Идеальные циклы холодильных установок

 

Общеизвестно большое значение холода для хранения пищевых продуктов в быту и в пищевой и других отраслях промышленности. Наибольшее распространение получили паровые компрессионные и воздушные установки.

В паровых компрессионных установках в качестве рабочих тел (хладагентов) чаще всего применяют аммиак NH₃ или фреоны (хлорфторпроизводные углеводородов метанового ряда, т.е. химические соедине­ния, получаемые при замещении в С_mН_n, атомов водорода атомами хло­ра и фтора). Особенностью этих рабочих тел является низкая темпера­тура кипения.

Идеальным циклом холодильной установки является обратный цикл Карно, однако практически эти установки работают по другим циклам. Общим для всех этих цик­лов является то, что теплота отнимается от охлаждаемых тел при посред­стве хладагента и передается окружающей среде. Согласно второму закону термодинамики, для действия всякой холодильной установки необходима затрата определенного количества внешней энергии.

Наиболее распространенной является паровая холодильная (арокомпрессорная) уста­новка, схема которой показана на рис. 3.24. Эта установка состоит из испарителя (холодильной камеры) 1, компрессора 2, конденсатора 3 и редукционного (дроссельного) клапана 4. Цикл этой установки, пока­занный на диаграмме T-s (рис. 3.25), осуществляется следующим образом. Компрессор 2 всасывает из испарителя сухой насыщенный пар хладагента при постоянном давлении р₁ и при соответствующей этому давлению температуре пара t₁ (точка 1). Затем происходит адиабатное сжатие пара в компрессоре по линии 1-2. При сжатии затрачивается работа 1 Дж на 1 кг хладагента, равная повышению его энтальпии с i ₁ до i ₂ и, следовательно,

                         l = i ₁ – i ₂ Дж/кг.                              (3.19)

Далее пар конденсируется в конденсаторе при неизменном давлении p₂ = const (линия 2-2'-3 на диаграмме) в результате его охлаждения водой, имеющей обычно температуру 10-15 °С. Жидкий хладагент далее направляется обратно в испаритель 1 через редукционный клапан 4, в котором он дросселируется и частично испаряется, давление его снижается с р₂ до р₁, а температура вследствие дроссель-эффекта падает от t₃ до t₁. На диаграмме процесс дросселирования условно отображает­ся линией 3-0. Образующаяся паро-жидкостная смесь поступает в ис­паритель, где испаряется в результате отнятия теплоты у охлаждаемого объекта в количестве, теоретически равном теплоте испарения

жидкого хладагента, поступившего в испаритель, т. е.

                                  q ₂ = r (x ₁ – x ₀) Дж/кг,                     (3.20)

где r - теплота парообразования хладагента, Дж/кг; х₀ и х₁ - степени сухости смеси, соответствующие состояниям, характеризуемым точками 0 и 1 (в данном случае x ₁ = l).

Процесс испарения, завершающий рассматриваемый цикл, происхо­дит при p₁ = const и при t_н1 = const и отображается на диаграмме лини­ей 0-1. На диаграмме s-Т количество теплоты q₂ = i₁ - i_o Дж/кг (где i₀ и i ₁ - энтальпии хладагента в точках 0 и 1), отобранной у охлаждаемого объекта и называемой удельной холодопроизводительностью, изобра­жается площадью q ₂ = пл. а-0-1-b-а.

Рис. 3.24. Схема паровой компрессионной холодильной установки.

Рис. 3.25. Изображение цикла холодильной компрессорной установки

на диаграмме Т-s.

 

Количество теплоты, переданной охлаждающей воде в конденсато­ре, измеряется площадью q₁ = пл. с-3-2'-2-b-с.

Работа, затраченная на совершение цикла, выражается так:

Равенство этих площадей следует из того, что энтальпия хладагента до редуцирования (в точке 3) равна его энтальпии после редуциро­вания (в точке 0), т.е. i₃ = i₀ или пл. е-d-3-с-е = пл. e-d-0-а-е, и, следовательно, пл. d-3-m-а' = пл. с-m-0-а-с.

Эффективность холодильной установки характеризуется холодиль­ным коэффициентом, показывающим, какое количество теплоты отнима­ется от охлажденных тел на единицу затраченной работы:

                                 (3.21)

Чем выше этот коэффициент, тем выше эффективность установки.

В воздушных холодильных установках в качестве холодильного агента используют воздух, который в случае идеального цикла от давления р₁ компрессором адиабатно сжи­мается до давления р₂ (линия 1-2 на рис. 3.26), в результате чего его темпера­тура возрастает с Т₁ до Т₂, и подается в охлаждаемый водой теплообменник, где от него отбирается теплоту q₁ и его температура при постоянном давлении р₂ снижается до температуры Т₃ (линия 2-3), несколько превышающей температуру охлаждающей воды. Далее воздух охлаждает­ся в результате его адиабатного расшире­ния в детандере до Т₄ (линия 3-4) с по­нижением давления по р₁. Охлажденный воздух поступает в холодиль­ную камеру, где при постоянном давлении р₁ он поглощает теплоту q₂ (линия 4-1) от подлежащей охлаждению среды, после чего цикл по­вторяется.

Рис. 3.26. Цикл воздушной холодильной установки:

а - в p-v-координатах; б - в T - s -координатах.

Как видно, цикл отличается от цикла Карно тем, что по техническим причинам изотермические теплообменные процессы заменяются изо­барными.

        (3.22)                              

или после преобразований                                       (3.23)

8. Контрольные вопросы по третьей теме

 

1. Чем реальный газ отличается от идеального газа?

2. Почему водяной пар обычно нельзя считать идеальным газом?

3. Что такое h-s-диаграмма (или i-s-диаграмма) водяного пара? Какие основные линии на нее нанесены и что они показывают?

4. Что такое степень сухости водяного пара?

5. Что такое сухой насыщенный пар, влажный насыщенный пар?

6. Как, почему и при каких условиях происходят испарение и конденсация воды?

7. Что такое критическая точка на h-s-диаграмме (или i-s-диаграмма) воды и водяного пара? Какие параметры она имеет?

8. Для чего используют T-s -диаграмму воды и водяного пара?  

9. Что называется обратимым и необратимым процессами? Приведите примеры. Как принято изображать эти процессы графически?

10.  Что называют циклом? Чем отличаются друг от друга прямой и обратный циклы?

11.  Какой цикл называют обратимым циклом Карно? Коэффициент полезного действия цикла Карно.

12.  Какие циклы называют тепловыми, какие холодильными? Какими параметрами характеризуют эффективность этих циклов?

13.  Что такое цикл Ренкина? От чего зависит его эффективность?

14.  Что такое регенеративный и теплофикационный циклы паросиловой установки? В чем разница между ними?

15.  Опишите принцип действия тепловой машины. Из каких элементов они состоят? Какой принцип действия в основе ее работы?

16.  Изобразите графически принцип действия тепловой и холодильной машины.

17.  Что происходит в верхней мертвой точке цилиндра поршневого двигателя (в.м.т.)?

18.  Что происходит в нижней мертвой точке цилиндра поршневого двигателя (н.м.т.)?

19.  Что такое КПД? Как повысить КПД реальных машин.

20.  Каким требованиям должны удовлетворять нагреватель и холодильник при выводе КПД обратимого цикла Карно?

21.  Изображение цикла идеальной газотурбинной установки, работающей с подводом теплоты при постоянном давлении.

22.  Изображение цикла идеальной газотурбинной установки, работающей с подводом теплоты при постоянном объеме.

23.  Что такое холодильный коэффициент? От чего он зависит и как его можно повысить?