4.4.3 Реальная двухступенчатая паровая компрессионная холодильная машина

Мощность одноступенчатой холодильной машины позволяет получить температуру в охлаждаемой среде до минус 20 °C при максимальных значениях температуры наружного воздуха 35 °С. Во многих случаях требуется обеспечивать в грузовых помещениях транспортных и складских рефрижераторных модулях более низкие температуры или эксплуатировать их при очень высоких наружных температурах. К тому же одноступенчатая холодильная машина эффективно работает при отношениях давлений конденсации и кипения хладагента р_к/р_о  8.

Для получения температур кипения хладагента ниже минус 30 °С или для отвода тепла в окружающую среду, имеющую очень высокую температуру, необходимо соответственно понизить р_о или повысить р_к, т. е. ещё больше увеличить отношение р_к/р_о. Отмеченное обусловливает применение многоступенчатых машин. Коэффициент  многоступенчатой холодильной машины может достигать более высоких значений за счёт введения охлаждения пара между ступенями, что приводит к снижению его удельного объёма и, следовательно, затрат механической энергии на сжатие.

Двухступенчатое сжатие можно осуществить либо в двух отдельных компрессорах (низкого и высокого давления), либо в одном двухступенчатом компрессоре с цилиндрами низкого и высокого давления. В зависимости от степени охлаждения паров хладагента после первой ступени различают три схемы: с полным (до состояния насыщения) и неполным промежуточным охлаждением, а также без промежуточного охлаждения.

На рисунке 4.18 рассмотрена принципиальная схема работы двухступенчатой холодильной машины с фреоновым хладагентом и полным промежуточным охлаждением. Эта машина получила наибольшее распространение в НХЦ. Она может переключаться в режим одноступенчатого сжатия. Здесь легко выделить две взаимосвязанные (областью промежуточного давления) холодильные машины. В контуре низкого давления 1–2–7–8 пары хладагента из испарителя отсасываются компрессором низкого давления (КНД) и сжимаются до промежуточного давления p_пр. Перегретые пары направляются в промежуточный сосуд (ПС), где конденсируются при прямом контакте (барботаже) с жидким хладагентом, имеющим температуру t_пр. Далее при прохождении терморегулирующего вентиля низкой ступени (ТРВН) давление и температура жидкости снижаются до p_о и t_о, затем в испарителе хладагент кипит, забирая теплоту от охлаждаемого воздуха.

В контуре высокого давления 3–4–5–6 роль испарителя выполняет промежуточный сосуд, где сосредоточено некоторое количество жидкого хладагента, кипящего при давлении p_пр за счёт теплоты перегрева паров в контуре 1–2–7–8. В промежуточном сосуде происходит гравитационная сепарация жидкой и газообразной фаз вещества с образованием уровня. Компрессор высокого давления (КВД) отсасывает пары из верхней части сосуда, сжимает до давления p_к, одновременно разогревая их до высокой температуры t_к, достаточной для самопроизвольного сброса теплоты цикла в окружающую среду.

Сжиженный в конденсаторе высокого давления хладагент далее проходит через терморегулирующий (дросселирующий) вентиль ТРВВ, где его параметры снижаются до значений p_пр, t_пр. Контур 3–4–5–6 замыкается на промежуточном сосуде, входящем также в состав контура 1–2–7–8.

Рисунок 4.18 – Принципиальная схема реальной двухступенчатой паровой компрессионной холодильной машины:

1, 2, 3, 4 – точки, характеризующие термодинамические процессы теоретического цикла Карно в элементах двухступенчатой холодильной машины по р, i –диаграмме; КНД – компрессор низкого давления; КВД – компрессор высокого давления; И – испаритель; ПС – промежуточный сосуд; К – конденсатор; ТРВН – терморегулирующий вентиль низкой ступени; ТРВВ – то же, высокой ступени; ЗВ₁,ЗВ₂, ЗВ₃, ЗВ₄ – запорные вентили для переключения системы в режим одноступенчатого сжатия

Верхнее p_к и нижнее p_о давления определяются, также как и в одноконтурной схеме, требуемыми значениями температур конденсации t_к и кипения t_о. Промежуточное же давление может быть произвольным, но его оптимальное значение находится из условия равенства степеней сжатия в компрессорах низкого и высокого давления, т. е.

.

Для придания гибкости при изменении условий работы в схеме устанавливают систему запорных вентилей. Так при работе с двухступенчатым сжатием вентили ЗВ₁ и ЗВ₄ на обводных линиях закрыты, а остальные открыты. В случае необходимости схема допускает переход на одноступенчатый режим, для чего вентили ЗВ₂ и ЗВ₃ закрывают, а остальные открывают, отключая промежуточный сосуд и компрессор высокого давления.

Рисунок 4.19 – p, i -диаграмма рабочего цикла двухступенчатой паровой компрессионной холодильной машины

Рабочий цикл машины представлен на p, i -диаграмме (рисунок 4.19) следующими термодинамическими процессами:

– изотермический (он же изобарический) процесс кипения паров хладагента в испарителе (8–1');

– изобарический перегрев паров в испарителе (1'–1);

– адиабатическое сжатие паров хладагента в компрессоре низкого давления (1–2);

– изобарическое снятие перегрева паров хладагента в промежуточном сосуде (2–3);

– адиабатическое сжатие насыщенного пара, отсасываемого из промежуточного сосуда компрессором высокого давления (3–4);

– изобарическое охлаждение перегретых паров хладагента в конденсаторе до температуры конденсации (4–4');

– изотермический (он же изобарический) процесс конденсации паров хладагента в конденсаторе (4'–5');

– изобарическое переохлаждение жидкого хладагента в конденсаторе (5'–5);

– изоэнтальпный процесс дросселирования жидкого хладагента в терморегулирующем вентиле высокой ступени (5–6);

– изотермический (он же изобарический) процесс испарения потока хладагента, циркулирующего в контуре высокого давления, за счёт снятия перегрева и конденсации паров контура низкого давления, протекающий в промежуточном сосуде (3–6);

– отделение жидкости от пара в промежуточном сосуде (6–7);

– изоэнтальпный процесс дросселирования жидкого хладагента в терморегулирующем вентиле низкой ступени (7–8).

Тепловой баланс двухступенчатой паровой компрессионной холодильной машины имеет вид:

q_к = q_и + q_кнд + q_квд ,

где q_к – теплота, выделяемая хладагентом в конденсаторе; q_и – то же, потребляемая хладагентом в испарителе; q_кнд – работа компрессора низкого давления; q_квд – то же, высокого давления.

Переход на одноступенчатую схему приводит к следующим изменениям цикла холодильной машины:

– исчезают процессы 3–4 и 2–7;

– процесс сжатия протекает только в компрессоре низкого давления (КНД) по линии 1–10;

– процесс дросселирования жидкости протекает в терморегулирующем вентиле низкой ступени (ТРВН) по линии 5–9.

Из анализа T, s-диаграммы можно было бы наглядно установить величину экономии работы при двухступенчатом сжатии. На диаграмме lg p-i (см. рис. 4.19) виден и другой проигрыш одноступенчатой схемы – в холодопроизводительности (отрезок 1–8 больше, чем 1–9). Существенно снижается, при наличии промежуточного охлаждения, температура паров хладагента как на входе во вторую ступень, так и в конце работы сжатия. Это упрощает проблему смазки трущихся частей компрессора. В схеме с промежуточным давлением заметно возрастает подача хладагента компрессором, что означает пропорциональное увеличение холодопроизводительности.

Число ступеней сжатия в холодильных машинах может быть больше двух. Выбор их числа основывается на технико-экономическом анализе.