Схемы и циклы холодильных машин

Схема охлаждения с использованием холодильной машины. От охлаждаемого воздуха холодильной камеры, имеющего низкую температуру Т0, теплоноситель (хладагент) отнимает теплоту и передает ее внешней среде, имеющей более высокую температуру Т (рис. 30.5). При этом хладагент, циркулирующий в холодильной машине, совершает обратный круговой процесс, или холодильный цикл. Из энергетического баланса видно, что теплота, передаваемая холодильной машиной внешней среде q, больше теплоты, отбираемой от камеры охлаждения q₀, на величину механической работы /, затрачиваемой холодильной машиной:

Эффективность работы холодильной машины оценивается холодильным коэффициентом

где q₀ — количество теплоты, удаляемой от охлаждаемого продукта, или удельная холодопроизводительность, Дж/кг; ζ—удельная механическая работа, Дж/кг.

Холодильный коэффициент в холодильной технике аналогичен термическому КПД тепловых машин, работающих по прямому циклу Карно

Компрессионные холодильные машины. В зависимости от применяемого рабочего вещества компрессионные холодильные машины разделяют на газовые (воздушные) и паровые.

Воздушная холодильная машина — самая старая из всех холодильных машин. Промышленное получение холода впервые осуществлено в таких машинах. Принцип действия воздушной холодильной машины состоит в следующем (рис. 30.6, а).

Воздух из охлаждаемого помещения I засасывается компрессором II и после адиабатического сжатия выталкивается в охладитель III, где охлаждается водой при постоянном давлении. Далее воздух поступает в детандер (расширительный цилиндр) IV и совершает в нем полезную работу в процессе адиабатического расширения до первоначального давления. При этом температура воздуха снижается до -60...-70 "С. Воздух поступает в охлаждаемое помещение.

На рисунке 30.6 теоретический цикл воздушной холодильной машины изображен на диаграммах в координатах «давление р — удельный объем v» и «температура Т—энтропия.

В координатах р—v (рис. 30.6, а) рабочий процесс выглядит следующим образом. Параметры воздуха в охлаждаемом помещении Т соответствуют состоянию точки 1. В компрессоре II воздух сжимается адиабатически до состояния, соответствующего точке 2. Линия 1—2 является адиабатой сжатия. Далее в охладителе III сжатый воздух охлаждается при постоянном давлении до состояния, характеризуемого точкой 3. Перейдя в расширительный цилиндр IV, воздух расширяется адиабатически до начального давления р_о, соответствующего точке 4, и направляется в камеру охлаждения I, где отдает свою теплоту, а сам нагревается при постоянном давлении до состояния, соответствующего исходной точке 1. При расширении в расширительном цилиндре воздух совершает механическую работу, идущую на частичную компенсацию затрат энергии при сжатии воздуха в компрессоре. Итак, полный цикл преобразования параметров в данной холодильной машине состоит из двух адиабат 1—2 и 3—4 и двух изобар 2—3 и 4—1.

Площадь l-2-a-b-l на диаграмме соответствует работе, совершаемой компрессором; площадь З-4-b-а-З — работе, совершаемой сжатым воздухом в расширительном цилиндре. Разность этих площадей, равная площади фигуры 1-2-3-4-1, остается некомпенсированной и должна быть подведена к компрессору от внешнего источника работы.

В диаграмме T—s (рис. 30.6, в) теоретический цикл холодильной машины выглядит следующим образом. Изоэнтропическое сжатие в компрессоре изображается вертикалью, соответствующей процессу с постоянной энтропией. Эта вертикаль проводится от точки 1, лежащей на изобаре р₀ = const, до изобары р — const. Точку 1 на изобаре р₀ = const выбирают соответствующей начальной температуре Т₁. Точка 2 на изобаре р — const соответствует температуре конца процесса сжатия Т₂. Процесс охлаждения в охладителе III, протекающий при постоянном давлении, изображается отрезком изобары р = const, на котором точка 3 соответствует температуре окончания охлаждения Т₃. Процесс адиабатического расширения в цилиндре IV изображается изоэнтропой 3—4, так как протекает при постоянной энтропии, или без потерь энергии. Точке 4 соответствует температура окончания расширения Т₄. Процесс отдачи теплоты охлажденным воздухом в камере охлаждения, или процесс его нагревания в данной камере, происходит по изобаре р₀ = const до состояния точки 1.

На диаграмме T—s (см. рис. 30.6, в) хорошо виден основной недостаток воздушной холодильной машины. Работа цикла этой машины l соответствует площади 1-2-3-4-1; она равна разности работ компрессора (площадь d-2-3-c-d) и расширительного цилиндра (площадь с-4-l-d-c). Работа же обратного цикла Карно l_к, состоящего из двух адиабат 1—2' и 3—4' и двух изотерм 2'—3 и 4'— 1, значительно меньше, т. е. l_к < l.

Поэтому фактический холодильный коэффициент £ф = q/1 бу­дет меньше холодильного коэффициента eK = q/lK, который был бы, если бы машина работала по обратному циклу Карно, т. е. £ф < ек.

Другой важный недостаток воздушных холодильных машин — повышенный шум, обусловленный тем, что вследствие малой теплоемкости воздуха через машину приходится пропускать большие его расходы. Из-за больших расходов воздуха мощности компрессоров и детандеров значительные, поэтому такие машины в настоящее время в основном остались на самолетах, где воздух является универсальным рабочим телом.

Паровая холодильная компрессионная машина имеет перед воздушной преимущества, обусловленные тем, что ее рабочий цикл протекает в области насыщения. Это позволяет осуществить процесс с большим приближением к циклу Карно, так как в области насыщения изобары совпадают сизотермами. Рабочим телом паровой машины служит любая легкокипящая жидкость — хладагент.

Таким свойством обладают аммиак NH3, диоксид углерода СО₂, сернистый ангидрид S0₂, фреоны и др. Фреоны получают искусственно. Это группа соединений, называемых галогенизированными углеводородами. Они создаются путем замещения одного или большего числа атомов водорода атомами хлора, фтора или брома.

В соответствии со стандартом ИСО хладагенты обозначают буквой R с последующим цифровым шифром, отражающим их состав. Так, R12 имеет химическую формулу CCl₂F₂. Цифры 1 и 2 в его марке означают, что его молекула содержит 1 атом углерода и 2 атома фтора.

Рабочий процесс в такой машине протекает в соответствии с рисунком 30.7. На Т— s-диаграмме кривые х= 1 и х = 0 характеризуют влагосодержание влажного пара хладагента. На кривой х= I и справа от нее он находится в фазе сухого пара, жидкости в нем нет. На кривой х = 0 и слева от нее хладагент находится в жидкой фазе, газовые включения в нем отсутствуют. Весь рабочий процесс лежит между этими кривыми.

В охлаждаемом помещении установлен испаритель l. В него поступает рабочее тело в фазе влажного пара с большим содержанием жидкости. В испарителе жидкость кипит при постоянном давлении р₀ и низкой температуре Т₀. Необходимая для кипения теплота q₀ отбирается из охлаждаемого помещения.

Образующийся при кипении пар всасывается из испарителя I компрессором II и сжимается в нем: температура пара при этом повышается. Из компрессора II пар поступает в конденсатор III. Здесь пар охлаждается водой при постоянном давлении, приобретая температуру, близкую к температуре охлаждающей воды, и конденсируется с выделением теплоты конденсации q_K. Из конденсатора III жидкий хладагент поступает в расширительный цилиндр IV. В нем он совершает работу в адиабатическом процессе, охлаждается в результате этого до низких температур и направляется в испаритель I.

Таким образом, если холодильная машина имеет детандер, то ее теоретический цикл представляет собой обратный цикл Карно, имеющий две изотермы 4—1 (в испарителе) и 2—3 (в конденсаторе) и две адиабаты 1—2 (в компрессоре) и 3—4 (в расширительном цилиндре).

На практике рабочий цикл паровой холодильной машины отличается от цикла Карно. Основное отличие заключается в том, что вместо расширения жидкости в расширительном цилиндре используется необратимый процесс дросселирования в регулирующем вентиле (рис. 30.8).

Регулирующий вентиль удобен в эксплуатации, им просто регулировать расход хладагента.

Процесс дросселирования в регулирующем вентиле происходит с увеличением энтропии. На Т— s-диаграмме (рис. 30.8, б) он изображается линией 3—4 — изоэнтальпой. Этот процесс осуществляется без производства работы и без теплообмена с окружающей средой.

 

Из-за применения дросселирования жидкости вместо адиабатического расширения уменьшается холодопроизводительность. Последнее объясняется тем, что происходит дополнительное бесполезное кипение хладагента в регулирующем вентиле (отрезок 4-4' диаграммы). В результате количество жидкости, поступающей в испаритель, уменьшается. Потеря холодопроизводительности Δq₀ соответствует площадке Ь-4-4'-с диаграммы. Затраты работы компрессора увеличиваются на ту же величину. Для большинства хладагентов эта площадка равна площадке 3-4-5-3. Ее величина зависит от природы хладагента. Наименьшие потери этого рода соответствуют аммиаку. Кроме того, потери в регулирующем вентиле зависят от выбранных для данной машины пределов изменения температур (от температуры кипения до температуры конденса­ции). Чем шире эти пределы, тем потери больше.

 

Холодильный коэффициент паровых холодильных машин с регулирующим вентилем меньше, чем машин, работающих по циклу Карно.

Необратимые потери, связанные с дросселированием хладагента, можно уменьшить путем переохлаждения хладагента.

Переохлаждение хладагента реализуется путем снижения температуры, до которой он охлаждается водой в конденсаторе. Этот процесс можно осуществить как в самом конденсаторе, так и в специально установленном аппарате — переохладителе.

На Т— s-диаграмме (рис. 30.9) переохлаждение изображено линией 3—3' — линией постоянного давления, практически совпадающей с левой ветвью пограничной кривой.

В результате переохлаждения уменьшается бесполезное парообразование при дросселировании. Удельная (на 1 кг) холодопроизводительность увеличивается на величину, соответствующую площадке Ь-4-4'-с-b.

Характерная особенность всех рассмотренных циклов паровых холодильных машин состоит в том, что компрессор всасывает влажный пар, содержащий некоторое количество жидкости. Работа компрессора в таком режиме называется «влажным ходом». Хотя это выгодно теоретически (так как приближает рабочий процесс к обратному циклу Карно), на практике предпочтителен «сухой ход» компрессора. Это положительно сказывается на долговечности компрессора вследствие исключения возможности гидравлического удара. Кроме того, это уменьшает интенсивность теплообмена хладагента со стенками компрессора. Для осуществления сухого хода компрессора пары хладагента направляют из испарителя во вспомогательный агрегат, называемый отделителем жидкости. Отделившуюся жидкость направляют обратно в испаритель, а сухой насыщенный пар поступает в компрессор (рис. 30.10).

Пар, параметры которого характеризуются точкой 1, сжимается компрессором в области перегретого пара (справа от кривой х=1) до точки пересечения адиабаты сжатия 1—2с изобарой 2—2', которая в области перегретого пара уже не совпадает с изотермой. В состоянии, характеризующемся точкой 2, пар поступает в конденсатор, в котором сначала охлаждается до температуры насыщения по линии 2—2, а потом конденсируется при постоянной температуре (по линии 2—3'). Далее процесс протекает аналогично предыдущему.

При переходе от влажного хода компрессора к сухому увеличивается холодопроизводительность Δq₀, соответствующая площадке d-l'-l-a-d, но возрастает и работа компрессора d, соответствующая площадке 1-2-2'-1-1. В результате холодильный коэффициент понижается.

 

Рис. 30.11. Схема абсорбционной холодильной машины:

1 — перегонный куб; 2 — конденсатор легколетучих паров: 3 — дроссель; 4—испаритель; 5 — абсорбер; 6 — вентиль регулирования расхода высококипяшего компонента: 7 — насос

 

 

Абсорбционная холодильная машина. В такой машине (рис. 30.11) сжатие пара хладагента заменено подогревом бинарной смеси жидкостей, имеющих различные нормальные температуры кипения, в перегонном кубе 1 (см. главу 34, посвященную перегонке). Обычно такой смесью служит смесь воды и аммиака. Из перегонного куба 1 пар, обогащенный низкокипящим компонентом, направляется в конденсатор 2, где охлаждается водой и конденсируется. Конденсат, пройдя дроссель 3, поступает в испаритель 4, где кипит при температуре Т₀, охлаждая теплоноситель. Образовавшийся пар направляется в абсорбер 5, куда через регулирующий вентиль 6 из перегонного куба поступает продукт, обогащенный высококипящим компонентом. Этот продукт абсорбирует продукт, обогащенный низкокипящим компонентом, и их бинарная смесь восстанавливает свои исходные параметры. Она перекачивается в перегонный куб насосом 7. В бытовых абсорбционных холодильниках насос не устанавливают, а перекачивание жидкости заменяют ее диффузией. Поэтому бытовые абсорбционные холодильники работают бесшумно.

Пароэжекторная холодильная машина. По конструкции такая машина — одна из наиболее простых. В этой холодильной машине рабочим телом служит вода.

Водяной пар, вырабатываемый котлом-парообразователем 1 (рис. 30.12), поступает в струйный насос 2, отсасывающий пар из испарителя 3. Этот пар нагнетается в конденсатор 4, охлаждаемый водой. Конденсат через дроссель 5 частично поступает в испаритель 3, а частично перекачивается насосом 6 в котел-парообразователь 1. В замкнутом водяном контуре испарителя охлажденная вода подается потребителю холода.

Основные положения.

 

1. Наиболее низкая температура плавления льдосолевой смеси равна —21,2°С. Она достигается при концентрации соли 23,1 % и называется криогидратной.

2. Термоэлектрическое охлаждение заключается в охлаждении одного из спаев разнородных проводников при протекании по ним электрического тока (эффект Пельтье).

3. Охлаждение в вакууме происходит за счет повышенного испарения жидкости в вакууме с отбором теплоты от оставшейся части жидкости.

4. Охлаждение продуктов ведут в теплоизолированных камерах, в которых теплопритоки уравновешиваются отводом теплоты (подводом холода) с помощью одного из источников холода.

5. Продукты на крупных пищевых производствах охлаждают в основном с помощью холодильных машин.

6. Круговые процессы, или циклы, совершаемые рабочими телами в машинах, разделяются на прямые и обратные. По прямым циклам работают тепловые двигатели. Они вырабатывают механическую энергию за счет переноса теплоты с более высокого температурного уровня на более низкий. Обратный цикл используется машинами, преобразующими механическую работу в отрицательные тепловые потоки. Так работают холодильные машины и тепловые насосы, переносящие теплоту с более низкого температурного уровня на более высокий.

7. Теплота, передаваемая холодильной машиной внешней среде, больше теплоты, отбираемой от камеры охлаждения, на величину механической работы, затрачиваемой холодильной машиной.

8. В холодильных машинах пар хладагента сжимается компрессором, в результате чего его температура повышается. Далее он охлаждается до температуры, близкой к температуре окружающей среды, конденсируется и поступает на дроссель. Дросселируясь, хладагент охлаждается и поступает в испаритель, размещаемый в камере охлаждения холодильника. Здесь он испаряется, отбирая теплоту из камеры охлаждения, и в парообразном состоянии вновь поступает на вход компрессора.

9. Возможны варианты устройства компрессоров холодильных машин. В абсорбционных холодильных машинах они заменяются перегонными кубами, в пароинжекторных — струйными компрессорами, питающимися от котлов-парообразователей.

10. Рабочие процессы холодильных машин протекают в соответствии сданным в п. 8 описанием и изображаются в координатах р—v (давление — удельный объем) и T—s (температура — энтропия). Все обратимые процессы, протекающие при постоянной энтропии, изображаются в Т-s диаграмме вертикалями.

Контрольные вопросы и задания

1. Какие вы знаете способы охлаждения пищевых продуктов? 2. В чем заключается эффект Пельтье? 3. Для чего применяют льдосолевую смесь? 4. Какие температуры достижимы при применении льдосолевой смеси? 5. Расскажите о механизме охлаждения испарением влаги в вакууме. 6. Какие хладагенты применяют в холодильных машинах? 7. Как работает холодильная машина? 8. Что такое энтропия? 9. Расскажите о работе холодильных машин: воздушной, паровой, с расширительным цилиндром, с переохлаждением хладагента.

Тесты для проверки знаний

1. В каком фазовом состоянии находится фреон на входе в испаритель холодильной машины?

Ответы. 1.1. Твердом.

1.2. Жидком.

1.3. Газообразном.

2. Почему огромные запасы тепловой энергии, содержащейся в воде океана, и равные произведению массы всей воды на теплоемкость и температуру, не используются в хозяйственных целях?

Ответы. 2.1. Из-за низкой температуры воды в океане.

2.2. Из-за высокой энтропии.

2.3. Из-за отсутствия эффективного холодильника.