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 (>10о), 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 TW1.
Возрастание холодопроизводительности и холодильного коэффициента тем больше, чем больше приведенная теплоемкость насыщенной жидкости на левой пограничной кривой (
) в интервале температур Тк и То. 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 рк до ро.
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 Тк и То хладагента (низкий То – высокий Тк). Определяющей для этого перехода является То. При То<-30оС могут применяться схемы с двухступенчатым сжатием.
Использование одноступенчатых циклов при большой разности Тк - То не выгодно по следующим причинам:
1) снижается эфективность цикла – холодильный коэффициент 
.
2) снижается удельная холодопроизводительность цикла 
и 
и следовательно необходимая объемная производительность VT м3/с и размеры КМ.
3) возрастает отношение давлений 
⇒ снижается коэффициент подачи КМ 
требуется еще большая объемная производительность КМ VT м3/с; уменьшается 
, а значит еще больше уменьшается холодильный коэффициент;
4) возрастает температура в конце сжатия Т2.2, 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 рк и ро 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 То=-60…-70оС. 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; gj = bj = 
.
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.
