Цикл парокомпресорної холодильної установки

Більш вигідні й зручні, у порівнянні з повітряними, парові компресорні холодильні установки, що дозволяють в області насиченої пари здійснити ізотермічний відвід і підведення теплоти, що відбирається у охолоджувального середовища, і наблизити холодильний цикл до зворотнього циклу Карно.

Здійснити в холодильній установці підвід і відвід теплоти по ізотермах вдасться у тому випадку, якщо в якості хладоагента використовується волога пара якої-небудь легкокиплячої рідини, тобто рідини, у якої температура кипіння при атмосферному тиску менша за температуру навколишнього середовища . У парокомпресорниххолодильних установках (ПКХУ) здійснюються, в основному, ті ж процеси, що й у ПХМ. Робочим тілом (хладоагентом) таких установок є легкокиплячі рідини: аміак, вуглекислота, сірчастий ангідрид, фторохлорпохідні найпростіших вуглеводнів та інші. Найбільше застосування мають аміак і фреони. У ПКХУ на відміну від ПХМ замість детандера застосовується дросельний (редукційний) вентиль, за допомогою якого регулюють температуру в охолоджуваємому об’ємі, зміною ступеня відкриття редукційного вентиля. Процес адіабатного дроселювання супроводжується зростанням ентропії дроселюючої речовини, при цьому ентальпія речовини не змінюється. ПКХУ представлена на мал. 30.1 і працює у такий спосіб:

Стиснена у компресорі 3 до тиску волога (суха) пара надходить у конденсатор (охолоджувач) 2, де за рахунок віддачі теплоти, охолодному середовищу, відбувається повна конденсація пари. Процес конденсації відбувається по ізобарі-ізотермі 4 - 1

мал. 30.2.

Рідина з конденсатора при тиску й температурі Т₁ проходить через дросельний вентиль 1, де вона дроселюється до тиску . Тиск вибирається таким, щоб відповідна цьому

Мал.30.1 тиску температура насичення Т₂ була трохи нижча температури охолоджувємого об’єму. Процес дроселювання у вентилі 1 є необоротним і на Т, S- діаграмі зображується умовною лінією 1 – 2 (мал. 30.2-а).

Мал.30.2

Після дросельного вентиля, волога пара направляється у випарник 4, де за рахунок теплоти, відбираємої від охолоджуючих тіл, вміщена в ньому рідина випаровується, ступінь сухості вологої пари при цьому зростає. Ізобарно-ізотермічний процес підведення теплоти до хладоагенту у випарнику зображується лінією 2 – 3. З випарника пар високого ступеня сухості направляється в компресор 3, де адіабатно стискується від тиску до тиску .

У ПКХУ залежно від стану пари, що виходить із компресора, можливі наступні цикли: на насиченій парі (мал. 30.2. а); на вологій парі (мал . 30.2. б); на перегрітій парі (мал.30.2. в).

З компресора пара направляється в конденсатор 4, і цикл замикається.

Цикл 1 – 2 – 3 – 4, наведений на мал. 30.2, відрізняється від зворотнього циклу Карно 1 – А – 3 – 4 тим, що процес 1 – 2 охолодження хладоагента від температури Т₁ до Т₂ відбувається по необоротній адіабаті в дросельному вентилі, а в циклі Карно по оборотній адіабаті 1 – А в детандері. Кількість теплоти , що відбирається від охолоджуваного джерела, у циклі ПКХУ зображується пл. (а – 2 – 3 – в – а), а кількість теплоти , що відбирає у зворотньому циклі Карно дорівнює пл. (з – А -3 – в – с). З мал. 30.2. а видно, що пл. (з – А – 3 з -з) > пл. (а – 2 – 3 – в – а). Втрата хладопродуктивності від заміни детандера редукційним вентилем визначається пл. (А – 2 – а – з – А). Кількість теплоти, передана в конденсаторі охолоджуючому середовищу при постійному тиску, дорівнює:

.

Теплота, що підводиться до хладоагенту в охолоджуваному об’єкті, дорівнює

У циклі ПКХУ робота, затрачувана на привод компресора 3, дорівнює:

Оскільки в процесі дроселювання , то робота, затрачувана в циклі, дорівнює роботі компресора, тобто .

Підставляючи значення й у рівняння:

, (30.1)

На ефективність холодильних установок впливають властивості хладоагента. З виразу (30.1) видно, що хладопродуктивність тим вище, чим більша різниця ентропій . Різниця тим більша, чим «ширше» цикл, тобто чим більше різниця .

Причому: , (30.2)

де: r – схована теплота паротворення хладоагента при температурі Т₁.

Таким чином, при постійній витраті хладоагента в установці хладопродуктивність циклу тим вища, чим більша теплота паротворення хладоагента при верхній температурі циклу. Отже, величина r може бути використана, як критерій для оцінки хладоагента.

ПКХУ застосовуються для одержання й підтримки в охолоджуваємому об’ємі температур від 0 до -120 ^оС, а іноді й нижче. Нижня температура циклу Т₂ задається при проектуванні залежно від призначення холодильної установки, верхня Т₁ визначається температурою охолоджуючої води, що надходить у конденсатор. Звичайно температура охолоджуючої води змінюється в межах від 0 до +30 ^оС.

До хладоагентов для ПКХУ висувають наступні вимоги:

1. Хладоагент повинен мати можливо більшу теплоту паротворення r.

2. Тиск насичених парів хладоагента при нижній температурі Т₂ має бути вище атмосферного, тому що в цьому випадку легше усунути витік хладоагента, чим підсмоктування повітря при вакуумі. Влучення повітря й вологи в хладоагент погіршує теплопередачу. Крім того, волога може замерзати при низькій температурі.

3. Хладоагенти повинні бути нетоксичними, хімічно стійкими й не взаємодіяти з конструкційними матеріалами.

ПКХУ мають переваги перед повітряними. У них більш високий холодильний коефіцієнт і більша хладопродуктивність. Крім того, вони компактніші та більш дешеві.