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) 1—2. 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 2—3). 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 3—4, 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 4—1. 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 3—4) и двух изотерм (отрезки 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 2—3'). 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 4. Эффект переохлаждения проявляется в увеличении холодопроизво- дительности цикла, соответствующем площади 4—4'—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'—2—3'—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 4—Г: % — *г — Ч . где t4 — энтальпия холодильного агента, соответствующая точке 4. . Холодильный коэффициент действительного холодильного цикла: е = М. = iy ~ г~4 I i2’ — h’ 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 р—I (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 2—3') 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 4—5, конденсация паров в том же аппарате — изо
4. Компрессионные паровые холодильные машины 659 барой (и одновременно изотермой) 5—6 и, наконец, их переохлаждение — изобарой 6—7. Последующий процесс дросселирования в вентиле VII характеризуется нзоэнтальпой 7—8. 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 9—10) н испаряется а испарителе / (изотерма 10—1). 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: высокая критическая температура, обеспечивающая возможность конденсации паров хладоагента в конденсаторе с помощью естественных охлаждающих агентов (вода, воздух); большая теплота испарения для того, чтобы уменьшить расход холодильного агента, необходимый для достижения заданной холодо- производительности; возможно меньший удельный объем паров холодильного агента при давлении и температуре испарения, что обусловливает уменьшение размеров холодильной машины;
660 Гл. XVII. Искусственное охлаждение 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; 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.