812

и n > к (1-2```). Процесс нагнетания сжатого газа (2-3) осуществляется изобарно. Процесс (3-4) – условный, соответствует падению давления в цилиндре без вредного пространства при изменении направления движения поршня. Всасывание изображено процессом 4-1.

Из рис. 10.9 следует, что минимальная работа, затраченная на сжатие газа за один цикл будет при изотермическом процессе (наименьшая площадь цикла 4-1-2-3-4). Однако, изотермическое сжатие газа в поршневых компрессорах нереально. Если в процессе сжатия от газа отводить теплоту, допустим через стенки цилиндра, то работа сжатия будет несколько больше, чем при изотермическом процессе, но меньше, чем при адиабатном. Отсюда в реальных компрессора показатель политропы сжатия находится в пределах 1< n < к.

Значение работы цикла получим интегрирование функции V = f(p) для политропного процесса, т.е.

Анализ выражения 10.3 показывает, что при неизменных p1 и V1 потребляемая работа будет тем больше, чем больше значения p2 и n.

10.2.3. Идеальный цикл многоступенчатого компрессора

Как было сказано выше, существует предел степени повышения давления в одной ступени поршневого компрессора. Для получения газа высокого давления применяются многоступенчатые компрессоры, в которых сжатие осуществляется последовательно в нескольких цилиндрах (ступенях) с охлаждением сжимаемого газа после каждой ступени.

Принципиальная схема двухступенчатого компрессора приведена на рис. 10.11, а его идеальный цикл в pV–коор- динатах – на рис.10.12. Здесь процессы сжатия газа по ступеням изображены политропами 1-2 и 3-4. Изобара 2-3 характеризует уменьшение объема газа в процессе охлаждения между ступенями компрессора. Ступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением приближает рабочий процесс

121

компрессора к наиболее экономичному изотермическому процессу.

II ступень

Холодильник

Вся работа, затраченная на привод двухступенчатого компрессора при политропном сжатии газа в каждой ступени, определяется площадью цикла 1-2-3-4-6-0-1. Если процесс сжатия осуществить по политропному процессу в одной ступени до давления p4, то затраченная работа будет больше, чем у двухступенчатого компрессора на величину, эквивалентную площади 2-3-4-4′-2.

Таким образом, многоступенчатое сжатие уменьшает расход энергии на привод компрессора, повышает коэффициент объемной подачи и позволяет получить высокие степени повышения давления.

Можно доказать, что для многоступенчатого компрессора наименьшая затрата работы будет в случае, когда степень повышения давления в каждой ступени одинакова. т.е.

где z – число ступеней компрессора.

При заданном значении число ступеней определяют по выражению:

С учетом соотношения (10.6) работа для многоступенчатого компрессора при сжатии газа массой m кг может быть вычислена по формуле:

При проектировании холодильной системы какого-либо объекта прежде всего проводится тепловой расчет, т.е. выявляются все теплопритоки, которые должны отводиться холодильной машиной. Далее выбирается способ охлаждения объекта, рассчитывается и подбирается необходимое холодильное оборудование (компрессоры, конденсаторы, приборы снижения температуры, испарители).

В паровой компрессорной холодильной машине компрессор выполняет особую функцию: он предназначен не только для сжатия хладагента, но и для повышения его температуры. При подборе компрессора необходимо учитывать назначение холодильной установки, ее холодильную мощность, условия ее эксплуатации, тип применяемого хладагента, экономические факторы и пр. Анализ перечисленных факторов позволяет прежде всего выбрать тип компрессора. Если это поршневой компрессор, то он может быть выполнен

ввиде следующих конструктивных исполнений:

–сальниковый компрессор (рис. 10.13);

–герметичный (бессальниковый) компрессор (рис. 10.14). В первой модели (10.13) вал компрессора для соединения с приводным механизмом выходит за корпус через сальниковое уплотнение. В сальниковом компрессоре в роли привода можно применить любой тип двигателя и придаточного механизма (шкив, муфту, редуктор и пр.). Это позволяет использовать данные компрессоры в холодильных установках различного назначения (холодильных камерах, автомобильных и железнодорожных системах кондиционирования и др.). Сальниковые компрессоры хорошо себя зарекомендовали в холодильных установках, функционирующих на аммиаке.

123

На практике встречаются более сложные схемы, включающие различные комбинации основных.

Врегенеративном теплообменнике (рис. 11.2) одна и та же поверхность, называемая насадкой, омывается поочередно то горячим, то холодным теплоносителем. При соприкосновении с горячим теплоносителем насадка аккумулирует тепло, а затем отдает его холодному теплоносителю. Происходит периодическая регенерация: то охлаждение, то нагревание насадки. Естественно, что чем больше поверхность теплообмена и теплоемкость насадки, тем эффективнее теплообменник.

Всмесительных теплообменных аппаратах (рис.11.3), процесс переноса теплоты осуществляется при перемешивании теплоносителей с разной температурой. Эти аппараты просты и компактны, они применяются там, где не требуется последующее разделение теплоносителей (например, нагрев воды водяным паром). Типичным примером могут служить различного рода градирни ТЭЦ.

I

II

II

Несмотря на разнообразие конструкций и областей применения, во всех теплообменных аппаратах в принципе осуществляется один и тот же процесс: передача тепла от более нагретого теплоносителя к менее нагретому, поэтому основные положения теплового расчета для них являются общими. Рассмотрим последовательность расчета на примере рекуператора.

126

При этом погрешность расчета будет несущественной.

мо вводить среднелогарифмический температурный напор в виде

В теплообменниках с противотоком

Для схем перекрестного тока и других более сложных схем движения теплоносителей средний температурный напор вычисляют с помощью выражения:

t ср = t t ср л,

(рис.11.5) как функция двух вспомогательных величин:

Рис. 11.5

Проверочный расчет выполняется для теплообменника с известной величиной рабочей поверхности. Цель расчета состоит в определении температур теплоносителей на выходе из теплообменника и количества передаваемого тепла.

129

Теплопередача в теплообменном аппарате зависит от многих факторов, в частности, от скорости движения теплоносителей, от формы и размеров поверхности нагрева. Форма поверхности часто определяется назначением аппарата. Что касается скорости, то, казалось бы, увеличивая ее, можно как угодно интенсифицировать теплопередачу и тем сократить размеры теплообменника, но с увеличением скорости растет гидравлическое сопротивление, а отсюда и мощность, требуемая на его преодоление. Поэтому вопрос о компоновке поверхности нагрева, а также об искусственной интенсификации теплопередачи должен решаться с учетом связи между интенсивностью теплообмена и потребной мощностью на подачу теплоносителей.

Следовательно, в задачу расчета входят также выбор оптимальной формы и компоновки поверхностей нагрева и установление наивыгоднейшей скорости движения теплоносителей.

В холодильных установках мощностью до 10 кВт конденсаторы конструктивно выполняются в виде радиаторов, например, рис. 11.6. Здесь площадь теплопередачи (наружная поверхность трубки) включает два участка канала. На участке сразу после компрессора перегретый хладагент охлаждается наружным воздухом в изобарном процессе до температуры конденсации. Для определения коэффициента теплоотдачи используют критериальные уравнения системы газ – жидкость. Величина поверхности трубки от начала конденсации до дросселя вычисляется по критериальным уравнениям фазовых переходов.

Расчет поверхности теплопередачи испарителя сложен,

130