Компрессионная паровая холодильная машина

Рис.14.1. Схема одноступенчатой  аммиачной холодильной машины

I – компрессор, II – конденсатор, III – регулирующий вентиль, IV – охладитель жидкости, V – испаритель, VI – камера охлаждения,  VII -рассольный насос/

Цель расчёта: определить потери в элементах системы, построить эксергетическую диаграмму, определить эксергетический КПД каждого элемента, эксергетический КПД системы в целом.

Исходные данные:

Температура в камере – tхк;

Температура окружающей среды – tос;

Холодопроизводительность – Qон;

Температура кипения – t0;

КПД компрессора – ηк;

КПД двигателя компрессора – ηдк;

Мощность привода – N;

Мощность насоса, перекачивающего рассол – Nн;

КПД насоса – ηн;

Принцип действия установки: хладагент поступает в испаритель V, где, забирая тепло у рассола, кипит, затем пар поступает в компрессор I, сжимается и его температура возрастает до температуры выше Т0. В конденсаторе II пар конденсируется, в регулирующем вентиле  III  дросселируется до состояния парожидкостной смеси. Парожидкостная смесь в отделителе жидкости IV разделяется на пар, который идет в компрессор, и жидкость, которая поступает в испаритель I. Рассол, охлаждаясь в испарителе V, поступает в холодильную камеру VI. В ней рассол забирает тепло от охлаждаемой среды и через насос VII вновь поступает в испаритель V.

Цикл холодильной машины  в координатах e-i представлен на рис.14.2.

Рис.14.2. Цикл аммиачной холодильной установки в е,i - диаграмме

При построении цикла использовали исходные данные:

температура кипения холодильного агента t0 = tхк – (2...5 )0С,  температура конденсации tк = tос + (5…10 ) 0С.

Процесс 1 – 2 – сжатие в компрессоре. Удельная внутренняя работа – lк = i2 – i1, при этом эксергия аммиака возрастает на величину Δе2 – 1, а потеря в компрессоре на   1 кг аммиака составит:

                              – Δe2 –1.

Процесс в конденсаторе сопровождается отводом тепла qк = i2 – i3 и соответствующим уменьшением эксергии Ñe2 – 3, которая полностью теряется. Наибольшая часть потери эксергии связана с охлаждением аммиака от температуры Т2 до температуры конденсации. Эта техническая потеря был бы существенно меньше в идеальном адиабатном компрессоре при сжатии пара по линии  S=idem

Процесс дросселирования 3 – 4 приводит к понижению температуры: при этом теряется эксергия Ñe3 – 4.

 Наконец, в процессе 4 – 1, протекающем при Ти, аммиак испаряется и его энтальпия возрастает на величину qи = i1– i4, равную удельной холодопроизводительности. Одновременно аммиак отдает эксергию е4 – е1, равную эксергетической производительности еq, и цикл замыкается.

Величины энтальпии и эксергии аммиака, необходимые для расчета цикла и составления эксергетического баланса, сняты с е – i диаграммы. Уровень начала отсчета выбран таким образом, чтобы в т. 1 эксергия была минимальна, е = 0. Такой прием вполне обоснован, поскольку все величины считаются по разности значений  эксергии.

Расчетом цикла в тепловой диаграмме определяются параметры характерных точек (расход, давление, температура).

В ходе расчёта определяются:

    - расход аммиака в системе, кг/с;

   -расход воды, поступающей в конденсатор,  кг/с;    - расход  рассола, проходящего через испаритель,  кг/с.

Эксергетические потери в элементах холодильной установки, по которым строится диаграмма потоков эксергии, определяются по формулам:

-       потери в компрессоре  , где ,  , кДж/кг;

-       потери в конденсаторе , где ;

-       потери в дросселе   , где ;

─ потери в испарителе , где Dи – внешняя потеря, возникающая при передаче эксергетической холодопроизводительности рассолу, связанная с разностью температур между кипящим аммиаком и рассолом;

─   потеря вследствие теплопритока к рассолу  невелика, обычно в расчёте не учитывается;

─  потери в холодильной камере ,

связанные с разностью температур воздуха камеры и рассола.

По полученным значениям строится эксергетическая диаграмма.

Рис. 14.3. Эксергетическая диаграмма холодильной машины

Конечным этапом анализа холодильной машины является определение КПД элементов, а также всей системы в целом, после которого делается вывод о степени  их термодинамического совершенства .

-       КПД компрессора     

-       КПД конденсатора  

Эксергетический КПД конденсатора имеет физический смысл, когда тепло конденсации, не просто отводится в окружающую среду, а используется как вторичный энергоресурс.

-   КПД дросселя  

-       КПД испарителя ηи   = Еq / N 100%

-       эксергетический КПД  установки определяется с учётом потерь, связанных с использованием рассола и мощности двигателя рассольного насоса;

-       Численное значение КПД определяется как результат построения эксергетической диараммы.

Анализ эксергетической диаграммы позволяет сравнить потери в каждом элементе  и в установке в целом, оценить их термодинамическое совершенство путём сравнения с лучшими конструкциями и системами.