Теоретические циклы с одноступенчатым сжатием хладагента

Лекция 10

Теоретические циклы с одноступенчатым сжатием хладагента.

Цикл с переохлаждением жидкого хладагента после конденсатора.

    ПВ – переохладитель (водяной).

    Цикл Т2   1.1 – 2.2 – 2.3 – 2.6 – 2.7 – 1.4

    Цикл Т1 (базовый)   1.1 – 2.2 – 2.3 – 2.6 – 2.7 – 1.4’

    Данная схема применяется в двух основных случаях: 1) когда кроме источника, охлаждающего конденсатор, например наружный воздух, имеется второй источник с более низкой температурой, напрмер артезианская вода (8…12)^оС, которая позволяет переохладить жидкий хладагент после конденсатора и за счет этого увеличить холодопроизводительность ХМ; 2) система работает как тепловой насос, в конденсаторе нагревается ИВТ для теплоснабжения, нагреваемая среда ИВТ, нагревается на большую разность температур (>10^о), и тогда ИВТ с входной низкой температурой вначале переохлаждает жидкий хладагент ПВ и сам нагревается, а затем нагревается в конденсаторе, отводя теплоту конденсации хладагента.

    Расчет параметров.

Рекомендуемые материалы

 – работа сжатия.

 – холодильный коэффициент.

 – прирост холодопроизводительности.

 - тепло отводимое в конденсаторе.

 - коэффициент преобразования теплового насоса.

    Оценка эффективности цикла.

    Связь со свойствами хладагента:

 – изменение температуры жидкости.

    Цикл с переохлаждением жидкости сторонним источником выгоден всегда. Возрастание холодопроизводительности и холодильного коэффициента тем больше, чем больше . в свою очередь (в общем случае) определяется температурой источника на входе в ПВ T_W1.

    Возрастание холодопроизводительности и холодильного коэффициента тем больше, чем больше приведенная теплоемкость насыщенной жидкости на левой пограничной кривой () в интервале температур Т_к и Т_о. Величина  характеризуется наклоном левой пограничной кривой в координатах .

Цикл с одноступенчатым сжатием и регенерацией тепла (регенеративный цикл).

1.1 – 2.2 – сжатие в КМ;

2.2 – 2.6 – процесс в конденсаторе;

2.6 – 2.7 – переохлаждение жидкого хладагента в РТ за счет отвод тепла к холодному пару, выходящему из испарителя;

2.7 – 1.4 – дросселирование жидкого хладагента от давления р_к до р_о.

1.4 – 1.3 – кипение хладагента в И (испарителе) с отводом тепла от ИНТ;

1.3 – 1.1 – нагрев пара после испарителя за счет отвода тепла от жидкого хладагента в регенеративном теплообменнике.

 – охлаждение жидкости в РТ;

 – нагрев пара в РТ;

 – разность температур на теплом конце РТ;

 – разность температур на холодном конце РТ.

    Из теплового баланса РТ:

    В пределе, если разность температур на теплом конце РТ , то .

    Поэтому вводится понятие – степень регенерации .

    Анализ.

    Так же, как и в прошлом случае.

    Уравнение для  в общем виде не дает однозначного ответа о выгодности этого цикла. Колличественный результат зависит от значений приведенных теплоемкостей  и  для данного хладагента. Неопределенность связана с тем, что в цикле Т2, по сравнению с циклом Т1, растет и холодопроизводительность и работа сжатия.

    Решая неравенства на основе уравнения (1) получаем определить раскрывающий условия выгодности регенеративного цикла для данного рабочего вещества.

 – регенеративный цикл лучше базового;

 – регенеративный цикл не меняется;

 – регенеративный цикл хуже базового.

    На практике схема и цикл с регенеративным теплообменником применяется даже если показатель термодинамического цикла не улучшается. Это связано с тем, что РТ повышает безопасность работы ХМ, т.к. в нем может испаряться капельная жидкость, уносимая из испарителя. Кроме того при более высокой температуре пара на всасывании в компрессор , улучшаются рабочие коэффициенты компрессора – коэффициент подачи и КПД.

Циклы с двухступенчатым (многоступенчатым) сжатием.

    К циклам с двухступенчатым (многоступенчатым) сжатием прибегают при высоких разностях температур Т_к и Т_о хладагента (низкий Т_о – высокий Т_к). Определяющей для этого перехода является Т_о. При Т_о<-30^оС могут применяться схемы с двухступенчатым сжатием.

    Использование одноступенчатых циклов при большой разности Т_к - Т_о не выгодно по следующим причинам:

    1) снижается эфективность цикла – холодильный коэффициент .

    2) снижается удельная холодопроизводительность цикла  и  и следовательно необходимая объемная производительность V_T м³/с и размеры КМ.

    3) возрастает отношение давлений  ⇒ снижается коэффициент подачи КМ  требуется еще большая объемная производительность КМ V_T м³/с; уменьшается , а значит еще больше уменьшается холодильный коэффициент;

    4) возрастает температура в конце сжатия Т_2.2, которая может оказаться недопустимой для безопасной работы КМ;

    5) увеличивается разность давлений , которая может оказаться недопустимой по нагрузке на механизм движения КМ.

    Применение в этих условиях условиях цикла с двухступенчатым сжатием дает следующие преимущества:

    1) наличие в цикле промежуточных давлений между давлениями р_к и р_о позволяет осуществить процессы промежуточного охлаждения жидкого хладагента и сжимаемого пара между ступенями сжатия и тем сократить необратимые потери цикла (см. анализ потерь базового цикла, раздел термодинамические основы). В результате возрастает холодопроизводительность  и холодильный коэффициент .

    2) при последовательном сжатии пара хладагента в двух или более ступенях сжатия на каждую ступень приходится меньшая разность давлений и меньшее отношение давлений . Возрастают рабочие коэффициенты ступени КМ, а именно:  и  - становятся нормальными условиями нагрузки механизма движения ступеней КМ.

    Циклы с двухступенчатым сжатием применяют до температуры кипения Т_о=-60…-70^оС. При более низких температурах используют каскадные циклы.

     В ХМ с центробежными КМ используют циклы с многоступенчатым сжатием при более высоких температурах кипения, т.к. отношение давлений  достигаемое в одной центробежной ступени ограниченно.

Тепловой баланс регенеративного теплообмена.

Циклы и схемы ХМ при двухступенчатом (многоступенчатом) сжатии.

    На рис.4.2.3. привидена схема ХМ с трехступенчатым сжатием ХА с основными теплообменными аппаратами: испарителями И и конденсаторами К и всеми возможными вспомогательными аппаратами, которые могут быть включены в схему.

   Термодинамический цикл 4.2.3(б) отражает все процессы происходящие в компрессорах, основных и вспомогательных аппаратах.

    Аппараты и процессы в них:

    1) Испаритель И:

    Кипение ХА с отбором тепла от источника низкой температуры ИНТ.

    2) Конденсатор К:

    Конденсация ХА с отдачей тепла источнику высокой температуры ИВТ или ОС.

    3) Переохладитель ПВ:

    Переохлаждение жидкого ХА после конденсатора сторонними источниками.

    4) Регенеративный теплообменник  РТ:

    Теплообменник между жидкими ХА после конденсатора (теплым) и парообразным ХА после испарителя (холодным).

    5) Разделитель потоков РП:

    Разделение жидкой и парообразной фаз ХА после дросселирования с более высокого уровня давления.

    6) Переохладитель жидкости ПО:

    Процесс переохлаждения основного потока ХА за счет выкипания части жидкого ХА в переохладителе.

    7) Промежуточный сосуд ПС:

    Охлаждение сжимаемого пара кипящим жидким ХА.

    8) совмещенный аппарат ПО+ПС:

    Совмещает процессы.

    9) Промежуточный холодильник ПХ:

    Охлаждение сжимаемого пара между ступенями сжатия сторонним источником (например, водой).

    Для системного изложения материала по термодинамическим циклам любой сложности и для возможности програмирования расчетов параметров термодинамических циклов требуется унифицировать обозначение точек в цикле и на схемах и унифицированное уравнение для расчетов параметров циклов.

Уравнение для расчетов параметров любых термодинамических циклов.

    В общем случае при многоступенчатом сжатии массовый расход ХА по ступеням сжатия различен.

    Если через первую ступень проходит G₁ кг/с, то через вторую G₂ или третью G₃ массовый расход может быть больше. Дело в том, что из аппаратов РП, ПО и ПС поступает дополнительное количество парообразного ХА на сжатие РП, ПО, ПС в соответствующую ступень при данном давлении.

    Расчет массовых расходов по ступеням.

    Для цикла с двухступенчатым сжатием: n=3; j=2; g_j = b_j = .

Расчет параметров цикла при условии, что холод производится только на первом уровне давления.

    Представленные уравнения корректируются дополнительным коэффициентом, например учитывающая поступление пара из испарителей на промежуточное давление (.

    Для таких систем эфективность цикла с помощью  оценена быть не можети определяется эксергетическим КПД (см. термодинамические основы).

Цикл с двухступенчатым сжатием, с двухступенчатым дросселированием жидкого ХА и отбором пара из РП при промежуточном давлении (цикл с неполным промежуточным охлаждением).

    Цикл Т1 – 1.1-3.2’-3.6-1.4’ – базовый.

    Поток разделяется на жидкую фазу в состоянии 2.6 и на паровую фазу 2.3, которая отсасывается в паровую ступень.

    2.6-1.4 – дросселирование жидкости до давления р₁.

    1.4-1.3 – кипение жидкого ХА в испарителе с отбором тепла от ИНТ.

Оценка эффективности этого цикла.

    Составляем эффективность данного цикла Т2 с циклом Т1.

    В результате смешения потоков  - абсолюьное температурное изменение незначительно.

    Максимальная эффективность этого цикла достигается тогда, когда

 

 

    Цикл с неполным промежуточным охлаждением энергетически выгоден всегда и это связано с тем, что часть пара, образующегося при дросселировании и не производящая холод, ожижается только во второй ступени в отличии от цикла Т1. Основная область применения этого цикла – это ХМ водоохлаждающие (чилеры) для центральных систем кондиционирования воздуха.

Обратите внимание на лекцию "1 Общие сведения о тепловом оборудовании".

Цикл с двухступенчатым сжатием и с ступенчатым дросселированием, аналогичные предидущему циклу но с использованием аппарата ПО.

Цикл с экономайзером.

   

    Основной поток жидкости охлаждается несколько выше чем температура насыщения т.2.6, т.к. требуется температурный напор для отвода тепла в кипящей жидкости внутри аппарата, поэтому т.2.5 смещена в отношении т2.6.

    Данный псевдо двухступенчатый цикл широко применяется в связи с тем, что винтовые и спиральные КМ по своей конструкции допускают подсос пара в полость сжатия при промежуточном давлении.