Хладотранспорт / 504103_983EB_korolkov_b_p_efimov_v_v_hladotrans

81

так и в конце работы сжатия, что упрощает проблему смазки трущихся частей компрессора. Как будет показано в дальнейшем, в схеме с промежуточным давлением заметно возрастает подача хладагента компрессором, что означает пропорциональное увеличение холодопроизводительности.

Число ступеней сжатия в холодильных машинах может быть больше двух. Выбор их числа основывается на технико-экономическом анализе.

6.6. Основные элементы паровой компрессионной холодильной машины

Косновным элементам холодильных машин относятся компрессоры

итеплообменные аппараты: конденсаторы, испарители, перегреватели, переохладители и др.

6.6.1. Компрессоры

Компрессор паровой компрессионной холодильной машины (ПКХМ), получившей наибольшее распространение на хладотранспорте, представляет собой сложное устройство с движущимися частями. Он во многом определяет экономичность, надёжность и долговечность ПКХМ. Компрессор предназначен для создания низкого давления в испарителе (путём отсасывания паров, образующихся в результате кипения хладагента) и высокого давления в конденсаторе (необходимо для поддержания достаточно высокого уровня температуры сжижения паров хладагента при отводе теплоты в окружающую среду).

ПКХМ комплектуются компрессорами разных типов: ротационными и винтовыми (процесс сжатия паров хладагента происходит за счёт уменьшения замкнутого начального объёма рабочей полости), турбокомпрессорами (используют центробежный, т.е. динамический, способ повышения давления: преобразование части кинетической энергии потока паров хладагента на профилированных лопатках вращающегося диска в потенциальную энергию в диффузоре) и поршневыми (с возвратнопоступательным движением поршня в цилиндре, создающим с помощью системы клапанов разрежение в одной части контура

82

хладагента и давление - в другой). Более 90 % всех ПКХМ оснащено поршневыми компрессорами, поэтому они далее будут рассмотрены достаточно подробно.

Рабочий процесс поршневого компрессора. Движение поршня обеспечивается от внешнего привода (дизель, электродвигатель и др.) через маховик и кривошипно-шатунный механизм (рис. 19в). В крышке цилиндра расположены всасывающий 1 и нагнетательный 2 клапаны. За один оборот маховика, т.е. за два хода поршня 3, в цилиндре 4 совершается полный цикл рабочего процесса (всасывание, сжатие, нагнетание и расширение).

а)

б)

l

в)

c

Рис. 19. Теоретическая (а) и действительная (б) диаграммы компрессора (в)

В идеальном (теоретическом) компрессоре поршень доходит до крышки цилиндра (т.е. не имеет зазора), поэтому клапан 1 открывается сразу же с началом движения поршня 3 вправо (вследствие создающегося под поршнем разрежения), и всасывание паров хладагента из испарителя в цилиндр 4 происходит при постоянном давлении p0 на всём протяжении хода поршня (полоборота маховика; линия а-b на рис. 19а). Объём

всасываемого пара равен объёму Vh,			описываемому поршнем	за один
ход. При обратном	ходе	поршня	всасывающий	клапан

83

сразу же самопроизвольно закрывается, и происходит адиабатное сжатие замкнутого объёма паров в цилиндре до давления pк в конденсаторе (линия b-c), после чего нагнетательный клапан 2 самопроизвольно открывается, и через него при дальнейшем движении поршня влево сжатые пары выталкиваются (нагнетаются) в конденсатор при постоянном давлении pк (линия c-d). Так как рассматриваемый идеальный цилиндр не имеет вредного пространства, то весь сжатый пар вытесняется в конденсатор. При начале повторного движения поршня вправо давление в цилиндре мгновенно снижается до p0, вследствие чего напоpный клапан 2 закpывается, а всасывающий клапан 1 открывается, и траектория изменения давления под поршнем при работе компрессора повторяется.

В реальном компрессоре между поршнем в его крайнем левом положении и крышкой цилиндра всегда имеется расстояние 1...3 мм (оно образует так называемое "вредное пространство"), чтобы исключить возможность удара поршня о крышку при температурном расширении кривошипно-шатунного механизма в процессе работы. Вредное пространство сильно изменяет рабочий процесс компрессора и приводит к значительным объёмным потерям (см. рис. 19б). Во вредном пространстве при крайнем левом положении поршня всегда остаётся сжатый пар объёмом Vс с давлением pк. При движении поршня вправо пар расширяется при закрытых клапанах 1 и 2 до давления p0 (кривая d-a на рис. 19б). Только после этого клапан 1 сможет открыться и начнётся всасывание новой порции пара.

Индикаторная (опытная) диаграмма отличается от теоретической

ещё	и отклонениями давления от p0 и pк; возникающая разность ( ∆ p0				и
∆ pк )	называется декомпрессией,		соответственно	в испарителе	и
конденсаторе.		Декомпрессия	объясняется необходимостью иметь

дополнительный напор для преодоления сопротивления всасывающего и нагнетательного клапанов. Объёмы Vс1 и Vс2 вместе с Vс (и существенно больше его!) образуют неиспользуемое пространство, что понижает эффективность работы компрессора.

Работа компрессора l, необходимая для повышения потенциала хладагента и сброса теплоты в окружающую среду, пропорциональна, как известно из термодинамики, площади цикла в координатах p-V. Очевидно, что её действительное значение больше теоретического. Интегральную

оценку потерь	в реальном компрессоре,		связанных с наличием в нём
"вредного	пространства",	даёт	коэффициент подачи λ,

84

который представляет собой отношение объёма фактически всасываемых компрессором паров Vд к геометрическому объёму, описываемому поршнем Vh , т.е. к теоретическому объёму всасывания,

	λ = Vд /Vh < 1.
Он	зависит от величины вредного пространства, степени сжатия

pк /p0, типа компрессора, степени изношенности деталей поршня и клапанов и др.

Обычно коэффициент подачи определяют опытным путём и представляют в виде графика (рис. 20) или аппроксимирующей его зависимости. Так, для компрессора типа 2ФУУБС-18, который устанавливают

врефрижераторную 5-вагонную секцию БМЗ,

λ= 0,855 - 0,0425 (pк /p0).

При известных λ и Vh (конструктивная характеристика конкретного компрессора) можно рассчитать действительную подачу Vд, м3/c,

Vд = λVh .

1.0λ

0.6

0.2		pk/p0
2	6	10

Рис. 20. Коэффициент подачи компрессора, работающего на хладоне

К другим	основным	параметрам компрессора относятся
холодопроизводительность Q0,		кВт, потребляемая мощность Nдв и частота
вращения вала.	Под холодопроизводительностью компрессора понимается

холодопроизводительность установки, в составе которой работает этот компрессор:

				85
		Q0 = Vд qv = λVh qv =				λVh q0	.
						v1
Поскольку коэффициент подачи λ					и другие			величины	при
изменениях	условий	работы		не остаются постоянными,					то	и
холодопроизводительность Q0 будет зависить от режима (в особенности от
температур t0, tк, tвс и tи).
Понижение температуры кипения t0 и,						следовательно, давления в
испарителе	p0	связано		с		заметным		уменьшением
холодопроизводительности			компрессора			вследствие		убывания	q0	и

увеличения удельного объёма засасываемого пара v1. Кроме того, с понижением давления кипения увеличивается отношение pк /p0 (степень сжатия) и соответственно уменьшается коэффициент подачи δ (см. рис. 20). В целом при понижении t0 на 1 0С холодопроизводительность одноступенчатых холодильных машин резко уменьшается - на 4...6 %.

С	повышением	температуры	конденсации	на	1 0С
холодопроизводительность		одноступенчатой	установки также	снижается
(на 1,0...1,5 %), так как уменьшаются q0 и λ			вследствие	увеличения

давления конденсации. Следовательно, форсировка холодильной машины за пределы паспортных (номинальных) значений верхнего и нижнего давлений (а значит, и температур фазовых переходов) чревата заметным понижением её холодопроизводительности.

Q0, кВт

6		40
		50
2		tk=60 0C
- 40	-20	0	t0, 0С

Рис. 21. Зависимость холодопроизводительности компрессора от температуры кипения t0 и конденсации tк

86

Для	сравнения	различных	компрессоров		по
холодопроизводительности		установлены	стандартные	температурные
условия работы (температуры t0, tк, tвс и			tи), отвечающие их паспортным
характеристикам. Определение холодопроизводительности				в	реальных

(произвольных) условиях перевозки производят по индивидуальным для

каждого типа компрессора графическим эависимостям					Q0 = f(t0, tк)
(рис. 21) или из соотношения
	Q0 ст	=	λстqvст	.
	Q0р		λрqvр

Зная требуемую холодопроизводительность Q0р в заданных рабочих условиях, переводят её в стандартную и по ней подбирают в каталогах и справочниках подходящий компрессор или проверяют возможности уже установленного.

Мощность, потребляемую компрессором в сложившихся условиях, находят на основе теоретической Nт = Q0 / ε, учитывая при этом её увеличение в связи с дополнительными потерями: энергетическими, гидравлическими, механическими (на трение в сопрягающихся элементах) и др.

Особенности поршневых компрессоров. Достоинства (в

сравнении с компрессорами других типов):

низкие значения массы, габаритов и потребляемой энергии; способность работать с высоким отношением давлений в одной

ступени; возможность работы с разными холодильными агентами.

Недостатки:

большой износ движущихся частей; невысокая надёжность;

унос масла из системы смазки компрессора в контур хладагента, что ухудшает теплопередачу в конденсаторе и испарителе.

Классификация

1.По областям применения: стационарные; транспортные.

2.По холодопроизводительности:

малые (до 12 кВт); средние (от 12 до 120 кВт);

87

крупные (свыше 120 кВт). 3. По числу ступеней сжатия:

одноступенчатые; двухступенчатые; многоступенчатые.

4. По числу цилиндров: одно-, двух-, восьми- и многоцилиндровые.

5.По расположению осей цилиндров: вертикальные; горизонтальные; V-образные; веерообразные.

6.По направлению движения хладагента в цилиндре компрессора: прямоточные; непрямоточные.

6.6.2. Теплообменные и вспомогательные аппараты

Конденсаторы. В них за счёт отвода теплоты в окружающую среду (потоком наружного воздуха или воды) происходит переход паров хладагента в сжиженное состояние при определённых значениях pк и tк.

Воздушные конденсаторы применяются во всех холодильных установках рефрижераторного подвижного состава и в стационарных установках малой и средней производительности. Наглядный пример такой холодильной машины - бытовой холодильник с отводом теплоты в режиме

свободной конвекции. Конденсатор с принудительным охлаждением

Рис. 22. Схема действия воздушного конденсатора:

ХА - холодильный агент

88

(рис. 22) представляет собой систему параллельно включённых труб, объединённых коллекторами на входе (раздающим) и выходе (собирающим); запитываемые от них трубы (алюминиевые, медные или стальные) имеют, как правило, оребрение с целью интенсификации теплопередачи.

Конденсаторы с водяным охлаждением получили наибольшее распространение в стационарных установках средней и большой производительности; на железнодорожном транспорте такие конденсаторы применяли в аммиачных ПКХМ с централизованной выработкой холода. Типичный кожухотрубный конденсатор с горизонтальным расположением охлаждающих труб представлен на рис. 23. Пары хладагента подаются сверху в пространство корпуса между кожухом и трубами, внутри которых протекает вода.

Находят применение конденсаторы других типов: вертикальные кожухотрубные, оросительные и т.д.

Вода

Жидкий ХА

Рис. 23. Кожухотрубный конденсатор горизонтального типа:

У - уровнемер; ПК - предохранительный клапан; М - манометр

Расчёт конденсаторов сводится, в зависимости от задачи, к определению теплопередающей поверхности F, расхода охлаждающей воды Dв или воздуха Vв:

89

	F =	Qk	;	Dв =	Qк	; Vв =	Qк		.
		k∆t			св (t 2 − t1 )		ρвозд (i2	−i1 )

Здесь Qк - тепловая нагрузка на конденсатор, кВт;

k- коэффициент теплопередачи, кВт/(м . К);

∆tk - средняя разность температур конденсирующегося хладагента

иохлаждающей среды (воды или воздуха);

cв	- удельная теплоёмкость воды, cв =4,187 кДж/(кг . К);
ρвозд - плотность воздуха, кг/м3;
i1, i2	- энтальпии воздуха на входе и выходе, определяемые по i, d -

диаграмме.

Испарители. Это теплообменные аппараты, в которых происходит кипение хладагента (при низких значениях t0 и p0) за счёт тепла, воспринимаемого от воздуха помещения грузового вагона (в 5-вагонных секциях и АРВ) или какого-либо другого холодоносителя (воды, рассола, молока, пива, вина и т. д.) - в стационарных складах и специализированном подвижном составе.

Испарители для охлаждения рассола по конструкции подобны горизонтальным кожухотрубным конденсаторам. Жидкий хладагент поступает в межтрубное пространство снизу. Здесь он кипит, забирая теплоту у рассола, принудительно циркулирующего в трубах благодаря напору, развиваемому циркуляционным насосом. Образующиеся пары отсасываются компрессором из верхней части кожуха.

В испаpителях-воздухоохладителях движение воздуха также принудительное - с помощью вентиляторов-циркуляторов. Трубы таких испарителей имеют оребрение, но в отличие от воздушных конденсаторов шаг между рёбрами значительно больше из-за опасности, связанной с выпадением инея (снеговой "шубы") при охлаждении влажного воздуха. Иней снижает коэффициент теплопередачи и увеличивает гидравлическое сопротивление движению воздуха, поэтому необходима периодическая оттайка труб такого испарителя (с помощью паров горячего хладагента, отводимых после компрессора, или специального электрообогревателя).

Расчёт испарителей проводят по тем же формулам, что и конденсаторов, но с учётом конкретных значений входящих в них величин.

.

90

Переохладители (они же могут быть одновременно и перегревателями) - теплообменные аппараты типа "труба в трубе". Внутри трубы малого диаметра протекает жидкий хладагент после конденсатора (горячий), а в межтрубном пространстве движутся холодные пары после испарителя. При этом температура жидкости понижается, а паров - увеличивается, что и является желательным результатом (повышается холодопроизводительность установки, улучшается работа компрессора и терморегулирующего вентиля). Применяются в некоторых холодильных машинах с фреоновым хладагентом (напpимеp, в 5-вагонных секциях БМЗ).

Вспомогательные аппараты обеспечивают длительную и безопасную работу установки, облегчают регулирование рабочих процессов, повышают экономичность её работы. К вспомогательным аппаратам относятся, например,

ресиверы - сосуды, в которых хранится запас жидкого хладагента; они предназначены для разгрузки конденсаторов от жидкого хладагента и создания его равномерного потока к регулирующему вентилю;

маслоотделители - устройства очистки от смазочного масла паров хладагента после компрессора для предотвращения выпадения масла на стенках труб и ухудшения теплопередачи в конденсаторе и испарителе;

маслосборники - ёмкости для сбора уловленного масла, откуда оно направляется на утилизацию.

6.7.Другие типы холодильных машин

6.7.1.Воздушная компрессионная холодильная машина

Использование в качестве хладагента воздуха при всех его термодинамических несовершенствах (отсутствие энергоёмких фазовых переходов, невысокая сжимаемость и др.) привлекательно доступностью, безопасностью (в том числе и экологической), возможностью непосредственной подачи в охлаждаемое помещение (т.е. реализации

открытого цикла) и т.д.

В схеме воздушной компрессионной холодильной машины (рис. 24) целесообразно использовать центробежный компрессор 3 с несколькими ступенями повышения давления (каждая ступень представлена