4.6 Основные элементы паровой компрессионной холодильной машины.

К основным элементам холодильных машин относятся компрессоры и теплообменные аппараты: испарители, конденсаторы, перегреватели, переохладители и др.

Компрессоры.Компрессор паровой компрессионной холодильной машины, получившей наибольшее распространение на хладотранспорте, представляет собой сложное устройство с движущимися частями. Он во многом определяет экономичность, надёжность и долговечность машины. 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).

Паровые компрессионные холодильные машины комплектуются компрессорами разных типов:

– ротационными и винтовыми, где процесс сжатия паров хладагента происходит за счёт уменьшения замкнутого начального объёма рабочей полости;

– турбокомпрессорами.Здесь используют центробежный способ повышения давления, который заключается в преобразовании части кинетической энергии потока паров хладагента на профилированных лопатках вращающегося диска в потенциальную энергию в диффузоре;

– поршневыми, создающими возвратно-поступательные движения поршня в цилиндре. Здесь с помощью системы клапанов происходит разрежение в одной части контура хладагента и давление в другой.

Более 90% всех паровых компрессионных холодильных машин оснащено поршневыми компрессорами, поэтому их работа изучается достаточно подробно.

Рассмотрим рабочий процесс поршневого компрессора. Движение поршня обеспечивается от внешнего привода (дизель, электродвигатель и др.) через маховик и кривошипно-шатунный механизм (рис. 4.21, в).

Рис. 4.21 — Теоретическая (а) и действительная (б) диаграммы компрессора (в)

В крышке цилиндра расположены всасывающий 1и нагнетательный2клапаны. За один оборот маховика, т.е. за два хода поршня4, в цилиндре3совершается полный цикл рабочего процесса (всасывание, сжатие, нагнетание и расширение).

В идеальном (теоретическом) компрессоре поршень доходит до крышки цилиндра, т.е. не имеет зазора, называемого вредным пространством. Поэтому клапан1открывается сразу же с началом движения поршня4вправо вследствие создающегося под поршнем разрежения, и всасывание паров хладагента из испарителя в цилиндр3происходит при постоянном давленииp_она всём протяжении хода поршня (пол-оборота маховика, линияа-bна рис.4.21, а). Объём всасываемого пара равен объёму, описываемому поршнемV_hза один ход.

При обратном ходе поршня всасывающий клапан 1сразу же самопроизвольно закрывается, и происходит адиабатическое сжатие замкнутого объёма паров в цилиндре до давленияp_кв конденсаторе (линияb-с). После этого нагнетательный клапан2самопроизвольно открывается, и через него при дальнейшем движении поршня влево сжатые пары выталкиваются (нагнетаются) в конденсатор при постоянном давленииp_к(линияс-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 p_о, вследствие чего нагнетающий клапан2закрывается, а всасывающий клапан1открывается, 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, которое образует 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. 4.21, б). Во вредном пространстве при крайнем левом положении поршня всегда остаётся сжатый пар объёмомV_cс давлениемp_к. При движении поршня вправо пар расширяется при закрытых клапанах1и2до давленияp_o(кривая d-a на рис. 4.21, б). Только после этого клапан1сможет открыться и начнётся всасывание новой порции пара.

Индикаторная (опытная) диаграмма, показанная на рис. 22, б, отличается от теоретической ещё и отклонениями давления от p_оиp_к. Возникающая разность (p_оиp_к) называется декомпрессией, соответственно, в испарителе и конденсаторе. Декомпрессия объясняется необходимостью иметь дополнительный напор для преодоления сопротивления всасывающего и нагнетательного клапанов. ОбъёмыV_c1иV_c2 вместе сV_cобразуют неиспользованное пространство, что понижает эффективность работы компрессора.

Работа компрессора l, необходимая для повышения потенциала хладагента и сброса теплоты в окружающую среду, эквивалентна, как известно из термодинамики, площади цикла в координатахp-V. Очевидно, что её действительное значение больше теоретического. Интегральную оценку потерь в реальном компрессоре, связанных с наличием в нём вредного пространства, даёткоэффициент подачи, который представляет собой отношение фактической подачи компрессора (фактически всасываемых компрессором паров)V_п.кк геометрическому объёму, описываемому поршнемV_h, т.е. к теоретическому объёму всасывания, доли единицы

 = V_п.к /V_h < 1.

Он зависит от величины вредного пространства, степени сжатия p_к/p_о, типа компрессора, величины изношенности деталей поршня, клапанов и др. Обычно коэффициент подачи компрессора определяют опытным путём или рассчитывают, доли единицы:

 = _п_v;

где _п— коэффициент потерь от подогрева компрессора, доли единицы;_v— коэффициент объёмных потерь, доли единицы.

_п = ;

_v= ,

где Т_о— абсолютная температура кипения хладагента, К;Т_к— абсолютная температура конденсации хладагента;p_о— давление кипения хладагента в испарителе, МПа;p_к— давление конденсации хладагента в конденсаторе, МПа;p_о— потеря напора при всасывании хладагента компрессором, МПа;p_к— то же, при нагнетании хладагента в конденсатор, МПа;с— величина относительного вредного пространства, доли единицы.

Величины p_о,p_к,с — конструктивные характеристики конкретного компрессора.

Геометрический объём, описываемый поршнями компрессора, можно определить, м³/ч:

V_h = ,

где D — диаметр цилиндра, м;h— ход поршня, м;n— частота вращения вала компрессора, об/мин;z — количество цилиндров.

Тогда при известных V_h и можно рассчитать действительную подачу компрессораV_п.к, м³/c,

V_п.к = V_h 

К другим основным параметрам компрессора относятся холодопроизводительность Q_o, и потребляемая мощностьN_д. Под холодопроизводительностью компрессора понимается холодопроизводительность установки, в составе которой работает этот компрессор, кВт:

Q_o = V_п.к q_v = V_h  q_v V_h  q_o/v₁,

где q_v — теоретическая объёмная холодопроизводительность 1 кг хладагента, м³/ч;v₁ — удельный объём хладагента при всасывании компрессором (см. рис. 4.18).

Поскольку коэффициент подачи компрессора и другие величины при изменениях режима работы не остаются постоянными, то и холодопроизводительность будет зависеть от режима (в особенности от температурt_о,t_к,t₁иt₂).

Понижение температуры кипения t_ои, следовательно, давления в испарителеp_oсвязано с заметным уменьшением холодопроизводительности компрессора вследствие убыванияq_oи увеличения удельного объёма засасываемого параv₁. Кроме того, с понижением давления кипения увеличивается отношениер_к/р_о(степень сжатия) и соответственно уменьшается коэффициент подачи компрессора. В целом при пониженииt_oна 1°С холодопроизводительность одноступенчатых холодильных машин резко уменьшается — на 4...6%.

С повышением температуры конденсации на 1°С холодопроизводительность одноступенчатой установки также снижается (на 1,0...1,5 %), так как уменьшаются q_oивследствие увеличения давления конденсации. Следовательно, превышение параметров холодильной машины за пределы паспортных (номинальных) значений верхнего и нижнего давлений (а значит, и температур фазовых переходов) чревато заметным понижением её холодопроизводительности.

Мощность, потребляемую компрессором в сложившихся условиях, находят как теоретическую по холодопроизводительности машины

N_т= Q_o/,

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):

– небольшие значения массы, габаритов и потребляемой энергии;

– способность работать с высоким отношением давлений в одной ступени;

– допускают разные холодильные агенты.

Недостатки:

– большой износ движущихся частей;

– невысокая надёжность;

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

Классификация:

– по областям применения — стационарные и транспортные;

– по холодопроизводительности — малые (до 12 кВт), средние (от 12 до 120 кВт), крупные (свыше 120 кВт);

– по числу ступеней сжатия — одноступенчатые, двухступенчатые, многоступенчатые;

– по числу цилиндров — одно-, двух-, восьми- и многоцилиндровые.

– по расположению осей цилиндров — вертикальные, горизонтальные, V-образные и веерообразные;

– по направлению движения хладагента в цилиндре компрессора — прямоточные и непрямоточные.

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

Воздушные конденсаторыприменяются 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. 4.22) 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 охлаждениемполучили наибольшее распространение в стационарных установках средней и большой производительности. На железнодорожном транспорте такие конденсаторы применяли в аммиачных паровых компрессионных холодильных машинах с централизованной выработкой холода. Типичный кожухотрубный конденсатор с горизонтальным расположением охлаждающих труб представлен на рис. 4.23. 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.

Рис. 4.22 — Схема воздушного конденсатора

Рис. 4.23 — Кожухотрубный конденсатор горизонтального типа

Расчёт конденсаторов сводится, в зависимости от задачи, к определению теплопередающей поверхности F, м², расхода охлаждающей водыG_в, кг/с, или воздухаV_в, м³/с:

;;,

где Q_к— тепловая нагрузка на конденсатор, кВт;k— коэффициент теплопередачи, кВт/(м²К);t— средняя разность температур конденсирующегося хладагента и охлаждающей среды (воды или воздуха);с_в— удельная теплоёмкость воды, с_в = 4.19 кДж/(кг°С);t₁ иt₂— температура воды на входе и выходе из конденсатора, °С;_в— плотность воздуха,_в = 1.2 кг/ кг/м³;i₁ иi₂— удельное теплосодержание воздуха на входе и выходе конденсатора.

Испарители. Это теплообменные аппараты, в которых происходит кипение хладагента (при низких значенияхt_oиp_o) за счёт тепла, воспринимаемого от воздуха грузового помещения рефрижераторного транспортного модуля или холодоносителя.

Испарители для охлаждения рассолапо 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 испарителях-воздухоохладителяхдвижение 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 периодическаяоттайка трубтакого 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.

Переохладители (они же могут быть одновременно и перегревателями) — регенеративные 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, например, в пятивагонных рефрижераторных секциях.

Вспомогательные аппаратыобеспечивают 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.