Пароэжекторные холодильные машины ПЭХМ

Принцип действия пароэжекторных холодильных машин

В пароэжекторных холодильных машинах хладагентом является вода, которая охлаждается за счет частичного перехода в парообразное состояние при глубоком вакууме. Вода безвредна, доступна, обладает большой теплотой парообразования, в испарителях пароэжекторных машин кипит при температуре от 2 до 7 °С (обычно порядка 5 °С), чему соответствуют абсолютные давления водяных паров от 700 до 1000 Па. При этих давлениях применять поршневые компрессоры или турбокомпрессоры экономически нецелесообразно в связи с большими удельными объемами водяных паров (130...180 м³/кг). Это можно было бы осуществить лишь при огромных размерах цилиндров поршневого компрессора или колес в центробежных машинах. Однако такие машины будут характеризоваться большими потерями энергии, а также высокими капитальными затратами. К тому же конструкция указанных машин окажется сложной из-за не­обходимости их работы в области глубокого вакуума. Отсасывание водяного пара из испарителя паровым эжектором позволяет создать относительно компактную и надежную в эксплуатации машину. В качестве источника энергии используется пар, который поступает в сопло парового эжектора, где расширяется. В результате в эжекторе и, как следствие, в испарителе пароэжекторной машины создаётся пониженное давление. Сопло парового эжектора выполнено по типу сопла Лаваля, состоит из сужающейся и расширяющейся частей, разделенных коротким цилиндрическим участком. Оно спрофилировано таким образом, чтобы в дозвуко­вом режиме его сечение уменьшалось до тех пор, пока скорость потока не станет равной скорости звука. Для перехода через скорость звука и дальнейшего ускорения потока сопло выполнено расширяющимся. В этом случае для создания кинетической энергии потока используется весь перепад давлений от давления рабочего пара на входе в сопло до дав­ления всасывания холодного пара. В испарителе за счёт частичного испарения происходит охлаждение подаваемой потребителю холода воды. Отсосанный из испарителя пар, а также рабочий пар эжектора поступает в конденсатор, где конденсируется, отдавая теплоту охлаждающей среде. Часть воды из конденсатора подаётся в испаритель для пополнения убыли охлаждаемой воды. Охлажденная в испарителе вода подается к потребителям. Отеплённая вода, возвращаемая от потребителей, поступает через разбрызгивающие форсунки в испаритель.

Пароэжекторные холодильные машины состоят из эжектора (эжекторов), испарителя, конденсатора, насоса. Пароэжекторные холодиль­ные машины в зависимости от конструкции и принципа работы главных конденсаторов делятся на два основных типа: машины c поверхностными конденсаторами и машины со смешивающими конденсаторами. Преимуществом машин с поверхностными конденсаторами является возможность сохранения конденсата вследствие того, что конденсирующийся пар в них отделен от охлаждающей воды трубками, образующими теплопередающую поверхность. Машины этого типа имеют меньшие габаритные размеры и могут устанавливаться в производственных помещениях в непосредственной близости от потребителей холода. По сравнению с машинами со смешивающими конденсаторами они несколько сложнее в эксплуатации и требуют дополнительного вспомогательного оборудования.

Рабочая схема пароэжекторной холодильной машины ПЭХМ  с поверхностными конденсаторами показана на рис. 1.

Рабочая вода, отепленная у потребителей, через запорный клапан 1 поступает в испаритель 2. В испарителе вследствие непрерывного отсоса главными эжекторами 3 образующегося пара поддерживается давление насыщения, соответствующее температуре выходящей из испарителя рабочей воды. Небольшая часть рабочей воды испаряется, отнимая теплоту испарения от основной массы воды, циркулирующей через испаритель, благодаря чему вода охлаждается. Из испарителя охлажденная вода откачивается центробежным насосом 4 и подается потребителям.

Рис. 1. Схема пароэжекторной холодильной машины ПЭХМ

с поверхностными конденсаторами

Рабочий пар поступает в редукционный клапан 5, где давление пара снижается до требуемого значения, и далее через кла­пан 6 поступает к соплам главных эжекторов. Проходя через сопла, рабочий пар расширяется до давления несколько меньше требуемого давления насыщения в испарителе. Благодаря этому из испарителя в приемную камеру главного эжектора отсасывается холодный пар, который затем, смешиваясь с паром, вы­шедшим из сопла, поступает в главный конденсатор 7. Смесь холодного и рабочего пара конденсируется, отдавая теплоту конденсации охлаждающей воде, циркулирующей через трубки главного конденсатора. Конденсат, образующийся в главном конденсаторе, откачивается конденсатным насосом 8 и через невозвратно-запор-ный клапан 9 нагнетается в конденсатную систему. Часть конденсата, необходимая для компенсации испарившейся рабочей воды, поступает в испаритель через электромагнитный клапан и поплавковый регулятор уровня 10.

В пароэжекторной машине все основные аппараты - испаритель, главный конденсатор и другие - работают под давлением ниже атмосферного, в результате чего в машину поступает воздух извне. Для поддержания в аппаратах заданных давле­ний необходимо непрерывно отсасывать воздух из системы. Из испа­рителя вместе с холодным паром главные эжекторы отсасывают и воздух. Отсос воздуха из главного конденсатора с выбросом в атмосферу осуществляется вспомогательными эжекторами в две ступени. Необходимость двух ступеней объясняется тем, что воздух отсасывается со степенью сжатия 15-30, что не мо­жет быть обеспечено одним эжектором. Вместе с воздухом эжек­торы первой и второй ступени отсасывают и некоторое количест­во пара. Паровоздушная смесь из эжектора первой ступени 11 поступает в конденсатор первой ступени 14, где пар конденсиру­ется, а освободившийся воздух из конденсатора первой ступени отсасывается эжектором второй ступени 12 в конденсатор вто­рой ступени 13, из конденсатора второй ступени воздух выбра­сывается в атмосферу. В конденсаторе второй ступени давление несколько больше атмосферного, в конденсаторе первой ступени давление промежуточное между давлением в главном конденса­торе и атмосферным давлением. Давление в главном конденса­торе, при котором происходит конденсация пара, зависит от тем­пературы и количества охлаждающей воды, поступающей в глав­ный конденсатор, а также от степени загрязнения конденсатных трубок. Конденсат, образовавшийся в конденсаторе второй ступени, через перепускной клапан 15 поступает в конденсатор первой ступени. Конденсат из конденсатора первой ступени под влиянием разности давлений по U-образной трубе через уравно­вешивающий клапан 16 перетекает в главный конденсатор.

Рабочая схема пароэжекторной холодильной машины ПЭХМ с баромет­рическими смешивающими конденсаторами показана на рис. 2.

Рис. 2. Схема пароэжекторной холодильной машины ПЭХМ

с баромет­рическими смешивающими конденсаторами

Особенность этой схемы заключается в том, что пар в конденса­торе 1 входит в непосредственный контакт с охлаждающей во­дой и конденсат нельзя возвратить в парогенератор, что вызыва­ет дополнительные затраты на очист­ку котловой воды. Однако благодаря непосредственному контакту пара и воды давление конденсации в этой машине при прочих равных услови­ях будет несколько меньше, чем в схеме с поверхностными конденсато­рами, соответственно ниже будет и степень сжатия, которую надо преодо­леть эжекторам 2. При меньшей сте­пени сжатия уменьшается потребный расход рабочего пара, что является основным преимуществом машин это­го типа. Выполнение испарителей 3 и конденсаторов 1 барометрического типа обеспечивает свободный слив от­работавшей охлаждающей воды, ра­бочей воды и конденсата под действием собственной тяжести. Это значительно сокращает затраты энергии на насосы, которые в отдельных случаях можно пол­ностью исключить. Машины с барометрическими смешивающи­ми конденсаторами устанавливают на открытом воздухе.

Конденсаторы и испаритель для обеспечения барометричес­кого слива воды располагают на большой высоте. Пар из глав­ных эжекторов 2 поступает в нижнюю часть главного конденса­тора 1 и поднимается вверх, так как в верхней части конденса­тора отсасывается воздух. Охлаждающая вода из магистрали поступает в верхнюю часть конденсатора, где помещена сливная коробка. Охлаждающая вода стекает через отверстия в дне ко­робки, а часть воды сливается через боковую стенку. Затем вода попадает на кольцевой лоток, откуда она поступает на централь­ный лоток, частично сливаясь вниз через отверстия в кольцевом лотке. С центрального лотка вода попадает на следующий кольцевой лоток, затем на очередной центральный и стекает на дно конденсатора. Таким образом, на пути поднимающегося пара, поступившего в конденсатор из главных эжекторов, создается водяная завеса, соприкасаясь с которой пар конденсируется. Образовавшийся конденсат смешивается с общей массой воды и по трубе 6 сливается в барометрический сборник 5.

Воздух из верхней части конденсатора отсасывается эжектором первой ступени 9 и нагнетается во вспомогательный кон­денсатор 7, принцип действия которого такой же, как и главно­го конденсатора. В этом конденсаторе рабочий пар, подведенный к эжектору 9, конденсируется, а воздух, собравшийся в верхней части конденсатора, отсасывается эжектором второй ступени 8 и выпускается в атмосферу.

Сливные трубы снабжаются гидравлическими затворами в барометрических сборниках 4 и 5. Высота столба воды в сливных трубах до уровня барометрической емкости определяется по формуле:

H = (В + Δh - р_к) / (gρ) + h,

где В - барометрическое давление, м; Δh - потери напора в сливной трубе и на выходе из нее, м; р_к - минимально возможное давление в аппаратах с барометрическим отводом воды, м; g - ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с²; ρ - плотность воды, кг/м³; h - гарантийный запас, h = 0,5÷1,0 м.

Пароэжекторные холодильные машины выпускаются холодо-производительностью от 60000 до 600000 ккал/час и находят широкое применение на промышленных предприятиях, располагающих вторичными энергетическими ресурсами и дешевой водой для охлаждения, в установках комфортного кондиционирования воздуха, а также для технологических нужд в бумажной, химической, пищевой и других отраслях промышленности. Так же пароэжекторные холодильные машины используются на судах, поскольку небольшое число движущихся частей упрощает их обслуживание и ремонт. Основным показателем, определяющим эффективность применения пароэжекторных холодильных машин, является расход рабочего пара, отнесенный к холодопроизводительности машины. Этот показатель зависит от начального давления рабочего пара, подаваемого в эжектор, температуры охлажденной воды и температуры охлаждающей воды. Для удобства регулирования обычно устанавливается несколько параллельно соединенных эжекторов; регулирование производится путем отключения части эжекторов.