Паровая компрессорная холодильная машина

В качестве рабочего тела (хладагента) можно использовать влажных пар какой-либо жидкости с температурой кипения, не превышающей 0 ºС (при атмосферном давлении). Желательно, чтобы хладагент имел небольшую теплоемкость в жидком состоянии, большую величину скрытой теплоты парообразования и достаточно высокую критическую температуру.

В компрессорных холодильных машинах вода не используется как холодильный агент, несмотря на ее доступность, полную безвредность и дешевизну. Недостатком воды как хладагента является чрезмерно низкое давление кипения при ограниченном диапазоне получаемых температур не ниже 2…4 ºС. Например, температура кипения воды + 2 ºС соответствует давлению 7,193 Па. Обычная компрессорная машина поддерживать такое низкое давление не может.

До последних лет в холодильной технике использовались в качестве хладагентов: хлористый метан, углекислота и наиболее часто аммиак (NH₃). Аммиак применяется главным образом в промышленных холодильных машинах с поршневым компрессором для температур кипения не ниже минус 65 ºС.

В бытовых холодильниках аммиак из-за своей токсичности не применяется. Здесь используется группа агентов, называемых фреонами – фторхлорпроизводными углеводородами типа C_mH_xF_yC_z. Число возможных фторхлорпроизводных углеводородов чрезвычайно велико, причем многие из них получаются синтезом.

Достоинство фреонов – низкие температуры в конце сжатия, низкие температуры затвердевания, хорошая смачиваемость металлов. В этом случае холодильный цикл можно осуществить с изотермическим подводом теплоты, тем самым приблизить его к обратному циклу Карно как наиболее эффективному в заданном температурном интервале.

Схема паровой компрессорной холодильной машины представлена на рисунке 2.7 а, изображение цикла в диаграмме T-s на рисунке 2.7 б.

Хладагент в виде влажного или сухого насыщенного пара при отрицательной температуре и давлении выше атмосферного (точка 1) из испарителя (III) поступает в компрессор (II), где он адиабатно сжимается (процесс 1-2), температура пара становится выше температуры охлаждающей воды , которая в рассмотренных условиях играет роль окружающей среды.

Сжатое рабочее тело поступает в охладитель (конденсатор) IV, где за счет отдачи теплоты охлаждающей воде при р = сonst происходит конденсация пара. Из T-s диаграммы следует, что для хладагента, поступающего в конденсатор и являющегося влажным паром, отвод теплоты (парообразования) будет происходить полностью в изотермических условиях.

а – схема; б – цикл в координатах T-s:

1 – охлаждаемая камера; II – компрессор; III – испаритель;

IV - конденсатор; V – регулирующий (дроссельный) вентиль

Рисунок 2.7 – паровая компрессорная холодильная машина

В общем случае в охлаждающую воду в процессе 2-3-4 отводится не только тепло парообразования, но и теплота перегрева пара. В точке 4 пар полностью конденсируется. Затем в процессе 4-5, протекающем при i = const, конденсат проходит через регулирующий вентиль V, в котором дросселируется до давления испарения. Необратимый процесс 4-5^| изображен на T-s диаграмме условно. Процесс дросселирования в двухфазной области всегда протекает с понижением температур. В испарителе (III) происходит процесс испарения 5-1, и хладагент поступает в компрессор, после чего цикл повторяется. Теплота от веществ, хранящихся в холодильной камере, передается к испарителю с помощью какого-либо незамерзающего жидкого теплоносителя, циркулирующего между камерой (I) и испарителем (III).

Теплота, отбираемая в холодильной камере при низкой температуре, вместе с теплотой, соответствующей работе, затрачиваемой на привод компрессора при более высокой температуре, передается охлаждающей воде, проходящей через конденсатор.

Рассмотренная холодильная машина является парокомпрессорной, так как сжатие пара в ней осуществляется с помощью

компрессора.

При использовании влажного пара цикл, совершаемый в такой машине, отличается от обратимого цикла Карно только тем, что процесс расширения в паровой компрессорной машине протекает по необратимой адиабате 4-5^|.

 некоторое уменьшение хладпроизводительности в паровом компрессорном цикле по сравнению с обратным циклом Карно связано с необратимостью процесса дросселирования и повышением энтропии в этом процессе.

Работа адиабатного сжатия хладагента в компрессоре         (пл. 1-2-3-4-5^|-1) . Теплота q₂, отведенная из холодильной камеры и затраченная на испарение хладагента, на T-s диаграмме соответствует пл. 5^|-1-8-7-5^|. следовательно, холодильный коэффициент рассматриваемой паровой компрессорной машины

.                    (2.9)

Таким образом, для повышения экономичности такой холодильной машины необходимо стремиться к увеличению пл. 5^|-1-8-7-5^| на T-s диаграмме и уменьшению пл. 4-3-2-8-6-4.

Размер пл. 5^|-1-8-7-5^| зависит от температуры Т_х.к, которую требуется поддерживать в холодильной камере. Из соотношения (2.9) следует, что экономичность холодильной машины понижается по мере понижения Т_х.к, линии температур Т₁-5-5^|-1 и линии испарения 5^|-1.

Пл. 5^|-1-8-7-5^| зависит от положения линии 2-3-4, которое связано с температурой охлаждающей воды (линия Т₂-4-3). Экономичность холодильной машины возрастает при понижении температуры охлаждающей воды, так как уменьшается работа ℓ _ц, затрачиваемая на сжатие хладагента в компрессоре.

Повышение экономичности установки может быть достигнуто путем переохлаждения хладагента на выходе из конденсатора. Переохлаждение можно получить в специальном теплообменнике – переохладителе или в самом конденсаторе. В случае переохлаждения площадь, соответствующая теплоте q₂, увеличится, достигнув пл. 5^|-1-8-7-5^|. на диаграмме T-s (рисунок 2.7 б) процесс переохлаждения 4-5^| практически совпадает с нижней пограничной кривой.

Увеличивая глубину дросселирования путем прикрытия регулирующего вентиля, можно понизить температуру хладагента перед испарителем (процесс 5^|-1) и, следовательно, температуру в холодильной камере. Приоткрывая вентиль, добиваются повышения температуры Т_х.к = Т₁.

В рассматриваемой холодильной машине в отличие от газовой холодильной машины, вместо детандера применяется дросселирующий вентиль. Это позволяет существенно упростить конструкцию. С другой стороны, использование детандера вместо вентиля привело к замене необратимого процесса дросселирования 4-5^| процессом адиабатного расширения 4-5 в детандере, к повышению экономичности холодильной машины за счет увеличения q₂ до значения, определяемого пл. 5-1-8-6-5, и уменьшению затрачиваемой работы на величину работы детандера (пл. 4-5-^|5-4). Однако создание детандера на жидком (не газообразном) рабочем теле представляет собой технически трудную задачу.

Расчеты показывают, что паровая компрессорная холодильная машина при малом температурном перепаде термодинамически более совершенна, чем газовая. При большом температурном перепаде более экономичной оказывается газовая холодильная машина. Парокомпрессорные машины обычно применяются для получения температур Т_х.к в пределах от 273 до 153 К (0…120 ºС).

наряду с T-s диаграммой применяют также i-lgp диаграмму (рисунок 2.8).

Так с помощью i-lgp диаграммы можно определить холодильный коэффициент  без вычисления площадей в виде соотношения

.                            (2.10)

Рисунок 2.8 – парокомпрессионный цикл на i-lgp диаграмме