Низкотемпературные машины

В данной статье рассмотрены принципы работы низкотемпературных машин.

Многоступенчатые машины

     Производительность и КПД любой холодильной машины уменьшаются при увеличении разности между температурами конденсации и всасывания в результате снижения температуры кипения. Эти потери обусловлены меньшей плотностью всасываемого пара при более низкой температуре кипения, а также увеличением степени сжатия. Увеличение степени сжатия сопровождается повышением температуры нагнетания, которая становится слишком высокой.

Одноступенчатые машины обычно работают удовлетворительно при температурах кипения не ниже –40 °С, если температура конденсации относительно невелика. Однако при температурах кипения ниже –40 °С для предотвращения повышения температуры нагнетания и поддержания требуемого рабочего КПД необходимо применять многоступенчатое сжатие. В больших установках многоступенчатое сжатие пара следует осуществлять при температуре кипения ниже –18 °С.

Низкотемпературные машины могут быть двух основных типов: с последовательным многоступенчатым сжатием пара хладагента и каскадные. Последовательное сжатие используют в том случае, когда два или большее количество компрессоров соединены последовательно для сжатия одного хлад агента в ступенях. На рис. 1 показана принципиальная схема трехступенчатой машины, в которой давление пара хладагента последовательно повышается в трех ступенях от давления в испарителе до давления в конденсаторе. При этом пар, нагнетаемый компрессором более низкой ступени, поступает во всасывающий патрубок компрессора следующей, более высокой ступени.

Рис. 1 – Принципиальная схема трехступенчатой низкотемпературной машины: 1 – компрессор низкой ступени;
2 – компрессор промежуточной ступени; 3 – компрессор высокой ступени; 4 – конденсатор; 5 – ресивер; 6 – ТРВ; 7 – испаритель.

     В каскадной машине используют две или больше схем циркуляции хладагента, в которых применяют хладагенты со все более низкими температурами кипения (рис. 2). Пар хладагента, сжатый в нижней ветви, сжижается в теплообменнике, являющемся конденсатором этой ветви и одновременно испарителем верхней ветви.

Оба типа низкотемпературных машин имеют определенные преимущества и недостатки. В некоторых случаях применяют комбинацию каскадной и многоступенчатой машин. Тогда в нижней ветви каскада обычно используют двухступенчатый компрессор (для последовательного сжатия пара хладагента).

Рис. 2 – Каскадная холодильная машина: 1 – испаритель; 2, 5 – ТРВ; 3, 8 – теплообменники;
4 – конденсатор (нижней ветви) – испаритель (верхней ветви); 6 – конденсатор (с водяным охлаждением); 7 – компрессор верхней ветви;
9 – компрессор нижней ветви.

Промежуточные сосуды

     При последовательном сжатии необходимо охлаждать пар хладагента между различными ступенями сжатия для предотвращения перегрева компрессора в более высокой ступени.

Кроме того, в связи с большой разностью между температурами конденсации и кипения жидкий хладагент следует охлаждать, чтобы не было значительного снижения удельной холодопроизводительности вследствие повышенного парообразования при дросселировании жидкости в регуляторе расхода хладагента, а также из-за увеличения объема пара, сжимаемого компрессором нижней ступени.

На рис. 3 показано три распространенных способа устранения перегрева пара и охлаждения жидкости в машинах многоступенчатого сжатия. В схеме на рис. 3 а имеется промежуточный сосуд непосредственного охлаждения. Жидкость из ресивера поступает в. промежуточный сосуд, где ее температура понижается при дросселировании до температуры насыщения, соответствующей давлению в сосуде. Пар всасывается из сосуда компрессором высокой ступени, и поэтому температура жидкости в сосуде – это температура насыщения, соответствующая промежуточному давлению (давлению между ступенями). Охлаждение жидкости в промежуточном сосуде приводит к уменьшению потребляемой мощности (на 1 кВт холодопроизводительности), а также к увеличению объемной производительности компрессора низкой ступени.

Перегрев пара, нагнетаемого компрессором низкой ступени, устраняется посредством его подачи через жидкость в промежуточном сосуде. Затем он всасывается компрессором высокой ступени в смеси с паром, образующимся при дросселировании жидкости.

Основное преимущество наличия промежуточного сосуда с непосредственным охлаждением заключается в его простоте и низкой стоимости, а также в том, что температура жидкого хладагента понижается до температуры насыщения, соответствующей промежуточному давлению. Основной недостаток состоит в том, что давление жидкости, подаваемой к испарителю, понижается в сосуде до промежуточного давления. Перепад давления в регулирующем вентиле уменьшается, и поэтому нужно устанавливать вентиль большого размера, что может быть причиной, неудовлетворительной его работы.

На рис. 3, б показан кожухозмеевиковый промежуточный сосуд, который отличается от сосуда непосредственного охлаждения тем, что в него поступает меньшая часть жидкости из ресивера, а большая часть, подаваемая в испаритель, проходит через змеевик, погруженный в жидкость, имеющуюся в сосуде. При наличии кожухозмеевикового промежуточного сосуда жидкость переохлаждается без снижения давления. Преимуществами этого способа являются более высокое давление жидкости на входе в регулирующий вентиль и отсутствие пара в жидкостном трубопроводе после дросселирования. В промежуточном сосуде жидкость охлаждается на 5 – 10 °С ниже температуры насыщения, соответствующей промежуточному давлению.

Рис. 3 – Схемы двухступенчатых низкотемпературных машин: а – с промежуточным сосудом непосредственного охлаждения;
б – с кожухозмеевиковым промежуточным сосудом; в – с промежуточным сосудом -переохладителем жидкого хладагента:
1 – поплавковый регулятор; 2, 11 – теплообменники; 3 – водяной конденсатор; 4 – ресивер; 5 – маслоотделитель;
6 – поплавковый клапан на стороне высокого давления; 7 – компрессор высокой ступени; 8 – уравнительная линия масла;
9 – компрессор низкой ступени; 10 – испаритель; 12 – байпасная линия; 13 – промежуточный сосуд непосредственного охлаждения;
14 – кожухозмеевиковый промежуточный сосуд; 15 – промежуточный сосуд; 16 — ТРВ.

     В затопленных промежуточных сосудах обоих типов максимальная скорость движения пара 1 м/с. Над уровнем жидкости в промежуточном сосуде должно иметься достаточное пространство для предотвращения выброса жидкого хладагента в компрессор высокой ступени.

На рис. 3, в показана другая схема с промежуточным сосудом непосредственного охлаждения. Этот тип сосуда не применяют в аммиачных машинах, но широко используют в машинах, работающих на фреонах. Жидкость, поступающая из ресивера, переохлаждается при прохождении через змеевик, находящийся в сосуде. Небольшое количество жидкости поступает в кожух сосуда. Горячий пар, который подается компрессором низкой ступени в нагнетательный трубопровод, охлаждается за счет испарения жидкости и смешения с холодным паром, поступающих из промежуточного сосуда.

Скрытая теплота парообразования аммиака велика, и переохлаждение жидкости в аммиачных машинах не является таким важным фактором, как в машинах, работающих на фторированных хладагентах. Перегрев пара, нагнетаемого компрессором низкой ступени, обычно устраняется путем впрыска небольшого количества жидкого аммиака непосредственно в трубопровод, соединяющий компрессоры низкой и высокой ступеней (рис. 4). Испарение жидкого аммиака в этом трубопроводе обеспечивает требуемое охлаждение пара.

Рис. 4 – Схема промежуточного охлаждения пара впрыском жидкости: 1 – труба к испарителю; 2 – жидкостная труба от ресивера;
3 – ручной регулирующий вентиль; 4 – труба к компрессору высокой ступени; 5 – труба от компрессора низкой ступени.

     В некоторых аммиачных машинах нагнетаемый пар охлаждается в промежуточном охладителе с водяным охлаждением, конструкция которого подобна конструкции кожухотрубного или кожухозмеевикового конденсатора с водяным охлаждением. Эффективность этого типа промежуточного охладителя зависит от температуры воды и повышается при ее снижении. Потребляемая мощность при использовании промежуточного охладителя с водяным охлаждением не снижается, но при этом обеспечивается достаточное охлаждение нагнетаемого пара хладагента, что предотвращает перегрев компрессора высокой ступени. В машинах многоступенчатого сжатия промежуточное давление обычно выбирают таким образом, чтобы степень сжатия хладагента в каждой ступени была приблизительно одинаковой. Промежуточное давление, обеспечивающее одинаковую степень сжатия в двухступенчатой машине, определяют по формуле:

Каскадные машины

     При последовательном сжатии необходимо применять хладагент, температура кипения которого достаточно низка для создания в испарителе требуемого режима. В то же время он должен сжижаться при соответствующем давлении в конденсаторе воздушного или водяного охлаждения. Эти требования ограничивают нижний предел температуры кипения, которую можно достичь при последовательном сжатии. Нижний предел температуры кипения примерно равен –87 °С при работе на фреонах и –68 °С при работе на аммиаке. При более низких температурах кипения хладагента следует применять каскадную машину и хладагент, имеющий высокое давление и низкую температуру кипения в нижней ветви, например метан, этан, этилен. Из-за исключительно высоких давлений при нормальных температурах конденсации, а также относительно низкой критической температуры эти хладагенты должны конденсироваться при довольно низких температурах, и поэтому их применяют в каскадных машинах, верхняя ветвь которых работает на R12, R22, R502 или пропане.

Для предотвращения чрезмерно высоких давлений в системе, если высокотемпературная ветвь не работает, а температура хладагента в машине повышается до температуры окружающей среды, предохранительный клапан выпускает хладагент в расширительный сосуд, когда давление в системе нижней ветви повышается до заданного максимального давления насыщения. Пока в системе имеется жидкость, давление, создаваемое хладагентом, – это давление насыщения, соответствующее температуре хладагента. Однако если весь хладагент находится в паровой фазе, то увеличение давления в системе при повышении температуры будет незначительным и соответствовать закону Шарля.

Рис. 5 – Каскадная машина, работающая на метане, этилене и пропане соответственно в нижней, промежуточной и верхней ветвях:
1, 4, 9 – регуляторы уровня жидкости; 2 – конденсатор (этилена) – испаритель (пропана); 3, 7, 15 – центробежные компрессоры;
5 – конденсатор (метана) – испаритель (этилена); 6, 18 – ресиверы; 9 – низкотемпературный испаритель; 12 – конденсатор (пропана);
10, 11, 13, 14, 16. 17 – охладители.

     Объем расширительного сосуда определяют по следующему уравнению:

     На рис. 5 показана каскадная машина, нижняя ветвь которой работает на метане, промежуточная на этилене и верхняя на пропане.

Основной недостаток каскадной машины заключается в том, что ее КПД несколько ниже КПД многоступенчатой машины с последовательным сжатием хладагента. Однако в нижней ветви каскадной машины можно применять хладагент высокой плотности и давления, что значительно снижает требуемый объем цилиндров компрессора. Использование хладагента высокого давления упрощает конструкцию испарителя нижней ветви, так как при этом его давление в испарителе может значительно снижаться без существенного уменьшения производительности и КПД машины. Каждая ветвь каскадной машины – это отдельная система. Следовательно, хладагенты в них не перемешиваются. Поэтому обеспечить возврат масла в компрессоры проще, чем в многоступенчатой машине с последовательным сжатием хладагента.

Возврат масла в низкотемпературных машинах

     В связи с тем, что ветви каскадной машины являются отдельными и независимыми системами, возврат масла осуществляется в отдельных ветвях таким же образом, как в любой другой одноступенчатой машине, работающей при данных условиях. Это не относится к многоступенчатой машине. Если два или большее количество компрессоров соединены параллельно или последовательно, то нет уверенности в равномерном возврате масла в каждый из них. Поэтому необходимо иметь специальные средства для равномерного распределения масла в нескольких компрессорах. При параллельном соединении компрессоров уровень масла во всех компрессорах одинаковый, если картеры связаны между собой. Однако при этом простом способе равного распределения масла необходимо, чтобы давление в картерах всех компрессоров было совершенно одинаковым. При последовательном соединении компрессоров это нецелесообразно, так как более высокое давление в картерах компрессоров высокой ступени выдавит масло через уравнительные линии в картеры компрессоров низкой ступени, в которых давление меньше.

На рис. 3 показан распространенный способ выравнивания уровня масла в картерах последовательно соединенных компрессоров. Маслоотделитель на нагнетательном трубопроводе компрессора высокой ступени отделяет масло от сжатого пара и возвращает его во всасывающий патрубок данного компрессора. Поплавковые клапаны на стороне высокого давления поддерживают требуемый уровень масла в компрессорах высокой ступени посредством непрерывного перепуска избыточного количества масла, возвращающегося в эти компрессоры, в следующий компрессор более низкой ступени через линии подачи масла. При ручном управлении вместо поплавковых спускных вентилей можно применять -ручные вентили (нормально закрытые). В этом случае ручные вентили периодически открывают для регулирования уровня масла для перепуска его из компрессоров высокой ступени в компрессоры низкой ступени.

Разгрузка для пуска компрессоров при снижении температуры кипения и регулирование производительности

     Разгрузка для пуска компрессоров при снижении температуры кипения хладагента не ограничивается высокотемпературными машинами. Она более сложна в низкотемпературной машине из-за большей разности давлений. В ней применяют те же устройства, которые используют для более высокотемпературных систем. В некоторых источниках указано, что привод должен иметь мощность на 50 % больше потребляемой мощности, а давление на всасывании в компрессор следует ограничить регулятором давления «После себя» или регулирующим вентилем. Потребляемая мощность при снижении температуры кипения не должна превышать мощности привода.

Следует обратить внимание на рис. 3, что байпасная линия компрессора низкой ступени позволяет использовать компрессор высокой ступени для снижения температуры кипения хладагента в испарителе до межступенчатого состояния перед пуском компрессора низкой ступени для его разгрузки.

Способы регулирования производительности многоступенчатых машин такие же, как и в одноступенчатых.