Study of ammonia screw compressor used in a refrigeration unit a chiller with economizer

Full Text

Обоснование

В настоящее время холодильные установки находят широкое применение в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства и играют большую роль в решении вопросов продовольственной безопасности страны. С другой стороны в стране уделяется большое внимание вопросам сбережения энергии. Поэтому при проектировании холодильных установок большое внимание уделяется увеличению холодильного коэффициента при разработке рабочего цикла холодильной машины. Известно, что применение экономайзера в холодильных установках с одноступенчатыми винтовыми компрессорами позволяет решить эту задачу. Особенно эффективно применение экономайзера в низкотемпературных холодильных установках (температура кипения хладагента от минус 25 до минус 45°С). В них переохлаждение сконденсированного хладагента до значительных температур позволяет увеличивать холодопроизводительность установки более чем в 1,5 раза [1].

Цель

Аналитически определить промежуточное давление в рабочей ячейке винтового аммиачного холодильного компрессора, которую необходимо соединить с портом подключения экономайзера.

Методы

Дизайн исследования

В настоящее время в холодильных установках применяется два типа экономайзеров: открытые и закрытые. В холодильных установках с открытым экономайзером из компрессорной установки (рис. 1), которая состоит из винтового компрессора К, двигателя М и маслоотделителя МО, пар холодильного агента подаётся в конденсатор, КОН и образовавшаяся в конденсаторе жидкость в открытый экономайзер Э. Открытый экономайзер состоит из двух сосудов: поплавковой камеры 1 и циркуляционного ресивера 2. Поплавковый регулятор поплавковой камеры дросселирует жидкость до промежуточного давления, и подаёт образовавшийся влажный пар в циркуляционный ресивер 2. В циркуляционном ресивере влажный пар разделяется на жидкость и пар. Пар всасывается в рабочую ячейку винтового компрессора, а жидкость подаётся в испаритель И.

Рис. 1. Холодильная установка с винтовой компрессорной установкой и открытым экономайзером.

Fig. 1. A refrigeration unit with a screw compressor and an open economizer.

В решаемой задаче рассматривается цикл холодильной установки с закрытым экономайзером и винтовым аммиачным холодильным компрессором, который работает в трёх режимах:

• режим 1 температура кипения — минус 33°С, температура конденсации – +38°С
• режим 2 температура кипения — минус 33°С, температура конденсации – +20°С
• режим 3 температура кипения — минус 33°С температура конденсации – +29°С

В холодильных установках, использующих в качестве хладагента аммиак, применение пластинчатых, пластинчато-ребристых или кожухотрубных теплообменников в качестве переохладителей нецелесообразно. Для них применяют промсосуды. В холодильных установках при переходе к сухому ходу компрессора появляются термодинамические потери, связанные с тем, что температура нагнетания компрессора становится выше температуры окружающей среды, поэтому появляются внешние необратимые потери, связанные с охлаждением пара холодильного агента. Эти потери особенно велики в аммиачных холодильных установках. Чтобы их сократить, в аммиачных холодильных установках пар всасывают с линии насыщения. В двухступенчатых установках этого можно достичь, если охлаждать пар в промсосудах. Поэтому в качестве экономайзера в рассматриваемой холодильной установке используем экономайзер, разработанный на базе промсосуда со змеевиком. (рис 2).

Рис. 2. Схема аммиачной холодильной установки с экономайзером и одноступенчатым винтовым компрессором: К — винтовой компрессор, Кон — конденсатор, Э — экономайзер, И — испаритель, МО — маслоотделитель, a — регулятор давления «до себя», b — электропневмоклапан, c — поплавковый регулятор уровня, d — регулирующий вентиль, e — терморегулирующий вентиль.

Fig. 2. Diagram of the ammonia refrigeration unit with an economizer and a single-stage screw compressor. K screw compressor; Kon, condenser; Э, economizer; И, evaporator, МО, oil separator. a, Back pressure control valve; b, Electropneumatic valve; c, Float level control; d, Expansion valve; e, Thermostatic expansion valve.

В установке из компрессора К выходит (1+α) кг пара аммиака в состоянии 4 (рис. 3), который конденсируется в конденсаторе до состояния 5. Жидкость после выхода из конденсатора Кон делится на два потока: первый поток, в количестве α, кг, дросселируется в РВ до промежуточного давления p_m и образовавшийся влажный пар в состоянии 6 подаётся в экономайзер; второй поток, в количестве 1, кг, движется в змеевике экономайзера. Жидкость в змеевике в теоретическом случае (без тепловых потерь) переохладилась бы до температуры жидкости после РВ t₉. Но так как потоки жидкости в змеевике и экономайзере разделены стенкой змеевика, то в действительности между потоком жидкости в змеевике и жидкостью в экономайзере будет существовать температурный напор в размере 2–5°С, и, жидкость в змеевике переохладится до температуры t₇. Это приведёт к уменьшению холодопроизводительности на величину (h₈ – h_8’). Однако, так как аммиак имеет низкую теплоёмкость жидкости, то увеличение холодопроизводительности установки (h₅ – h₇) будет значительно больше потерь (h₈ – h_8’) и, следовательно, в предлагаемом цикле получим увеличенный холодильный коэффициент. Он будет на 1,2–1,5% ниже, чем в цикле с открытым экономайзером типа ЕСО [2], если не учитывать теплоприток к насыщенной жидкости на пути от экономайзера до испарителя. Применение змеевика позволяет переохладить жидкость перед ТРВ и уменьшить потери при течении однофазной среды от экономайзера до ТРВ, который обычно располагается в непосредственной близости от испарителя в холодильной камере. Это в свою очередь приводит к увеличению холодопроизводительности и, следовательно, холодильного коэффициента.

Рис. 3. Цикл холодильной установки с экономайзером и винтовым компрессором в диаграмме h-p для режима 1.

Fig. 3. Refrigeration cycle with economizer and screw compressor in h-p diagram for mode 1. Методика определения промежуточного давления.

Проведенные в рамках исследования процедуры

Для аналитического определения промежуточного давления в рабочей ячейке винтового аммиачного холодильного компрессора, которую необходимо соединить с портом подключения экономайзера, была составлена следующая математическая модель.

Промежуточное давление p_m в циклах определено по формуле

$p_{т}=\sqrt{\frac{p_{н}}{p_{вс}}}$, (1)

где p_н = p_к — соответственно, давление нагнетания компрессора, и давление конденсации аммиака при заданной температуре конденсации; p_вс = p₀ — соответственно, давление всасывания компрессора, и давление испарения аммиака при заданной температуре испарения.

По промежуточному давлению определена температура влажного пара аммиака t_m при промежуточном давлении и температура жидкости перед входом в ТРВ, t₈ = t₇

$t_7=t_9+\Delta t_{ндр}$, (2)

где  — температура недорекуперации. Она, в рассматриваемой задаче, принята максимальной и равной 5 К.

Из теплового баланса экономайзера  находим количество пара, которое образуется в экономайзере α

$\alpha =\frac{h_5-h_7}{h_3-h_6}$. (3)

Пар аммиака в количестве  и состоянии точки 3 подаётся в промежуточную рабочую ячейку винтового компрессора (рис. 4), давление в которой определяется как

$p_{4^{\text{'}}}=p_4-\Delta p$, (4)

где  — перепад давления, который обеспечивает стабильную работу экономайзера [3, 4]. Потеря давления  по рекомендации принимается равной 0,12 МПа и смешение происходит при постоянном объёме рабочей ячейки, то есть мгновенно. Тогда энтальпия пара после смешения определится по формуле

$h_{4^{\text{'}}}=\frac{h_2+\alpha \cdot h_3}{1+\alpha }$. (5)

Рис. 4. Расположение порта всасывания экономайзера и процесс сжатия пара в винтовом компрессоре.

Fig. 4. Economizer suction inlet location and vapor compression process in screw compressor.

Процесс сжатия после смешения принимаем адиабатным. Удельная холодопроизводительность q₀, подача G₁, производительность компрессора V_e, и описанный объём V_h определяются по формулам:

$q_0=h_1+h_8$, (6)

$G_1=\sqrt{\frac{Q_0}{q_0}}$, (7)

$V_e=G_1\cdot {\nu }_1$, (8)

$V_h=\frac{V_e}{\lambda }$, (9)

где λ — коэффициент подачи компрессора. λ определяется по экспериментальным данным [5]. V_h рассчитывается для определения геометрических размеров компрессора.

Определим расход жидкости, текущей через змеевик

$G_{змеевика}=G_1\cdot \frac{h_5-h_7}{h_3-h_6}$ (10)

и расход пара на выходе из компрессора

$G_{II}=G_1\cdot \frac{h_3-h_7}{h_3-h_6}$ (11)

Тогда работа, затрачиваемая в единицу времени на сжатие холодильного агента, на первом L₁ и на втором L₂ этапах сжатия равна

$L_1=\left(h_2-h_1\right)\cdot \frac{G_1}{{\eta }_e}$, (12)

$L_2=\left(h_{4^{\text{'}\text{'}\text{'}}}-h_{4^{\text{'}}}\right)\cdot \frac{G_{II}}{{\eta }_e}$, (13)

где η_е — эффективный КПД.

Эффективный КПД определяется в зависимости от степени повышения давления π₁ на первом этапе сжатия [5]

${\pi }_1=\frac{p_{т}}{p_0}$, (14)

и π₂ на втором этапе [5]

${\pi }_2=\frac{p_{н}}{p_{т}}$. (15)

Работа, затрачиваемая в единицу времени на смешение холодильного агента

$L_3=\left(p_3-p_2\right)\cdot v_{4^{\text{'}}}\cdot {10}^3\cdot G_{II}$, (16)

где  — удельный объём пара аммиака в точке 4’.

Принимается, что процесс смешения происходит мгновенно. Тогда из уравнения теплового баланса процесса смешения можно определить энтальпию в точке 4’[3]

$i_{4^{\text{'}}}=\frac{i_2+\alpha \cdot i_3}{1+\alpha }$, (17)

Рис. 5. Зависимость холодильного коэффициента от промежуточного давления.

Fig. 5. Correlation of the refrigerating coefficient with the intermediate pressure.

Индикаторная мощность компрессора

$N_i=L=L_1+L_2+L_3$, (18)

и эффективная мощность

$N_e=N_i/{\eta }_{мех}$, (19)

где η_мех — механический КПД

Механический КПД определяется в зависимости от полной степени повышения давления в компрессоре [5]

$\pi =\frac{p_{к}}{p_0}$. (20)

Эффективный холодильный коэффициент равен

${\epsilon }_{е}=\frac{Q_0}{N_e}$. (21)

Основной исход исследования

По изложенной методике был проведён расчёт всех трех режимов холодильной установки (табл. 1). Проведённый расчёт показал, что наибольший холодильный коэффициент получается при максимальном промежуточном давлении.

Таблица 1. Термодинамические значения расчётных параметров точек цикла

Table 1. Thermodynamic values of the calculated cycle point parameters.

ε1 при t_K = 20°С и р_к = 8,57 бар

ε2 при t_K = 29°С и р_к = 11,3 бар

ε3 при t_K = 38°С и р_к = 14,741 бар

Дополнительные исходы исследования

Так как проведённый расчёт не позволил определить оптимальное значение холодильного коэффициента, то был рассмотрен ещё один режим с промежуточным давлением p_m = 4,975 бар (рис. 4, табл. 1).

Введение дополнительного режима позволило сделать вывод, что подсоединять экономайзер следует при давлении в рабочей ячейке p_эк = 3,9-1,2 ≈ 2,7 бар.

Результаты

Основные результаты исследования

Исследован винтовой маслонаполненный компрессор, работающий в холодильной установке с экономайзером на трёх режимах. Показано, что в рассматриваемом случае максимальное значение холодильного коэффициента достигается при промежуточном давлении 3,9 бар, и, учитывая стабильную работу экономайзера, его порт следует подсоединять к ячейке с давлением 2,7 бар.

Заключение

Авторам не известны работы по анализу холодильных аммиачных машин с экономайзером. Рассмотрена работа аммиачной холодильной машины в цикле с закрытым экономайзером. Экономайзер разработан на базе промсосуда со змеевиком. Предложена схема цикла с этим экономайзером и разработана модель исследования цикла. Для выяснения длины от торца всасывания, при которой необходимо подсоединять порт экономайзера, было проведено исследование при дополнительном давлении конденсации. Проведённые исследования позволили решить поставленную задачу и определить место расположения порта подсоединения экономайзера. Кроме того, аналитическое исследование показало, что в аммиачных холодильных машинах применение экономайзера не приводит к ощутимому уменьшению работы цикла, но благодаря тому, что аммиак имеет низкую теплоёмкость жидкости, значительно увеличивается переохлаждение жидкости, и это приводит к увеличению холодильного коэффициента.

Дополнительная информация

Вклад авторов. М.Н. Турков — обзор литературы, сбор и анализ литературных источников, подготовка и написание текста статьи; И.В. Автономова — обзор литературы, сбор и анализ литературных источников, написание текста и редактирование статьи. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение аналитического исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с проведенным исследованием и публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования и подготовке публикации.

Additional information

Authors’ contributions. M.N. Turkov: literature review, collection and analysis of literary sources, preparation and writing of the text of the article; I.V. Avtonomova: literature review, collection and analysis of literary sources, writing the text and editing the article. All authors confirm the compliance of their authorship with the ICMJE international criteria (all authors have made a significant contribution to the development of the concept, analytical research and preparation of the article, read and approved the final version before publication).

Conflict of interest. The authors declare the absence of obvious and potential conflicts of interest related to the research and publication of this article.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

About the authors

Maksim N. Turkov

Email: turkov_mn@chkz.ru
ORCID iD: 0009-0005-8394-967X
Russian Federation, Cheleabinsk

Inna V. Avtonomova

Author for correspondence.
Email: e5-kafedra@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0003-8162-296X
SPIN-code: 9742-8280

Cand. Sci. (Tehn.), Associate Professor

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. A refrigeration unit with a screw compressor and an open economizer.

Download (72KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Diagram of the ammonia refrigeration unit with an economizer and a single-stage screw compressor. K screw compressor; Kon, condenser; Э, economizer; И, evaporator, МО, oil separator. a, Back pressure control valve; b, Electropneumatic valve; c, Float level control; d, Expansion valve; e, Thermostatic expansion valve.

Download (151KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. Refrigeration cycle with economizer and screw compressor in h-p diagram for mode 1. Методика определения промежуточного давления.

Download (56KB)

Indexing metadata

5. Fig. 4. Economizer suction inlet location and vapor compression process in screw compressor.

Download (104KB)

Indexing metadata

6. Fig. 5. Correlation of the refrigerating coefficient with the intermediate pressure.

Download (101KB)

Indexing metadata