Холодильные машины, тепловые насосы.

В настоящее время применяется около 30 холодильных аген­тов, наиболее распространенными из которых являются: аммиак, углекислый газ, сернистый ангидрид, фреоны и хладоны. Термодинамические характеристики наиболее часто используемых холодильных агентов приведены в табл. 1

Самый распространенный из фреонов — фреон-12 — тяжелый газ, не имеющий запаха, безвредный при отсутствии открытого пламени. Хладон 123 (СНСI₂=CF₂) – прозрачная легкокипящая жидкость срезким запахом. Хладон 124,124а (CHFCI – CF₃, CHF₂ – CF₂CI) – газы без цвета и запаха с температурой кипения минус 10,8°С и минус 12°С с плотностью 1,4 г/см³. Фреоны применяются преимущественно в установках с низкими температурами испарения (от -70 до -90 °С).

В холодильных установках роль холодного источника выполняют воздух и содержимое холодильной камеры, в теплонасосных — речная вода, земля или атмосферный воздух.

Таблица 8.1

Парокомпрессионные холодильные установки.

Рабочим телом,которое в холо-дильниках наз-ся холодильным агентом, или хладоносителем, а в теплонасосных - теплоносителем, служат вещества, имеющие низ-кую температуру кипения. В 30-х гг. XX в. были впервые исполь-зованы фреоны-углеводороды, в к-рых водород полностью или частично замещен галоидами, чаще фтором и хлором. До 20-х гг. применялись только поршневые компрессоры, затем в крупные установках их стали заменять винтовыми и лопаточными.

Работа установки: Насыщ. пар хладоагента сжимается компрессором 3 (рис. 8.1, а) и подается в конденсатор 2 где, теряя теплоту , в окружающую среду, частично конденсируется. Эта парожидкостная смесь направляется в дроссельный вентиль 1, где ее давление и температура падают (роль вентиля в принципе может выполнить любая расширительная машина). После дросселя влажный пар небольшой сухости с низкой температурой поступает в испаритель 5, располагающийся в охлажденном помещении(шкафу)4,за счет теплоты которого хладоагентиспаряется.

Холодильный коэффициент вычисляется по формуле:

где l — работа, затрачиваемая на привод компрессора. Рис.8.1. Парокомпрессиональная холодильная установка:

а -схема установки; 1- дроссельный вентиль; 2 - конденсатор; 3 - компрессор; 4 – охлажденное помещение (шкаф); 5 - испаритель; б –изменение коэффициента в зависимости от температур 1 и t2

Отсюда видно, что будет тем больше, чем выше температура холодильнике и чем ниже температура среды, охлаждающей хладоагент в конденсаторе (рис. 8.1, б). При равенстве этих тем­ператур =

Тепловые насосы.Тепловыми насосами называются установки, в которых за счет затраты работы производится отъем энергии от тел с более низкой температурой Т₁ и передача ее другим телам с более высокой температурой Т₂. Применение тепловых насосов дает возможность использования энергии тел, имеющих сравни­тельно низкую температуру, например, окружающего воздуха, хо­лодной воды и др.

Компрессорные тепловые насосы. На рис. 8.2 изображены прин­ципиальная схема и идеальный цикл компрессионных тепловых насосов. Рабочее тело (любое из употребляемых в холодильных установках) засасывается в компрессор 1, где сжимается за счет затраты энергии двигателем до состояния сухого насыщенного или перегретого пара. Этому процессу соответствует изоэнтропа /—2 идеального цикла. Сжатый пар нагнетается компрессором в кон­денсатор 2. Здесь при постоянных значениях давления и темпера­туры пар конденсируется, отдавая определенное количество теп­лоты охлаждающей среде — воде или воздуху. За счет этой тепло­ты охлаждающая среда подогревается до такой температуры, при которой она может быть использована для различных бытовых нужд, в частности для отопления. Наиболее эффективная темпе­ратура подогрева равна 60...70 °С. Процессу в конденсаторе соот­ветствует линия 2—3. После

Рис.8.2. Парокомпрессионный тепловой насос:

Принципиальная схема (а): 1 – компрессор; 2 – конденсатор; 3 – дроссельный клапан; 4 – испаритель;

Идеальный цикл теплового насоса (б): 1…4 – точки диаграммы.

конденсатора рабочее вещество в иде­альном цикле поступает в расширительный цилиндр, где пони­жаются его давление и температура — изоэнтропный процесс 3—4. Отсюда рабочее тело поступает в испаритель 4, в котором оно испаряется при неизменных значениях давления и темпе- ратуры, отнимая определенное количество теплоты от тел, имеющих низкий температурный уровень, например от окружающего воздуха, холодной воды и т. д. Из испарителя влажный пар засасывается в компрессор, и работа установки повторяется. Идеальный цикл, представляет собой обратный цикл Карно.

Эффективность тепловых насосов оценивается отопительным коэффициентом, или коэффициентом преобразования , под которым понимается отношение количества теплоты q₁ отданного 1 кг рабочего вещества в конденсаторе, к теплоте q₁ - q₂, эквивалентной работе, затраченной на осуществление цикла:

Кондиционер RVZT5 Термометры сопротивления измеряют температуру наружного воздуха, на выходе 1-го подогревателя, на входе выходного вентилятора.

Совмещенные приборы влажности и температуры НТ выдают сигналы 0-10 в о температуре и влажности на выходе вентилятора кондиционера и вентиляционном канале.

Датчики дифференциального давления с дискретным выходом контролируют работоспособность (засоренность) фильтров, вращение входного и выходного вентиляторов (двигатели и вентиляторы соединены ременной передачей, исправность которой нужно контролировать).

Имеется дискретные защиты от замерзания (термостаты) по воздуху и по обратной сетевой воде, датчик превышения допустимой влажности(максимум влажности).

Включение двигателя производится промежуточными реле входного и выходного вентиляторовКА7(Р_ДВ=15 кВт), циркуляционных насосов 1-го и 2-го подогревателей - КА8, КА9 (Р_дв=0,4кВт), увлажнитель - К1О (Р_ДВ=3 кВт). Основные управляющие элементы:

• закрылки наружного воздуха;

• закрылки воздуха помещения;

• трехходовой клапан сетевой воды 1-го подогревателя;

• трехходовой клапан сетевой воды 2-го подогревателя;

• двухходовой клапан холодоносителя;

• управление увлажнителем.

Нагнетательные машины.

Центробежные механизмы применяются: на ТЭС в си­стемах гидрозолоудаления, в системах хозяйственного и технического водоснабжения, а также для подачи различных растворов и реагентов в технологических схемах производств, в трубо­проводных системах транспорта воды и нефти на дальние рассто­яния, во всех системах коммунального водо­снабжения, для водоснабжения животноводческих ферм, в крупных водопроводных системах поливного земледелии.

Поршневые компрессоры применяются в металлообрабатывающей и машиностроительной промышленно­сти для сжатия воздуха, приводящего в действие пневматичес­кий инструмент и прессы.

Основными параметрами (величинами), характеризующими работу нагнетательных машин, являются по­дача (расход), давление и напор, КПД. Энергия, сообщаемая потоку жидкости или газа нагнетательной машиной, определяет­ся указанными величинами и плотностью подаваемой среды.

1. Центробежные венти­ляторы.

Характеристиками вентиляторов называют графики за­висимостей напоров, мощности на валу и КПД от объемной по­дачи. Регулирование подачивентиляторов можно производить

1. Изменением частоты вращения вала вентилятора;

2. Дросселированием на входе и выходе вентилятора;

3. Направляющим аппаратом различных конструкций на входе.

2. Центробежные насосы. В практике экс­плуатации существуют следующие способы регулирования пода­чи центробежных насосов: -дросселирование задвижками на на­порной или на всасывающей линиях; изменение частоты враще­ния рабочего колеса насоса; -обрезка рабочих колес — уменьше­ние наружного диаметра; -перепуск части жидкости из напорного трубопровода во всасывающий; впуск воздуха во всасывающий патрубок насоса.

3. Центробежные компрессоры.

К основным параметрам компрессора относятся подача, ко­нечное давление, мощность на валу и КПД (относительный), так как совершенство компрессорного процесса оценивают при помоши относительных термодинамических КПД — изотермического η_из и изоэнотропногоη_а.

Подачей называется количество газа (воздуха), подаваемого компрессором в единицу времени. Различиют массовую т (кг/с) и объемную Q₀(м³/с) подачу.

Характеристиками центробежных компрессоровназываются графически изображенные зависимости р =f₁(Q₀), N_B=f₂(Q₀) и η_к=f(Q₀). Наиболее важной из них является зависимость между давлением (удельной работой) и подачей p=f₁(Q₀).

Регулирование парамет­ров компрессорапроизводят следующими способами: измене­нием частоты вращения вала, закруткой потока перед рабочим колесом и дросселированием потока на всасывании или нагнетании.

4. Поршневые насосы. Основной характери­стикой насоса является зависимость между его подачей К и рабо­чим давлением р = f{V). Регулирование подачи. В соответствии с уравнением V= nλπSD²/4. Подача насоса находится в зависимости от четырех факторов: D, S, п и λ.. Основным способом регулирования подачи поршневого насоса с электрическим приводом является изменение частоты вращения приводного двигателя или перемена отношения передаточных устройств, включенных между двигателем и насосом. способ регулирования оправдывается энергетически. Для увеличения подачи в сеть два или несколько насосов включают параллельно.

5. Поршневые компрессоры. Компрессор обычно подключается к системе трубопроводов, на которых установленs запорные регулирующие и другие устройства. Гидравлические свой­ства сети определяются ее характеристикой, т. е- зависимостью между расходом V_c и давлением р_с в сети. Одной из важных характеристик компрессора является зависимость между его подачей V_о и рабочим давлением. Пересечение характеристик компрессора и сети определяют рабочую точку А и рабочие параметры машин — подачу и давление. Регулирование подачиком­прессоров в настоящее время осуществляется следующими способами: отключением одной или нескольких машин при их параллельной работе на сеть, изменением частоты вращения вала ком­прессора, изменением объема мертвого пространства или дросселирование потока на всасывании и отжатием пластин всасывающего клапана.

Хар-ка сети имеет вид H = H_ст + R Q², где H_ст – предварительный напор (высота, на кот. поднимают жидкость или преодолевать противодавление); H_дин – харак-ет гидравлич. сопротивление магистрали ,R – коэфф. магистрали (определ-ся материалом водовода, его диаметром, наличием регулируемой аппар-ры, Q – производительность (подача или расход). Из этих хар-к следует, что можно регулировать производительность ТМ-ов 7 спос-ми:

1) Изменяя скорость (рис. 1) 2)Изменяя сопротивление трубопровода с помощью заслонок (дросселирование - процесс регулирования подачи жидкости, т.е. изменяя хар-ку магистрали ↓ произв-ть и ↑ напор- сам. неэкономич. сп-б) (рис. 2).3) Изменяя угол наклона лопаток направляющего аппарата (рис. 3). 4)Изменяя число ║или последоват. работающих на одну сеть ТМов (рис. 4)-║выгодно при пологой хар-ке сети; последоват.

– при крутой хар-ке сети (рис. 5). 5)Иногда на канализац. станциях применяют сп-б регулир-я путём впуска воздуха во всасывающий патрубок насоса. Хар-ка насоса становится мягче аналогично3 му способу регул-я. «+» сп-б экономичнее 2-го «-» ↓ срока службы рабочих колёс под воздействием кавитационного износа (рис 6а).

Рис. 6а. Рис. 6 б)

Рис.5 Рис.6б

6) Используют также регул-е подачи насосов перепуском части подаваемой жидкости ч/з байпас на вход насоса (рис. 6б ). При этом общая подача насоса Qн ↑, но подача в сеть Q ↓. Применение байпаса снижает общее сопрот-е сетевой магистрали, может привести к перегрузке насоса и эл.двигателя, сп-б экономичен для вихревых насосов, у кот-х при ↑подачи, мощность↓. 7)обрезка рабочего колеса.1-й, 3-й, 4-й способы экономичны, т.к. одновременно со ↓расхода, ↓ и напор.2-й сп-б– пока наиболее применяемый, но самый неэкономич т.к. полезная мощность при ↓производ-ти (рис. 2) – P₂ = C Q₂ H¢₂; расходуемая мощность P¢₂ = C Q₂ H₂. Т.о. мощ-ть потерь на задвижке:DP_пот= C Q₂ (H₂ - H¢₂) = C Q₂ DH. К.п.д. понижается на вел-ну h_рег = . Кр. того, ↓к.п.д. самого насоса.