logo
КАСАТКИН

Компрессионные паровые холодильные машины

В производстве умеренного холода наиболее широко применяются компрессионные паровые холодильные машины. В этих машинах в' каче­стве холодильных агентов используются низкокипящие жидкости, спо­

Охлаждающая бода 1

Рис. ХУП-4. Вихревая труба:

1 — сопло; 2 — труба; 3— дроссельный вентиль; 4 — диафрагма; 5 •— охлаждающая рубашка.

4. Компрессионные паровые холодильные машины

655

собные испаряться при температурах ниже нуля, а затем, после предвари­тельного сжатия, снова превращаться в жидкость при обычных темпера­турах (достигаемых, например, в условиях охлаждения водой). При после­дующем понижении давления и испарении жидкого хладоагента его темпе­ратура снижается до температуры кипения жидкости при данном давле­нии. Сжатие паров холодильного агента производят в поршневых компрес­сорах или турбокомпрессорах.

Цикл идеальной машины. В идеальной компрессионной холодильной машине (рис. XVI1-5, а), цикл работы которой соответствует обратному циклу Карно, компрессор 1 засасывает пары холодильного агента, сжи­мает их до заданного давления, при котором они могут быть сжижены охлаждением водой, и нагнетает пары в конденсатор //. На диаграмме Т—5 (рис. XVI1-5, б) процесс адиабатического сжатия паров изобра­жается вертикальной линией (адиабатой) 12. Сжатие сопровождается нагреванием паров-от температуры Т0 (точка 1) до температуры Т (точка 2). Для того чтобы процесс сжижения в конденсаторе II происходил при постоянной температуре Т, процесс сжатия паров, как показано на

Рис. XVI1-5. Компрессионная холодильная машина:

а — схема установки; б — изображение процесса на диаграмме Т—5; / — компрессор; 11 — конденсатор; 111 —дроссельный вентиль; IV — испаритель.

рис. XVI1-5, б, осуществляют в области влажного пара, ограниченной кривой равновесия пар—жидкость. В идеальной машине пар на выходе из компрессора находится при давлении сжатия р в сухом насыщенном состоянии.

Конденсация паров в конденсаторе II протекает изотермически при температуре Т (горизонтальная линия 23). Жидкий холодильный агент из конденсатора поступает в расширительный цилиндр (на рис. XVII-5, а вместо расширительного цилиндра, применяемого в идеальном цикле, показан дроссельный вентиль III, используемый в реальном цикле), в котором адиабатически расширяется, приобретая температуру Т0, соот­ветствующую давлению испарения (адиабата 34, рис. XVII-5, б). Далее жидкий хладоагент испаряется при постоянной температуре в испари­теле IV, отнимая тепло от охлаждаемой среды (направление движения охлаждаемой среды, омывающей поверхность теплообмена испарителя, показано стрелками). Процесс испарения при температуре Т0 изобра­жается изотермой 41. Пары при температуре Т0 (точка 1) засасываются компрессором I, и цикл повторяется снова. Таким образом, весь процесс состоит из двух адиабат (отрезки 1—2 и 34) и двух изотерм (отрезки

  1. 3 и 4^-1).

На рис. XVI1-6 дано изображение цикла идеальной компрессионной холодильной машины на диаграмме р—г. На этой диаграмме холодопроиз- водительность (?0 и затрата работы Ь изображаются прямолинейными отрезками, что упрощает и-х определение по сравнению с определением по диаграмме Т—5, в которой значения (}0\1Ь находят путем измерения соответствующих площадей. Отрезок 1—2 — адиабатическое сжатие паров холодильного агента в компрессоре /; отрезок 2—3 1 конденсация этих паров в конденсаторе //; отрезок 3—4 — расширение жидкого холодиль­

г

а

7 6 б

655

Гл. XVII. Искусственное охлаждение

ного агента в расширительном цилиндре; отрезок 4—1 — испарение жидкого хладоагента в испарителе IV.

Цикл действительной машины. В этой холодильной машине расшири- тельный цилиндр вследствие сложности конструктивного выполнения заменяется дроссельным регулирующим вентилем (вентиль III на

рис. XVI1-5, а), и, следовательно, про-

цесс обратимого расширения газа при постоянной энтропии (линия 3—4 на рис. XVI1-5, б) заменяется необратимым процессом дросселирования (линия 3—5 на рис. XVI1-5, б). Одна эта замена вызы- вает уменьшение холодопроизводительно- сти, соответствующее площади 4—5—6—7 (см. рис. ХУП-5, б).

Кроме того, как показано на диаграм- мах Т—5 и р—* (рис. XVII-?), цикл дей- ствительной машины отличается от цикла идеальной двумя особенностями, позво- ляющими повысить эффективность работы компрессионных холодильных машин: а) сжатие холодильного агента компрес- сором происходит не в области влажного, а в области перегретого пара;

б) после конденсации паров холодильного агента жидкий хладоагент обычно переохлаждают до температуры более низкой, чем температура конденсации.

Несмотря на то что при сжатии в компрессоре влажного пара холо­дильный цикл приближается к циклу Карно, а сжатие сухого пара теоре­тически нерационально вследствие увеличения расхода энергии на пере­грев пара, практически более выгодным оказывается «сухой ход» компрессора с перегревом сжатого пара.

Рис. ХУП-6. Изображение холо­дильного цикла компрессионной холодильной машины на диаграм­ме р—».

Рис., XVI1-7. Изображение холодильного цикла действительной компрессионной холодильной машины иа диаграммах Т—5 и р—».

Теоретически при «сухом ходе» пар засасывается в сухом насыщенном состоянии (точка Г на рис. XVI1-7, а и б) и адиабатически сжимается до заданного давления (точка 2). Практически же обычно пар засасывается в несколько перегретом состоянии. Для аммиака, например, в условиях стандартного режима предусматривается перегрев на 5 °С. Сжатие пара в компрессоре практически происходит не по адиабате, а по политропе. Преимуществом «сухого хода» является уменьшение потерь холода,

4. Компрессионные паровые холодильные машины

657

обусловленных при «влажном ходе» интенсивным теплообменом между влажным паром и стенками цилиндра компрессора. Кроме того, вследствие интенсивного теплообмена с окружающей средой при «влажном ходе» будет происходить испарение хладоагента в цилиндре компрессора, что приведет к уменьшению объемного коэффициента полезного действия и коэффициента подачи компрессора и, следовательно, холодопроизводи- тельность цикла будет более низкой.

Поступающие в конденсатор перегретые пары холодильного агента охлаждаются при постоянном давлении до температуры конденсации (по изобаре 2'2), а затем конденсируются при этом же давлении и постоян­ной температуре (горизонталь 23'). Если бы не производилось пере­охлаждение хладоагента, то последующий процесс его расширения в дрос­сельном вентиле при постоянной энтальпии можно было бы изобразить изоэнтальпой 3'4'. При переохлаждении хладоагента, например до температуры Т', процесс дросселирования изобразится изоэнтальпой

  1. 4. Эффект переохлаждения проявляется в увеличении холодопроизво- дительности цикла, соответствующем площади 44'6—7 (рис. XVI1-7, а). Цикл завершается испарением хладоагента в испарителе при Т0 = const (изотерма 4—/').

С помощью диаграммы Т—5, а также энтальпийной диаграммы р—i можно определить все/основные параметры, характеризующие действи­тельный холодильный цикл: работу сжатия в компрессоре, тепловую нагрузку конденсатора и холодильный коэффициент. Например, как видно из диаграммы р—i (рис. XVI1-7, б), удельная работа, совершаемая компрессором, при адиабатическом сжатий 1 кг паров (по линии /'—2') составляет:

t==ir — iv (XVII ,9)

где /а* и ii' — энтальпии холодильного агента в точках ? и J'.

Количество тепла, отнимаемого от 1 кг паров холодильного агента в конденсаторе при изобарическом процессе, соответствующем линии 2'23'3, или удельная тепловая нагрузка конденсатора

q = i2, — ;3

где /3 — энтальпия холодильного агента в точке 3.

По значению q определяют поверхность теплообмена конденсатора и расход охлаждающей воды на конденсацию паров.

Удельная холодопроизводительность цикла q0 равна изменению энталь­пии хладоагента при изотермическом процессе испарения, изображаемом на диаграмме линией 4Г:

% — *г — Ч .

где t4 — энтальпия холодильного агента, соответствующая точке 4.

. Холодильный коэффициент действительного холодильного цикла:

е = М. = iy ~ г~4 I i2h’

Холодопроизводительность, обеспечиваемая холодильной машиной, определяется температурным режимом, при котором она работает. Зна­чения холодопроизводительности для различных холодильных агентов в зависимости от их температур испарения и переохлаждения приводятся в специальной литературе, где указываются также ориентировочные зна­чения коэффициента подачи компрессора в функции от условий (темпера­туры и давления) процессов конденсации и испарения хладоагента.

Номинальную холодопроизводительность компрессионных холодиль­ных машин обычно относят к определенным температурным условиям. В качестве таких «стандартных» условий приняты: температура испаре­

658

Гл. XVII. Искусственное охлаждение

ния £0 = —15 °С, температура конденсации 4 = +30 °С, температура переохлаждения tn = +25 °С. По «стандартным» условиям холодильная машина работает с перегревом засасываемого в компрессор пара (темпе­ратура всасывания для аммиака £вс = —Ю °С, Для фреона ^вс = +15 °С).

Схемы действительных компрессионных холодильных машин часто несколько усложняются сравнительно с принципиальной схемой, показан­ной на рис. ХУП-5. Так, если требуемое переохлаждение жидкого хладо- агента не может быть достигнуто в конденсаторе (за счет имеющегося «запаса» его поверхности теплообмена), то перед дроссельным вентилем в схему включают дополнительный теплообменник — переохладитель жидкости. Для обеспечения «сухого хода» компрессора между испарителем и компрессором устанавливают отделитель жидкости (брызгоуловитель), из которого отделенные от пара частицы жидкости возвращаются в испа­ритель, а осушенные пары направляются в компрессор.

Двухступенчатые и трехступенчатые машины. В некоторых техноло­гических процессах требуются более низкие температуры, чем те, для получения которых могут быть эффективно использованы одноступенча­тые компрессионные холодильные машины. Для аммиака, например, при давлении 1 ат температура кипения = —34° С. Если необходимо иметь более низкую температуру испарения, одноступенчатая холодильная машина может оказаться либо малоэкономичной, либо совсем непригодной, так как увеличение разности температур конденсации и испарения(/—£„) приводит к возрастанию степени сжатия и соответственно,— к снижению объемного коэффициента полезного действия компрессора. Кроме того, увеличение степени сжатия паров хладоагента повышает их температуру и может даже вызвать разложение паров.

По этим причинам для получения относительно низких температур используют более сложные двухступенчатые (рис. XVI1-8) и трехступен­чатые холодильные машины. Так, путем двухступенчатого сжатия аммиач­ных паров получают температуры до —50 °С, а путем трехступенчатого — до —70 °С.

В двухступенчатой компрессионной холодильной машине (рис. XVI1-8, а) пары холодильного агента при давлении р засасываются из испарителя /, сжимаются компрессором в цилиндре низкого давления II до некоторого промежуточного давления рг и через холодильник III поступают в сосуд-отделитель IV', где они барботируют через слой кипя­щего жидкого холодильного агента. При этом вследствие частичного испарения жидкости пары охлаждаются до температуры насыщения, отделяются от жидкости и в насыщенном состоянии засасываются в ци­линдр высокого давления V. Далее они сжимаются до давления р2 'и направляются в конденсатор VI. Жидкость, образовавшаяся в результате конденсации паров, проходит через дроссельный вентиль VII, с помощью которого осуществляется ее дросселирование до давления рг. При этом давлении жидкость направляется в сосуд-отделитель IV, где охлаждает пары, поступающие при том же давлении из холодильника III. Кроме испарившейся части жидкости, которая присоединяется к парам, направ­ляющимся на сжатие в цилиндр V, остальная часть жидкого хладоагента проходит через второй дроссельный вентиль VIII, дросселируется до давления р и поступает в испаритель /, где отнимает тепло от охлаждаемой среды. Пары, выходящие при давлении р, засасываются в цилиндр низкого давления II.

На диаграммах Т—5 и рI (рис. Х\П1-8, б и в) дано изображение цикла двухступен- 1атой компрессионной холодильной машины. Пары холодильного агента сжимаются в ци- шндр.е низкого давления по адиабате 1—2, несколько охлаждаются в холодильнике /// изобара 23') и затем в сосуде-отделителе IV полностью теряют тепло перегрева, охлаж- (аясь до температуры насыщения (изобара 3'—3).

Далее насыщенные пары снова сжимаются в цилиндре высокого давления (по адиабате '4) до перегретого состояния (точка 4). Последующее охлаждение перегретых паров в кон- ;енсаторе VI изображается изобарой 45, конденсация паров в том же аппарате — изо­

4. Компрессионные паровые холодильные машины

659

барой (и одновременно изотермой) 5—6 и, наконец, их переохлаждение — изобарой 67. Последующий процесс дросселирования в вентиле VII характеризуется нзоэнтальпой 78. Получаемый после расширения влажный пар (точка 8) разделяется в сосуде-отделителе IV иа паровую (точка 3) и жидкую (точка 9) фазы. Жидкий холодильный агент снова дрос­селируется в вентиле VIII до давления р (по изоэнтальпе 910) н испаряется а испарителе / (изотерма 101).

В двухступенчатой холодильной машине степени сжатия в цилиндрах низкого и высокого давления значительно ниже, чем в одноступенчатой, поэтому объемный коэффициент полезного действия компрессора соответ­ственно выше.

Рис. XVI1-8. Двухступенчатая компрессионная холодильная машина:

а — схема установки; б* в — изображение процесса на диаграммах Т—5 и р—ь; / — испаритель: // — цилиндр низкого давления; ///—» холодильник; IV — сосуд-отделитель; V — цилиндр высокого давле­ния; VI — конденсатор; VII, VIII регулирующие вентили.

Холодильные агенты и хладоносители. Выше было показано, что холо­дильный коэффициент не зависит от свойств холодильного агента. Однако размеры холодильной машины, конструкционный материал, из которого она может быть изготовлена, и давление при заданных условиях работы определяются свойствами холодильного агента. Поэтому к веществам, применяемым в качестве холодильных агентов, предъявляются следующие требования:

  1. высокая критическая температура, обеспечивающая возможность конденсации паров хладоагента в конденсаторе с помощью естественных охлаждающих агентов (вода, воздух);

  2. большая теплота испарения для того, чтобы уменьшить расход холодильного агента, необходимый для достижения заданной холодо- производительности;

  3. возможно меньший удельный объем паров холодильного агента при давлении и температуре испарения, что обусловливает уменьшение раз­меров холодильной машины;

660

Гл. XVII. Искусственное охлаждение

  1. давление испарения должно быть несколько выше атмосферного ввиду того, что легче предотвратить утечку холодильного агента, чем подсос воздуха; подсос воздуха ухудшает теплопередачу в конденсаторе и испарителе, повышает рабочее давление и вносит в систему водяные пары, которые могут замерзать в испарителе и приводить к образованию хими­чески активных соединений;

  2. желательно'умеренное давление пара при температуре конденсации во избежание усложнения конструкции и удорожания аппаратов и трубо­проводов.

Наряду с этим холодильный агент не должен быть химически агрес­сивным и оказывать вредное действие на человеческий организм-; кроме того, он должен быть безопасным в пожарном отношении, а также доступ­ным и недорогим.

Второе из указанных выше требований относится только к холодильным агентам для поршневых компрессионных холодильных машин. Холодиль­ные агенты для установок с турбокомпрессорами должны обладать малой теплотой испарения, так как турбокомпрессоры обычно изготавливаются для сжатия значительных количеств хладоагента.

В настоящее время наиболее распространенными холодильными аген­тами, удовлетворяющими большинству перечисленных выше требований, являются аммиак и фреоны. Значительно реже в качестве хладоагентов используют двуокись углерода и особенно редко — сернистый ангидрид и хлористый метил. Для получения температур испарения ниже — 70 °С применяют пропан, этан и этилен.

Достоинствамй аммиака как хладоагента являются: значительная теплота парообразования, небольшое избыточное давление его паров в испарителе и умеренное давление в конденсаторе. Вместе с тем аммиак горюч, ядовит, может образовывать с воздухом взрывоопасные смеси и вызывает коррозию меди и ее сплавов в присутствии влаги.

Фреоны представляют собой фторхлорпроизводные метана.

В обозначении фреонов первая цифра указывает число атомов водорода, а вторая — число атомов фтора В молекуле фреона. Первая цифра условно на единицу больше числа атомов водорода, т. е. при его отсутствии первая цифра — единица, при одном атоме водо­рода первая цифра — два и т. д. Таким образом, соединение СОгЁг называется фреон-12, соединение СНС1Рг — фреон-22 и т. д. Известны также фреоны, являющиеся производ­ными этанового (1), пропанового (2) и бутанового (3) рядов и обозначаемые трехзначиыми цифрами, причем первая цифра (приведенная выше в скобках) указывает ряд. Так, напри­мер, производный ряда этана фреон СзР3С1з называется фреоном-113.

Фреоны обладают невысокими давлениями конденсации и испарения, как правило, безвредны, пожаро- и взрывобезопасны, а также не вызы­вают коррозии обычных конструкционных материалов при рабочих усло­виях. К числу их недостатков относятся очень низкая вязкость, что облегчает утечку хладоагента, и относительно высокая взаимная раствори­мость фреонов и смазочных масел.

Двуокись углерода характеризуется весьма высокой объем­ной холодопроизводительностью (отнесенной к 1 м3 засасываемых паров холодильного агента), что обеспечивает высокую компактность цилиндра компрессора. Однако двуокись углерода имеет очень низкую критиче­скую температуру и высокое давление конденсации, что ограничивает возможности ее применения как хладоагента.

Существенным недостатком хлористого метила и сер­нистого ангидрида является низкое (ниже атмосферного) давление паров в испарителе. Кроме того, сернистый ангидрид обладает коррозионными и токсическими свойствами.

В производственных условиях холодильная установка'обычно обслу­живает несколько аппаратов, для охлаждения которых используют про­межуточные хлад о. носители. В качестве промежуточных хладоносителей применяют холодильные рассолы =» водные растворы

4. Компрессионные паровые холодильные машины

661

некоторых солей, например хлористого натрия, хлористого кальция или хлористого магния, замерзающие при низких температурах. Холодиль- ные рассолы при помощи насоса циркулируют между испарителем холо- дильной машины, где они охлаждаются, и аппаратами—потребителями холода, где они отдают холод и сами нагреваются. Выбор рассола и его концентрации зависит от требуемой температуры охлаждения, причем

эта температура должна быть выше к р и о - гидратной точки, соответствующей температуре замерзания рассола.

Каскадный цикл. Холодильные циклы, основанные на испарении низкокипящих жидкостей и использующие лишь один хладоагент, позволяют получать температуры 'не ниже —70° С. Этот температурный предел зависит от физических свойств жидкостей, применяемых в качестве холодильных агентов.

При необходимости получать более низкие темпера- туры может оказаться экономичным с точки зрения рас- хода энергии применение каскадного цикла, в котором используют несколько хладоагентов с различ- ными свойствами, причем каждый хладоагент (газ) с бо- лее высокой температурой кипения, испаряясь, отнимает тепло"конденсации у другого хладоагента с более низкой температурой кипения (более трудноконденсирующегося газа). При этом в процессе сжижения второго газа полу- чают значительно более низкие температуры, чем при сжи- жении первого. Таким образом, каскадный цикл, по суще- ству, представляет собой комбинацию нескольких циклов, в которых различные хладоагенты работают в различных интервалах температур.

На рис. XVI1-9 изображена схема каскадного цикла, являющегося сочетанием двух холодильных циклов. Оба цикла объединяются общим теплообменником /, называе- мым испарителем-конденсатором. В нижнем холодиль- ном цикле каскада (компрессор II и конденсатор III) применяется хладоагент с низкой температурой кипения, конденсация которого происходит в испарителе-конден- саторе за счет отнятия тепла кипящим хладоагентом верхнего холодильного цикла (компрессор IV и конден- сатор V).

На каскадных установках с большим числом холо- дильных циклов можно сжижать трудносжижаемые газы.

Например, сжижение азота можно осуществить иа кас- кадной установке, состоящей из холодильных циклов: аммиачного, этиленового, метанового и азотного.

. Газообразный азот сжижается под давлением прибли-

зительно 182-104 н/м2 (18;6 ат), отдавая тепло метану, кипящему при —161я С (при атмо- сферном давлении). Испарившийся метан сжимается до давления около 242-10* н/м1 (24,7 ат) и конденсируется, отдавая тепло этилену, кипящему при —104 СС (при атмо- сферном давлении).

Испарившийся этилен сжимается до давления примерно 186• 104 н/м2 (19 ат) и кон­денсируется, отдавая тепло аммиаку, кипящему при —33 °С (при атмосферном давлении). Испарившийся аммиак сжимается до давления приблизительно 10е н/м2 (10,2 ат) и конден­сируется, отдавая тепло охлаждающей воде.

В каскадной установке для каждого отдельного цикла подобран наиболее подходя­щий в условиях работы данного цикла хладоагент, применение которого наиболее эффек­тивно. Это и обусловливает более низкий расход энергии на сжижение газов в каскадной установке по сравнению с расходом энергии в установках, работающих по другим циклам. Так, при сжижении азота в приведенных выше условиях расход энергии составляет около 0,54 квт-ч/кг жидкого азота, причем испарение всех хладоагентов в этой установке про­исходит при атмосферном давлении, что облегчает эксплуатацию установки. Однако, вследствие громоздкости и сложности оборудования и необходимости применять несколько хладоагентов, каскадные установки не получили распространения в промышленности.

Оборудование компрессионных установок. В состав установок входят компрессоры и теплообменные аппараты различных типов.

Компрессоры. В компрессионных холодильных установках исполь­зуются компрессоры следующих основных типов: поршневые, ротацион­ные, турбокомпрессоры и винтовые (см, главу III), причем особенно рас-

Рис. XV1I-9. Схема каскад­ного цикла, являющегося сочетанием двух холодиль­ных циклов:

/ — испаритель (верхнего цик­ла) — конденсатор (нижнего цикла): // — компрессор ниж­него холодильного цикЛа; /// -ч' испаритель нижнего цикла; IV — компрессор верхнего хо­лодильного цикла; V — кон­денсатор верхнего холодильно­го цикла (охлаждаемый водой); VI — дроссельный вентиль верх­него цикла; VII — дроссельный вентиль нижнего цикла.

662

Гл. XVII. Искусственное охлаждение

пространены поршневые. Для установок большой и средней производи­тельности обычно применяют горизонтальные одноступенчатые компрес­соры двойного действия, в том числе компрессоры наиболее компактных конструкций — оппозитные (см. стр. 163), а также вертикальные много-, цилиндровые бескрейцкопфные компрессоры с У-образным расположением цилиндров (см. рис. 1У-6, в). Современные фреоновые компрессоры малой производительности также являются бескрейцкопфными. Для устранения утечки холодильного агента они выполняются герметичными, с электро­двигателем, встроенным внутрь корпуса.

Для достижения более высоких степеней сжатия наряду с многосту­пенчатыми компрессорами используют также одноступенчатые компрес­соры, объединенные в многоступенчатый агрегат. Так, например, в каче­стве ступени низкого давления применяют специальный поджимающий компрессор (так называемый бустер-компрессор) с увеличенным диаметром цилиндра, а в качестве ступени высокого давления — одноступенчатый компрессор. Двухступенчатые компрессоры получают все большее рас­пространение. Наиболее часто применяются двух- и трехступенчатые тур­бокомпрессоры, которые используются главным образом в установках . большой холодопроизводительности.

Теплообменные аппараты. Применяемые в холодильных установках конденсаторы по способу отвода тепла делятся на: 1) проточные, в кото­рых тепло отводится водой; 2) оросительно-испарительные, в которых тепло отводится водой, испаряющейся в воздух; 3) конденсаторы воздуш­ного охлаждения. Для холодильных установок большой и средней про­изводительности обычно используют проточные конденсаторы, представ­ляющие собой горизонтальные и вертикальные кожухотрубчатые и гори­зонтальные змеевиковые теплообменники (см. главу VIII), в которых змеевики заключены в кожух (кожухозмеевиковые). Реже применяют элементные теплообменники. Конденсаторы воздушного охлаждения используются главным образом в холодильных установках малой холодо­производительности. В качестве испарителей наиболее часто применяют теплообменники погружного типа и кожухотрубчатые (вертикальные и горизонтальные) многоходовые по охлаждаемой жидкости.

  1. Yandex.RTB R-A-252273-3
    Yandex.RTB R-A-252273-4