Практическое занятие № 3 Построение циклов и определение параметров точек цикла многоступенчатых парокомпрессионных термотрансформаторов

Если степень повышения давления Р_К/Р₀ большая, то применяются многоступенчатые схемы.

Если  = Р_К / Р₀<7-12 – применяют одноступенчатые установки.

Если  = Р_К / Р₀=7-100 – применяют двухступенчатые установки.

Если  = Р_К / Р₀>100 – трехступенчатые.

Применение многоступенчатых поршневых компрессионных установок при больших степенях повышения давления объясняется сле­дующими причинами:

1. При многоступенчатом сжатии умень­шается степень повышения давления в каждой ступени, благодаря чему увеличиваются коэффициент подачи и индикаторный КПД.

2. С увеличением степени повышения давления растет температу­ра сжимаемого агента, а с ней и удельная работа сжатия. При мно­гоступенчатом сжатии легко применить промежуточное охлаждение между ступенями. В промежуточных холодильниках снижается темпе­ратура сжимаемого агента и его удельный объем, благодаря чему сни­жается работа сжатия в следующей ступени.

3. Снижается расход энергии на трансформа­цию тепла в многоступенчатых установках по сравнению с одноступен­чатыми при потребности в холоде или тепле разных параметров (темпе­ратур).

В этих условиях в многоступенчатых установках снижается за­трата энергии на трансформацию тепла, требующего меньшего теплоподъема, т. е. на получение холода с более высокой температурой t_o или на получение тепла при более низкой температуре t_к. В односту­пенчатой установке весь холод должен вырабатываться при мини­мальной температуре t_o или все тепло должно получаться при макси­мальной температуре t_к.

Оптимальное промежуточное давление р_пр.опт между давлением СНД (ступень низкого давления) и давлением всасывания СВД (ступень высокого давления), определяется на основании минимизации энергозатрат или на основании массогабаритного критерия. При ориентировочных расчетах может быть использовано приближенное соотношение:

(3.1)

Наиболее простая схема двухступенчатой парокомпрессионной холодильной машины представляет собой комбинацию двух одноступенчатых компрессоров с промежуточным охлаждением с внешним источником холода, конденсатора, регулирующего вентиля и испарительной системы (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 – Схема и цикл двухступенчатой парокомпрессионной холодильной машины без промежуточного отбора пара: КМ₁, КМ₂ – компрессоры низкого и высокого давления соответственно; ПО – промежуточный охладитель; К – конденсатор; РВ – регулирующий вентиль; И – испаритель.

Расчет параметров цикла и основных величин многоступенчатых термотрансформаторов аналогичен расчету одноступенчатых парокомпрессионных термотрансформаторов.

Холодопроизводительность Q_o:

(3.2)

Где G – расход в кг/с, i – в кДж/кг.

Мощности, потребляемы компрессорами СНД, СВД:

(3.3)

(3.4)

Расчетная тепловая нагрузка конденсатора:

(3.5)

Средний холодильный коэффициент установ­ки при расчетном режиме определяется по фор­муле:

(3.6)

Удельный объем пара в точках 1’ и 3’ соответственно v_1’ и v_3’ определяют по давлениям и температурам в этих точках при известных значениях перегрева пара на входе в СНД и СВД: Δt_нд и Δt_вд.

Объемные расходы пара в СНД и СВД:

(3.7)

(3.8)

Недостатком данного цикла является однократное дросселирование (процесс 5’-7), приводящее к понижению значения удельной холодопроизводительности q_o из-за большого отношения степени повышения давления . Более рациональными представляются циклы с многократным дросселированием в соответствии с количеством ступеней сжатия, позволяющие увеличить q_o.

К такого рода циклам относятся циклы двухступенчатых термотрансформаторов с полным промежуточным охлаждением и двойным дросселированием (рисунок 3.2). Рабочее тело (хладагент) после сжатия в СНД поступает в промежуточный охладитель (промежуточный сосуд ПС), где температура хладагента при давлении р_пр понижается до t_3’, после чего охлажденные пары поступают в СВД, далее в конденсатор, и из конденсатора жидкий хладагент дросселируется в пространство ПС (процесс 5’-8). Выкипающий в ПС хладагент (процесс 8-3) отнимает теплоту от хладагента, поступившего из СНД, и в результате смешения двух потоков пара, образовавшегося в ПС и поступившего из СНД, увеличенная масса пара достигает состояния 3’ и поступает в СВД. Жидкий хладагент, имеющий состояние 6, дросселируется в испарительную систему (процесс 6-7). Хладагент, выкипающий в испарителе (процесс 7-1), отнимает теплоту от источника теплоты.

Удельная холодопроизводительность q_o:

(3.9)

Где i – в кДж/кг.

Холодопроизводительность Q_o:

(3.10)

Где G – массовый расход пара через СНД в кг/с, i – в кДж/кг.

Массовый расход пара через СВД:

(3.11)

Рисунок 3.2 – Схема и цикл двухступенчатой парокомпрессионной холодильной машины с полным промежуточным охлаждением и двойным дросселированием: КМ₁, КМ₂ – компрессоры низкого и высокого давления соответственно; ПС– промежуточный сосуд; К – конденсатор; РВ – регулирующий вентиль; И – испаритель.

Мощности, потребляемы компрессорами СНД, СВД:

(3.12)

(3.13)

Расчетная тепловая нагрузка конденсатора:

(3.14)

Средний холодильный коэффициент установ­ки при расчетном режиме определяется по фор­муле:

(3.15)

Объемные расходы пара в СНД и СВД:

(3.16)

(3.17)

Разновидностью рассмотренного цикла является цикл двухступенчатой холодильной машины со змеевиком в промежуточном сосуде (рисунок. 3.3).

Рисунок 3.3 – Схема и цикл двухступенчатой парокомпрессионной холодильной машины с полным промежуточным охлаждением и двойным дросселированием: КМ₁, КМ₂ – компрессоры низкого и высокого давления соответственно; ПС– промежуточный сосуд; К – конденсатор; РВ – регулирующий вентиль; И – испаритель.

Из сравнения циклов на рис. 3.2 и 3.3 видно, что в цикле с ПС со змеевиком удельная холодопроизводительность меньше. Применение ПС со змеевиком обусловлено тем, что в этом случае обеспечивается повышенное давление жидкости хладагента на входе в распределительно-регулирующую станцию (давление конденсации), облегчается регулирование уровня жидкого хладагента в ПС, так как в него дросселируется только часть всего расхода хладагента (около 20%), необходимая для поддержания кипения хладагента в ПС, уменьшаются объем и габариты промежуточного сосуда. Остальная часть расхода хладагента в количестве G_снд переохлаждается в змеевике ПС и дросселируется в испарительную систему. Массовый расход пара через СВД в соответствии с циклом (рис 3.3) определяется по формуле:

(3.18)

Прочие величины определяют аналогично предыдущему циклу.

В некоторых установках с одноступенчатыми винтовыми маслозаполненными компрессорами применяют цикл термотрансформатора, принципиально повторяющий предыдущий, но с некоторыми конструктивными отличиями (рис. 3.4).

Рисунок 3.4– Схема и цикл двухступенчатой парокомпрессионной холодильной машины с винтовым маслозаполненным компрессором: КМ – винтовой компрессор; К – конденсатор; ПО– промежуточный охладитель с отбором пара; РВ – регулирующий вентиль; И – испаритель.

В этой схеме роль двухступенчатого компрессора играет одноступенчатый винтовой компрессор, часть длины роторов которого работает, как СНД, а другая часть, как СВД. Перегретый пар с состоянием 1’ поступает из испарительной системы в компрессор, где он сжимается до состояния 2, характеризуемого выбранным значением промежуточного давления р_пр. Состояние в точке 2 отличается от состояния в точке 2’в конце адиабатического сжатия в связи с интенсивным отводом теплоты от хладагента масла, заполняющим компрессор. Энтальпия пара в точках 2 и 4 в конце сжатия в компрессоре может быть определена по эмпирической зависимости для Δi, равной

Для СНД:

(3.19)

Для СВД:

(3.20)

(3.21)

_{Где λ =рпр/po –для части компрессора, воспроизводящей процесс в ступени низкого давления, и λ =рк/рпр – для части компрессора, воспроизводящей процесс в ступени высокого давления.}

_{Энтальпия пара в точке 3’ определяется смешением перегретого пара, выходящего из переохладителя с состоянием 3”с перегревом Δtп и перегретого пара с состоянием 2.}

(3.22)

_{Величину ΔG (кг/c) находят по балансу теплоты, отнятой от жидкого хладагента в переохладителе и переданной выкипевшему хладагенту:}

(3.23)

_{Величину Gснд определяют по заданной холодопроизводительности Qo и удельной qo холодопроизводительности. Остальные величины находят аналогично предыдущим циклам.}

На рис. 3.5 показаны прин­ципиальная схема и процесс в Т-s диаграмме двухступенчатой теплонасосной установки с двумя ступенями конденсации.

Тепло Q_o от нижнего тепло­вого источника вводится в уста­новку на температурном уровне Т_о и выводится из установки на двух разных температурных уровнях Т'_к в количестве Q'_к и Т"_н в коли­честве Q"_к.

Рисунок 4.4- Схема двухступенчатой компрес­сионной теплонасосной установки и процесс ее работы в Т-s диаграмме: КМ_I, КМ_II — компрессоры нижней и верхней ступеней; К_I, К_II — конденсаторы нижней и верхней ступеней; PB_I, РВ_II — регулирующие вентили нижней и верхней ступеней; И — испаритель.

Расчет расхода рабочего агента, производительности отдельных элементов и энергетической эффективности двухступенчатой теплонасосной установки производится по следующим формулам.

Расход холодильного агента через конденсатор и компрессор верхней ступени:

(3.24)

Расход холодильного агента:

(3.25)

Расход холодильного агента через конденсатор и компрессор нижней ступени:

(3.26)

Расчетная тепловая нагрузка испарителя:

(3.27)

Объемная производительность компрессора нижней ступени:

(3.28)

Объемная производительность компрессора верхней ступени:

(3.29)

Электрическая мощность компрессора нижней ступени при отсутствии охлаждающей рубашки:

(3.30)

Электрическая мощность компрессора верхней ступени при отсутствии охлаждающей рубашки:

(3.31)

Средний холодильный коэффициент установ­ки при расчетном режиме определяется по фор­муле:

(3.32)

Средний КПД установки при расчетном режиме определяется по формуле:

(3.33)

где э_в — удельный расход электрической энергии на трансформацию тепла в идеальном цикле.

В приведенных выше формулах приняты следующие размерности отдельных величин: G, V — массовый и объемный расход рабочего агента, кг/сек, м³/сек;

i — удельные энтальпии рабочего агента, кДж/кг;

N — электрическая мощность компрессоров, кВт;

Q—тепловая нагрузка аппаратов, кВт.