Хладотранспорт / 504103_983EB_korolkov_b_p_efimov_v_v_hladotrans

71

менно вследствие материального баланса процессов образования пара из жидкости и его отсоса компрессором. Неизменна при этом и температура

хладагента t0; она ниже температуры груза tг на некоторую		экономически
оправданную величину: t0 = tг - (10...12) 0С.
Компрессор засасывает и сжимает пары хладагента		до высокого
давления	pк и адиабатически разогревает их за счёт затраты механической
энергии l.	В рассматриваемой ПКХМ он является поршневым; всасывание

и нагнетание здесь осуществляется с помощью клапанов.

Рис. 16. Схема поршневой паровой компрессионной холодильной машины

Горячий пар отдаёт теплоту q = q0 + l во внешнюю среду в конденсаторе, сохраняя в процессе сжижения постоянные значения pк и tк; при этом температура конденсации выше температуры окружающей среды даже в наиболее тяжёлых условиях максимумов наружных температур tн, t к = tн + (12...15) 0С.

Жидкий хладагент далее снижает своё давление и температуру до значений p0 и t0 в терморегулирующем (дросселирующем) венти-

72

ле * (ТРВ), частично при этом испаряясь. Полный же переход жидкости в пар происходит в испарителе; этим самым начинается новый цикл в непрерывном процессе работы ХМ.

В схему могут включаться дополнительные элементы, повышающие

надёжность работы основных узлов ХМ:		перегреватель		пара перед
компрессором и переохладитель жидкости после			конденсатора.
Перегреватель пара	(ПП) позволяет	доиспарить	капли	хладагента,

сохранившиеся в потоке пара после испарителя, и тем самым обеспечить защиту компрессора от эpозионных явлений. Переохладитель жидкости (ПЖ) исключает присутствие в потоке пузырьков пара, снижающих устойчивость рабочего процесса в дросселирующем вентиле.

К

Рис. 17. Теоретический и действительный циклы ПКХМ

* Терморегулирующий вентиль поддерживает на требуемом уровне температуру перегрева пара перед компрессором путём управления количеством хладагента, проходящего через испаритель; дросселирование потока (резкое понижение давления и температуры хладагента) происходит при постоянном значении энтальпии i.

73

Холодильная машина и вспомогательные элементы (ресивер, маслоотделитель, маслосборник, насосы и др.), осуществляющие процессы распределения и накопления различных сред и искусственного холода, образуют в совокупности холодильную установку.

Для расчёта циклов и определения значений параметров хладагента в любой точке замкнутого контура ХМ используют те или иные диаграммы состояния: p-v, T-s, p-i и др. Наибольшее распространение получила диаграмма с координатами p-i, причём по оси p удобно ввести логарифмическую шкалу из-за многократного изменения давления в цикле ХМ *. Рабочее поле диаграммы lgp-i обычно разбивается линиями фиксированных дискретных значений различных термодинамических параметров: t=const (изотермы), p=const (изобары), s=const (адиабаты), v=const (изохоры) и др. Определяющую роль на диаграмме играют две пограничные кривые: левая характеризует состояние насыщенной жидкости (на ней паросодержание х=0), а правая - состояние сухого насыщенного пара (х=1). Между пограничными кривыми находится область кипения (влажного пара) II. Левая пограничная кривая отделяет область влажного пара от области переохлаждённой жидкости I, а правая - от области перегретого пара III. Обе пограничные линии сходятся в критической точке 0 К. При значениях p > pкр и t > tкр у данного вещества теряется различие между паром и жидкостью.

Рассмотрим теоретический (без сопутствующих потеpь) цикл одноступенчатой паровой компрессионной холодильной машины (ПКХМ) (на рис. 17 - бледные линии 1-2-3-4). Его построение начинают с нанесения изобар p0=const и pк=const, отвечающих изотермам t0 и tк в области двухфазных состояний. Для цикла характерно, что компрессор всасывает из испарителя сухой насыщенный пар с параметрами p0 и t0 (точка

1) и	адиабатически (по линии s=const) сжимает его		до давления в
конденсаторе pк (процесс 1-2).		При этом пары хладагента нагреваются за
счёт	механической энергии (работы) до температуры tп (перегрев сжатия).
	Горячие пары хладагента по трубопроводу нагнетаются		компрессором
в	конденсатор, где у	них cначала снимается	перегрев

* Её удобство состоит в том, что отрезки по оси i между характерными точками цикла определяют изменение состояния хладагента под действием соответствующего количества внешней теплоты или механической энергии.

74

(поцесс 2-а), а затем начинается конденсация при постоянных давлении pк и температуре tк, завершающаяся в точке 3; при этом хладагент сбрасывает энергию q0 + l в окружающую среду.

Далее жидкий хладагент поступает в терморегулирующий вентиль, где его давление снижается от высокого pк до низкого p0 (изоэнтальпийный процесс дросселирования 3-4); в конечной точке расширения устанавливается температура t0, а часть жидкости превращается в пар. Полученная парожидкостная смесь направляется в испаритель, где жидкий хладагент кипит при постоянных p0 и t0 (изобарный и одновременно изотермический процесс 4-1), отнимая теплоту от охлаждаемого объекта (воздуха грузового помещения). Образующиеся пары хладагента отсасываются компрессором, и цикл повторяется.

Создавая в испарителе низкое давление, компрессор, таким образом, поддерживает непрерывное кипение хладагента в испарителе за счёт отвода теплоты от холодоносителя. Чем ниже надо получить температуру в охлаждаемом объекте, тем ниже должно быть давление в испарителе.

Действительный (реальный) цикл холодильной машины (отмечен на рис.17 яpкой линией) отличается от теоретического следующим:

компрессор всасывает не сухой насыщенный пар (точка 1), а слегка перегретый (точка 1'); перегрев пара, необходимый по условию надёжности работы компрессора, осуществляют в испарителе, трубопроводе и специальном теплообменнике;

в испарителе и конденсаторе давление снижается вследствие потерь напора на трение движущегося хладагента о стенки труб, поэтому процесс сжатия паров в компрессоре требует большей затраты работы;

жидкий хладагент переохлаждается в конденсаторе или специальном теплообменнике (процесс 3-3') для гарантии полного отсутствия пузырьков пара перед регулирующим вентилем и увеличения полезной холодопроизводительности.

Расчёт цикла холодильной машины производится с целью определения параметров хладагента в характерных точках цикла, величины подачи компрессора и тепловой нагрузки конденсатора. Исходными данными для расчёта служат: потребная для подавления всех видов теплопритоков холодопроизводительность Q0,

75

вид хладагента, температуры его кипения t0 (определяется условиями перевозимого скоропортящегося груза) и конденсации tк (зависит от температуры наружного воздуха).

В случае теоpетического цикла по заданным температурам t0 и tк, используя диаграмму lgp-i для хладагента (или таблицу его термодинамических свойств), определяют соответствующие им давления кипения p0 и конденсации pк . Затем по температурам и давлениям строят цикл на диаграмме lgp-i и находят параметры хладагента в характерных точках: энтальпии i1,..., i4 , удельного объёма на всасе компрессора v1. Далее производят расчёт в следующей последовательности.

Определяют удельную массовую холодопроизводительность q0, кДж/кг:

q0 = i1 - i4.

Теоретическая работа, затрачиваемая в компрессоре на сжатие 1 кг хладагента l, кДж/кг:

l = i2 – i1.

Теплота, отданная 1 кг хладагента в конденсаторе,

qк = i2 – i3,

или по закону сохранения энергии

qк = q0 + l = i2 – i4;

два выражения для qк совпадают, так как i3 = i4. Холодильный коэффициент цикла ε= q0/l.

Расход (поток) циркулирующего в системе хладагента Dха, кг/с, можно определить из очевидной связи полной и удельной величин, Q0 = = q0 Dха:

Dха = Q0/q0.

76

Аналогично, теоретическая подача компрессора, т.е. объём пара, всасываемого компрессором V, м3/с,

V = Dха v1;

эта величина определяет конструктивную реализацию компрессора. Удельная объёмная холодопроизводительность qv, кДж/м3:

qv = q0/v1.

Потребная теоретическая мощность компрессора Nт, кВт:

Nт = Dхаl = Q0/ ε.

Тепловая нагрузка на конденсатор, т.е. количество теплоты, отводимое от хладагента в конденсаторе в единицу времени, Вт:

Qк = Q0 + Nт = Q0 1+ε ε .

Для построения и расчёта действительного цикла, кроме Q0, t0 и tк, должны быть дополнительно заданы температуры переохлаждения жидкого

хладагента	(в конденсаторе или теплообменнике после		него) tи и
перегретого пара на всасе компрессора tвс,		а также падения давления в
испарителе и	конденсаторе. Используя их,	по диаграмме lgp-i	определяют
энтальпии в точках 1', 2', 3' и 4' и удельный объём пара на всасе			v1'.

Расчёт действительного цикла производят по тем же формулам, что и теоретического, но только для точек 1',..., 4'. Очевидно, что в действительном цикле холодопроизводительность q0 = i1' – i4' больше чем в теоретическом; аналогично и работа l = i2' – i1' больше теоретической.

6. 5. Двухступенчатая паровая компрессионная холодильная машина

Часто мощность одноступенчатой холодильной машины не обеспечивает требуемого режима охлаждения груза: предельные эконо-

77

мически обоснованные режимы такой ПКХМ позволяют получить

температуру	в камере до		-15...-20 0C	при максимальных значениях
температуры	наружного	воздуха +30...+35 0C. Во многих случаях требуется
обеспечивать	температуры		в грузовом	помещении рефрижераторного
вагона до	-40...-50 0C	при очень высоких наружных температурах (до
+40...+50 0C).	К тому же одноступенчатая ХМ эффективно работает				при
отношениях	давлений	конденсации и		кипения хладагента рк/р0 ≤8.	Для

получения температур кипения хладагента ниже минус 30 0C или для отвода тепла в окружающую среду, имеющую очень высокую температуру, необходимо соответственно понизить р0 или повысить рк, т.е. ещё больше увеличить отношение рк/р0. Отмеченное обусловливает применение многоступенчатых машин. Холодильный коэффициент ε многоступенчатой ХМ может достигать более высоких значений за счёт введения охлаждения пара между ступенями, что приводит к снижению его удельного объёма и, следовательно, затрат механической энергии на сжатие.

На хладотранспорте и в НХЦ наибольшее распространение получили двухступенчатые холодильные машины.

Двухступенчатое сжатие можно осуществить либо в двух отдельных компрессорах (низкого и высокого давления), либо в одном двухступенчатом компрессоре с цилиндрами низкого и высокого давления. В зависимости от степени охлаждения паров хладагента после первой ступени различают три схемы: с полным (до состояния насыщения) и неполным промежуточным охлаждением, а также без промежуточного охлаждения. Ниже рассмотрена принципиальная схема работы двухступенчатой холодильной машины с аммиачным хладагентом и полным промежуточным охлаждением (рис. 18). Такие установки применяются на стационарных холодильных складах и использовались ранее в рефрижераторных поездах и 12-вагонных рефрижераторных секциях, причём в качестве холодоносителя из центрального машинного отделения к удалённым грузовым помещениям обычно служит рассол (раствор хлористого кальция в воде). На схеме рис. 18 легко выделить две взаимосвязанные холодильные машины, каждая из которых включает все четыре обязательных элемента любой холодильной машины.

В контуре низкого давления I пары хладагента из испарителя отсасываются компрессором низкого давления (КНД) и сжимаются до давления pпр. Перегретые пары направляются * в промежуточный сосуд

* Запорные вентили ВЗ1-2 закрыты, остальные - открыты.

78

а)

б)

Рис. 18. Двухступенчатая холодильная машина:

а- принципиальная схема; б - процессы в координатах lgp-i;

И- испаритель; К - конденсатор; ПС - промежуточный сосуд;

ПХ - промежуточный холодоноситель

			79
(ПС),	где конденсируются при прямом контакте (барботаже)						с жидким
хладагентом,		имеющим	температуру	tпр.	Далее	при	прохож-
дении	терморегулирующего		вентиля	ТРВ1	давление	и температура

жидкости снижаются до p0 и t0, затем в испарителе хладагент кипит, забирая теплоту у холодоносителя (им при дальнем транспорте холода может служить рассол).

В контуре высокого давления II роль испарителя выполняет промежуточный сосуд, где сосредоточено некоторое количество жидкого хладагента, кипящего при давлении pпр за счёт теплоты перегрева паров в контуре I. В сосуде происходит гравитационная сепарация жидкой и газообразной фаз вещества с образованием уровня. Компрессор высокого давления (КВД) отсасывает пары из верхней части сосуда, сжимает до давления pк, одновременно разогревая их до высокой температуры, достаточной для самопроизвольного сброса теплоты цикла в окружающую среду. Сжиженный в конденсаторе высокого давления хладагент далее проходит через терморегулирующий (дросселирующий) вентиль ТРВ2, где его параметры снижаются до значений pпр, tпр. Контур II замыкается на промежуточном сосуде, входящем также в состав контура I.

Верхнее pк и нижнее p0 давления определяются, так же как и в

одноконтурной схеме, требуемыми значениями температур конденсации tк								и
кипения t0. Промежуточное же давление может быть произвольным,							но его
оптимальное значение находится из условия равенства					степеней		сжатия
в компрессорах низкого и высокого давления, т.е.
		pпр =	PкP0 .
Для придания гибкости при изменении условий работы *						в	схеме
устанавливают	систему	запорных органов.		Так,	при	работе		с
двухступенчатым	сжатием	вентили	ВЗ1-2 на	обводных		линиях

закрыты, а остальные открыты. В случае необходимости (например,

снижение потребной холодопроизводительности,				снятие	требования
обеспечения	сверхнизких температур в грузовом помещении) схема
допускает	переход	на	одноступенчатый	режим,	для	чего
вентили ВЗ1-2	открывают,	а	остальные закрывают,	в том числе и ТРВ2,

отключая промежуточный сосуд и компрессор высокого давления.

* Это может произойти даже в пределах одного рейса (например, из южных государств СНГ в северные).

			80
Расчёт	(количественный анализ) процессов цикла двухступенчатой
холодильной машины можно			осуществить с помощью	lgp, i - диаграммы
(рис. 18б). Проведём		его в той же последовательности, что и при описании
физики явлений; основой построения цикла служат изобары p0,					pпр и pк в
двухфазной области,		отвечающие температурам насыщения t0,			tпр и tк.
Отрезок 9-1	вдоль	оси	i характеризует теплоту,	отобранную у

промежуточного холодоносителя в испарителе. Другие процессы в контуре низкого давления:

1-2 - сжатие паров в КНД; 2-3 - снятие перегрева паров в промежуточном сосуде;

3-7 - конденсация паров с пеpедачей энергии на поддержание насыщенного состояния в контуре высокого давления;

7-8 - отделение жидкости от пара в промежуточном сосуде; 8-9 - дросселирование жидкого хладагента в ТРВ1.

Контур высокого давления:

3-4 - сжатие насыщенного пара, отсасываемого из промежуточного сосуда компрессором высокого давления;

4-а - охлаждение перегретых паров в конденсаторе;

а-5 - конденсация паров при давлении pк за счет сброса теплоты в окружающую среду;

5-6 - переохлаждение жидкого хладагента; 6-7 - дросселирование рабочего тела в вентиле ТРВ2;

7-3 - испарение потока хладагента, циркулирующего в контуре высокого давления, за счёт снятия перегрева и конденсации паров контура низкого давления.

Переход на одноступенчатую схему приводит к следующим изменениям цикла холодильной машины:

исчезают процессы 3-4, 2-8; процесс сжатия протекает только в КНД (см. линию 1-10);

процесс расширения жидкости в ТРВ1 идёт по линии 6-b.

Из анализа T,s -диаграммы можно было бы наглядно установить величину экономии работы при двухступенчатом сжатии. Hа диаграмме lgp - i (рис. 18б) виден и другой проигрыш одноступенчатой схемы - в холодопроизводительности (отрезок 1-9 больше, чем 1-b). Существенно снижается, при наличии промежуточного охлаждения, температура паров хладагента как на входе во вторую ступень,