимо определить промежуточное давление РПР. При минимальной работе компрессоров низкого и высокого давления определяют РПР из равенства отношений давлений в обеих ступенях сжатия по формуле

Схема и цикл двухступенчатой холодильной машины со змеевиковым промежуточным сосудом и полным промежуточным охлаждением

На диаграмме (рис. 59) проводят три изобары: Р0, РПР и РK , которым соответствуют три температуры насыщения: t0, tПР и tK . Задавшись значением перегрева пара на всасывании перед ЦНД, строят точку 1. Из этой точки по адиабате идет процесс сжатия до изобары РПР — (точка 2). В промежуточном сосуде пар охлаждается до состояния насыщения , а затем перегревается во всасывающем трубопроводе (точка 3). Температуру перегрева пара перед ЦВД следует принимать в пределах 5…10°С, тогда t3 = tПР + (5…10 °С). Из точки 3 проводится адиабата до пересечения с изобарой РK (точка 4). Это конечная температура нагнетания пара двухступенчатого сжатия. Из диаграммы видно, что если бы было применено одноступенчатое сжатие 1 — 2′ , то конечная температура нагнетания была бы значительно выше (сравните точки 2′ и 4). Процесс 4 — 5′ происходит в конденсаторе при РK = const , и жидкость высокого давления в точке 5′ разделяется на два потока. Процесс дросселирования в РВ1 изображается вертикалью, опущенной из точки 5′ до пересечения с изобарой РПР . Парожидкостная смесь состояния точки 6 поступает в промежуточный сосуд, где кипит при промежуточных параметрах (процесс 6 — 3′′). Переохлаждение в змеевике ПС происходит при давлении конденсации, поэтому точка 7, определяющая состояние хладагента на выходе из змеевика, лежит в области переохлажденной жидкости на изобаре РK . Температура точки 7 определяется из выражения t7 = tПР + (2…3 °С) . Дросселирование в РВ2 изображается вертикалью, опущенной из точки 7 до пересечения с изобарой Р0 . Парожидкостная смесь состояния точки 8 поступает в испаритель, где кипит (процесс 8 — 1′′).

    На диаграмме (рис. 59):
   1′′ — 1 — перегрев пара на всасывании в ЦНД при Р0 = const ;
   1 — 2 — адиабатическое сжатие в ЦНД от Р0 до РПР ;
   2 — 3′′ — сбив перегрева пара в промежуточном сосуде при РПР = const ;
   3′′ — 3 — перегрев пара на всасывании в ЦВД при РПР = const ;
   3 — 4 — адиабатическое сжатие в ЦВД от РПР до РK ;
   4 — 4′′ — сбив перегрева пара в конденсаторе при РK = const ;
   4′′ — 5′ — конденсация в конденсаторе при РK = const , tK = const ;
   5′ — 6 — дросселирование в РВ1 от РK до РПР при i = const ;
   6 — 3′′ — кипение в ПС при РПР = const и tПР = const ;
   5′′ — 7 — переохлаждение жидкости в змеевике ПС при РK = const ;
   7 — 8 — дросселирование в РВ2 от РK до Р0 при i = const ;
   8 — 1′′ — кипение в испарителе при Р0 = const , t0 = const .

Массовая подача компрессора высокого давления M2 больше, чем компрессора низкого давления M1 , так как, кроме пара, поступающего из компрессора низкого давления в количестве M1 в него поступает еще и пар, образуемый при кипении жидкости в промежуточном сосуде. Объемная холодопроизводительность компрессора высокого давления меньше примерно в три раза из-за уменьшения объема пара при сжатии в компрессоре низкого давления. Массовая подача ЦНД, кг/с, определяется по формуле M1 = Q0 / q0, где Q0 — холодопроизводительность, кВт; q0 — удельная холодопроизводительность, кДж/кг: q0 = i1′ — i8 .

    Массовая подача ЦВД, кг/с, находится из соотношения M2 = M1 (i2 — i7)(i3 — i6) .
    Удельная работа сжатия ЦНД, кДж/кг, равна l1 = i2 — i1 ;
    удельная работа сжатия ЦВД, кДж/кг, l2 = i4 — i3;
    удельная нагрузка на конденсатор, кДж/кг, qK = i4 — i5 ;
    холодильный коэффициент равен ε = q0/(l1 + l2) .

Параметры узловых точек цикла

Иногда применяют цикл двухступенчатого сжатия с двойным дросселированием и полным промежуточным охлаждением (рис. 60). Такая схема применена, например, на холодильных установках для зверосовхозов, поставляемых финской фирмой «Хуурре». В отличие от схемы, представленной на рис. 59, вся жидкость после конденсатора (состояние точки 5) дросселируется в РВ1 до промежуточного давления РПР и поступает в ПС в состоянии точки 6. Паро-жидкостная смесь этого состояния разделяется в сосуде на насыщенный пар состояния точки 3′′, который отсасывается ЦВД, и насыщенную жидкость, которая частично выкипает в ПС (процесс 6 — 3′′). Оставшаяся насыщенная жидкость состояния точки 7 поступает к РВ2 , где дросселируется от промежуточного давления РПР до давления кипения Р0 и поступает в испаритель. Изображение цикла с двукратным дросселированием в диаграмме показано на рис. 60. В этой схеме к вентилю РВ2 поступает насыщенная жидкость, а не переохлажденная. Это является недостатком таких схем и позволяет их использовать только в небольших установках. Поэтому схема со змеевиковым промежуточным сосудом более предпочтительна. Массовый расход хладагента через ЦНД определяется как, кг/с, M1 = Q0 / q0 . Массовый расход хладагента на полное промежуточное охлаждение, кг/с, m′ = M1 (i2 — i3)(i3′′ — i6) ; массовый расход пара через ЦВД, кг/с, M2 = (M1 + m′ )(1 — x6 ) , где x6 — паросодержание хладагента в точке 6 после первого дросселирования.

Схема и цикл двухступенчатой холодильной машины с двукратным дросселированием и полным промежуточным охлаждением

Схема и цикл двухступенчатого сжатия с винтовым компрессором и промежуточным отбором пара

Остальные характеристики цикла определяются по формулам, указанным выше.
    В связи со все расширяющимся применением на холодильных установках винтовых агрегатов интерес представляют схема и цикл двухступенчатого сжатия с одноступенчатым винтовым компрессором с промежуточным отбором пара (рис. 61). Холодильный агент в состоянии точки 1 поступает в винтовой компрессор КМ, заполняя его полость всасывания. Затем давление в компрессоре повышается за счет уменьшения объема рабочей полости, и, когда оно достигает промежуточного значения РПР (процесс 1 — 2 ), в полость сжатия через специальное окно поступает пар хладагента состояния из теплообменника ТО. В результате смешения получается пар, соответствующий состоянию точки 3, который далее сжимается до конечного давления РK (процесс 3 — 4 ). Следует отметить, что процессы 1 — 2 и 3 — 4 не являются адиабатическими, так как охлажденное масло, впрыскиваемое в полость сжатия винтового компрессора, отводит часть теплоты сжатия, и процесс сжатия становится политропным. Значение температуры нагнетания при этом находится в пределах 50…80°С и зависит от количества и температуры вспрыскиваемого масла. Для сравнения показано изображение адиабатического сжатия точки 2′ и 4′. После конденсатора КД жидкий холодильный агент состояния 5′ разделяется на два потока: меньшая часть дросселируется во вспомогательном регулирующем вентиле РВ1 (процесс 5′ — 6 ) и поступает в межзмеевиковое пространство ТО, большая часть жидкости идет по его змеевику, где переохлаждается (процесс 5′ — 7 ) в результате теплообмена с кипящим в межзмеевиковом пространстве при промежуточных параметрах РПР и tПР хладагентом, пар которого затем поступает в специальное окно компрессора. Состояние в точке 7 определяется из условий недорекуперации тепла на холодном конце теплообменника на 3…5°С, т. е. t7 = tПР + (3…5 °С). Переохлажденная жидкость дросселируется в основном регулирующем вентиле РВ2 и поступает в испаритель И. Таким образом, в данной схеме двухступенчатое сжатие рабочего вещества с промежуточным охлаждением за счет холодного пара, поступающего из теплообменника, происходит в одном компрессоре. Она отличается от обычной схемы двухступенчатого сжатия с однократным дросселированием и промежуточным отбором пара тем, что пар между ступенями сжатия в теплообменнике не охлаждается.