Построить в тепловой диаграмме «h-lgP» для аммиака цикл двухступенчатой холодильной машины с полным промежуточным охлаждением пара и двойным дросселированием жидкости

Принципиальная схема такой холодильной машины и её условная «h-lgP» диаграмма изображены ниже, на рис. 1.

а) б
Рис 1а, б. Принципиальная схема и условный цикл двухступенчатой холодильной машины с полным промежуточным охлаждением пара и двойным дросселированием жидкости:
I – компрессор ступени низкого давления (СНД),
II – промежуточный холодильник,III – промежуточный сосуд,
IV – компрессор ступени высокого давления (СВД),
V – конденсатор, VI – дроссель (регулировочный вентиль) I (ДР1), VII – дроссель (регулировочный вентиль) II (ДР2),
VIII – испаритель.
Применение:
Холодильные машины, работающие по такому циклу используются на предприятиях пищевой промышленности для обеспечения холодом камер хранения замороженных грузов, камерных морозилок и скороморозильных аппаратов.
Принцип работы:
В компрессоре СНД I холодильной машины холодильный агент (аммиак) сжимается по адиабате 1'-2 от давления Р0 до Рпр. Отсюда перегретый пар в состоянии 2 поступает в промежуточный холодильник II, где (насколько это возможно) переохлаждается проточной водой в изобарном процессе 2-2' и проходит через промежуточный сосуд III. Последний представляет собой вертикально ориентированный пустотелый сосуд, частично заполненный кипящей жидкостью при давлении Рпр. (которой соответствует состояние 7). Перегретый пар состояния 2' барботирует через слой этой жидкости, в результате чего происходит полное охлаждение пара до состояния сухого насыщенного (изобара 2'-3). Естественно, что, принимая теплоту перегрева 2'-3, некоторая часть жидкого агента состояния 7 вскипает (изобарно-изотермический процесс 7-3) и превращается в пар (обозначим это количество пара G'). Вместе с основным потоком пара G, прошедшим через компрессор СНД I, этот пар поступает в компрессор СВД IV, где сжимается по адиабате 3-4 от промежуточного давления Рпр до давления в конденсаторе Рк . Из компрессора СВД IV пар нагнетается в конденсатор V, в котором происходит охлаждение пара до состояния насыщения, т. н. снятие перегрева, (изобара 4-4'), его конденсация (изобара 4'-5') и переохлаждение (изобара 5'-5) (на рис. 1 не показан (точки 5' и 5 совпадают), на рис. 2 есть). Отсюда жидкий аммиак поступает на дросселирование в ДР1 VI (изоэнтальпический процесс 5-6).
Образовавшаяся в результате дросселирования парожидкостная смесь состояния 6 механически разделяется в промежуточном сосуде III: более легкий пар (состояние 3) в количестве G" собирается в верхней части промсосуда III и откачивается компрессором СВД IV, а более тяжелая жидкость (состояние 7) идет на дросселирование в ДР2 VII (изоэнтальпа 7-8) и в испаритель VIII, где кипит при низком давлении Р0 (изобарно-изотермический процесс 8-1), воспринимая теплоту охлаждаемого объёма, и перегревается перед компрессором (изобара 1-1'). Компрессор СНД I откачивает из испарителя образовавшийся пар и тем самым поддерживает в нем низкое давление Р0. Далее цикл повторяется.
Расчетный холодильный цикл представлен на рис. 2, параметры аммиака в характерных точках цикла — в таблице 1.
Рис. 2. Расчетный цикл двухступенчатой холодильной машины с полным промежуточным охлаждением пара и двойным дросселированием жидкого аммиака. Диаграмма построена с помощью приложения Refrigeration Utilities для R717 (аммиак) по заданным температурам.
Таблица 1. Параметры аммиака в характерных точках цикла холодильной машины с полным промежуточным охлаждением пара и двойным дросселированием жидкого аммиака.
Точка Агрегатное состояние аммиака Температура T, ℃
Давление p, бар Удельный объём v, м3/кг
Удельная энтальпия i, кДж/кг Удельная энтропия s, кДж/(кг∙К)
1 Перегретый пар низкого давления -30 0,717 1,6233 1429,50 6,333
2 Перегретый пар промежуточного давления +68,76 3,112 0,52556 1633,60 6,333
2’ Перегретый пар промежуточного давления
3,112
3 Сухой насыщенный пар промежуточного давления -8,32 3,112 0,39183 1451,50 5,728
4 Перегретый пар высокого давления +96,67 13,505 0,12533 1663,60 5,728
4’ Сухой насыщенный пар высокого давления +35 13,505 0,09593 1487,80 5,206
5’ Кипящая (насыщенная) жидкость высокого давления +35 13,505 0,00171 362,80 1,555
5 Недогретая (переохлажденная) жидкость высокого давления +30 13,505
339,05 1,429
6 Влажный насыщенный пар промежуточного давления -8,32 3,112 0,05503 339,05 1,528
7 Кипящая (насыщенная) жидкость промежуточного давления -8,32 3,112 0,00150 162,16 0,86
8 Влажный насыщенный пар низкого давления -40 0,717 0,15989 162,16 0,899
1’ Сухой насыщенный пар низкого давления -40 0,717 1,55638 1407,70 6,244
Расчет параметров цикла
Давление насыщения аммиака при температуре кипения в испарителе Т0=-40℃ равно p0=0,717 бар;
Давление насыщения аммиака при температура конденсации в конденсаторе Тк=+35℃ равно pк=13,504 бар;
Промежуточное давление pпр (проверка):
pпр=p0∙pк=0,717∙15,505=3,112 бар.
Температура насыщения аммиака при промежуточном давлении pпр=3,112 бар равна Ts_пр=-8,32 ℃;
Удельная хладопроизводительность q0 холодильной машины:
q0=i1'-i8=1407,70-162,16=1245,45кДжкг;
Удельная работа компрессора ступени низкого давления (СНД) l1
l1=i2-i1=1633,60-1429,50=204,1 кДжкг;
Удельная работа компрессора ступени высокого давления (СВД) l2
l2=i4-i3=1663,60-1451,50=212,1 кДжкг;
Удельная тепловая нагрузка на конденсатор qк
qк=i4-i5=1663,60-339,05=1324,55 кДжкг;
Холодильный коэффициент цикла εх определим, приняв во внимание тот факт, что массовый расход хладогента через компрессор СВД больше, чем через компрессор СНД на величину G'+ G''