close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

статься из университета

код для вставкиСкачать
 Статья взята с сайта тамбовского государственного университета
Тепловые насосы Введение
Над созданием первых холодильных машин работали многие изобретатели, инженеры и
ученые. Английский физик и химик Бойль и немецкий физик Герике в конце XVII в.
установили, что вода в разряженном пространстве испаряется при низких температурах. В
1777 г. Нерн показал, что в условиях вакуума вода замерзает, если удалять образующиеся
водяные пары (пары поглощались серной кислотой). Эти открытия помогли англичанину
Лесли построить в 1810 г. первую искусственную ледоделку. Практическое применение холодильные машины нашли только тогда, когда вместо воды
были найдены более эффективные рабочие тела. В 1834 г. английский врач Перкинс
построил холодильную машину, работающую на этиловом эфире. Применение этилового
эфира позволило получить низкие температуры при давлениях кипения более высоких,
чем при использовании воды. Машину Перкинса можно считать прообразом современной
компрессионной холодильной машины, так как в нее входили все наиболее характерные
для этих машин элементы: сосуд, где вследствие подвода тепла от внешней среды кипел
эфир при низкой температуре, насос (компрессор), снимающий и направляющий пары
эфира в змеевик, в котором при более высоком давлении и более высокой температуре
происходила их конденсация. Сконденсировавшийся жидкий эфир через специальный
дроссельный вентиль вновь направлялся в сосуд (испаритель), где кипел при низкой
температуре. В 1871 г. Телье построил машину, работающую на метиловом эфире. В 1872
г. Бой-лю был выдан патент на аммиачную холодильную машину. В 1881 г. Линде
одновременно с Видхаузеном построил углекислотную машину. В 1845 г. американец
Горри изобрел газовую - воздушную холодильную машину, работа которой была основана
на том, что предварительно сжатый и охлажденный за счет окружающей среды воздух
расширялся в специальной машине - детандере; при этом температура воздуха
понижалась. Несколько позже появились абсорбционные холодильные машины. В 1862 г. Карре
предложил абсорбционную холодильную машину, основанную на поглощении пара
аммиака слабым водоаммиачным раствором с последующим выпариванием аммиака из
раствора при помощи источника тепла высокой температуры (горячие газы, пар и др.). В
1884 г. был запатентован принцип пароэжекторной холодильной машины:
образовавшийся при низкой температуре пар отсасывается и сжимается за счет энергии
струи пара того же вещества. Первая пароэжекторная холодильная машина была
сконструирована Лебланом в 1910 г. Абсорбционная и пароэжекторная машины относятся
к теплоиспользующим машинам. Пельтье в 1834 г. открыл. Что при пропускании электрического тока через цепь,
состоящую из двух проводников, один из спаев охлаждается, а другой нагревается.
Дальнейшему развитию термоэлектрических холодильных машин в значительной степени
способствовали работы академика А. Ф. Иоффе и других ученых и конструкторов. Холодильные машины применяются в пищевой промышленности и сельском хозяйстве
для замораживания и хранения пищевых продуктов, в химической и
нефтеперерабатывающей промышленности при производстве синтетических волокон,
каучука, спирта и т. д.; для кондиционирования воздуха в цехах промышленных
предприятий, в общественных и административных зданиях, в бытовых помещениях и т.
д.; в горной промышленности при проходке неустойчивых грунтов; в рефрижераторном
транспорте; в металлургической промышленности для термической обработки сталей и т.
д.; в радиотехнике; при испытаниях промышленных изделий и во многих других случаях. В настоящее время преимущественно используются холодильные машины
компрессионного типа. При наличии дешевых источников тепла высокой температуры
применяют теплоизолирующие машины. Термоэлектрические холодильные машины
находят применение в радиотехнике и в ряде специальных приборов. 1. Понятие холодильной машины и теплового насоса, классификация и область применения.
Обычно холодильная машина переносит тело от источника, температура которого ниже
окружающей среды, к источнику, имеющего температуру окружающей среды, - воде или
воздуху; в этом случае машина служит для охлаждения или поддержания низких
температур в определенном объеме - холодильной камере. При помощи холодильной машины тепло можно перенести и к источнику, температура
которого значительно выше окружающей среды. Это тепло можно полезно использовать,
например, для отопления. В этом случае холодильную машину принято называть
тепловым насосом. По виду затрачиваемой энергии холодильные машины разделяют на компрессионные,
теплоизолирующие и термоэлектрические. Компрессионные машины потребляют
механическую энергию, теплоизолирующие - тепловую энергию источников тепла с
температурой выше окружающей среды, термоэлектрические машины используют
непосредственно электрическую энергию. В машинах первых двух типов перенос тепла достигается в результате совершаемого
рабочим телом в машине обратного кругового процесса (обратный цикл). В
термоэлектрической машине перенос тепла происходит при воздействии потока
электронов на атомы. В зависимости от свойств и агрегатного состояния рабочих тел, при помощи которых
осуществляются процессы, холодильные машины делятся на паровые и газовые. В
паровых холодильных машинах рабочие тела при совершении процессов меняют свое
агрегатное состояние. В газовых холодильных машинах агрегатное состояние рабочего
тела не изменяется. В холодильной машине обратный круговой процесс, совершаемый за счет механической
энергии, полученной в прямом цикле, может осуществляться в различных условиях. Машина работает по холодильному циклу, если тепло от источника низкой температуры
переносится к окружающей среде. В этом случае она служит для охлаждения или
поддержания постоянных низких температур. При переносе тепла от окружающей среды к
источнику с более высокой температурой холодильная машина работает как тепловой
насос и используется для теплоснабжения. Если тепло переносится от источника низкой
температуры к источнику с температурой выше окружающей среды, машина работает по
теплофикационному циклу и служит как для охлаждения, так и для теплоснабжения. Тепловой насос - термодинамическая установка, в которой теплота от
низкопотенциального источника передается потребителю при более высокой температуре.
При этом затрачивается механическая энергия. Большую перспективу представляет использование тепловых насосов в системах горячего
водоснабжения (ГВС) зданий. Известно, что в годовом цикле на ГВС расходуется
примерно столько же тепла, как и на отопление зданий. Примером здания, в котором
тепловые насосы использованы для ГВС, является многоэтажный жилой дом,
построенный в Москве в Никулино-2. В этом здании в качестве источника
низкопотенциальной тепловой энергии используется тепло земли и тепло удаляемого
вентиляционного воздуха. Подробно эта система будет рассмотрена ниже. Источником низкопотенциальной тепловой энергии может быть тепло как естественного,
так и искусственного происхождения. В качестве естественных источников
низкопотенциального тепла могут быть использованы: • тепло земли (тепло грунта); • подземные воды (грунтовые, артезианские, термальные); • наружный воздух. В качестве искусственных источников низкопотенциального тепла могут выступать: • удаляемый вентиляционный воздух; • канализационные стоки (сточные воды); • промышленные сбросы; • тепло технологических процессов; • бытовые тепловыделения. Таким образом, существуют большие потенциальные возможности использования
энергии вокруг нас, и тепловой насос представляется наиболее удачным путем реализации
этого потенциала. Ранее тепловой насос использовался в первую очередь для кондиционирования
(охлаждения) воздуха. Система была способна также обеспечить определенную
отопительную мощность, в большей или меньшей степени удовлетворяющую
потребности в тепле в зимний период. Однако характеристики этого оборудования
стремительно меняются: сейчас во многих странах Европы тепловые насосы
используются в отоплении и ГВС. Такое положение связано с поиском экологичных
решений: вместо традиционного сжигания ископаемого топлива - использование
альтернативных источников энергии, например, солнечной. Для массового потребителя
одним из наиболее предпочтительных вариантов использования нетрадиционных
источников энергии является использование низкопотенциального тепла посредством
тепловых насосов. Существуют разные варианты классификации тепловых насосов. Ограничимся делением
систем по их оперативным функциям на две основных категории: • тепловые насосы только для отопления и/или горячего водоснабжения, применяемые для
обеспечения комфортной температуры в помещении и/или приготовления горячей
санитарной воды; • интегрированные системы на основе тепловых насосов, обеспечивающие отопление
помещений, охлаждение, приготовление горячей санитарной воды и иногда утилизацию
отводимого воздуха. Подогрев воды может осуществляться либо отбором тепла перегрева
подаваемого газа с компрессора, либо комбинацией отбора тепла перегрева и
использования регенерированного тепла конденсатора. Тепловые насосы, предназначенные исключительно для приготовления горячей
санитарной воды, зачастую в качестве источника тепла используют воздух среды, но
равным образом могут использовать и отводимый воздух. Следует отметить, что постепенно увеличивается предложение тепловых насосов класса
реверсивные "воздух-вода", чаще всего поставляемых в комплекте с расширительным
баком и насосным агрегатом. По отдельному заказу поставляется накопительный
резервуар. Такие насосы можно врезать непосредственно в существующие водопроводные
системы. В Германии и других странах Северной Европы распространены тепловые насосы,
которые используют тепло, содержащееся в грунте. Диапазон тепловой мощности
разработанных моделей самый широкий - от 5 до 70 кВт. По данным на 1997 год из 90 млн. тепловых насосов, установленных в мире, только около
5 %, или 4,28 млн. аппаратов, смонтировано в Европе. Совсем немного по сравнению с 57
млн. систем, имеющихся в Японии, где такое оборудование является основным в
обеспечении отопления жилого фонда. В Соединенных Штатах насчитывается 13,5 млн.
установленных агрегатов, а еще только развивающийся китайский рынок достиг уровня
10 млн. систем. Подобное нерасположение Европы имеет свои причины, однако в
последнее время отношение к тепловым насосам меняется. Примерная оценка числа
тепловых насосов, установленных в главных странах Сообщества в жилом фонде,
торгово-административных и промышленных сооружениях, приводится в табл. 1.
Основную долю составляют страны Южной Европы: Испания, Италия и Греция. Количество тепловых насосов установленных в Европе, по данным на
1996год
Страна
Жилой фонд*
Торгово-
административный
фонд Промышленный
фонд**
Всего на
1996год
Австрия
133100
4300
нет данных
137400
Дания
31300
2000
1000
34300
Франция
53000
61000
675
114675
Германия
363120
5300
300
368720
Греция
570840
266220
нет данных
837060
Италия***
800000
20000
нет данных
820000
Голландия****
2856
136
159
3151
Норвегия
13500
6400
726
20626
Испания
802000
411000
7390
1200390
Швеция
250000
нет данных
нет данных
250150
Швейцария
39500
3400
нет данных
42900
Англия
13900
414060
600
428560
Всего
3073116
>1193816
>11000
>4277932
* в том числе водяные отопители; ** в том числе районные системы; ***
ориентировочно; **** только отопление
В жилом фонде имеется 3 млн. установленных тепловых насосов. Однако по степени
охвата показатель небольшой - около 1 %. Хотя очевидно, что установленные в торгово-
административном фонде 1,2 млн. агрегатов, составляя абсолютное наименьшее значение,
будут иметь несколько больший охват. Примерно 77 % установленных в Европе тепловых насосов используют наружный воздух
в качестве источника тепла, хотя в Швеции, Швейцарии и Австрии преобладают тепловые
насосы, забирающие тепло из грунта по заглубленному змеевиковому теплообменнику:
данные по этим странам составляют соответственно 28, 40 и 82 %. В Северной Европе
зачастую тепловые насосы применяются только для отопления и приготовления горячей
санитарной воды.
2. Источники низкопотенциальной тепловой энергии.
Тепловой насос предназначен для использования энергии, получаемой от источника тепла
низкой температуры. Тепловые, энергетические и экономические характеристики
тепловых насосов тесно взаимосвязаны с характеристиками источников, из которых
насосы берут тепло. Идеальный источник тепла должен давать стабильную высокую
температуру в течение отопительного сезона, не быть коррозийным и загрязняющим,
иметь благоприятные теплофизические характеристики, не требовать существенных
инвестиций и расходов по обслуживанию. В большинстве случаев имеющийся источник
тепла является ключевым фактором, определяющим эксплуатационные характеристики
теплового насоса. В качестве источников тепла в небольших системах на базе тепловых насосов широко
используются наружный и отводимый воздух, почва и подпочвенная вода, для систем
большой мощности применяются морская, озерная и речная вода, геотермические
источники и грунтовые воды.
2.1. Воздух.
Наружный воздух, будучи совершенно бесплатным и общедоступным, является наиболее
предпочитаемым источником тепла. Тем не менее тепловые насосы, применяющие
именно воздух, имеют фактор сезонной нагрузки (SPF) в среднем ниже на 10-30 % по
сравнению с водяными тепловыми насосами. Это объясняется следующими
обстоятельствами: • быстрым снижением мощности и производительности с падением наружной
температуры; • относительно большой разностью температур конденсации и испарения в период
минимальных зимних температур, что в целом снижает эффективность процесса; • энергозатратами на размораживание испарительной батареи и функционирование
соответствующих вентиляторов. В условиях теплого и влажного климата на поверхности испарителя в диапазоне от 0 до 6
°С образуется изморось, что ведет к снижению мощности и производительности
теплового насоса. Иней уменьшает площадь свободной поверхности и препятствует
прохождению воздуха. Как следствие, снижается температура испарения, что, в свою
очередь, способствует нарастанию инея и дальнейшему неуклонному снижению
производительности вплоть до возможной полной остановки агрегата вследствие
срабатывания контрольного датчика низкого давления, если прежде не будет устранено
обледенение. Размораживание батареи осуществляется путем инверсии охлаждающего цикла или
иными, хотя и менее эффективными способами. Энергопотребление имеет тенденцию к росту. Общий коэффициент производительности
СОР сокращается с увеличением частоты размораживания. Применение специальной
системы контроля, обеспечивающей размораживание по требованию (т. е. когда оно
фактически необходимо), а не периодическое, может существенно повысить общую
эффективность. Еще один источник тепла в жилых и торгово-административных сооружениях -
отводимый вентиляционный воздух. Тепловой насос регенерирует тепло из отводимого
воздуха и обеспечивает приготовление горячей воды или теплого воздуха для отопления
помещений. В этом случае, однако, требуется постоянное вентилирование в течение всего
отопительного сезона или даже целого года, если предусмотрено кондиционирование
помещений в летний период. Существуют аппараты, в которых конструктивно изначально
заложена возможность использования и отводимого вентиляционного, и наружного
воздуха. В некоторых случаях тепловые насосы, применяющие отводимый воздух,
используются в комбинации с рекуператорами "воздух-воздух". Воздух как универсальный теплоноситель используется в больших установках
круглогодичного кондиционирования. Он обладает низкими значениями коэффициентов
теплоотдачи, поэтому для уменьшения поверхности испарителя приходится снижать
температуру кипения рабочего тела, вследствие этого уменьшается степень совершенства
теплонаносной установки. Данные испытания таких установок, использующих воздух в
качестве источника тепла, свидетельствуют о том, что средний коэффициент m за
отопительный сезон не превышает 2 - 2,5. В периоды пик, т. е. При эпизодически низких
температурах наружного воздуха, включают запасные электронагреватели. Наилучшим
методом борьбы с инеем является его автоматическое оттаивание, проводимое
периодически.
2.2. Вода.
Наиболее целесообразно применение отходов теплой воды промышленных предприятий,
в том числе циркуляционной воды тепловых электростанций и др. Кроме того,
используют также естественные горячие источники в курортных местностях. Ввиду больших расходов употребление городской воды неэкономично. Однако водные
источники из сравнительно глубоких слоев почвы, имеющие температуру близкую к
среднегодовой, обеспечивают более высокий коэффициент преобразования m по
сравнению с воздухом. Подпочвенные воды есть во многих местах, они имеют достаточно стабильную
температуру в диапазоне от 4 до 10 °С. Для использования воды как источника тепла
применяются, главным образом, открытые системы: подпочвенная вода откачивается и
подается на теплообменник системного агрегата, где у воды отбирается часть
содержащегося в ней тепла. Вода, охлажденная таким образом, отводится в сливной
колодец или в поверхностные воды. Открытые системы требуют самого тщательного
проектирования в целях предотвращения проблем с замерзанием, коррозией и
накоплением отложений. Большим недостатком тепловых насосов, работающих на подпочвенных водах, является
высокая стоимость работ по монтажу водозабора. Кроме того, следует учитывать
требования, порой весьма жесткие, местных администраций в вопросах организации
сточных вод. Речная и озерная вода с теоретической точки зрения представляется весьма
привлекательным источником тепла, но имеет один существенный недостаток -
чрезвычайно низкую температуру в зимний период (она может приближаться к 0 °С).
Если используются вода рек, озер и морей, то в зимний период она может замерзать на
стенках испарителя. По этой причине требуется особое внимание при проектировании
системы в целях предотвращения замораживания испарителя. Морская вода представляется в некоторых случаях отличным источником тепла и
используется в основном в средних и крупных системах. На глубине от 25 до 50 м морская
вода имеет постоянную температуру в диапазоне от 5 до 8 °С. И, как правило, проблем с
образованием льда не возникает, поскольку точка замерзания здесь от -2 до -10 °С. Есть
возможность использовать как системы прямого расширения, так и системы с рассолом.
Важно лишь использовать теплообменники и насосные агрегаты, стойкие к воздействию
коррозии, и предотвращать накопление отложений органического характера в
водозаборном трубопроводе, теплообменниках, испарителях и пр. Грунтовым водам свойственна относительно высокая и стабильная в течение года
температура. Основные ограничения здесь могут составлять расстояние транспортировки
и фактические ресурсы, объем которых может меняться. Примерами возможных
источников тепла в данной категории носителей можно считать грунтовые воды на
канализационных участках (очистные и прочие водостоки), промышленные водостоки,
водостоки участков охлаждения промышленных конденсаторов или производства
электроэнергии. 2.3. Грунт.
Грунт применяют в качестве естественного источника тепла для зимнего отопления и
летнего кондиционирования. Змеевики испарителя закладывают в грунт, причем выгодно
используют его зонную аккумулирующую способность. По практическим данным,
коэффициент m составляет от 2,2 до 3,2 в зависимости от внешних условий. Величины
теплопередачи в грунте главным образом зависят от его влажности. Тепловые насосы, использующие грунт в качестве источника тепла, применяются для
обслуживания жилых и торгово-административных сооружений. Грунт, как и
подпочвенные воды, имеет одно преимущество - относительно стабильную в течение года
температуру. Тепло отбирается по трубам, уложенным в землю горизонтально или
вертикально (спиралеобразно). Могут использоваться: системы прямого расширения с охлаждающей жидкостью, испаряющейся по мере
циркуляции в контуре трубопровода, заглубленного в грунт; системы с рассольной жидкостью, прокачиваемой по трубопроводу, заглубленному в
грунт. В целом тепловые насосы рассольного типа имеют более низкую производительность по
сравнению с агрегатами первого типа в силу происходящего в них "двойного"
теплообмена (грунт - рассол, рассол - хладагент) и энергозатрат на обеспечения работы
циркуляции рассола, хотя обслуживать такие системы существенно проще. Тепловая емкость грунта варьируется в зависимости от его влажности и общих
климатических условий конкретной местности. В силу производимого отбора тепла во
время отопительного сезона его температура понижается. В условиях холодного климата большая часть энергии извлекается в форме латентного
тепла, когда грунт промерзает. В летний период под действием солнца температура грунта
вновь поднимается, и появляется возможность вернуться к первоначальным условиям.
Действующие по такому принципу тепловые насосы обычно называют геотермическими,
что по сути своей неверно, поскольку здесь не задействовано радиогенное тепло земли,
содержащееся в глубинных скальных породах. Геотермическими (скальными) источниками можно пользоваться в регионах, где
подпочвенных вод мало или нет совсем. Тогда нужно пробурить колодцы глубиной от 100
до 200 м. В случае если требуется обеспечить высокую тепловую мощность, колодцы
бурятся под определенным наклоном таким образом, чтобы добраться и упереться в
большой скальный массив. Для таких тепловых насосов также применяется рассольная
жидкость и пластмассовый сварной трубопровод, извлекающий тепло из скалы. В
некоторых системах скальная порода используется для аккумулирования тепла или
охлаждающей энергии. В силу высокой стоимости буровых работ скальные породы для
обслуживания жилого сектора применяются довольно редко.
3. Цикл теплового насоса.
Рис. 1. Цикл теплового насоса в s - T-диаграмме.
Теплообмен между рабочим телом и источником высокой температуры протекает при
конечной разности температур необратимо. В результате такого теплообмена
увеличивается энтропия: (Sd - Sc) - (S2 - S3) = delta S
Площадь под процессом 4 - 1, характеризующая количество подведенного тепла к
рабочему телу, равна площади е - 4' - 5 - к, следовательно, процесс 5 - 4' характеризует
убывание энтропии окружающей среды:
(S1 - S4) - (S5 - S4') = delta S1 > 0
Степень термодинамического совершенства этого цикла, как и в холодильном цикле,
характеризуется коэффициентом обратимости. Для энергетической оценки цикла вводят
коэффициент преобразования (трансформации) j = Q / L
или
j = E + 1
Если холодильная машина работает по теплофикационному циклу, то для энергетической
оценки этот цикл рассматривают как два: цикл теплового насоса и цикл холодильный,
границей между которыми является температура окружающей среды.
4. Рабочие тела холодильных машин и их применение.
Под рабочим телом, или холодильным агентом, понимают физическое тело, с помощью
которого совершается отдельный термодинамический процесс или цикл. От
характеристики рабочего тела зависит конструкция холодильной машины и расход
энергии, поэтому при выборе учитывают его термодинамические, теплофизические,
физико-химические и физиологические свойства. В настоящее время наиболее
распространенными рабочими телами являются аммиак, фреон, вода и воздух. Фреоны - углеводороды, в которых водород полностью или частично заменен галоидами,
чаще всего фтором и хлором. Для фреонов ввиду большого числа их установлены
сокращенные обозначения. Соединения без атомов водорода записываются для
производных метана цифрой 1 (после общего обозначения "фреон" или ф), к которой
прибавляют цифру, указывающую число атомов фтора, например фреон-12 для CF2Cl2 и
фреон-13 для CF3Cl. Для производных этана, пропана и бутана перед цифрой,
обозначающей число атомов фтора, ставят соответственно цифры 11, 21, 31, например
фреон-113 для C2F3Cl3. При наличии атомов водорода у дериватов метана к первой
цифре, а для этана, пропана и бутана соответственно ко второй цифре прибавляют число,
равное числу водородных атомов: фреон-21 для CHFCl2, и фреон-22 для CHF2Cl, фреон-
351 для C4H4FC5. При замене атомов хлора атомами брома (CF3Br) применяют
обозначение фреон-13В1. Существуют и другие классификации фреонов по химическому
составу. При внешних источниках с переменными температурами для уменьшения потерь в
процессах теплообмена желательно иметь рабочие тела с переменными температурами
кипения и конденсации. Такими свойствами обладают неазеотропные рабочие тела,
представляющие собой смесь двух или нескольких веществ с различной зависимостью
давления насыщения от температуры, например смесь фреона-11 и фреона-12. Осуществление цикла теплового насоса в области температур выше окружающей среды
вызывает повышение давления в системе. Поэтому рабочие тела для тепловых насосов
выбирают таким образом, чтобы при высоких температурах конденсации обеспечивалось
умеренное давление конденсации. Кроме того, рабочее тело должно обладать высоким
значением объемной холодопроизводительности, а разность давлений конденсации и
кипения не должна превышать допустимых пределов. Рабочее тело не должно быть взрывоопасным и токсичным, особенно там, где тепловые
насосы применяются для отопления общественных зданий. В тепловых насосах с поршневыми компрессорами применяют фреон-12 и
бромированный фреон Ф-12В1,который физиологически безвреден и не взрывоопасен. В
турбокомпрессорных тепловых насосах большой теплопроизводительности применяют
фреоны-11, 12 и 113. Наряду с чистыми рабочими телами применяют также и смеси
рабочих тел, как например фреоны-142 и 142, 11и 12 и др. Аммиак, фреон-12 и фреон-22 используются в компрессионных холодильных машинах
для получения температур кипения до (- 30; - 40) °С. В настоящее время предпочтение
отдается фреону-22, обладающему более высокой объемной холодопроизводительностью
по сравнению с фреоном-12. Фреон-12 применяют при высоких температурах конденсации, например в тепловых
насосах, так как при одной и той же температуре конденсации давление конденсации у
него ниже, чем у фреона-22. Фреон-13 применяют для получения температур кипения до (- 80; - 100) °С. При этом для
уменьшения необходимых потерь при дросселировании давление конденсации снижают
за счет другой холодильной машины, работающей на рабочем теле среднего давления. Фреон-11 ввиду его малой объемной холодопроизводительности применяют в
турбокомпрессорах относительно малой мощности. Неазеотропные смеси, в которых происходит интенсивное поглощение (адсорбция) пара
одного компонента жидкой фазой другого компонента - абсорбента, применяют в
абсорбционных холодильных машинах. Другие неазеотропные смеси, например смесь
фреона-11 и фреона-12, используют в компрессионных холодильных машинах. В этих
машинах применяют также азеотропные смеси 500 (73,8% по весу фреона-12 и 26,2%
фреона-152а), 502 (48,8% фреона-22 и 51,2% фреона-115), 501 (75% фреона-22 и 25%
фреона-12) и А1 (60% фреона-124 и 40% фреона-С318). Вода как рабочее тело используется в пароэжекторных холодильных машинах ,где можно
сжать большие объемы пара. Воздух является рабочим телом в газовых холодильных
машинах. 5. Примерная схема теплоснабжения с помощью теплового насоса.
Тепловые насосы могут применятся для отопления зданий при круглогодичном
кондиционировании воздуха, горячего водоснабжения и технологических нужд
различных предприятий. Однако использование тепловых насосов должно быть
экономически обосновано.
Рис.2. Схема теплоснабжения с помощью тепловых насосов.
Схема теплоснабжения с помощью тепловых насосов показана на рисунке. Вода из
отопительной установки направляется в сетевой насос СН и нагнетается им для подогрева
в конденсаторы К1 и К2, работающие по двухступенчатой схеме и включенный
последовательно по сетевой воде. В конденсаторе нижней ступени К1 вода нагревается от
температуры t2 до некоторой промежуточной температуры tпр. После этого вода
направляется в конденсатор второй ступени К2, где нагревается до температуры t1. Далее
вода входит в отопительную систему, отдает тепло обогреваемым помещениям и при
температуре t2 вновь поступает в теплонаносную установку. Тепло от источника низкой температуры (воды или воздуха) передается в испарителе к
кипящему рабочему телу, пар которого при давлении Р0 направляется из испарителя И в
компрессор нижней ступени КМ1, где сжимается до давления Рк1. После компрессора
КМ1, рабочее тело распределяется двумя потоками. Один из них поступает в конденсатор
К1. Другой поток поступает в компрессор КМ2 и сжимается до давления Рк2. Из
компрессора КМ2 пар рабочего тела поступает в конденсатор К2, где нагревает
теплоноситель от промежуточной температуры tпр до температуры t1. Из конденсатора
К2 жидкое рабочее тело отводится в конденсатор К1 через дроссельный вентиль Д2. Весь
поток конденсата поступает из конденсатора К1 через дроссельный вентиль Д1 в
испаритель. Режим работы теплонаносной машины определяется режимом работы отопительной
системы. При повышении наружных температур отопительного сезона работает только
компрессор нижней ступени КМ1. При этом весь поток рабочего тела после компрессора
КМ1 поступает в конденсатор К1, где нагревает теплоноситель до температуры t1.
Теплонаносная машина регулируется с помощью регулятора температуры,
воздействующего на дроссельный вентиль Д1. При более низких температурах наружного воздуха включается в работу компрессор КМ2
и конденсатор К2 второй ступени. Регулирование работы установки в диапазоне
температур от tпр до температуры t1 осуществляется с помощью регулятора температуры,
воздействующего на дроссельный вентиль Д2. Иногда верхняя ступень теплового насоса
заменяется электрическим нагревателем, что снижает начальные затраты, но приводит к
увеличению расхода электроэнергии. Для круглогодичного кондиционирования в южных районах (отопление зимой,
кондиционирование воздуха летом) распространение получают мелкие теплонаносные
автоматизированные агрегаты (кондиционеры с тепловым насосом) для обслуживания
небольших одноквартирных домов и отдельных комнат. Эти установки очень компактны
и используют наружный воздух в качестве источника низкой температуры.
Реверсирование установки, то есть переход с холодильного режима на теплонаносный
осуществляется изменением направления потока рабочего тела. В мелких установках, где
в качестве дросселирующего органа служит капиллярная трубка, изменение потока
жидкого рабочего тела не вносит каких-либо затруднений в эксплуатацию. 6. Пример использования теплонаносной системы для горячего водоснабжения жилого дома.
В Москве, в микрорайоне Никулино-2 фактически впервые была построена теплонаносная
система горячего водоснабжения многоэтажного жилого дома. Этот проект был
реализован в 1998-2002 годах Министерством обороны РФ совместно с Правительством
Москвы, Минпромнауки России, Ассоциацией "НП АВОК" и ОАО "ИНСОЛАР-ИНВЕСТ"
в рамках "Долгосрочной программы энергосбережения в г. Москве". Проект выполнен
под научным руководством доктора технических наук, член-корреспондента РААСН Ю.
А. Табунщикова. В качестве низкопотенциального источника тепловой энергии для испарителей тепловых
насосов используется тепло грунта поверхностных слоев Земли, а также тепло удаляемого
вентиляционного воздуха. Такая система также допускает использование в качестве
низкопотенциального источника тепловой энергии тепло сточных вод. Установка для
подготовки горячего водоснабжения расположена в подвале здания. Она включает в себя
следующие основные элементы: - парокомпрессионные теплонаносные установки (ТНУ); - баки-аккумуляторы горячей воды; - системы сбора низкопотенциальной тепловой энергии грунта и низкопотенциального
тепла удаляемого вентиляционного воздуха; - циркуляционные насосы, контрольно-измерительную аппаратуру.
Основным теплообменным элементом системы сбора низкопотенциального тепла грунта
являются вертикальные грунтовые теплообменники коаксиального типа, расположенные
снаружи по периметру здания. Эти теплообменники представляют собой 8 скважин
глубиной от 32 до 35 м каждая, устроенных вблизи дома. Система сбора низкопотенциального тепла удаляемого вентиляционного воздуха
предусматривает устройство в вытяжных вентиляционных камерах теплообменников-
утилизаторов, гидравлически связанных с испарителями теплонаносных установок. В
этом случае обеспечивается более глубокое охлаждение вытяжного воздуха и
использование его тепла в тепловых насосах для получения горячей воды. Система решена следующим образом. Из вентиляционных шахт удаляемый воздух
собирается в коллектор и из него вытяжным вентилятором прогоняется через
теплообменник-утилизатор, охлаждается и выбрасывается в атмосферу. Теплообменник-
утилизатор связан с испарителем теплового насоса промежуточным контуром при
помощи циркуляционного насоса. От конденсатора теплового насоса полезное тепло
отводится в систему горячего водоснабжения. Поскольку режим работы тепловых насосов, использующих тепло земли и тепло
удаляемого воздуха, постоянный, а потребление горячей воды переменное, система
горячего водоснабжения оборудована баками-аккумуляторами.
7. Компрессор - элемент теплового насоса.
Компрессоры паровых холодильных машин входят в состав герметически закрытой
системы и предназначены для отсасывания холодного агента из испарителя в целях
поддержания в последнем давления Ро, сжатия пара и выталкивания его в конденсатор
при давлении Рк, необходимом для сжатия. Производительность компрессора характеризуется холодопроизводительностью машины
и зависит от конструкции, режима работы холодильной машины и холодильного агента,
на котором она работает.
8. Историческая справка.
История существования гидравлических машин насчитывает несколько тысячелетий.
Первый насос был поршневым, появился, по-видимому, за несколько веков до нашей эры
в странах древней культуры. Изобретение этого насоса связано с созданием
водоподъемных устройств. Поршневой насос был хорошо известен в Древней Греции и
Риме. Изобретение центробежного насоса приписывается итальянцу Д. Жордану, давшему
первый рисунок такого насоса. Одной из первых удачных конструкций центробежного
насоса является насос французского физика Д. Папена, предложенный им в 1689 г. Первой
примененной в практике машиной для подачи жидкости действием центробежной силы
был насос Ледемура (Франция, 1732 г.). В этой конструкции вода, находящаяся в
наклонной трубе, вращающейся вокруг вертикальной оси, перемещалась с нижнего
уровня на верхней действием центробежной силы самой воды. Таким образом,
достигалась подача воды на некоторую высоту. Классическая схема и конструкция одноколесного центробежного насоса,
применяющегося в различных модификациях и поныне, была осуществлена Андревсом
(США) в 1818 г. и существенно улучшена им в 1846 г. Исследования Андеревса привели к
созданию многоступенчатого центробежного насоса, однако весьма несовершенной
конструкции, запатентованной в 1851 г. Знаменитый ученый Рейнольдс (Англия), исследуя конструкцию многоступенчатого
насоса, ввел в нее прямой и обратный направляющие лопаточные аппараты и в 1875 г.
запатентовал насос, в общих чертах аналогичный современным многоступенчатым
насосам. Широкое распространение центробежных насосов стало возможным только на основе
применения электрической энергии и, в частности, при использовании электродвигателя
трехфазного переменного тока, разработанного инженером В. О. Доливо-Добровольским
(Россия, 1888 - 1889 гг.) К этому времени относится изобретение русским инженером В.
А. Пушечниковым специального малогабаритного насоса для подъема подземных вод с
больших глубин. В России внедрение насосов в промышленность непосредственно связано с развитием
горно-рудного дела. В 18 в. К. Д. Фролов и другие мастера горного дела применяли
установки с поршневыми насосами для откачки воды из шахт. В 18 в. был изобретен паровой двигатель. В 1738 г. Д. Бернулли вывел основополагающее
уравнение жидкости, которое носит его имя. В 1750 г. Л. Эйлер впервые сделал
математический анализ рабочего процесса, происходящего в центробежном насосе и
реактивной турбине, и дал основное уравнение рабочего процесса турбомашин. Примерно с начала 20-х годов 19-го века изменилось само назначение насосов. Если
первоначально они предназначались только для подъема воды, то с этого времени они все
шире применяются для перемещения жидкостей с различными вязкостью и
концентрацией взвешенных частиц, а также химических жидкостей с различными
степенью агрессивности и температурой. Машины для перемещения воздуха и газов появились значительно позже насосов.
Изобретателем воздушного поршневого нагнетателя - прототипа современных
компрессоров с одной ступенью сжатия - считается немецкий физик О. Герике (1640 г.). В настоящее время отечественная промышленность выпускает насосы всех типов,
необходимые для народного хозяйства страны, начиная от миниатюрных микронасосов
для медицинской техники и кончая гигантскими осевыми насосами для ирригационных
систем и энергетики. Модернизация конструкции насосов направлена на снижение металлоемкости при одних
и тех же параметрах насосов, обеспечение наибольшей унификации узлов и деталей
насосов, что позволяет расширять номенклатуру насосов без существенных
дополнительных затрат на их производство. Большое внимание уделяется повышению
качества и надежности насосов, что позволяет экономить энергетические ресурсы и
снижать трудоемкость их эксплуатации и ремонта. 9. Классификация компрессоров.
Гидравлической машиной называют устройство, преобразующее механическую работу в
энергию потока жидкости и наоборот. Турбиной или гидродвигателем называется гидравлическая машина, в которой в
результате обмена энергией происходит преобразование механической энергии жидкости
в механическую работу (вращение вала, возвратно-поступательное движение поршня и
т.д.). Нагнетатель - гидравлическая машина, в которой происходит преобразование
механической работы в механическую энергию жидкости. Основное назначение
нагнетателя - повышение полного давления перемещаемой среды. Насос - устройство, служащее для напорного перемещения (всасывания, нагнетания)
главным образом капельной жидкости в результате сообщения ей энергии. Насосы в
основном классифицируют по принципу действия и конструкции. В этом смысле их
подразделяют на объемные и динамические. Компрессором называют воздуходувную машину, предназначенную для сжатия и подачи
воздуха или какого-либо газа под давлением не ниже 0,2 МПа. Объемные компрессоры работают по принципу вытеснения, когда давление
перемещаемой среды повышается в результате сжатия. В таких компрессорах среда
перемещается путем периодического изменения объема камеры, попеременно
сообщающейся со входом и выходом компрессора. К ним относятся возвратно-
поступательные (поршневые) и роторные (аксиально и радиально-поршневые, шиберные
(пластинчатые), винтовые и т.п.) компрессоры. К преимуществам объемных компрессоров относятся: - возможность развивать напор независимо от подачи; - высокий КПД; - способность перекачивать жидкости различных вязкости и температуры; - возможность перекачивать жидкости, содержащие твердые взвеси; - хорошая всасывающая способность; - отсутствие пенообразования.
К недостаткам объемных компрессоров относятся: - сложность конструкции; - сложная система регулирования подачи; - пульсирующая подача перекачиваемой жидкости.
Динамические компрессоры работают по принципу силового действия на перемещаемую
среду. В таких компрессорах среда под воздействием гидродинамических сил
перемещается в камере (незамкнутом объеме), постоянно сообщающейся с входом и
выходом компрессора. К ним относятся лопастные (радиальные, центробежные, осевые)
нагнетатели и нагнетатели трения (вихревые, дисковые, струйные и т.п.). Лопастными называют компрессоры, в которых среда перемещается за счет энергии,
передаваемой ей при обтекании лопастей рабочего колеса. Лопастные компрессоры
объединяют две большие группы компрессоров: центробежные и осевые. В центробежных
компрессорах среда перемещается через рабочее колесо от центра к периферии, а в осевых
- через рабочее колесо в направлении его оси. В компрессорах трения и инерции среда перемещается под действием сил трения и сил
инерции. В эту группу входят вихревые, лабиринтные, червячные и другие насосы. Среди
них выделяют группу насосов-аппаратов, то есть насосов без движущихся частей (не
считая клапанов). К этой группе относятся струйные насосы, эрлифты, вытеснители. Часто насосы поставляют в виде насосного агрегата, то есть насоса и двигателя
соединенных между собой. Кроме того, существует понятие насосная установка, то есть
насосный агрегат с комплектом оборудования, смонтированного по определенной схеме,
обеспечивающей работу насоса в заданных условиях. 10. Требования к компрессорам.
При проектировании и изготовлении современных компрессоров предусматривают
максимальную унификацию и стандартизацию конструкций, то есть создание одинаковых
узлов и деталей для компрессоров с неодинаковой холодопроизводительностью и
работающих на разных холодильных агентах. Унификация и стандартизация конструкций
значительно облегчают организацию серийного производства, снижают себестоимость
производства и ремонта. Компрессоры, используемые в системах теплогазоснабжения и вентиляции, должны
удовлетворять следующим основным требованиям: - соответствие фактическим параметрам работы (давление, расход и мощность) заданным
расчетным условиям; - возможность регулирования подачи и давления в определенных пределах; - устойчивость и надежность в работе; - простота монтажа; - бесшумность при работе.
11. Объемные компрессоры.
11.1. Поршневые компрессоры.
Поршневые компрессоры относятся к разряду компрессоры объемного действия, в
которых процесс сжатия и перемещения паров хладагента происходит в замкнутом
пространстве цилиндра с помощью поршня. Поршневые компрессоры применяются в
паровых холодильных машинах. По области применения различают стационарные и
транспортные насосы. Кроме того, поршневые насосы подразделяют: 1. По сжимаемым в них хладагентам: - аммиачные; - фреоновые (хладоновые); - универсальные;
2. По величине холодопроизводительности: - малые (до 14 кВт); - средние (14…105 кВт); - крупные (свыше 105 кВт); 3. По числу ступеней сжатия: - одноступенчатые; - многоступенчатые (число ступеней обычно не превышает семи); 4. По числу цилиндров: - одноцилиндровые; - двухцилиндровые; - многоцилиндровые (до 16 цилиндров); 5. В зависимости от кинематической схемы и расположения цилиндров в плоскости: - горизонтальные; - вертикальные; - угловые; - V-образные; - W-образные; - VV-образные; - крестообразные; - звездообразные; 6. По направлению движения хладагента в цилиндре: - прямоточные (хладагент проходит по цилиндру только в одном направлении); - непрямоточные (хладагент меняет направление движения, следуя за поршнем); 7. По типу привода: - с электродвигателем; - с двигателем внутреннего сгорания; 8. По конструкции уплотнения картера: - сальниковые; - бессальниковые; - герметичные и др. В настоящее время наиболее распространенными являются аммиачные и фреоновые
(хладоновые), одноступенчатые, сальниковые и бессальниковые поршневые компрессоры
простого действия, вертикальные и V-образные, прямоточные и непрямоточные. Поршневой компрессор (рис.4.) состоит из цилиндрического корпуса 1, внутри которого
перемещается поршень 2 с кольцами, всасывающего и нагнетательного клапанов.
Поршень в корпусе совершает возвратно-поступательное движение. Преобразование
вращательного движения привода в возвратно-поступательное движение поршня
осуществляется с помощью кривошипно-шатунного механизма. При движении поршня
вправо открывается клапан 3, и жидкость заполняет пространство внутри корпуса. При
этом клапан 4 закрыт. При движении поршня влево клапан 3 закрыт, открывается клапан
4, и жидкость выталкивается в нагнетательный трубопровод.
Рис.4. Схема поршневого насоса.
1 - корпус; 2 - поршень; 3 - всасывающий клапан; 4 - нагнетательный клапан.
Поршневые компрессоры имеют следующие достоинства: - высокий КПД (до 95 %); - возможность получения высоких давлений; - независимость подачи от противодавления сети; - возможность запуска в работу без предварительного залива (при использовании в
качестве насосов).
К недостаткам относится: - громоздкость конструкции; - невозможность использования для привода высокоскоростных электродвигателей из-за
сложности привода через кривошипно- шатунный механизм; - сложность регулирования подачи.
Для поршневых компрессоров предназначенных для транспортных машин большинство
деталей изготавливаются из легких материалов и сплавов. Компрессоры автомобильных и
железно-дорожных холодильных машин строятся с воздушным охлаждением и поэтому
имеют высокую степень оребренности. Не только цилиндры и крышки цилиндров, но и
картер имеет ребра. Работа компрессоров транспортных машин в условиях тряски и вибрации, а также
сложность, в ряде случаев и невозможность выполнения ремонта в дорожных условиях
вызывают необходимость в значительном увеличении прочности деталей, особенно
корпусных, и в повышении общей надежности компрессоров.
11.2. Ротационные компрессоры
Компрессоры, в которых поршень (ротор) вращается относительно цилиндра, называют
ротационными. Они принадлежат к группе прямоточных поршневых компрессоров и
изготавливаются с катящимися, качающимися и вращающимися роторами. Компрессоры с вращающимися роторами бывают с двумя, четырьмя (и более)
пластинами, с круглым и эллипсным цилиндрами, с трохоидным цилиндром и ротором
(трохоида - кривая, образованная точкой, лежащей на поверхности одной окружности и
катящейся по поверхности другой окружности). Каждая часть эллипсного цилиндра
работает как отдельный ротационный компрессор. Пластинчатые компрессоры компактнее и не требуют разгрузки при пуске. Сжатие
начинается только после повышения частоты вращения до заданного предела. Однако
потери теплоты трения и температура конца сжатия у них выше, износ пластин больше. В
пластинчатых компрессорах давление в конце сжатия определяется размерами камер
сжатия; при понижении температуры нагнетания давление не снижается и компрессор
работает менее экономично. В компрессорах с катящимся ротором вал расположен эксцентрично по отношению к
цилиндру (корпусу). На вал насажен ротор (поршень) с фрезерованными по всей длине
прорезями, в которых могут помещаться пластины. Ротационные компрессоры по сравнению с поршневыми имеют ряд преимуществ: - малые габариты; - небольшая масса; - большая уравновешенность; - отсутствие шатунно-кривошипного механизма и сравнительно небольшое количество
движущихся частей, подвергающихся износу, - - что обусловливает надежность машин в
эксплуатации и простоту обслуживания; - отсутствие клапанов; - равномерность подачи газа.
К недостаткам ротационных компрессоров относятся: - сложность изготовления и ремонта; - трудность уплотнения при больших давлениях.
Благодаря отсутствию всасывающих клапанов в ротационных компрессорах достигаются
более низкие давления всасывания и, следовательно, они могут работать при более низких
температурах кипения хладагента. Однако неплотности между поверхностью цилиндра и
пластинами и связанные с этим пере течки газа между полостями не позволяют достичь
высоких степеней сжатия, а, следовательно, и высоких давлений нагнетания,
соответствующих реальным температурам конденсации.
11.2.1. Винтовые компрессоры.
Благодаря небольшим габаритам, возможности работать при высокой частоте вращения,
технической характеристике, близкой к характеристике поршневых компрессоров,
винтовым компрессорам принадлежит большое будущее в холодильной технике. Винтовой компрессор состоит из корпуса (цилиндра), ведущего и ведомого роторов с
зубчато-винтовыми лопастями. При вращении роторов пары поступают в полость всасывания, во впадины роторов (через
всасывающие окна). При дальнейшем вращении происходит отсечка полостей от
всасывающего окна и пары остаются в замкнутом объеме, который уменьшается по мере
того, как зубья одного ротора входят во впадины другого. При этом пары сжимаются и по
окончании сжатия нагнетаются в нагнетательное окно. Достоинства винтовых компрессоров: - простота конструкции; - малая масса и габариты; - надежность в эксплуатации; - отсутствие трения в полости сжатия; - возможность широкого использования в низкотемпературных холодильных установках
(очень низкий предел давления всасывания 5…2 кПа); - возможность сжатия двухфазных и запыленных сред без ухудшения характеристик
машины.
Винтовые компрессоры по способу охлаждения бывают маслозаполненными и сухого
сжатия. В маслозаполненных компрессорах охлаждение газа происходит за счет
впрыскивания в рабочие полости роторов масла или другой жидкости, что не всегда
допускается. В компрессорах сухого сжатия для охлаждения газа в корпусе
предусматриваются водяные рубашки. Основным недостатком винтовых компрессоров является создаваемый ими шум. Уровень
шума маслозаполненных винтовых компрессоров, благодаря их меньшей быстроходности
(по сравнению с винтовыми компрессорами сухого сжатия) и наличию масла, не
превышает уровень шума поршневых компрессоров. Наиболее целесообразно применять аммиачные винтовые компрессоры с
холодопроизводительностью при стандартных условиях 350…1745 кВт. При более низкой
холодопроизводительности винтовые компрессоры по массе и габаритным размерам
становятся соизмеримыми с поршневыми компрессорами, то есть теряют свои
преимущества из-за громоздкости маслосистемы. Винтовые компрессоры выпускают одно- и двухступенчатыми с максимальным
давлением нагнетания соответственно 0,4 и 1,15 МПа.
11.2.2. Шиберные (пластинчатые) компрессоры.
Шиберный (пластинчатый) компрессор (рис.5.), относится к группе роторных машин. Он
состоит из цилиндрического корпуса, в котором эксцентрично расположен массивный
ротор с радиальными продольными пазами, где свободно размещены пластины,
выполненные из материала, хорошо сопротивляющегося истиранию. При вращении
ротора пластины под действием центробежных сил выходят из пазов, прижимаются к
внутренней поверхности корпуса. Захватывают на стороне всасывания жидкость и
перемещают ее к нагнетательному трубопроводу, то есть пластины как бы выполняют
роль поршня. Рис.5. Схема шиберного (пластинчатого) компрессора.
1 - корпус; 2 - ротор; 3 - пластины.
К достоинствам шиберного (пластинчатого) компрессора относятся: - высокая равномерность подачи; - возможность непосредственного соединения с электродвигателем; - отсутствие клапанов; - реверсивность; - независимость подачи от противодавления сети; - возможность использования для создания вакуума.
К недостаткам следует отнести: - повышенную чувствительность к качеству перемещаемой среды (наличию в ней
механических примесей); - быстрый износ кромок пластин; - довольно низкий КПД - 50 % (из-за перетекания жидкости через затворы между
кромками пластин и стенками корпуса).
11.2.3. Аксиально-поршневые компрессоры.
На рис.6. дана конструктивная схема аксиального поршневого роторного компрессора. В
неподвижный корпус 1 плотно встроен ротор 2, свободно вращающийся вокруг оси 0-0. В
теле ротора 2 выполнены цилиндрические, хорошо обработанные отверстия 3 с осями,
параллельными 0-0. Эти отверстия являются цилиндрами компрессора. Торцы цилиндров
3 снабжены сквозными отверстиями 4. Ротор 2 сопряжен карданом 5 с наклонной
вращающейся шайбой 6, сидящей на валу электродвигателя 7. Поршни 8 соединены
тягами 9 с шарнирами, закрепленными на плоскости шайбы 6. При вращении шайбы 6 и
соединенного с ней ротора 2 шарниры 10 и 10' бегут по окружности в плоскости ab,
установленной под углом к плоскости вращения ротора. При этом объемы, замыкаемые в
цилиндрах, непрерывно изменяются. Рис.6. Конструктивная схема аксиально-поршневого роторного компрессора.
1 - корпус; 2 - ротор; 3 - цилиндры; 4 - отверстия; 5 - карданы; 6 - шайба;
7 - электродвигатель; 8 - поршни; 9 - тяга; 10,10' - шарниры; ab - плоскость.
Компрессоры аксиально-поршневого типа реверсивны и обратимы; при подведении среды
под давлением к одному из патрубков насоса и сообщении другого со сливом силы,
действующие от среды на поршни, будут передаваться по штокам на плоскость шайбы 6;
таким образом, эти силы будут давать тангенсальные составляющие, обусловливающие
вращательный момент и мощность на валу шайбы. В рассмотренной конструктивной схеме компрессора его геометрическая ось пересекается
с осью двигателя, поэтому для передачи мощности от двигателя ротору компрессора
необходим карданный вал 5, усложняющий конструкцию. Имеются аксиально-поршневые
компрессоры, в которых геометрические оси компрессора и двигателя лежат на одной
линии.
11.2.4. Радиально-поршневые насосы.
Конструктивная схема радиально-поршневого роторного компрессора представлена на
рис.7. Ротор 1 имеет радиально расточенные отверстия 2, выполняющие назначение
цилиндров. Поршеньки 3, входящие в отверстия 2, своими наружными концами
упираются во внутреннюю поверхность направляющего корпуса 4. Ротор 1 расположен в корпусе 4 эксцентрично. Внутри осевой расточки ротора поставлена
неподвижная разделительная перегородка 5. При вращении ротора в направлении часовой
стрелки поршеньки, бегущие по дуге ab, отодвигаются от центра и всасывают среду из
внутренней плоскости 6. Движение концов поршеньков по дуге ba вызывает перемещение
их к центру и подачу среды в полость 7 и далее к напорному штуцеру насоса.
Рис.7. Поршневой радиальный роторный компрессор.
1 - ротор; 2 - отверстия; 3 - поршеньки; 4 - корпус; 5 - перегородка; 6 - внутренняя полость; 7 - полость.
Компрессор реверсивен и обратим. Последнее обусловлено тем, что при подведении
среды под давлением сила, действующая на любой из поршней, обусловливает
скольжение наружного кольца поршня по образующей. Поэтому возникает вращение
ротора и крутящий момент на его валу.
12. Динамические компрессоры.
12.1. Лопастные компрессоры.
12.1.1. Центробежные компрессоры. В центробежном компрессоре (рис.8.) со спиральным кожухом перемещаемая среда,
двигаясь в осевом направлении через всасывающий коллектор, попадает на вращающееся
рабочее колесо, снабженное лопатками, изменяет направление своего движения к
периферии колеса, закручивается в направлении вращения, поступает в спиральный
кожух и затем через отверстие выходит из нагнетателя. Рабочее колесо сидит на валу и
приводится во вращение приводом. Вал вращается в подшипниках, укрепленных на
станине или непосредственно на кожухе.
Рис.8. Схема центробежного компрессора.
1 - входной патрубок; 2 - рабочее колесо; 3 - корпус;
4 - нагнетательный патрубок; 5 - лопатка.
К достоинствам таких компрессоров следует отнести: - возможность использования для привода высокоскоростных электродвигателей; - высокий КПД (более 80 %); - простоту изготовления; - высокую равномерность подачи и относительную простоту ее регулирования; - они не имеют элементов, совершающих возвратно-поступательное движение, поэтому
они не требуют массивных фундаментов; - движущиеся поверхности этих машин соприкасаются с неподвижными через
подшипники, следовательно, у них нет быстроизнашивающихся узлов; - имеют простую конструкцию; - центробежные компрессоры экономичны в эксплуатации. Недостатком является то, что подача зависит от сопротивления сети. В теплоэнергетике используются центробежные насосы, разнообразные по основным
параметрам и конструкциям. Это вызывается различием в условиях работы и
эксплуатационных требованиях.
12.1.2. Осевые компрессоры.
В осевом компрессоре (рис.9.) поток движется преимущественно в направлении оси
вращения, и некоторое закручивание приобретает лишь при выходе из колеса. Поток через
коллектор поступает во входной направляющий аппарат, затем в рабочее колесо и в
выходной направляющий аппарат. Колесо сидит на валу, вращающемся в подшипниках,
укрепленных на стойках. Колесо и направляющие аппараты заключены в кожух
(обечайку). Втулка рабочего колеса имеет обтекатель. При небольших подачах все детали компрессора, кроме вала и крепежных частей (колец,
втулок, болтов, гаек), выполняются из чугунного литья. В компрессорах значительной
подачи рабочее колесо выполняется из стального литья. Лопасти могут изготовляться
отдельно от втулки и крепиться к ней одним или несколькими болтами. Известны
конструкции осевых компрессоров, выполненные в основном из листовой и фасонной
стали сварным способом.
Рис.9. Схема осевого компрессора.
1 - коллектор; 2 - входной направляющий аппарат; 3 - рабочее колесо;
4 - выходной направляющий аппарат; 5 - кожух (обечайка); 6 - обтекатель.
Промышленность выпускает осевые компрессоры с жестким креплением лопастей к
втулке и с поворотным креплением (поворот - перестановка лопастей - производится при
остановленном компрессоре). Имеются конструкции крупных осевых компрессоров с
лопастями, поворачивающимися на ходу насоса через полый вал аналогично поворотно-
лопастным гидротурбинам. Это дает большие удобства при регулировании подачи при
сохранении высокого КПД. Однако этот способ усложняет и удорожает конструкцию и
оправдан только для крупных машин. Как в осевом, так и в радиальном компрессоре передача энергии от двигателя потоку
среды происходит во вращающемся рабочем колесе. К достоинствам осевых компрессоров следует отнести: - простоту в изготовлении; - компактность; - реверсивность; - по сравнению с радиальными компрессорами они имеют более высокий КПД и подачу
при относительно низком давлении (напоре).
12.2. Турбокомпрессоры.
Для холодильных машин большой холодопроизводительности весьма компактными и
экономичными для сжатия пара являются высокооборотные турбокомпрессоры, которые
отличаются рядом преимуществ по сравнению с компрессорами объемного сжатия
(поршневыми, винтовыми, ротационными): отсутствием клапанов; динамической уравновешенностью; высокооборотностью; малыми габаритами; отсутствие смазки в проточной части - рабочее тело не загрязняется маслом; отсутствие знакопеременных сил инерции и трущихся поверхностей, вследствие чего
турбокомпрессоры более надежны и долговечны. Турбокомпрессор обычно строят с несколькими рабочими колесами. Поэтому он является
многоступенчатой машиной, с помощью которой в холодильном цикле проще
выполняется промежуточный отбор пара. По принципу работы турбокомпрессоры разделяют на осевые и центробежные. Осевые
компрессоры применяют для очень больших холодопроизводительностей. Центробежные
компрессоры с экономической точки зрения выгодно использовать в холодильных
машинах холодопроизводительностью от 500 до нескольких тысяч кВт. Центробежные турбокомпрессоры применяют в газовых и крупных паровых холодильных
машинах. Осевые турбокомпрессоры используются при сжатии больших количеств
рабочего тела в газовых холодильных машинах. Несмотря на такое важное преимущество
осевого компрессора перед центробежным, как возможность получения более высокого
КПД, осевые турбокомпрессоры не получили еще широкого распространения в
промышленности. Однако по мере роста единичных мощностей технологических
установок осевые компрессоры неизбежно начнут приходить на смену центробежным.
13. Насосы трения и инерции.
13.1. Струйные компрессоры.
Принцип действия струйного компрессора (насоса) основан на передаче энергии от одной
газообразной среды или жидкой (рабочей) к другой (перекачиваемой). Движение
перемещаемой жидкости обеспечивается струей рабочей среды. Различают три
разновидности струйных насосов: эжекторы, инжекторы и гидроэлеваторы. В эжекторах в
качестве рабочей и перекачиваемой жидкостей используется одна и та же жидкость. В
инжекторах рабочим (эжектирующим) потоком является газ или пар, а эжектируемым
(перекачиваемым) - жидкость. В гидроэлеваторах рабочим потоком является вода, а эжектируемым - пульпа (смесь воды
с твердыми частицами).
Рис.10. Схема эжектора.
1 - сопло; 2 - камера смешения; 3 - диффузор.
Любой струйный аппарат (рис.10.) состоит из сопла, куда подается рабочая жидкость
(вода, пар, газ), камера смешения, где смешиваются рабочая и подсасываемая жидкость, и
диффузор, в котором осуществляется преобразование кинетической энергии в
потенциальную, то есть создается давление. Работает струйный аппарат следующим образом. Рабочая жидкость выходит из сопла с
большой скоростью в виде струи, несущей большой запас кинетической энергии.
Активная рабочая струя захватывает окружающую жидкость и передает ей часть своей
энергии. Образовавшийся смешанный поток движется в проточной части аппарата. В
камере смешения в результате обмена импульсами происходит выравнивание поля
скоростей потока и за счет высвобождающейся кинетической энергии растет его
статическое давление. Затем поток поступает в диффузор, где вследствие уменьшения
скорости и, следовательно, динамического давления потока происходит увеличение
статического давления. К патрубку рабочей жидкости эжектора (струйного насоса) под напором подводится поток
жидкости. Жидкость под действием напора с большой скоростью вытекает из сопла, при
этом ее потенциальная энергия преобразуется в кинетическую. Разрежение при выходе из
сопла настолько велико, что в камеру смешения через всасывающий патрубок
засасывается перекачиваемая жидкость. Образовавшаяся смесь попадает в диффузор, где
за счет уменьшения скорости вновь увеличивается потенциальная энергия потока
(возрастает напор). К достоинствам струйных компрессоров следует отнести: - простоту конструкции; - отсутствие подвижных элементов.
К недостаткам относится: - очень низкий КПД (не превышает 35 %).
14. Область применения различных насосов, нагнетателей и компрессоров.
Нагнетатели различных типов находят широкое применение в системах вентиляции и
кондиционирования воздуха гражданских, общественных и промышленных зданий, в
системах тепло-, газо и водоснабжения, в различных теплоэнергетических установках, в
химической, добывающей, машиностроительной и других отраслях народного хозяйства. Наибольшее применение получили радиальные (центробежные) нагнетатели со
спиральным кожухом общего и специального назначения. Используемые в качестве
насосов, они создают напор 3500 м и более и имеют подачу 100 000 м3/ч в одном агрегате;
при использовании в качестве вентиляторов их подача достигает 1 000 000 м3/ч в одном
агрегате. Центробежные насосы в системах теплоснабжения применяют для подачи сетевой воды.
В теплоэнергетических установках центробежные насосы применяют для питания
котлоагрегатов, а также для подачи конденсата в системе регенеративного подогрева
питательной воды и циркуляционной воды в конденсаторы турбин. Их используют также
в системах гидрозолоудаления. Центробежные насосы применяют для подачи различных
растворов и реагентов в технологических системах производств; в строительной и
угольной промышленности - при гидромеханизации разработки грунтов и при
гидравлическом способе добычи угля; в торфяной промышленности - для разработки
залежей торфа и подачи смеси торфа с водой. Осевые нагнетатели широко применяются как в качестве вентиляторов, так и в качестве
насосов. В последние годы в связи с увеличением мощностей паровых турбин
циркуляционная вода в конденсаторы турбин подается быстроходными осевыми
насосами. Вихревые насосы обычно применяют при необходимости создания большого напора или
малой подачи. Поэтому их широко применяют в химической промышленности для подачи
кислот, щелочей и других химически агрессивных реагентов, где при малых подачах
(мала скорость протекания химических реакций) необходимы высокие напоры (велики
гидравлические сопротивления реакторов и давления, при которых протекают реакции).
Вихревые машины используют в качестве вакуум-насосов и компрессоров низкого
давления. В последние годы они находят применение в системах перекачки сжиженного
газа. Поршневые насосы применяют для питания паровых котлоагрегатов малой
паропроизводительности и в качестве дозаторов реагентов для поддерживания требуемого
качества питательной и котловой воды крупных котлоагрегатов. На тепловых
электростанциях поршневые компрессоры служат для обдува поверхностей нагрева
котельных агрегатов с целью их очистки от летучих золы и сажи, а также для снабжения
воздухом пневматического инструмента и прессов. Роторные нагнетатели применяют на электростанциях в системах смазки и регулирования
турбин (шестеренные насосы), часто используют в качестве компрессоров. Струйные нагнетатели получили широкое применение во многих отраслях народного
хозяйства: в промышленной теплоэнергетике; в теплофикационных установках - в
качестве элеваторов на вводах теплосети в здание; в системах вентиляции цехов
химических предприятий, взрыво, пожароопасных помещений - в качестве эжекторов в
вытяжных установках; в холодильных установках и для питания паровых котлов в
передвижных паросиловых установках - в качестве инжекторов; в установках пневмо и
гидротранспорта, водоснабжения и др. Струйные насосы используют для удаления
воздуха из конденсаторов паровых турбин и в абонентских теплофикационных вводах в
качестве смесителей прямой и обратной воды. Центробежные компрессоры являются основным видом компрессорных машин в
химическом и металлургическом производствах. Эти машины получают распространение
в системах магистрального газоснабжения. Компрессоры используются практически во всех отраслях народного хозяйства. Сжатый
воздух как энергоноситель применяется в различных пневматических устройствах на
машиностроительных и металлообрабатывающих заводах, в горно-добывающей и
нефтяной промышленности, при производстве строительных и ремонтных работ.
Компрессоры необходимы в газовой промышленности при добыче, транспортировке и
использовании природных и искусственных газов. В химической промышленности газовые многоступенчатые компрессоры используются в
циклах синтеза химических продуктов при высоком давлении. В последнее время сжатый
воздух, получаемый от поршневых компрессоров, находит применение в текстильной
промышленности как энергоноситель для проведения ткацкого процесса. В установках умеренного и глубокого холода, а также в газотурбинных установках
компрессоры являются органической частью, в значительной степени, определяющей
экономичность агрегатов. Библиография.
1. Курылев Е С., Герасимов Н. А. Холодильные установки: Учебник для студентов вузов,
обучающихся по специальности "Холодильные и компрессионные машины и установки".
- 3-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1980. - 622 с.
2. Лобачев П. В. Насосы и насосные станции: Учебник для техникумов. - 2-е изд., перераб.
и доп. - М.: Стройиздат., 1983. - 191 с.
3. Малыгина Е. В. и др. Холодильные машины и установки / Малыгина Е. В., Малыгин Ю.
В., Суедов В. П. - М.: Пищевая промышленность, 1980. - 592 с.
4. Мещеряков Ф. Е. Основы холодильной техники и холодильной технологии. - М.: Пище-
вая промышленность, 1975. - 560 с.
5. Поляков В. В., Скворцов Л. С. Насосы и вентиляторы: Учебник для вузов. - М.:
Стройиз-дат., 1990. - 336 с.
6. Скворцов Л. С. и др. Компрессорные и насосные установки: Учебник для средних
профессиональнотехнических училищ / Л. С. Скворцов, В. А. Рачицкий, В. Б. Ровенский. -
М.: Машиностроение, 1988. - 264 с. 7. Холодильные машины. / Кошкин Н. Н., Ткачев А. Г., Бадылькес И. С., Ден Г. Н. и др.
Под общ. ред. Н. Н. Кошкина. М.: Пищевая промышленность, 1973. - 512 с.
8. Червяков С. С., Кулаковский А. И. Основы холодильного дела: Учеб. пособие для
СПТУ - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1988. - 144 с.
9. Черкасский В. М. Насосы, вентиляторы, компрессоры: Учебник для
теплоэнергетических специальностей вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.:
Энергоатомиздат, 1984. - 416 с.
10. www.hvac.ru - библиотека научных статей (журнал "АВОК": e-mail: support@abok.ru).
11. www.domsovet.ru - библиотека научных статей (журнал "Энергосбережение", журнал
"Сантехника").
Автор
inga.b.sysoeva
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
517
Размер файла
224 Кб
Теги
статься, университета
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа