Одноступенчатая парокомпрессионная холодильная установка

       Промышленные  одноступенчатые  холодильные парокомпрессорные  установки работают по циклу, отличающемуся от теоретического цикла Карно. Это отличие состоит в том, что в компрессоре сжатие влажных паров заменено сжатием сухих насыщенных паров, после полной конденсации паров используют переохлаждение сконденсированного хладагента, а вместо адиабатного расширения используют процесс изоэнтальпического (без выполнения работы) дросселирования сжатого газа.

       В парокомпрессорной  холодильной установке  в качестве теплоносителя, отдающего тепло на низком температурном уровне, используют охлаждаемую среду (газовую смесь или рассол с низкой температурой замерзания). В качестве рабочего вещества в установке используют низкокипящую жидкость (аммиак, хладоны, углекислоту, пропан, бутан, этилен). Соответственно используемому рабочему веществу холодильные установки называют аммиачными, хладоновыми (фреоновыми), углекислотными и т.д. На низком температурном уровне рабочая среда кипит и испаряется под низким давлением, отнимая тепло от охлаждаемого вещества. Ориентировочно принимают, что температура кипения рабочего тела должна быть на 5-6°С ниже средней температуры охлаждаемого теплоносителя. Таким образом, температура кипения рабочего вещества холодильной установки фактически определяет давление, при котором испаряется рабочее вещество.

       В холодильных установках в качестве теплоносителя, принимающего тепло от рабочего вещества на верхнем температурном уровне, используют техническую воду или воздух. При использовании воды температура конденсации сжатых паров принимается на 5-8°С выше средней температуры воды, при использовании воздуха температура конденсации выбирается выше на 10-15 °С средней температуры воздуха. Следовательно, вид используемого теплоносителя в конденсаторе и температура конденсации паров определяют давление, до которого должны быть сжаты пары рабочего вещества в компрессоре.

 

       

       На  рис. 1 показана принципиальная схема одноступенчатой  парокомпрессорной холодильной установки. 

       

       Рисунок 1 – Принципиальная схема одноступенчатой парокомпрессорной холодильной установки:

       Км - компрессор; Кд - теплообменник - конденсатор; Сж - сборник жидкости; Др - дроссельное устройство;   И - теплообменник-испаритель; 1-5 - узловые точки процессов в цикле 

       Насыщенный (или сухой перегретый) пар рабочего вещества из испарителя И поступает в компрессор К_м, где сжимается адиабатически от давления Р_в до давления Р_к (процесс 1-2), затем за счет теплообмена с внешним теплоносителем (водой или воздухом) пары охлаждаются и полностью конденсируются в теплообменнике-конденсаторе К_д (процесс 2-3-4). Если позволяет температура теплоносителя, то жидкий хладагент может быть дополнительно переохлажден. Переохлаждение жидкости также может быть достигнуто отходящими из испарителя холодными парами рабочего тела, поступающими в компрессор (по схеме с регенерацией тепла). Сконденсированный хладагент собирается в сборнике жидкости С_ж. Далее жидкий хладагент изоэнтальпически дросселируется от давления Р_к до давления Р_в, при этом часть жидкости испаряется (процесс 4-5) и переходит в паровую фазу.

       В испарителе за счет тепла, полученного  от охлаждаемого вещества, происходит испарение низкокипящей жидкости (процесс 5-1), образовавшиеся пары затем поступают на всасывание в компрессор.

       Таким образом, завершается полный замкнутый цикл работы холодильной установки.

       Нанесение узловых точек  всех процессов на диаграмму Т-5 или на диаграмму T-S (см. рис. 2) позволяет произвести тепловой расчет холодильной установки и подобрать необходимое оборудование. 

       

       Рисунок 2 – Цикл парокомпрессорной холодильной установки в координатах диаграммы T-S 

       Задача 

       Произвести  технологический  расчет цикла парокомпрессорной  холодильной установки, определить ее мощность и подобрать поверхность теплообменного аппарата по следующим данным.

       В испарителе охлаждается  природный газ  в количестве V_г = 1,6 · 10 ⁵ нм³/ч под давлением Р_г =1,2 МПа от температуры t_нг= 20 °С до температуры t_кг = -22 °С. Тип холодильной установки – пропановая, тип теплообменника – испаритель с ПГ. Состав газа:

       СН₄ = 93,2 % об.;

       С₂Н₆ = 1,8 % об.;

       С₃Н₈ = 3,0 % об.;

       N₂ = 2,0 % об.. 

       Решение 

       Определяем  объемный расход компонентов  газовой смеси: 

        , 

где

       х_i – содержание компонентов в газовой смеси, об. доли;  

         м³/с,

         м³/с,

         м³/с,

         м³/с. 

       Определяем  массовый расход компонентов  газовой смеси: 

        , 

где

       ρ_i – плотность каждого компонента, кг/м³; 

         кг/с,

         кг/с,

         кг/с,

         кг/с, 

       Определяем  полную тепловую нагрузку установки по охлаждаемой смеси: 

        , 

        , 

где

       с_і – удельная теплоемкость компонентов газовой смеси, кДж/(кг·К); 

        МВт,

        МВт,

        МВт,

        МВт, 

        МВт. 

       Определяем  энтальпии узловых  точек из графика  (рис. 3) согласно [1], принимая температуру охлаждающей среды -30 °C (на 5-7 °C ниже конечной температуры охлаждаемой среды): 

        ,

        ,

        ,

        ,

        ,

        . 

       Удельная  холодопроизводительность цикла одноступенчатой парокомпрессорной холодильной установки в расчете на 1 кг циркулирующего в цикле хладагента:

        

        , 

        . 

       Удельная  тепловая нагрузка конденсатора в расчете на 1 кг охлаждаемого и  конденсируемого хладагента q_к, кДж/кг: 

        , 

         

       Удельные  затраты работы на сжатие 1 кг паров  хладагента в компрессоре: 

        , 

         

       Массовый  расход хладагента, циркулирующего в  цикле одноступенчатой парокомпрессорной холодильной установки:

        , 

         

       

       Рисунок 3 – Цикл пху 

       Теоретическая мощность, затрачиваемая  компрессором одноступенчатой   парокомпрессорной   холодильной   установки  на сжатие паров хладагента: 

        , 

         

       Полная  тепловая нагрузка конденсатора Q_K, МВт: 

        , 

        .

       Доля  жидкой фазы, оставшейся после дросселирования  хладагента от давления Р_н до давления Р_в, составляет: 

        , 

         

       Полная  тепловая нагрузка испарителя составляет: 

        , 

         

       Необходимая поверхность теплообмена F, м², ориентировочно составит: 

         

где

       К - ориентировочное  значение коэффициента телепередачи теплообменного аппарата, в соответствии с рекомендациями [2] для испарителя с плавающей головкой принимаем К=700 Вт/ м²·К;

        t - средний  температурный напор  в аппарате (рис. 4), 

        , 

        °C; 

        . 
 
 

         

       Рисунок 4 – Температурная схема 

       Выбираем  кожухотрубчатий теплообменник с плавающей головкой (рис. 5), который имеет следующие основные характеристики:

       диаметр (внутренний корпуса) D = 800 мм,

       поверхность теплообмена F = 197 м ²,

       трубы длиной l = 6,0 м, диаметр d = 20х2 мм, расположения труб – по вершинам квадрата,

       число ходов по трубам n = 4. 

         

       Рисунок 5 – Теплообменник с плавающей головкой 

       Коэффициент запаса поверхности равен:

        , 

         

       Литература 

       

1. Врагов  А.П. Процессы и оборудование газоразделительных установок, Учеб. Пособие. – Сумы: ИТД «Университетская книга», 2005. – 272 с.
2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. 9-е изд. Л., Химия, 1981. 560 с.