Массовые расходы рабочего тела для компрессоров первой и второй ступеней:
Ga1 = Q0 / ∆hи = Q0 /(h1 −h10 ); |
(1.40) |
Ga2 = Ga1(h3 −h9 ) /(h4 −h7 ). |
(1.41) |
Рабочее тело в точке 1 цикла может быть сухим насыщенным паром либо перегретым на (5 10) К; температура рабочего тела в точке 9 может превышать температуру Тm, определяемую величиной промежуточного давления Рт, на (3 5) К.
1.11. Рабочие процессы паровых двухступенчатых компрессионных холодильных машин
Увеличениестепениповышениядавлениярабочеготелавкомпрессореприпонижениитемпературыкипенияилиприповышениитемпературыконденсации, вызываемоеусловиямиэксплуатации, приводиткухудшениюэнергетическойэффективностихолодильноймашины. Основная причина такого ухудшения обусловлена ростом потерь от внутренней необратимости, атакжеувеличениемвремениработызасчетухудшения объемныхиэнергетическихпоказателейкомпрессора. Наибольшеевлияние на снижение эффективности машины при возрастании степени повышения давления оказывает рост потерь от дросселирования. В этом случае пар, образуемый при дросселировании, не обеспечивает процесс охлаждениявиспарителе, таккакналичиепаровойфазывначалепарообразования ухудшает теплообмен при кипении и, следовательно, снижаетудельнуюхолодопроизводительностьмашины.
Теплотехническое совершенствование паровых компрессорных машин, рассчитанных на работу с высокой степенью повышения давления, может быть обеспечено переходом к многоступенчатому сжатию с промежуточным охлаждением рабочего тела между ступенями и многократному его дросселированию. Повышение холодильного коэффициента врезультате перечисленных меробеспечивает рост удельной холодопроизводительности в результате многократного дросселирования и снижение цикловой работы за счет промежуточного охлаждения горячих паров хладагента.
Для паровых холодильных машин с поршневыми компрессорами переход к многоступенчатому сжатию обусловлен не только стремлением улучшить эффективность машины повышением рас-
61
ходных и энергетических показателей компрессора, но и необходимостью обеспечить нормальные условия его работы. При высоких значениях степени повышения давления рост температуры паров может привести к нарушению допустимого температурного режима работы компрессора и системы его смазки.
Кроме того, увеличение степени повышения давления приводит к росту перепада давлений в цилиндре компрессора (∆Р = Рк – Р0), в результате чего возрастают динамические нагрузки на детали рабочего механизма (на шатунно-поршневую группу и коленчатый вал), снижающие надежность и долговечность машины.
Переходкмногоступенчатомусжатиютребуеттехнико-экономи- ческого обоснования, так как улучшение энергетической эффективностивэтомслучае связано ссущественным усложнением конструкции, увеличением ее габаритов, массы и стоимости. В современных паровых компрессорных машинах подбором подходящих хладагентовилиихсмесей, атакжесозданиемкомпрессоровспециальнойконструкции число ступеней сжатия ограничивают двумя. В среднетемпературныххолодильныхмашинахпереходотодноступенчатогосжа-
тия к двухступенчатому имеет место при Рк ≥ 8 .
Р0
Повышениеэффективностипаровыхкомпрессорныххолодильных машин обычно достигают оптимальным сочетанием перечисленных выше мер. Они определяются теплофизическими свойствами рабочеготела, т.е. относительнымвлияниемнапоказателимашиннеобратимых потерь от перегрева и дросселирования. Для среднетемпературных машин характерны двухступенчатое повышение давления с полнымилинеполнымпромежуточнымохлаждениемидвукратноедросселирование при двухступенчатом повышении давления.
Конструктивно наиболее простыми оказываются машины с однократным дросселированием и двухступенчатым повышением давленияприполномилинеполномпромежуточномохлаждении. Всхемес неполным охлаждением (рис. 1.23, а и б) пар рабочего тела, сжатый в компрессоре первой ступени К1 до давления Рт (процесс 1—2) и прошедший промежуточный охладитель ПО (процесс 2—3), в котором пар охлаждают воздухом при температуре окружающей среды Tокр иливодойдотемпературыТт, смешиваетсявточке4 спаром, выходящим из промежуточного сосуда ПС. Этот пар предварительно прошелвспомогательныйдроссельныйвентильДв(состояниевточке7) и
62
Рис. 1.23. Схема паровой компрессорной холодильной машины с двухступенчатым повышением давления и неполным промежуточным охлаждением (а)
и ее термодинамический цикл (б)
обеспечил в промежуточном сосуде охлаждение основного потока жидкого рабочего тела, вышедшего из конденсатора КС, до состояния, соответствующего параметрам точки 10. При этом в промежуточном сосуде за счет разной плотности жидкости и пара происходит разделение влажного пара на жидкость (состояние в точке 9) и сухой насыщенныйпар(состояниевточке8). Послепромежуточногососуда основнойпотокпроходитчерезосновнойдроссельныйвентильД0 (про- цесс10—11) инаправляетсявиспарительИ, гдерабочеетелоиспаряет- сядосостояниясухогонасыщенияпара(процесс11—1). Пар, сжатыйв компрессоре второй ступени К2 до давления Рт (процесс 4—5), проходит конденсатор КС, где охлаждается наружным воздухом или водой до температуры Тк (процесс 5—6).
В такой схеме массовый расход рабочего тела через компрессор второй ступени больше расхода через компрессор первой ступени на количество пара, выходящего из промежуточного сосуда. Значения расходов определяют по уравнению материального баланса промежуточного сосуда:
Ga2 = Ga1 + Gв + Gп, |
(1.42) |
где Ga — расход рабочего тела через компрессор соответствующей ступени; Gв — расход рабочего тела через вспомогательный дроссель-
63
ный вентиль; Gп — расход пара, образующегося в промежуточном сосудеврезультатеподводатеплотыотжидкости, идущейпозмеевику.
Схемахолодильноймашинысдвухступенчатымповышениемдавленияиполнымпромежуточнымохлаждениемпоказананарис. 1.24, аиб. В промежуточный сосуд этой машины направляют весь поток рабочего тела, вышедшего из промежуточного охладителя. В промежуточном сосуде рабочее тело охлаждают до состояния сухого насыщенного пара, который засасывает компрессор второй ступени. Уравнение материального баланса промежуточного сосуда в этом случае:
Ga2 = Gal + Gв + Gп + G /п, |
(1.43) |
где Gп — расход пара, образующегося в промежуточном сосуде в
результате подвода теплоты от пара, подаваемого компрессором первой ступени.
Повышение эффективности холодильных машин при двухступенчатомсжатиипосравнениюсодноступенчатымдостигаютснижениемцикловойработыврезультатепромежуточногоохлаждениярабочеготелаи ростомудельнойхолодопроизводительностизасчетохлажденияжидкостивпромежуточномсосудепередосновнымдроссельнымвентилем.
Рис. 1.24. Схема паровой компрессорной холодильной машины с двухступенчатым повышением давления и полным промежуточным охлаждением (а)
и ее термодинамический цикл (б)
64
Паровыехолодильныемашинысдвукратнымдросселированиемпри двухступенчатомповышениидавлениятакжевыполняютвдвухвариантахпромежуточногоохлаждениярабочеготела. Всхемеснеполнымпромежуточнымохлаждением(рис. 1.25) впромежуточномсосудевлажный пар,выходящийизпервогодроссельноговентиляД1,засчетразнойплотностиразделяетсянажидкость, отвечающуюсостояниюточки9, исухой насыщенный пар (точка 8). После смешения в точке 4 с перегретым паром, выходящим из промежуточного охладителя, он идет на всасывание компрессора второй ступени. Жидкость, выходящая из промежуточногососуда(состояниеточки9) поступаетквторомудроссельному вентилю Д2, а далее — к испарителюхолодильноймашины.
Массовый расход рабочего тела через компрессор второйступени в машине такой схемы:
Gа2 = Gа1 + Gпс, |
(1.44) |
где Gпс — расход пара, образующегося в промежуточном сосуде. В схеме с полным промежуточным охлаждением (см. рис. 1.24) в промежуточном сосуде охлаждение ведут до состояния сухого насыщенного пара (точка 4) в результате непосредственного контак-
та паров рабочего тела с кипящей жидкостью.
Рис. 1.25. Схема паровой компрессорной холодильной машины с двухступенчатым повышением давления, двукратным дросселированием и неполным промежуточным охлаждением (a) и ее термодинамический цикл (б)
65