4.1. Пароэжекторные холодильные машины

Рабочим веществом ПЭХМ преимущественно является вода, а в последнее время и хладоны. Использование воды в качестве рабочего вещества целесообразно вследствие ее безвредности и относительной дешевизны. Однако применить воду в компрессорных машинах невозможно из-за очень больших значений удельного объема сухого насыщенного пара при низких температурах. Это можно было бы осуществить лишь при огромных размерах цилиндров поршневого компрессора или колес в центробежной машине. Однако такие машины будут характеризоваться большими потерями энергии, а также высокими капитальными затратами. К тому же конструкция указанных машин окажется сложной из-за не­обходимости их работы в области глубокого вакуума. Отсасывание водяного пара из испарителя паровым эжектором позволяет создать относительно компактную и надежную в эксплуатации машину.

Недостатками ПЭХМ являются низкая энергетическая эффективность из-за больших потерь в эжекторе, а также необходи­мость поддержания глубокого вакуума в испарителе, конденсаторе и пароструйном аппарате.

Наиболее широко ПЭХМ применяют в системах кондиционирования воздуха на судах с парогенераторными энергетическими установками, а также на промышленных предприятиях, располагающих вторичными энергетическими ресурсами повышен­ного температурного потенциала.

Принцип действия и теоретический процесс работы пароэжекторной машины. Пароэжекторная машина представляет собой систему совмещенных неразделимых процессов прямого и обратного циклов, т.е. в ней совмещены пароэнергетическая установка с двигателем-эжектором и холодильная машина со струй­ным компрессором-эжектором. Пароэнергетическая установка включает в себя парогенератор, эжектор, конденсатор и насос. В сос­тав холодильной машины входят эжектор, конденсатор, регули­рующий вентиль и испаритель. Схема пароэжекторной машины показана на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Схема пароэжекторной холодильной машины

Рабочий пар из парогенератора Г, образованный в нем за счет подвода теплоты q_г, направляется в сопло эжектора Э. В сопле потенциальная энергия пара преобразуется в кинетическую энер­гию - скорость пара возрастает. Струя рабочего пара, увлекая холодный пар, идущий из испарителя И, смешивается с ним в камере смешения эжектора. Смесь рабочего и холодного пара направляется в диффузор эжектора, в котором давление смеси повышается вследствие снижения скорости. Таким образом, за счет кинетической энергии струи рабочего пара осуществляется работа сжатия смеси рабочего и холодного пара от давления в испарителе р₀ до давления в конденсаторе р_к. Теплота конден­сации q_к в конденсаторе ГК отводится водой, а образовавшийся конденсат направляется по двум потокам: одна часть конденса­та в количестве, равном массе рабочего пара, подается конденсатным насосом КН в парогенератор Г, другая - через дрос­сельный вентиль РВ1 поступает в испаритель И. Вода в испари­теле охлаждается в результате ее частичного испарения при глу­боком вакууме. Количество теплоты, отводимой холодным па­ром, зависит от удельной теп­лоты парообразования воды при давлении и температуре в ис­парителе и расхода холодного пара. Из испарителя И образующийся пар непрерывно отсасывается эжектором, благодаря чему в испарителе поддер­живаются постоянное низкое давление и непрерывный процесс испарения. Охлажденная вода, называемая рабочей водой, циркулирует между испарителем И и потребителем холода ПХ. Рабочая вода подается к потребителю холода циркуляционным насосом ЦН, в испаритель она возвращается через вентиль РВ2.

Теоретический совмещенный цикл ПЭХМ на s-Т-диаграмме показан на рис. 4.2. Рабочий пар с давлением р_р расширяется в сопле до давления р₀ изоэнтропно - процесс 1-2s. Из испарителя подсасывается холодный пар состояния 9. В камере сме­шения образуется влажный пар состояния 3, который сжимается в диффузоре до давления р_к изоэнтропно - процесс 3-4s.

Рис. 4.2. Теоретический цикл пароэжекторной холодильной машины

Процесс 4s-5 - конденсация; процесс 5-6 соответствует адиабатной работе насоса, перекачивающего конденсат в парогенератор. Процесс 5-8 - дросселирование части конденсата, идущего в испаритель. Процесс 8-9 - кипение в испарителе, а 6-7-1 - процессы нагрева воды и парообразования в парогенераторе. В машине совершаются два цикла. Если условно представить сжатие в эжекторе отдельно рабочего пара (процесс 2s-11) и холодного пара (процесс 9-10), то прямой цикл будет изображаться процессами 1-11-5-6-7-1, а обратный - процессами 9-10-5-8. В сопле потенциальная энергия давления преобразуется в кинетическую - процесс 1-2s; энергия прямого цикла передается обратному в камере смешения - процесс 2s-3-9; работа в обратном цикле затрачивается в диффузоре - процесс 3-4s. Процессы расширения 11-2s от давления р_к до давления р₀ с после­дующим сжатием смешанного пара (процесс 3-4s) от давления р₀ до р_к, по существу, выполняются для передачи работы прямо­го цикла обратному.

Таким образом, в машине осуществляются два цикла: круго­вой процесс 1-2-3-4-5-6-7-1 является прямым циклом, а кру­говой процесс 9-3-4-5-8-9 - обратным (холодильным) цик­лом. Если принять, что через испаритель проходит 1 кг рабочего вещества, то через парогенератор пройдет а (кг) рабочего пара, причем

. (4.1)

Величина а, определяемая отношением массовых расходов рабочего пара G_р к холодному G_х, называется кратностью цирку­ляции или коэффициентом удельного расхода пара.

Принимая условие передачи работы прямого цикла обратному без потерь, можно записать для теоретического цикла, что а_Тl = l₀, где l и l₀ - соответственно работы прямого и обратного циклов, или

(4.2)

где h - энтальпия в соответствующих точках цикла (см. рис. 4.2). Тепловой баланс машины можно представить в следующем виде:

(1 + а_т)q_к = q₀ + а_тq_г + а_тq_н, (4.3)

где (1 + а_т)q_к = (1 + а_т)(h_4s – h₅) - отведенная теплота; q₀ = h₉ – h₈ - удельная холодопроизводительность; а_тq_г = а_т (h₁ - h₆) - теплота, подведенная к парогенератору; а_тq_н = а_т(h₆ - h₅) - работа насоса.

Эффективность работы прямого цикла оценивается термическим коэффициентом

(4.4)

Холодильный коэффициент является энергетической характеристикой обратного цикла:

(4.5)

Для энергетической оценки эффективности всей машины используют тепловой коэффициент ξ_т, равный отношению холодопроизводительности цикла к затраченной теплоте:

(4.6)

Подставив в формулу (4.4) l = l₀/а_т и умножив η_t на ε_т, получают

(4.7)

Термодинамическое совершенство цикла эжекторной ходильной машины так же, как и для других типов холодильных машин, можно оценить коэффициентом обратимости

(4.8)

Здесь ε_т и η_t соответственно тепловой, холодильный и термический коэффициенты теоретического цикла; ε_об и η_tоб те же коэффициенты обратимого цикла

ε(4.9)

(4.10)

где Т₀ - температура охлажденной воды на выходе из испарителя, К; Т_о.с - температура окружающей среды, К; Т_h - температура греющего источника, К.

Особенности газодинамических процессов в эжекторе. Схематический разрез одного из основных элементов машины - эжектора - представлен на рис. 4.3. Он состоит из сопла РС приемной камеры ПК, камеры смешения КС и диффузора Д. На этом же рисунке показано изменение статических давлений по ходу рабочего и холодного паров.

Рис. 4.3. Схема эжектора

В пароструйных аппаратах с большой степенью расширения рабочего пара при условии р_р/р₂ > р₂/р_кр (где р_кр - статистическое давление изоэнтропно движущегося рабочего пара при критической скорости) сопло аппарата должно быть выполнено по типу сопла Лаваля. Сопло Лаваля состоит из сужающейся и расширяющейся частей, разделенных коротким цилиндрическим участком. Оно спрофилировано таким образом, чтобы в дозвуко­вом режиме его сечение уменьшалось до тех пор, пока скорость потока не станет равной скорости звука. Для перехода через скорость звука и дальнейшего ускорения потока сопло должно быть выполнено расширяющимся. В этом случае для создания кинетической энергии потока будет использован весь перепад давлений от давления рабочего пара на входе в сопло р_р до дав­ления всасывания холодного пара р₂.

Эжекторы холодильных машин работают при больших сте­пенях расширения рабочего пара (р_р/р₂ > 50) и больших степе­нях сжатия (р_к/р₂ > 2,5), поэтому для увеличения предельного коэффициента эжекции и сохранения большой степени сжатия камеру смешения в этих аппаратах выполняют из двух частей: развитой конической сужающейся части (конфузора) и после­дующей укороченной цилиндрической части (горловины).

Рабочий (эжектирующий) пар с параметрами р_р и t_р подво­дится к соплу, где его давление снижается от р_р до давления в приемной камере р_р1 = р₂, а скорость увеличивается от w_p до w_р1. Скорость пара w_р1 в сечении f_р1 на выходе из сопла больше критической скорости w_кр, достигаемой паром в узком (крити­ческом) сечении сопла f_кр (см. рис. 4.3).

Рабочий пар, выходящий из сопла в приемную камеру со ско­ростью w_р1, подсасывает из камеры холодный эжектируемый пар, скорость w_х которого незначительна. По мере удаления от сопла массовый расход движущегося потока непрерывно увеличивает­ся за счет присоединения массы эжектируемой среды и возрас­тает поперечное сечение движущегося потока. На некотором расстоянии от выходного сечения сопла поток, движущийся по направлению к камере смешения, заполняет все сечение прием­ной камеры. Профиль скоростей в этом сечении имеет большую неравномерность по радиусу - от очень малой у стенок камеры до близкой к скорости w_р1 истечения рабочего пара из сопла на оси потока. Сечение, где площадь сверхзвуковой струи стано­вится наибольшей, называется сечением запирания. До этого сечения эжектирующий и эжектируемый потоки текут раздель­но, не смешиваясь, а интенсивное смешение происходит за этим сечением. Сечение запирания является характерным участком начального участка смешения. С удалением от сопла граница между потоками размывается, сверхзвуковое ядро эжектирующей струи уменьшается, постепенно выравниваются скорости в результате обмена импульсами между частицами, движущи­мися с большей и меньшей скоростями, и повышается давление перемешиваемых потоков по сечению камеры. Поток имеет сред­нюю скорость w₃ и статическое давление р₃. Далее поток по­ступает в расширяющуюся насадку - диффузор. В последнем кинетическая энергия преобразуется в потенциальную энергию и теплоту.

Давление растет от р₃ до р_с, а скорость падает от w₃ до w_с. Если пренебречь сопротивлением нагнетательного тракта от эжектора до конденсатора, то давление за эжектором р_с можно считать равным давлению конденсации в главном конденсаторе.

Процессы, характерные для камер смешения, описывают тремя законами.

1. Закон сохранения энергии:

h_р + иh_х = (1 + и)h_с, (4.11)

где h_р, h_х, h_с - энтальпии рабочего и холодного пара до эжектора и смешанного потока после эжектора, кДж/кг; и - коэффициент эжекции, т.е. отношение массового расхода холодного (эжектируемого) пара к массовому расходу рабочего пара, и = G_x/G_p = 1/a.

2. Закон сохранения массы (кг/с):

G_ст = G_p + G_x. (4.12)

3. Закон импульсов, который для конической камеры смешения записывается так:

(4.13)

где w_p2, w_х2 и w₃ - скорости рабочего и холодного потоков во входном сечении 2-2 камеры смешения и смешанного потока в выходном сечении 3-3, м/с; р_р2, р_х2, р₃ - статические давления рабочего и холодного потоков во входном сечении камеры смешения и смешанного потока в выходном сечении этой камеры, Па; f₂, f_х2, f₃ - площади сечений рабочего и холодного потоков при входе в камеру смешения и смешанного потока на выходе из камеры смешения, м²; - интеграл импульса сил на площадь поверхности камеры смешения между сечениями2-2 и 3-3.

При расчете эжекторов часто используют газодинамические функции, связывающие приведенную скорость потока пара с его термодинамическими параметрами (следует вспомнить курс «Механика жидкости и газа»). Под приведенной скоростью понимают отношение скорости пара в рассматриваемом сечении к критической скорости:

. (4.14)

Критическую скорость пара (м/с), представляющую действительную скорость пара, равную местной скорости звука, определяют по формуле:

, (4.15)

где k - показатель адиабаты для идеального газа; R - удель­ная газовая постоянная, Дж/(кг·К); Т^* и р^* - соответственно температура (К) и давление (Па) торможения; v^* - удельный объем пара в заторможенном состоянии, м³/кг.

Под параметрами торможения Т^*, р^*, v^*, ρ^* понимают абсолютную температуру, давление, удельный объем и плотность пара при изоэнтропном снижении его скорости до нуля.

Наиболее часто используют следующие газодинамические функции.

Функция τ(λ) - относительная температура, т.е. отношение абсолютной температуры Т изоэнтропно движущегося пара в данном сечении к абсолютной температуре торможения Т^*:

(4.16)

Функция π(λ) - относительное давление, т.е. отношение статического давления р движущегося пара в данном сечении к давлению торможения р^*:

(4.17)

Функция ξ(λ) - относительная плотность, т.е. отношение плотности ρ движущегося потока в данном сечении к плотности ρ^* заторможенного потока:

(4.18)

Из наиболее сложных газодинамических функций при расчете эжекторов чаще используют функцию q(λ), представляющую собой приведенную массовую скорость, т.е. отношение массовой скорости wρ [кг/(м²·с)] движущегося потока в данном сечении к массовой скорости этого потока (wρ)_кр в критическом сечении:

q(λ) = wρ/(wρ)_кр. (4.19)

Из условий сплошности потока следует, что функция q(λ) равна отношению площадей критического сечения потока и данного сечения:

q(λ) = f_кр/f.

В холодильных машинах эжекторы работают на реальных газах или насыщенном паре. В таких средах показатель адиабаты k - переменная величина, поэтому использовать уравнения (4.14)-(4.19) неудобно. Скорость звука в указанных средах можно определить на основании формулы Лапласа:

где - бесконечно малое изоэнтропное изменение давления, Па; - изменение плотности среды при изменении давления, кг/м³.

Для технических расчетов формулу Лапласа можно записать в следующем виде:

(4.20)

где w - средняя скорость звука в среде в диапазоне указанного изменения давления среды; Δр - сравнительно небольшое конечное изоэнтропное изменение давления; Δρ - конечное изменение плотности среды при указанном изменении давления. Пренебрегая начальной скоростью потока перед эжектором из-за ее незначительности, можно скорость потока при адиабатном расширении определить по формуле:

, (4.21)

где - изоэнтропное изменение энтальпии потока, Дж/кг.

На основании уравнений (4.20) и (4.21) из условия w_s = w = w_кр можно вычислить изоэнтропный перепад энтальпий , соответствующий расширению потока от заторможенного состояния до его критической скорости:

= 0,5(Δр/Δρ)_s. (4.22)

Критическая скорость потока

. (4.23)

Машины с поверхностными и смешивающими барометри­ческими конденсаторами. Пароводяные эжекторные холодиль­ные машины в зависимости от конструкции и принципа работы главных конденсаторов делятся на два основных типа: машины c поверхностными конденсаторами и машины со смешивающими конденсаторами.

Преимуществом машин с поверхностными конденсаторами является возможность сохранения конденсата вследствие того, что конденсирующийся пар в них отделен от охлаждающей воды трубками, образующими теплопередающую поверхность. Машины этого типа имеют меньшие габаритные размеры и могут устанавливаться в производственных помещениях в непосредственной близости от потребителей холода. По сравнению с машинами со смешивающими конденсаторами они несколько сложнее в эксплуатации и требуют дополнительного вспомогательного оборудования.

Рабочая схема пароводяной эжекторной холодильной машины с поверхностными конденсаторами показана на рис. 4.4.

Рабочая вода, отепленная у потребителей, через запорный клапан 1 поступает в испаритель 2. В испарителе вследствие непрерывного отсоса главными эжекторами 3 образующегося пара поддерживается давление насыщения, соответствующее температуре выходящей из испарителя рабочей воды. Небольшая часть рабочей воды испаряется, отнимая теплоту испарения от основной массы воды, циркулирующей через испаритель, благодаря чему вода охлаждается. Из испарителя охлажденная вода откачивается центробежным насосом 4 и подается потребителям.

Рис. 4.4. Схема пароэжекторной холодильной машины

с поверхностными конденсаторами

Рабочий пар поступает в редукционный клапан 5, где давление пара снижается до требуемого значения, и далее через кла­пан 6 поступает к соплам главных эжекторов. Проходя через сопла, рабочий пар расширяется до давления несколько меньше требуемого давления насыщения в испарителе. Благодаря этому из испарителя в приемную камеру главного эжектора отсасывается холодный пар, который затем, смешиваясь с паром, вы­шедшим из сопла, поступает в главный конденсатор 7. Смесь холодного и рабочего пара конденсируется, отдавая теплоту конденсации охлаждающей воде, циркулирующей через трубки главного конденсатора. Конденсат, образующийся в главном конденсаторе, откачивается конденсатным насосом 8 и через невозвратно-запор-ный клапан 9 нагнетается в конденсатную систему. Часть конденсата, необходимая для компенсации испарившейся рабочей воды, поступает в испаритель через электромагнитный клапан и поплавковый регулятор уровня 10.

В пароводяной эжекторной машине все основные аппараты - испаритель, главный конденсатор и другие - работают под давлением ниже атмосферного, в результате чего в машину поступает воздух извне. Для поддержания в аппаратах заданных давле­ний необходимо непрерывно отсасывать воздух из системы. Из испа­рителя вместе с холодным паром главные эжекторы отсасывают и воздух. Отсос воздуха из главного конденсатора с выбросом в атмосферу осуществляется вспомогательными эжекторами в две ступени. Необходимость двух ступеней объясняется тем, что воздух отсасывается со степенью сжатия 15-30, что не мо­жет быть обеспечено одним эжектором. Вместе с воздухом эжек­торы первой и второй ступени отсасывают и некоторое количест­во пара. Паровоздушная смесь из эжектора первой ступени 11 поступает в конденсатор первой ступени 14, где пар конденсиру­ется, а освободившийся воздух из конденсатора первой ступени отсасывается эжектором второй ступени 12 в конденсатор вто­рой ступени 13, из конденсатора второй ступени воздух выбра­сывается в атмосферу. В конденсаторе второй ступени давление несколько больше атмосферного, в конденсаторе первой ступени давление промежуточное между давлением в главном конденса­торе и атмосферным давлением. Давление в главном конденса­торе, при котором происходит конденсация пара, зависит от тем­пературы и количества охлаждающей воды, поступающей в глав­ный конденсатор, а также от степени загрязнения конденсатных трубок. Конденсат, образовавшийся в конденсаторе второй ступени, через перепускной клапан 15 поступает в конденсатор первой ступени. Конденсат из конденсатора первой ступени под влиянием разности давлений по U-образной трубе через уравно­вешиваю-щий клапан 16 перетекает в главный конденсатор.

Рабочая схема пароэжекторной холодильной машины с баромет­рически-ми смешивающими конденсаторами показана на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Схема пароэжекторной холодильной машины

с баромет­рическими смешивающими конденсаторами

Особенность этой схемы заключается в том, что пар в конденса­торе 1 входит в непосредственный контакт с охлаждающей во­дой и конденсат нельзя возвратить в парогенератор, что вызыва­ет дополнительные затраты на очист­ку котловой воды. Однако благодаря непосредственному контакту пара и воды давление конденсации в этой машине при прочих равных услови­ях будет несколько меньше, чем в схеме с поверхностными конденсато­рами, соответственно ниже будет и степень сжатия, которую надо преодо­леть эжекторам 2. При меньшей сте­пени сжатия уменьшается потребный расход рабочего пара, что является основным преимуществом машин это­го типа. Выполнение испарителей 3 и конденсаторов 1 барометрического типа обеспечивает свободный слив от­работавшей охлаждающей воды, ра­бочей воды и конденсата под действием собственной тяжести. Это значительно сокращает затраты энергии на насосы, которые в отдельных случаях можно пол­ностью исключить. Машины с барометрическими смешивающи­ми конденсаторами устанавливают на открытом воздухе.

Конденсаторы и испаритель для обеспечения барометричес­кого слива воды располагают на большой высоте. Пар из глав­ных эжекторов 2 поступает в нижнюю часть главного конденса­тора 1 и поднимается вверх, так как в верхней части конденса­тора отсасывается воздух. Охлаждающая вода из магистрали поступает в верхнюю часть конденсатора, где помещена сливная коробка. Охлаждающая вода стекает через отверстия в дне ко­робки, а часть воды сливается через боковую стенку. Затем вода попадает на кольцевой лоток, откуда она поступает на централь­ный лоток, частично сливаясь вниз через отверстия в кольцевом лотке. С центрального лотка вода попадает на следующий кольцевой лоток, затем на очередной центральный и стекает на дно конденсатора. Таким образом, на пути поднимающегося пара, поступившего в конденсатор из главных эжекторов, создается водяная завеса, соприкасаясь с которой пар конденсируется. Образовавшийся конденсат смешивается с общей массой воды и по трубе 6 сливается в барометрический сборник 5.

Воздух из верхней части конденсатора отсасывается эжектором первой ступени 9 и нагнетается во вспомогательный кон­денсатор 7, принцип действия которого такой же, как и главно­го конденсатора. В этом конденсаторе рабочий пар, подведенный к эжектору 9, конденсируется, а воздух, собравшийся в верхней части конденсатора, отсасывается эжектором второй ступени 8 и выпускается в атмосферу.

Сливные трубы снабжаются гидравлическими затворами в барометрических сборниках 4 и 5. Высота столба воды в сливных трубах до уровня барометрической емкости определяется по формуле:

H = (В + Δh - р_к) / (gρ) + h, (4.24)

где В - барометрическое давление, м; Δh - потери напора в сливной трубе и на выходе из нее, м; р_к - минимально возможное давление в аппаратах с барометрическим отводом воды, м; g - ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с²; ρ - плотность воды, кг/м³; h - гарантийный запас, h = 0,5÷1,0 м.

Особенности работы эжекторных машин на различных рабочих веществах. Эжекторные холодильные машины могут работать не только на воде, но и на легкокипящих веществах. Применение легкокипящих веществ, в частности хладонов, позво­ляет получить более низкие температуры кипения, упростить схему машины, а также использовать низкопотенциальную теплоту без вакуума в аппаратах.

Аммиачные эжекторные машины из-за токсичности аммиака не получили достаточного развития. Однако в низкотемпературных аммиачных компрессионных холодильных машинах применяют эжекторы для поджатия пара в ступенях низкого давления.

Хладоновые эжекторы по сравнению с пароводяными отличаются меньшими скоростями в проточной части, малыми проходными сечениями, меньшими отношениями давлений рабочего пара р_р и испарения р₀, меньшими отношениями давлений кон­денсации р_к и испарения р_к. В схемах хладоновых эжекторных холодильных машин в отличие от пароводяных отсутствуют воздухоотсасывающие устройства, в остальном они аналогичны.

Ряд недостатков, присущих этим машинам, сдерживает их промышленное внедрение. К таким недостаткам относятся: усложнение конструкции испарителя и генератора из-за необходимости применения теплопередающей поверхности, а следовательно, и возникновение необратимых потерь на тепловое сопротивление этой поверхности, наличие в схеме дорогого и сложного хладонового насоса. Подача в парогенератор жидкого хладона, близкого к состоянию насыщения, приводит к вскипанию хладона на всасывании насоса и к срыву его работы. Для исклю­чения этого приходится применять переохлаждение или подпор на всасывании. Кроме того, по сравнению с водой хладон дорог и текуч.

Эффективность работы хладоновых эжекторных холодильных машин зависит от режима работы (р_р, р₀, р_к, t_p, t_вc) и от свойств хладона. Хладон и рабочее давление для этих машин выбирают по двум энергетическим критериям: действительному тепловому коэффициенту машины и суммарной электрической мощности, потребляемой хладоновым и водяным циркуляционными насосами. Более рациональным является применение веществ с высокими значениями критической температуры, что понижает давление в аппаратах и, следовательно, обеспечивает большую надежность и безопасность работы машины. К ним относятся хладоны R11, R21, R11З, R142, RС318, R12В1. Однако при использовании хладонов R11, R11З в испарителе устанавливается давление ниже атмосферного, а хладон R21 является термически нестойким веществом. Наиболее перспективным веществом по значению теплового коэффициента, сокращению удельных дроссельных потерь и мощности хладонового насоса при относительно низких давлениях в аппаратах является хладон R142.