Logo holodilshchik
интернет-выпуск № 7, июль, 2005 г.
ПЕРВАЯ В РОССИИ ИНТЕРНЕТ-ГАЗЕТА ПО ХОЛОДИЛЬНОЙ И БЛИЗКОЙ ЕЙ ТЕМАТИКЕ
Свидетельство о регистрации СМИ Эл № ФС 77-20452 от 22 марта 2005 года

Грамотно преподнести себя через рекламу - тоже искусство!
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ УСТАНОВКИ
ЦИКЛЫ КАСКАДНЫХ МАШИН

    

Для получения низких температур (до -90 °С) чаще всего применяют парокомпрессионные машины – одноступенчатые и многоступенчатые (работающие на одном хладагенте) и каскадные (на двух и более агентах).

В связи с последними решениями о сохранении озонового слоя земли, область «низкого холода» испытывает определенные трудности, связанные с использованием фреонов, содержащих хлор, в частности, R13, в установках, срок службы которых, правда, уже давно закончился, но они "почему то еще продолжают работать"...

В данном файле представляем циклы каскадных машин. Именно с каскадными машинами возникают проблемы при ремонте и работах, связанных с заменой хладагента. И, зачастую, непонятно, что делать, чтобы машину вывести на режим.

Надеемся, что данная информация будет полезной специалистам, которым по роду своей деятельности придется заниматься каскадными машинами.

Один из методов снижения требуемого описанного объема низкотемпературного компрессора - применение агентов с более высокими давлениями насыщенных паров. К агентам высокого давления относятся фреон-13, фреон-14, фреон-503, этан и др. Однако при температурах конденсации, достигаемых при охлаждении водой, давления у этих агентов чрезмерно высоки, либо вообще при таких температурах их сконденсировать невозможно из-за низких критических температур. Поэтому применяют каскадные машины, работающие на двух (или нескольких) холодильных агентах.

Простейшая каскадная машина (рис. 1) состоит из двух одноступенчатых машин, называемых верхней и нижней ветвью каскада (верхним и нижним каскадом)1. Нижняя ветвь каскада отнимает тепло у потребителя холода и работает на агенте высокого давления, а верхняя, работающая на агенте, применяемом для умеренных температур, охлаждает конденсатор нижней ветви.

Рис.1

Рис.1. Простейшая каскадная машина: а - принципиальная схема;
б - циклы для двух холодильных агентов в диаграммах S - Т,
наложенных одна на другую

1 На рис. 1 и в дальнейшем индексами "в" и "н" обозначены величины, относящиеся соответственно к верхней и нижней ветвям каскада. Величины, относящиеся к каскадной машине в целом, обозначены без дополнительных индексов, например to.

Испаритель верхнего каскада и конденсатор нижнего обычно объединяют в один аппарат - конденсатор-испаритель К∂И.

Особенность каскадных машин - возможность значительного повышения давления в системе нижнего каскада, когда машина не работает, и температура всех ее частей выравнивается с окружающей (при 25 °С давление насыщенных паров фреона-13 составляет 3,62 МПа абс.).

Для предотвращения от чрезмерного повышения давления в системе нижнего каскада применяют следующие методы.
1. Поддержание в конденсаторе нижней ветви низкого давления за счет непрекращающейся цикличной работы верхней ветви каскада. Этот метод требует повышенной надежности верхней ветви и связан с перерасходом электроэнергии, когда потребителю не требуется холод.
2. Установка дополнительного сосуда повышенной прочности, в который во время стоянки машины перепускают весь жидкий агент высокого давления. Но это требует очень надежной запорной арматуры, отключающей этот сосуд, и связано с усложнением схемы, которая должна обеспечить полную эвакуацию жидкости из всех остальных участков системы.
3. Подключение к системе сосуда, называемого расширительной емкостью, рассчитанного так, чтобы при остановке машины весь агент высокого давления превратился в пар, давление которого при этом не превысило бы расчетного давления всей остальной аппаратуры. Громоздкость расширительной емкости окупается полностью гарантированной защитой от высокого давления. Расширительные емкости больших размеров часто располагают вне помещения.


Если бы в обеих ветвях каскада циркулировал один и тот же агент, а температурный перепад в конденсаторе-испарителе ΔtКдИ=tкн-tов (см. рис. 1) был равен нулю (это возможно только при бесконечно большой теплопередающей поверхности конденсатора-испарителя), то такая каскадная машина была бы термодинамически эквивалентна двухступенчатой. При разных агентах и ΔtКдИ=0 холодильные коэффициенты теоретических циклов каскадной и многоступенчатой машины близки друг другу (если одинаковы tk и t0). При наличии же конечного перепада температур в конденсаторе-испарителе (который обычно лежит в пределах 5-10 °С) теоретический холодильный коэффициент каскадной машины всегда меньше, чем у двухступенчатой. В действительном же цикле каскадная машина чаще всего выгоднее двух- и трехступенчатой. Это обусловлено следующими преимуществами работы с агентами высокого давления:
- из-за малых удельных объемов всасываемого пара требуемый теоретический объем компрессора мал;
- высокие значения абсолютных давлений всасывания;
- отношения давлений для данных диапазонов температур у агентов высокого давления значительно меньше. Например, отношения давлений (в МПа) при температурах -40 и -80 °С составляют:

у фреона-22 -

у фреона-13 -

Из-за больших абсолютных значений давления и малых их отношений объемные и энергетические коэффициенты компрессора повышаются. Это приводит к дальнейшему уменьшению описанного объема компрессора, снижению энергетических затрат и повышению экономичности установки.

На рис. 2 представлены сравнительные результаты расчетов двухступенчатой машины на фреоне-22 (ФДС) и каскадной на фреонах-13 и 22 (ФКМ) при t0= -70÷-35 °С.

При расчетах принято: tK = 30 °С; каскадный цикл - по рис. 1, двухступенчатый - по рис. 3; ΔtКдИ=5 °С; в каскадном цикле при t0 =-70÷-55 ° отношения давлений в ступенях принимались одинаковыми, а при t0=-55 °С и выше tкн=-15 °=const; остальные предпосылки - как при сравнении одноступенчатого и двухступенчатого циклов.

Как видно, εт у двухступенчатой машины выше, а εд у каскадной и двухступенчатой близки друг к другу (при t0<-50° εд выше у каскадной машины); объем компрессоров у каскадной машины значительно меньше. Поскольку объем компрессоров оказывает существенное влияние па экономичность, каскадная машина становится более выгодной при температурах -40°С и ниже. При t0>-40°С у каскадной машины заметно сказывается снижение холодильного коэффициента, а уменьшение объема компрессоров становится не столь значительным. Это объясняется малыми отношениями давлений в нижней ветви каскада, так как нельзя повышать tкн выше -15÷-10 °С из-за высокого давления фреона-13. Кроме того, при t0>-40°С работа машины на фреоне-22 становится достаточно эффективной из-за отсутствия вакуума на всасывании.

Рис.2

Рис.2. Сравнение показателей двухступенчатого цикла на Ф-22 (ФДС) и
каскадного - 1 ступень на Ф-22 и 1 ступень на Ф-13 (ФКМ):
а - холодильные коэффициенты в теоретическом и действительном цикле;
б - объемы, описанные поршнями компрессора на 1000 кДж холода (в дейстительном цикле)



Рис.3

Рис.3. Двухступенчатое сжатие с двухступенчатым дросселированием:
а - схема; б - цикл в диаграмме i-p

Следовательно, температура t0= -40 °С является верхним пределом возможного применения каскадных машин с фреоном-13. Таким образом, агенты высокого давления более эффективны и применять их целесообразно всегда, когда давления конденсации нижней ветви не превышают допустимой величины для данной конструкции компрессора.

Из указанных особенностей агентов высокого давления следует:
- каскадная машина, состоящая из двух одноступенчатых ветвей, выгоднее низкотемпературной двухступенчатой, работающей с вакуумом на всасывании;
- каскадная машина с двухступенчатой нижней и одноступенчатой верхней ветвями выгоднее машины с одноступенчатой нижней и двухступенчатой верхней ветвями;
- еще выгоднее трехкаскадная машина (работающая на трех агентах) с тремя одноступенчатыми ветвями.

Во всех этих случаях при использовании агентов высокого давления можно получить более низкие температуры. Например, для двухступенчатой машины на фреоне-22 предельной температурой считается -80°С (для tk=+25 °С). При этом произведение отношений давлений в ступенях

Для каскадной машины на фреонах-13 и 22 при таком же значении произведения отношений

достигается температура t0= -88 °С (ΔtКдИ=5 °С)

Области возможного и целесообразного применения различных холодильных машин с фреонами-22, 13 и 14 см. в таблице.

Каскадные машины начали серийно выпускать сравнительно недавно и то лишь на нижней границе применимости двухступенчатого сжатия. Объясняется это тем, что сравнительные анализы проводились лишь для теоретических циклов.

Тип машины

Возможная область применения

Область выгодного применения

t0 min

t0 max

t0 min

t0 max

Двухступенчатая на Ф-22

-80

Не ограничена

-45

-25

Каскадные:

1 ступень Ф-13 и 1 ступень Ф-22

-95

-40

-85

-40

2 ступени Ф-13 и 1 ступень Ф-22

-110

-80

-100

-80

1 ступени Ф-14,  1 ступень Ф-13, 1 ступень Ф-22

-140

-100

-135

-100

Реальные схемы каскадных машин обладают некоторыми особенностями. На рис. 4 показана схема цикла фреоновой каскадной машины ФКМ 25-90, предназначенной для работы при температурах t0=-90÷-70 °С. Верхняя ветвь представляет фреоновую одноступенчатую машину с регенеративным теплообменником TOв (см. рис. 5).

Рис.4

Рис.4. Каскадная машина на Ф-13 и Ф-22: а - схема; б и в - циклы Ф-13 и Ф-22 в диаграммах i-lg p.

Рис.5

Рис.5. Цикл одноступенчатой машины с регенеративным теплообменником:
а - принципиальная схема; б - цикл в диаграмме i-lg p.

В нижней ветви (см. рис. 4) фреон-13, выходящий из испарителя, перегревается не в одном, а в двух теплообменниках: газо-жидкостном ТOн1 и паровом ТOн2.

Теплообменник ТОн1 работает так же, как в верхнем каскаде, но из-за низкой температуры конденсации tкн пар в нем перегревается лишь до -50÷-30 °С. Дальнейший перегрев пара (до -15÷0 °С) обеспечивается в теплообменнике ТОн2 применяемом лишь в каскадных машинах.

Уменьшение массовой производительности компрессора, связанное с увеличением удельного объема пара из-за перегрева в ТОн2, частично компенсируется увеличением холодопроизводительности 1 кг агента благодаря снижению нагрузки на конденсатор-испаритель К∂И, что снижает tов и tкн. Однако такое снижение нагрузки достигается только в том случае, если пар высокого давления после компрессора нижней ветви Кмн охладить водой (или воздухом) в промежуточном холодильнике ПХ2.

2 Охлаждение водой обычно осуществляется в маслоотделителе

При отсутствии ПХ нагрузка па конденсатор-испаритель возрастет в результате увеличения работы сжатия при засасывании более перегретого пара. Следовательно, при наличии теплообменника ТОн2 вместе с промежуточным холодильником холодопроизводительность в теоретическом цикле несколько снижается. При большом перегреве после теплообменника ТОн1 конденсация пара в цилиндре компрессора невозможна. Следовательно, дальнейшее увеличение перегрева в TОн2, очевидно, не сможет существенно повысить коэффициент подачи компрессора. Таким образом, единственная роль теплообменника ТОн2 - создание нормальных температурных условий работы компрессора.

Иногда применяют схему без парожидкостного теплообменника ТОн1, получая перегрев всасываемого пара до той же температуры (примерно до 0 °С) в теплообменнике ТОн2. Отсутствие теплообменника ТOн1 мотивируют тем, что при пуске машины жидкость в теплообменнике ТОн1 выкипает от соприкосновения с теплым еще паром, поступающим из испарителя, вследствие чего период пуска увеличивается. Однако с таким доводом нельзя согласиться, так как отсос пара компрессором из испарителя продолжается всего несколько секунд.

С другой стороны, при отсутствии теплообменника ТОн1 ниже Q0 так как холод, которым располагает пар, поступающий из испарителя, не полностью используется для увеличения q0 на величину равную i-i, а лишь для снижения нагрузки на К∂И, благодаря чему q0 увеличивается лишь частично (за счет снижения tов и tкн). Кроме того, отсутствие переохлаждения жидкости перед РВн ухудшает его работу.

Следовательно, исключать из схемы нижнего каскада парожидкостный теплообменник ТОн1 нецелесообразно.

Иногда в схемах каскадных машин применяют смешанные теплообменники, в которых пары фреона-13 перегреваются жидким фреоиом-22. Термодинамических выгод по сравнению с теплообменниками, работающими на одном агенте, это не дает и усложняет установку.

К недостаткам каскадных машин (по сравнению с двухступенчатыми) относятся:
- более сложная схема цикла, включающего дополнительные теплообменные аппараты и расширительную емкость;
- в каскадных машинах компрессор верхней ветви не соединен с испарителем. Поэтому каскадная машина не может охлаждать испаритель только верхней ступенью. Если требуется холод при различных температурах, то установку приходится снабжать дополнительным испарителем, соединенным с компрессором верхнего каскада, либо предусматривать самостоятельную одноступенчатую машину. При отсутствии таких устройств работа установки при повышенных температурах будет неэкономичной (например, при температуре в камере 0 °С придется поддерживать t0=-70 °С).

Указанные недостатки усугубляются при увеличении числа каскадов.

Рассмотрим методику расчета и построения характеристик каскадной машины (см. рис. 4).

Перед началом расчета задаются следующими величинами:

1/.t = -15 ° ÷ 0 °, исходя из условия получения надлежащего перегрева на всасывании в компрессор фреона-13;

2/. t=+25 ° ÷ +35 °, из условия возможности охлаждения водой в холодильнике ПХ;

3/. t = tкн-10 °, из условия недорекуперации в теплообменнике TОн1 в 10 °;

4/. t= 0 ° (перегрев на всасывании в компрессор фреона-22).

Основные расчетные величины определяют следующим образом:

- холодопроизводительность машины

Q0н·q0, Вт, (1)


где Мн - количество фреона-13, циркулирующего в системе, кг/с,

- холодопроизводительность 1 кг фреона-13

q0=i- i, Дж/кг, (2)

где i - определяется из баланса теплообменника ТОн1;

i = i- (i- i), Дж/кг. (3)



Подставив в формулу (2) i получим

q0= i- i, Дж/кг. (4)

Основной баланс, связывающий работу нижней и верхней ветвей каскада без учета потерь холода в окружающую среду

Qов= Qкн (5)

Qкнн·qкн= Мн· (i- i), Вт (6)

и

Qовв·qов, ВТ, (7)

холодопроизводительность 1 кг фреона-22

qов=i- i= i- i, Дж/кг, (8)

Энтальпия в точке 4н определяется из баланса теплообменника ТОн2

i = i- (i- i). (9)

Отношение количества фреона-22, циркулирующего в верхней ветви, к количеству фреопа-13, циркулирующего в нижней, определяется из теплового баланса конденсатора-испарителя (5)

(10)

В связи с тем, что удельная теплота парообразования у фреона-22 больше, чем у фреона-13, значение μ<1.

Адиабатическая мощность:

в нижней ветви

Nаднн·Δiаднн·(i-i), Вт; (11)

верхней ветви

Nадвв·Δiадвв·(i-i), Вт. (12)

Холодильный коэффициент теоретического цикла

(13)

Для расчета по формулам (1÷13) необходимо знать промежуточные давления pов и pкн. Определение этих давлений сложнее, чем определение рпр в двухступенчатых машинах, из-за наличия перепада температур в конденсаторе-испарителе ΔtКди = tкн - tов который зависит от тепловой нагрузки QКдИ и tов.

Рассмотрим два варианта определения pов и pкн (при заданных t0 и tк):
- конструкция К∂И неизвестна (в предварительных расчетах);
- конструкция К∂И задана. В обоих вариантах считаем известными объемы компрессоров VKмн и VКмв, их рабочие коэффициенты и схему цикла.

I. Конструкция К∂И неизвестна. При этом перепад температур в конденсаторе-испарителе ΔtКдИ принимают таким, чтобы при наивысшей t0 (в требуемом диапазоне работы) он не превышал 10 °С, а при наинизшей t0 не превышал 5 °С. Обычно если диапазон t0 менее 10°, то лимитирующим является 2-е требование; при более широком диапазоне t0 лимитирующим оказывается 1-е требование (ΔtКдИ 10 °). Таким образом, задавшись, например, ΔtКдИ = 10 ° (при t0max), что определяет поверхность К∂И, находят затем ΔtКдИ во всем диапазоне t0.

С повышением t0 возрастают нагрузки QКдИ и температуры tкн и tов. При этом перепад

(14)

увеличивается, но не пропорционально возрастанию QКдИ (из-за повышения k). Для предварительных расчетов, исходя из условия, что с понижением t0 на 10 ° С QКдИ уменьшается примерно в 2 раза, а также с учетом снижения k, ориентировочно можно принять:

а) при большом диапазоне t0, задавшись (10 °С) при t0max

; (15)


б) при малом диапазоне t0, приняв (5 °С) при t0min

. (16)

Зная ΔtКдИ, на ось абсцисс (рис. 6) наносим две шкалы:

t0 и tкн=tов+ΔtКдИ.

Задаваясь различными tов, строим характеристику верхней ветви Qов = f (tов) при tк=const (30 °С) по формуле (7), в которой

, кг/с (17)


Рис.6

Рис.6. Построение характеристики каскадной машины в проектном расчете:
а - определение рабочих точек; б - характеристика Q0=f(t0).


На том же графике строим характеристики нижней ветви: Qкн = f (tкн) по формуле (6) и Qон = f (tкн) по формуле (1) при различных t0 = const. В указанных формулах значение

, кг/с (18)

На пересечениях кривых Qов и Qкн находятся рабочие точки машины 1, 2 и 3, определяющие, какие установятся tкн и tов при данных t0 и tк. Соответствующие значения холодопроизводительности определяются точками 1', 2', 3' на кривых Qов. Характеристику Q0=f(t0) удобнее перестроить на отдельный график (рис. 6,б). Аналогично получаем характеристики для tк=35 и 40 °С. По этим характеристикам для любого режима работы (t0, tк) можно найти промежуточные температуры tов и tкн. Например, для t0= -80 ° и tк = 35 ° (точка А) находим рабочую точку А' (tкн=-20 °, tов = -30 °С).

II. Конструкция К∂И задана. Строим характеристику верхней ветви Q0=f(t0) для различных tк (рис. 7, а). При точных расчетах из Qов следует вычесть потери через наружную поверхность конденсатора-испарителя. На этом же графике строим характеристику конденсатора-испарителя QКдИ=f(tов) для различных tкн

QКдИ=kF(tкн-tов). (19)

Значение k в зависимости от температур и нагрузки определяется методом последовательных приближений. Кривые QКдИ для tкн=const близки к прямым, так как с понижением tов вследствие изменения свойств холодильного агента α снижается, а с ростом нагрузки повышается α. Однако линии QКдИ для различных tкн не параллельны, так как с понижением tкн k понижается. В приближенных расчетах линии QКдИ можно принимать прямыми и параллельными.

Точки пересечения 1, 2 и 3 характеризуют совместную работу компрессора верхнего каскада и конденсатора-испарителя. Например, для точки 1 tкн=-30 °, а tов =-38°С. Кривые, характеризующие совместную работу Кмв и К∂И, перестраивают на отдельный график (рис. 7, б) в координатах Qов(КМв+КдИ)-tкн, так как для верхней ветви (Кмв и К∂И) внешним параметром является tкн (температура охлаждаемой среды).

Рис.7

Рис.7. Построение характеристики каскадной машины в поверочном расчете:
а - совмещение характеристик Кмв и К∂И; б - зависимость Qов=f(tкн); в - определение Q0=f(t0).

Для построения характеристики каскадной машины в координатах Q0 - t0 (рис. 7, в) наносим на график характеристики компрессора нижней ветви Qон для различных tкн. На этом же графике строим кривые холодопроизводителыюсти верхней ветви, отнесенные к температуре кипения нижнего каскада для различных tкн

(при tкн=const), (20)

где Qов берется из рис. 7,б, a qон и qкн из расчета цикла. Величина означает, что Qов может обеспечить работу нижнего каскада (индекс "н"), если его холодопроизводительность . Поэтому точки на пересечении характеристик Qов и для одинаковых tкн определяют искомую характеристику каскадной машины Q0=f(t0). Аналогичное построение проводится и для других значений tк (на рис. 7, в показано пунктиром).

Располагая указанными графиками для заданного режима (t0, tк), можно определить промежуточные температуры tкн (см. рис. 7, в), а затем и tов. Например, для t0 =-85 °С и tк =-30 °С на рис. 7, б находим точку А, для которой tкн=-45 °. Для tкн =-45 ° и tк =30 ° на рис. 7, б находим точку А' и соответствующую ей точку А" (см. рис. 7, а), которая и определяет tов = -50 °С. Если в состав машины входит одна или две двухступенчатые ветви, то их рассчитывают отдельно, как двухступенчатые циклы и строят их характеристики (см. рис. 8). Располагая такими характеристиками, пользуются ими так же, как характеристиками одноступенчатых ветвей.

Рис.8

Рис.8. Характеристики двухступенчатого компрессора:
а - метод построения; б - учет потерь.

При проектировании новой машины (или ряда машин) задаются конкретными объемами, описанными поршнями для компрессоров каждой ветви, либо их отношением. Рассмотренным только что методом находят промежуточные температуры tкн и tов и определяют допустимость отношений давлений в каждой ветви и работоспособность машины при полученных давлениях во всем намеченном диапазоне работы. Желательно, чтобы отношения давлений в разных ступенях были близки между собой.


Источник:
"Низкотемпературные холодильные установки" /Вайнштейн В.Д., Канторович В.И./ - М.: изд-во "Пищевая промышленность". - 1972, с. 41-51.





Приглашаем ученых и инженеров, аспирантов и студентов, а также,
заинтересованные институты, фирмы, организации и частных лиц, принять участие в размещении
информации в интернет-газете, посвященной холодильной и близкой ей тематике.

Учредитель и издатель интернет-газеты: ООО "АВИСАНКО" (Москва).
Адрес редакции: Россия, 115551, Москва, Шипиловский проезд, д.47/1, офис 67-А.
Тел./факс: +7 (495) 343-43-71, тел.: +7 (495) 343-43-48, 223-60-50 доб. 132.

Головной сайт: www.avisanco.ru.

E-mail: info@holodilshchik.ru

Первый выпуск первой в России интернет-газеты по холодильной и
близкой ей тематике - "Холодильщик.RU" - вышел в свет в январе 2005 г.
Интернет-газета зарегистрирована Федеральной службой по надзору за соблюдением
законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия.
Руководитель проекта и Главный редактор: Маргарян С.М. (АВИСАНКО, ООО)
За содержание рекламных материалов редакция ответственности не несет.
При перепечатке статей, ссылки на их авторов и интернет-газету обязательны.
Разместите на своем сайте нашу кнопку... Rambler's Top100 Многоязыковая поисковая система...


Авторские права © 2005-2017 // MARGARY@N

Партнеры: