Разработка и анализ эффективности холодильных машин на диоксиде углерода, работающих на уровне температур от -80 до -120 °С, страница 4

Небольшогопонижения эффективного диапазона температур применения можно добитьсяпереохлаждениемжидкостипереддроссельнымвентилем,перегревомвсасываемого пара, установкой рекуперативного теплообменника. Влияниеконкретных мер на оптимизируемый цикл необходимо проверять расчетнымпутем. Так, например, при введении в схему рекуперативного теплообменникаего влияние необходимо проверять по холодильному коэффициенту.0 =(1.1)где 0 - удельная холодопроизводительность цикла, -удельная работакомпрессора22Сувеличениемпереохлажденияхолодопроизводительностьвсегдажидкогорастет,хладагентапосколькуудельнаяпереохлаждениеосуществляется за счет перегрева всасываемых в компрессор паров.

Решающеезначение будет иметь изменение работы сжатия, которое и определитэффективность использования рекуперативного теплообменника.Наиболее важный фактор, не позволяющий создавать эффективныеодноступенчатые низкотемпературные машины, это влияние степени сжатия вкомпрессоре на его энергетические характеристики. Так, с учетом мертвогообъема 4-5%, при отношении давлений pk/p0 равному 20-25 коэффициент подачистановится равным нулю. [17]КПД поршневого компрессора в зависимости от отношениядавлений πηм, ηi, ηe, ηЭ – механический, индикаторный, эффективный,электрический КПД компрессора [18]Для получения более низких температур прибегают к усложненнымдвухступенчатым, а также каскадным схемам.Экономическиобоснованныйнижнийуровеньтемпературдлядвухступенчатой схемы составляет 210 К.

Для получения температур до 195 Кпреимущественно используют трехступенчатые схемы.С понижением температуры кипения, степень отношения давлений0растет. При температуре кипения ниже 195 К многоступенчатые машины23становятся менее выгодны, в таком случае прибегают к каскадным холодильныммашинам.Каскаднаяхолодильнаямашинапредставляетсобойнескольконезависимых холодильных контуров, работающих на разных рабочих веществах.В Таблице 1, приводятся обоснованные целесообразностью рекомендации дляприменения многоступенчатых и каскадных холодильных систем в зависимостиот температурного уровня.Температурные диапазоны применения многоступенчатых и каскадныххолодильных машин.

[19]ТипВозможная областьпарокомпрессионной примененияхолодильной0 , °C0 , °CмашиныДвухступенчатая нане-60R-22ограниченоТрехступенчатая-80н.д.Двухкаскадная:-95-40R-13 и R-22Трехкаскадная:-110-80R-13; R-13 и R-22Трехкаскадная:-140-100R-14; R-13 и R-22Каскадная с нижнимн.д.н.д.каскадом на смесиОбласть выгодногоприменения0 , °C0 , °C-45-25-60н.д.-85-40-100-80-135-100-152н.д.Как видно из Таблицы 1, экономически целесообразной для получениятемператур на уровне - 120 oC парокомпрессионная холодильная машинастановится только в трехкаскадном исполнении или же в двухкаскаскадном.Поскольку холодильный коэффициент прямым образом влияет на затраты приэксплуатациихолодильнойустановки,можнопровестианалогиюпредставленных в Таблице 1 данных и экспериментальных данных источника[45], при этом они подтверждают друг друга.24Еще в 1959 году на 10 конгрессе Международного института холода вДании впервые А.П. Клименко осветил аспекты эффективного цикла дляожижения природного газа.

Предложенный однопоточный каскадный цикл намногокомпонентной смеси оказался эффективнее каскадного и получил широкоераспространение в отрасли СПГ. По данному принципу строятся современные«автокаскадные» парокомпрессионные установки для получения низкихтемператур вплоть до -195 oC (температура ожижения воздуха). Интерес кданным системам остается высоким, что подтверждается многочисленнымипубликациями. Продолжается поиск соотношений новых хладагентов, в томчисле и природных, показывающих наилучшие холодильные коэффициенты[46], [47], [48], [49]. Однопоточный цикл отличается наличием одногозамкнутого контура с одним компрессором и специально подбираемой сугубозеотропной смеси хладагентов.

Теоретические и экспериментальные работыпоказали, что при соответствующем подборе компонентов смеси для каждогоуровня температур можно отказаться от сепарации и проводить совместно водном потоке не только сжатие, но и расширение. [20] В качестве недостатковтакой системы можно отметить необходимость принятия дополнительных мерпо обеспечению циркуляции масла, сложный гидравлический контур смножеством вспомогательных аппаратов, длительность выхода на режим. [50]НаРисунке1.10.представленапринципиальнаясхемаоднопоточнойхолодильной установки, по циклу Клименко с сепарацией фаз, работающей натрехкомпонентной смеси холодильных агентов.25Принципиальная схема установки, реализующей однопоточныйтрехкаскадный цикл1-компрессор; 2-конденсатор верхней ступени; 3-отделитель жидкостивысококипящего компонента смеси; 4-дроссельный вентиль верхней ступени;5-конденсатор-испаритель между верхней и средней ступенью; 6-регулятордавления кипения верхней ступени; 7- отделитель жидкости средне кипящегокомпонента смеси; 8-дроссельный вентиль средней ступени; 9- конденсаториспаритель между средней и нижней ступенью; 10- регулятор давлениякипения средней ступени; 11- дроссельный вентиль низкой ступени; 12испаритель низкой ступениПриведенная схема имеет большое количество аппаратов, при этомколичество отделителей жидкости, как и конденсаторов-испарителей будетравняться к -1, где к - количество ступеней системы.

Как уже отмечалось ранее,при соответствующем подборе компонентов смеси возможно отказаться ототделителей жидкости и проводить процесс расширения в одном потоке, схема26превращаетсявпростейшуюодноступенчатуюсрекуперативнымтеплообменником, при этом конденсация более низкокипящих рабочих веществпроисходит за счет холода обратного потока.Схема холодильной установки на смесовом рабочем веществе срекуперативным теплообменником1-компрессор; 2-конденсатор; 3-рекуперативный теплообменник; 4дроссельный вентиль; 5 - испарительДля данного типа систем характерна большая степень сжатия, чтоограничивает их масштабирование.

Но такая схема при небольшой потребнойхолодопроизводительности, позволяет получать низкие температуры насерийном оборудовании, что определяет ее преимущества.1.2.2 Воздушные холодильные машиныНа Рисунке 1.12 приведена схема воздушной холодильной машины,работающей по открытому циклу с рекуперацией. Данные типы машинуникальны широким диапазоном температур, а так же многообразием областейприменения,чтоподтверждаетсямногочисленнымиавторскими свидетельствами [21], [22], [23], [24], [25].публикациямии27Принципиальная схема и цикл воздушной холодильнойустановки, работающей по открытому циклу с рекуперацией1-воздушный компрессор; 2-воздушный теплообменник-охладитель; 3рекуперативный теплообменник; 4-детандер; 5-теплообменникподводящий тепло от потребителя; 6-тормозная газодувкаВ данном типе машин в качестве рабочего вещества используется воздух,причем термодинамический цикл совершается в закритической области, безфазового перехода.

Эффект охлаждения в таких машинах достигаетсявследствие расширения газа в расширительной машине – детандере с отдачей28внешнейполезнойработы.Наиболееперспективноприменениедлядетандирования машин кинетического принципа действия -турбодетандеров.1.2.3 Регенеративные газовые холодильные машиныВ газовых регенеративных холодильных машинах, работающих пообратномуциклуСтирлингаобеспечиваетсявозвратно-поступательноедвижение рабочего вещества.

При этом по ходу прохождения через регенератор,температура рабочего вещества меняется от Тивт до Тинт.Принципиальная схема и цикл газовой регенеративнойхолодильной машины Стирлинга1-компрессор; 2-теплоомбенник-охладитель; 3-регенератор; 4-детандер;5-теплоомбенник нагрузкиУсловно можно считать, что цикл газовой регенеративной машиныСтирлинга состоит из двух изохор и двух изотерм. Потери в цикле ввиду его29полной обратимости отсутствуют, поэтому на эффективность влияют толькотехнические потери, уменьшающиеся с совершенствованием машин.1.2.4 Сублимационное охлаждение с помощью диоксида углеродаВ настоящее время диоксид углерода широко используется для системкоммерческого и промышленного охлаждения, работающих до температуртройной точки CO2 (-56,6 °C, 0,52 МПа).

При этом используются какдокритические (каскадные схемы), так и транскритические схемы, гдеобеспечивается высокое давление конденсации до 12 МПа.При атмосферном давлении температура сублимации диоксида углеродасоставляет -78,5 °C. Известно, что при понижении давления возможно получениенизких температур сублимации. Так при 9918 Па температура сублимациисоставит -103,15 °C (170 К), а при 183 Па уже -133,15 °C (140 К)Изображение в T(S) координатах диаграммы диоксида углеродаПри этом теплота сублимации выше теплоты парообразования и растет спонижением температуры.30График зависимости скрытой теплоты сублимации оттемпературы для диоксида углеродаВывод по первой главеИмеется большой спектр задач, нуждающийся в низкотемпературномохлаждении на уровнях температур от -80 ⁰C до -120 ⁰C.