Принципова схема та теоретичний цикл парокомпресорної холодильної установки ( ПКХУ )

Принципова схема ПКХУ зображена на рис.3.1.

 

 

Установка складається з компресора 1, випарника 2, дросельного пристрою 3 та конденсатора 4.

Для аналізу циклів холодильних установок зручно користуватись тепловою діаграмою Т–s, де площа під лінією процесу чисельно дорівнює кількості теплоти, підведеної холодильного агента чи відведеної від нього. Термодинамічний цикл ПКХУ у Т–s-координатах зображено на рис.3.2.

 

У випарнику 2 рідкий холодильний агент за сталих температури й тиску кипить і перетворюється на пару. Цей процес відбувається за рахунок перенесення теплоти від об’єкта, що охолоджується, і має температуру Т_ох (на T–s-діаграмі лінія 5–1). Насичена пара (точка 1) всмоктується компресором і стискається до тиску р_1, при цьому підвищується також і температура насичення, яка повинна бути вищою за температуру навколишнього середовища Т_нс (повітря, води). Теоретично процес стискання є ізоентропійним (s = const, лінія 1–2^/). У дійсному процесі стискання (лінія 1–2) ентропія зростає за рахунок теплоти тертя. Перегріта пара з компресора надходить до конденсатора 4, де спочатку охолоджується за сталого тиску до температури насичення (лінія 2–3), а потім конденсується, тобто перетворюється на рідину (лінія 3–4). Процес конденсації є ізобарно-ізотермічним, теплота відводиться від холодильного агенту до навколишнього середовища. Для зниження температури кипіння холодильного агенту потрібно зменшити його тиск. З цією метою рідкий холодоагент пропускають крізь дросельний пристрій 3 (терморегулювальний вентиль, капілярна трубка), де під час руху крізь звуження без здійснення роботи відбувається дроселюваня (лінія 4–5), при цьому ентальпія не змінюється. Нижчому тиску відповідає більш низька температура кипіння Т_н2. Перегрітий відносно неї рідкий холодоагент частково самовипаровується (20...30 %), відповідно зменшується і температура від T_н1 до Т_н2. Суміш рідини й пари надходить до випарника, де відбувається кипіння решти холодоагенту. Пара відсмоктується компресором і цикл повторюється.

Якщо у ПКХУ використовується поршневий компресор, потрібно стежити за тим, щоб на вхід у компресор не потрапила волога насичена пара (вологий хід компесора), бо це може спричинити руйнування його конструкції (якщо об’єм рідкої фази перевищить об’єм „мертвого простору”). Сучасні гвинтові компресори нечутливі до стану пари холодоагенту.

Енергетична досконалість холодильної установки характеризується холодильним коефіцієнтом e, який обчислюють за формулою

e = q₂/ℓ = q₂ / (q₁ – q₂), (3.1)

де q₂ – питома холодовидатність (кількість теплоти, що підводиться до 1кг холодоагенту від об’єкта охолодження), кДж/кг; q₁ – теплота, що відводиться від 1 кг холодоагента в циклі (процеси охолодження та конденсації), кДж/кг; ℓ – питома зовнішня енергія, витрачена для здійснення циклу, кДж/кг.

Ефективність роботи промислових ПКХУ визначається кількістю енергії, витраченої на виробництво одиниці холоду (1 Гкал). У цьому випадку до витрат енергії для здійснення циклу включають роботу циркуляційних насосів холодоагенту, проміжних теплоносіїв та обігових систем охолодження конденсатора і компресора, вентиляторів охолоджувачів повітря і градирні.

Кількість теплоти, що відбирається від об’єкта охолодження одним кілограмом холодоагенту, в Т–s-діаграмі чисельно дорівнює площі під лінією процесу 5 –1

q₂ = пл. b-5-1-c-b.

Кількість теплоти, що відводиться від одного кілограма холодоагента до навколишнього середовища (процеси 2–3 та 3–4),

q₁ = пл. d-2-3-4-a-d.

Процеси 2–3, 3–4, 5–1 – ізобарні, тому кількість теплоти можна визначити за різницею ентальпій: q₁ = h₂ – h₄; q₂ = h₁ – h₅. Підставляючи ці вирази у рівняння (3.1), отримаємо

e = (h₁ – h₅ ) / (h₂ – h₄) – (h₁ – h₅ ),

а з урахуванням того, що h₄ = h₅,

e = (h₁ – h₅ ) / (h₂ – h₁). (3.2)

Діаграма lg p–h

Для практичних розрахунків енергетичних характеристик циклів ПКХУ доцільно користуватись ентальпійними діаграмами, в яких легко будувати цикл та визначати ентальпії в характерних точках.

На рис.3.3 зображено схему діаграми lg p–h, у якій на осі абсцис відкладено значення ентальпії в кДж/кг, а вісь ординат логарифмічна і на ній відкладено значення тиску в МПа.

На цій діаграмі нанесено граничну криву, утворену лівою (х = 0) і правою (х = 1) гілкою. Точки на лівій гілці характеризують стан рідкого холодоагенту за температури насичення, на правій – сухої насиченої пари. Під граничною кривою речовина перебуває у двофазному стані і називається вологою насиченою парою. Праворуч від кривої х=1 – ділянка перегрітої пари (температура пари вища за температуру насичення).

На діаграмі показані лінії сталої температури t = const (ізотерми), які на ділянці вологої начиченої пари збігаються з ізобарами р=const, лінії сталого об’єму υ=const, сталої ентропії s=const і лінії однакової міри сухості х = const.

 

 

Рис. 3.3