Одноступенчатые холодильные машины.

 

При работе паровых компрессионных холодильных машин цикл совершается в области влажного пара холодильного агента, где изобары совпадают с изотермами, что позво-ляет теоретически рассмотреть цикл Карно.

 

Функциональная схема паровой одноступенчатой холодильной машины и обратимый цикл Карно, совершаемый ею, приведены на рис. 2.

 

 

Рис. 3.1. Функциональная схема паровой одноступенчатой холодильной

 

машины с детандером и дросселем и циклы ее работы:

а — схема машины; б — диаграмма работы машины

 

Жидкий холодильный агент кипит в испарителе И при постоянной температуре Т_K (процесс 4—1), в результате чего от охлаждаемого тела, например воздуха, отводится теплота. При кипении холодильного агента происходит поглощение значительного ко-личества теплоты.

 

Образовавшийся пар вместе с небольшим количеством неиспарившегося холодильного агента адиабатически сжимается в компрессоре К_M до давления Р_K (процесс 1 — 2) и по-ступает в конденсатор К_н, конденсируясь при постоянной температуре Т_к (процесс 2—

 

3) и отдавая поглощенную в испарителе теплоту окружающей среде — воздуху или во-де. Жидкий холодильный агент адиабатически расширяется в детандере Д до давления Р_о (процесс 3—4), совершая при этом полезную работу.

Количество отведенной 1 кг холодильного агента теплоты q₀ в испарителе определяется на S—T -диаграмме площадью а—4—1—b и может быть представлено как разность эн-тальпий i₁ – i₄. Количество теплоты q_обр, отданное 1 кг холодильного агента в конденса-торе, определяется площадью a — 3—2—b или разностью энтальпий i ₂ - i ₃.

Работа цикла l _обр может быть определена разностью работ компрессора и детандера:

 

l обр= lK – lp.

(3.1)

 

Работа компрессора и детандера может быть записана

 

lk = i2 – i1 и l р= i3 – i4.

(3.2)

 

Холодильный коэффициент цикла ε _обр0 может быть выражен как

 

ε обр0= qобр0 /lобр = (i1 – i4) / [(i2 – i1) – (i3 – i4)].

(3.3)

 

Рассмотренный цикл Карно является обратимым. Однако осуществить его практически трудно, так как работа, полученная в детандере, значительно меньше работы, затрачен-ной в компрессоре, ибо жидкость практически несжимаема, а удельные объемы жидко-сти и пара различаются в сотни раз.

 

Следует иметь в виду и то, что часть работы детандера тратится на преодоление сил трения, поэтому вместо детандера в паровой холодильной машине используется дрос-сельный (регулирующий) вентиль ДВ, изображенный на рис. 2 штрихами. Дроссельный вентиль прост в устройстве и надежен в эксплуатации.

Вследствие замены детандера дроссельным вентилем в цикле появляется необратимый процесс дросселирования 3—4, проходящий без производства работы и теплообмена с окружающей средой, т.е. при постоянной энтальпии, поэтому i = i ₄.

 

При адиабатическом дросселировании работа расширения переходит в теплоту трения, поэтому часть циркулирующего жидкого холодильного агента, пропорциональная вы-деленной теплоте, превращается в пар. В испаритель холодильный агент поступает в виде парожидкостной смеси. Поэтому только часть циркулирующего холодильного агента кипит в испарителе, воспринимая теплоту от охлаждаемого тела, вследствие че-го удельная массовая холодопроизводительность холодильного агента уменьшается на величину, соответствующую площади а—4—4'—с:

 

∆ q0 = i4’ – i4.

(3.4)

 

Удельная массовая холодопроизводительность холодильного агента в этом случае:

 

q0 = qобр0 - ∆ q0 = (i1 – i4) – (i4’ – i4) = i1 – i4’.

(3.5)

 

Работа цикла будет больше, чем обратимого:

 

l = lк – lобр + lp = i2 – i1.

(3.6)

 

Холодильный коэффициент цикла

 

ε = q0 / l = (i1 – i4’) / (i2 – i1).

(3.7)

 

Как видно, замена детандера дроссельным вентилем приводит к уменьшению удельной массовой холодопроизводительности холодильного агента, холодильного коэффициен-та и увеличению работы цикла.

 

В циклах 1—2—3—4 и 1—2—3—4’ влажный пар выходит из испарителя и поступает в компрессор. Это уменьшает производительность компрессора вследствие повышения удельного объема всасываемого пара и падения давления, возникает опасность аварии компрессора в результате гидравлического удара. Чтобы избежать этого, холодильные машины должны работать так, чтобы из испарителя выходил сухой насыщенный или перегретый пар, а в компрессор поступал перегретый пар холодильного агента. Это можно осуществить в цикле 1’— 2’— 3— 4’ со всасыванием в компрессор сухого на-сыщенного пара.

Для сжатия пара обратимым путем необходимо провести два процесса сжатия: адиаба-тическое 1’ — 2" и изотермическое 2” — 2, для чего требуется два компрессора. Хотя необратимые потери в цикле 1’—2’—3—4’ больше, чем в цикле 1’—2’’—3—4’, так как холодильный агент передает теплоту окружающей среде в процессе 2’— 2 при конеч-ной разности температур, на практике реализуют цикл 1’ — 2’—3—4’, так как для него достаточно одного компрессора.

 

Удельная массовая холодопроизводительность холодильного агента в обоих циклах одинакова:

 

q0 = i1’ – i4’.

(3.8)

 

Но количество теплоты, отданной 1 кг холодильного агента в конденсаторе окружаю-щей среде, и работа цикла 1’ —2’— 3—4’ будут больше, чем в цикле 1’—2’’—3--4’, на величину площади 2 — 2’—2’’. Холодильный коэффициент цикла 1’—2’—3—4’ опреде-ляется как

 

ε = (i1’ – i4’) / (i2’ – i1’).

(3.9)

 

и будет меньше, чем коэффициент цикла 1’— 2’’ --3—4’.

 

При всасывании в компрессор перегретого пара (цикл 1а — 2а — 3—4’) удельная мас-совая холодопроизводительность холодильного агента увеличивается, но в большей степени возрастает работа цикла, поэтому необратимые потери увеличиваются. Их можно сократить. Так, необратимые потери, связанные с дросселированием хладагента, могут быть уменьшены его охлаждением перед дросселированием (процесс 3—3') до температуры ниже температуры окружающей среды. Это можно осуществить, напри-мер, артезианской водой, температура которой ниже температуры окружающей среды.

В таком случае удельная массовая холодо-производительность холодильного агента возрастет на величину i₄ – i_4’’, а величина работы цикла не изменится.

 

Жидкий холодильный агент перед дросселированием можно охладить также паром, выходящим из испарителя в регенеративном теплообменнике, осуществив цикл, назы-ваемый регенеративным. Однако при этом температура всасываемого в компрессор (точка 1а вместо 1’) и нагнетаемого в конденсатор (точка 2а вместо 2') пара повышает-ся, что увеличивает необратимые потери так называемого перегрева.

 

Теоретически выгоднее влажный ход компрессора, так как при этом цикл ближе к иде-альному циклу Карно. Однако практически производительность компрессора при влажном ходе всегда и для всех холодильных агентов значительно ниже, чем при сухом ходе, т.е. при всасывании сухих насыщенных паров или несколько перегретых при том же давлении кипения Р_о. Отсюда получаем теоретический цикл современной паровой компрессионной машины на S—T -диаграмме в виде 1а — 2а—3’— 4". Сейчас почти во всех холодильных машинах компрессоры работают при сухом ходе.

 

В машинах, работающих на аммиаке, этот режим работы компрессора достигается при помощи специального аппарата — отделителя жидкости либо путем регулирования по-дачи холодильного агента в испаритель. Отделитель жидкости включается во всасы-вающую линию холодильной установки между испарителем и компрессором.

В хладоновых установках сухой ход компрессора достигается при помощи специаль-ных теплообменников или путем регулирования подачи холодильного агента в испари-тель.

Эффективность работы машины оценивается ее холодильным коэффициентом и холо-допроизводительностью, которые зависят от типа и конструкции установки, вида и свойств холодильного агента, конструкции компрессора, а также условий работы. Под условиями работы холодильной машины подразумевают температуру кипения холо-дильного агента в испарителе t₀, температуру конденсации сжатых паров агента в кон-денсаторе t_K, температуру переохлаждения жидкого холодильного агента, поступающе-го в регулирующий вентиль t _п.

 

Чем выше температура кипения t ₀, чем ниже температура конденсации паров t_K и тем-пература переохлаждения t _п, тем больше холодопроизводительность установки. Однако все эти изменения надо проводить в разумных пределах. Так, например, понижение температуры кипения холодильного агента t₀ в хладоновой компрессионной машине с - 15 до -30 °С не повысит, а понизит ее холодопроизводительность в 2 раза. Это объясня-ется тем, что с понижением t₀ уменьшаются давление кипения Р_о и удельный вес паров, поступающих в компрессор. В результате снижается производительность компрессора. Следовательно, без необходимости не нужно переводить холодильную машину на ра-боту с более низкой температурой кипения.