Схемы и циклы одноступенчатых

Теоретические циклы холодильных машин изображают на термодинамических диаграммах, которые позволяют лучше понять принцип действия холодильных машин. Термодинамические диаграммы, кроме того, служат теоретической базой для расчета холодильных машин в целом и их отдельных элементов.

Наиболее распространены диаграммы давление — энтальпия (lgp-i диаграмма) и температура – энтропия (T-s-диаграмма);

Первую применяют для тепловых расчетов, вторую — для анализа термодинамической эффективности циклов. При этом используют следующие простые измеряемые параметры:

температуру t в °С или абсолютную температуру T в К;

давление p в Па или производных единицах (1 кПа= 103 Па, 1 МПа= 106Па= 10,2 кг с/ см2=10 бар);

удельный объем v в м3/кг;

плотность p= 1/v в кг/м 3, т. е. величину, обратную удельному объему.

Кроме простых измеряемых параметров, используют также сложные расчетные параметры:

энтальпию I в кДж;

Энтропию S в кДж/К.

Энтальпия I— это полная энергия рабочего вещества (хладагента), зависящая от его термодинамического состояния. На диаграммах и в расчетах применяют обычно удельную энтальпию i в кДж/кг, т. е. отнесенную к единице массы хладагента.

Удельную энтальпию можно выразить как i=u+pv.

где и — внутренняя энергия хладагента, кДж/кг;

Р — абсолютное давление, Па;

V — удельный объем, m3/kг.

В этом выражении слагаемое pv представляет собой потенциальную энергию давления р. Она расходуется на совершение работы.

Значения i, зависящие от принятого на конкретных диаграммах или в таблицах начала отсчета, в разных источниках (учебниках, справочниках) могут не совпадать при одних и тех же значениях t и p.

Энтропия S — это также расчетный параметр, являющиеся функцией термодинамического состояния хладагента, характеризующий направление, протекания: процесса теплообмена между хладагентом и внешней средой. На диаграммах и в расчетах пользуются удельной энтропией s в кДж/(кг К), т. е. отнесенной к единице массы хладагента. Интерес обычно представляет ее изменение

Ds=Dq/Tm

где Δq· — теплота, отнесенная к единице массы хладагента, кДж/кг;

Тm — средняя абсолютная температура в течение процесса теплообмена,K

На lg p-i и T-s -диаграммах (рис. 9) из точки К, соответствующей критическому состоянию хладагента (см. тему 3), расходятся две так называемые пограничные кривые, разделяющие поле на три зоны: переохлажденной жидкости (ПЖ), парожидкостной смеси (Ж+П) и перегретого пара (ПП).

Если на lg p-i-диаграмме провести линию постоянного давления (p=const) — изобару, а на T-s -диаграмме линию постоянной температуры (T=const) — изотерму, то они пересекут пограничные кривые в точках А и В. В точке А хладагент находится в состоянии насыщенной жидкости, а в точке В — насыщенного пара.

Фазовый переход от жидкости к пару на диаграммах идет слева направо. При подводе теплоты (энтальпия и энтропия возрастают) переохлажденная жидкость, достигнув состояния насыщения в точке А. начинает кипеть. По мере дальнейшего подвода теплоты содержание жидкости в единице массы хладагента уменьшается, а содержание пара увеличивается ив точке В достигает 100 %. Образуется насыщенный пар. Паросодержание x хладагента на левой пограничной кривой равно 0, а на правой 1. Состояние при x=1 называют также сухим насыщенным паром, чтобы подчеркнуть, что пар не содержит частиц жидкости в отличие от, влажного пара, представляющего собой смесь пара и жидкости (П+Ж).

lg p МПа

 

РИС. 9. Изображение теплообменных процессов на термодинамических диаграммах: а —lg p-i-диаграмма; б —T-диаграмма

Фазовый переход от пара к жидкости на диаграммах идет справа налево. При отводе теплоты происходит процесс конденсации хладагента. Он начинается в точке В и заканчивается в точке А.

На lg p-i-диаграмме разность значений энтальпий i в точках A и B будет равна величине r в кДж/кг, которую в зависимости от направления процесса (от A к B или от В к А) называют удельной (скрытой) теплотой парообразования или удельной теплотой конденсации (см. тему 3).

На T-s-диаграмме величине r будет соответствовать площадь (заштрихованная) под процессом А — В, так как

r=ΔqA-B=ΔsTm

Параметры, соответствующие состоянию хладагента на левой пограничной кривой (x=0), обозначают с одним штрихом, а на правой (х=1) — с двумя. Таким образом,

r=iB " -iA '

В процессах кипения и конденсации давление и температура насыщения остаются неизменными, так как подводимая или отводимая теплота расходуется на изменение агрегатного состояния хладагента. При этом температура насыщения зависит от давления. При его увеличении она повышается, а при уменьшении — понижается. Это необходимо твердо помнить для уяснения принципа действия холодильной машины.

Если после подвода определенного количества теплоты и достижения хладагентом состояния насыщенного пара в точке В продолжать подводить теплоту при постоянном давлении (p=const), то этот процесс В — C будет сопровождаться повышением температуры: ТC > ТB.Насыщенный пар перейдет в точке C в состояние, называемое перегретым паром. Перегрев пара ΘC определяется разностью температур:

ΘC,=TC -TB.

Аналогично, если после окончания процесса конденсации В — А продолжать отводить теплоту, то дальнейший процесс А — D будет сопровождаться понижением температуры. Насыщенная жидкость перейдет в точке D в состояние, называемое переохлажденной жидкостью. Переохлаждение жидкости определяется разностью температур:

ΘD =TA-TD

На lg p-i-диаграмме (рис. 9, а) изотермы (T=const) в зоне ПЖ идут почти вертикально вверх, параллельно изоэнтальпам — линиям постоянной удельной энтальпии (i=const), а в зоне. ПП — резко вниз.

На T-s-диаграмме (рис.9,б) изотермы горизонтальны. Изобары (p=const) в зоне ПЖ идут резко вниз и почти совпадают с пограничной кривой (x=o), в зоне ПП — поднимаются круто вверх. Изоэнтальпы (=const) спускаются круто вниз.

Линии постоянной удельной энтропии (s=const) нa T-s-диаграмме вертикальны, а на lg p-i-диаграмме (рис. 9, а) располагаются примерно под углом 45º к горизонтали.

С небольшим подъемом от горизонтали идут на обеих диаграммахлинии постоянного удельного объема (v=const). Большим давлениям р соответствует меньший удельный объем v.

Поскольку при работе парокомпрессионной холодильной машины в установившемся (стационарном) режиме давления кипения p0 и кон­денсации pк, хладагента постоянны, количество подводимой или отводимой теплоты изображается на lg p-i-диаграмме в виде отрезка прямой линии и равно разности энтальпий в начале и конце процесса. В этом заключается достоинство lg p-i-диаграммы, которое обусловило ее широкое использование для расчета парокомпрессионных холодильных машин.

Основные правила выбора испарителя для парокомпрессионной холодильной машины

Одним из самых важных элементов для парокомпрессионной машины является испаритель. Он выполняет главный процесс холодильного цикла – отбор теплоты от охлаждаемой среды. Другие элементы холодильного контура, такие как конденсатор, расширительное устройство, компрессор и пр., только обеспечивают надежную работу испарителя, поэтому именно выбору последнего необходимо уделять должное внимание.

Из этого следует, что, подбирая оборудование для холодильной установки, необходимо начинать именно с испарителя. Многие начинающие ремонтники часто допускают типичную ошибку и начинают комплектацию установки с компрессора.

 

 

На рис. 1 представлена схема самой обычной парокомпрессионной холодильной машины. Ее цикл, заданный в координатах: давление Р и энтальпия i. На рис. 1б точки 1–7 холодильного цикла, является показателем состояния холодильного агента (давления, температуры, удельного объема) и совпадает с аналогичным на рис. 1а (функции параметров состояния).

Основные правила выбора испарителя для парокомпрессионной холодильной машины

Рис. 1 – Схема и холодильный цикл в координатах обычной парокомпрессионной машины: РУ расширительное устройство, Рk – давление конденсации, Ро – давление кипения.

Графическое изображение рис. 1б отображает состояние и функции холодильного агента, которые изменяются в зависимости от давления и энтальпии. Отрезок АВ на кривой рис. 1б характеризует хладагент в состоянии насыщенного пара. Его температура соответствует температуре начала кипения. Доля пара хладагента в единице объема составляет 100%, а перегрев близок к нулю. В правой части от кривой АВ хладагент имеет состояние перегретого пара (температура хладагента больше температуры кипения).

Точка В является критической для данного хладагента, поскольку отвечает той температуре, при которой вещество не может перейти в жидкое состояние, не зависимо от того, на сколько высоким будет давление. На отрезке ВС хладагент имеет состояние насыщенной жидкости, а в левой стороне – переохлажденной жидкости (температура хладагента меньше температуры кипения).

Внутри кривой АВС хладагент находится в состоянии парожидкостной смеси (доля пара в единице объема изменчива). Процесс, происходящий в испарителе (рис. 1б), отвечает отрезку 6-1. Хладагент поступает в испаритель (точка 6) в состоянии кипящей парожидкостной смеси. При этом доля пара зависит от определенного холодильного цикла и составляет 10-30%.

На выходе из испарителя процесс кипения может не завершиться и точка 1 может не совпадать с точкой 7. Если температура хладагента на выходе из испарителя больше температуры кипения, то получаем испаритель с перегревом. Его величина ΔТперегрев представляет собой разность температуры хладагента на выходе из испарителя (точка 1) и его температуры на линии насыщения АВ (точка 7):

ΔТперегрев=Т1 – Т7

Если точка 1 и 7 совпадают, то температура хладагента равна температуре кипения, а перегрев ΔТперегрев будет равен нулю. Таким образом, получим затопленный испаритель. Поэтому, при выборе испарителя вначале необходимо совершить выбор между затопленным испарителем и испарителем с перегревом.

Отметим, что при равных условиях затопленный испаритель более выгоден по интенсивности процесса отбора теплоты, чем с перегревом. Но следует учитывать то, что на выходе затопленного испарителя хладагент находится в состоянии насыщенного пара, а подавать влажную среду в компрессор нельзя. В противном случае возникает высокая вероятность появления гидроударов, которые будут сопровождаться механическим разрушением деталей компрессора. Получается, что если выбрать затопленный испаритель, то необходимо предусматривать дополнительную защиту компрессора от попадания в него насыщенного пара.

Если отдать предпочтение испарителю с перегревом, то не нужно заботиться о защите компрессора и попадания в него насыщенного пара. Вероятность возникновения гидравлических ударов будет возникать только в случае отклонения от требуемого показателя величины перегрева. В нормальных условиях эксплуатации холодильной установки величина перегрева ΔТперегрев должна находиться в пределах 4–7 К.

При снижении показателя перегрева ΔТперегрев, интенсивность отбора теплоты окружающей среды повышается. Но при чрезмерно низких значениях ΔТперегрев (менее 3К) возникает вероятность попадания в компрессор влажного пара, что может стать причиной появления гидравлического удара и, следовательно, повреждения механических узлов компрессора.

В обратном случае, при высоком показании ΔТперегрев (больше 10 К), это говорит о том, что в испаритель поступает недостаточное количество хладагента. Резко снижается интенсивность отбора теплоты от охлаждаемой среды и ухудшается тепловой режим компрессора.

При выборе испарителя возникает и другой вопрос, связанный с величиной температуры кипения хладагента в испарителе. Чтобы его решить вначале необходимо определить какую температуру охлаждаемой среды следует обеспечить для нормальной работы холодильной установки. Если в качестве охлаждаемой среды используется воздух, то кроме температуры на выходе из испарителя требуется учесть и влажность на выходе из испарителя. Теперь рассмотрим поведения температур охлаждаемой среды вокруг испарителя во время работы обычной холодильной установки (рис. 1а).

Чтобы не углубляться в данную тему потерями давлений на испарителе будем пренебрегать. Также будем считать, что происходящий теплообмен между хладагентом и окружающей средой осуществляется по прямоточной схеме.

На практике такую схему используют не часто, поскольку по эффективности теплообмена она уступает противоточной схеме. Но если один из теплоносителей имеет постоянную температуру, а показания перегрева невелики, то прямоток и противоток будут равнозначными. Известно, что среднее значение температурного напора не зависит от схемы движения потоков. Рассмотрение прямоточной схемы предоставит нам более наглядное представление о теплообмене, который происходит между хладагентом и охлаждаемой средой.

Для начала введем виртуальную величину L, равную длине теплообменного устройства (конденсатора или испарителя). Ее значение можно определить из следующего выражения: L=W/S, где W – соответствует внутреннему объему теплообменного устройства, в котором происходит циркуляция хладагента, м3; S – площадь поверхности теплообмена м2.

Если речь идет о холодильной машине, то равнозначная длина испарителя практически равняется длине трубки, в которой происходит процесс 6-1. Поэтому ее наружная поверхность омывается охлаждаемой средой.

Вначале обратим внимание на испаритель, который выполняет роль воздухоохладителя. В нем процесс отбора теплоты от воздуха происходит в результате естественной конвекции или же при помощи принудительного обдува испарителя. Отметим, что в современных холодильных установках первый способ практически не используют, поскольку охлаждение воздуха путем естественной конвекции является малоэффективным.