Циклы холодильных установок

Холодильной установкой называют устройство, в котором путем затраты внешней энергии (получаемой в форме работы или теплоты) можно передать теплоту от тел, менее нагретых, к телам, более нагретым. Теплота, отнимаемая от охлаждаемого объекта, воспринимается холодильным агентом (хладоагентом) и передается им окружающей среде. Производство холода получило широкое распространение в быту и на транспорте при хранении и транспортировке продуктов, для создания искусственного микроклимата – кондиционирования воздуха и т.д.

В большинстве случаев производство холода основано на совершении хладоагентом обратного цикла. Наиболее экономичным является обратный цикл Карно.

Количество теплоты, отводимой от охлаждаемого объекта (часто в единицу времени), называют холодопроизводительностью установки. Теплота, отводимая от охлаждаемого объекта одним килограммом хладоагента, называется удельной холодопроизводительностью.

По виду применяемых хладоагентов холодильные установки делятся на две группы – воздушные и паровые. В воздушных холодильных установках холодильным агентом служит воздух. В паровых холодильных установках хладоагентом являются пары различных низкокипящих веществ – аммиака (NH₃), углекислоты (CO₂), фреонов. Паровые холодильные установки подразделяются на парокомпрессионные, пароэжекторные и абсорбционные. Мы ограничимся рассмотрением только воздушной и парокомпрессионной холодильных установок.

На рис. 3.1 показана схема воздушной холодильной установки. Рабочим телом в этой установке является воздух. Циклы в координатах p-v и T-s представлены на рис. 3.2.

Воздушная холодильная установка работает следующим образом. Воздух из холодильной камеры ХК поступает в компрессор К, где сжимается по адиабате 1 – 2 до давления p₂ с повышением температуры до T₂.

После компрессора воздух охлаждается в охладителе ОХЛ при p₂ = const до температуры охлаждающего тела (воды, воздуха). С параметрами точки 3 воздух поступает в детандер (расширительная машина) Д, где расширяется по адиабате 3 – 4 и совершает при этом работу, отдаваемую детандером внешнему потребителю П. В результате расширения воздух снижает свою температуру до температуры точки 4 и поступает в холодильную камеру ХК, где, нагреваясь по изобаре 4 – 1, отбирает теплоту от охлаждаемых тел. Температура хладоагента при этом повышается от T₄ до T₁, теоретически равной температуре охлаждаемого объекта.

Рис. 3.1. Схема воздушной холодильной установки

Рис. 3.2. Цикл воздушной холодильной установки в координатах p-v и T-s.

Затем цикл повторяется в том же порядке.

Работа компрессора в этом цикле:

. (3.1.)

Работа детандера:

l_д = C_p(T₃ – T₄) = h₃ – h₄. (3.2.)

Работа, затрачиваемая за цикл:

l_ц = l_k - l_д. (3.3.)

Количество теплоты, отводимое от охлаждаемого тела хладоагентом (удельная холодопроизводительность):

q₂ = C_P(T₁ – T₄) = h₁ – h₄. (3.4.)

Холодильный коэффициент цикла:

ε = . (3.5.)

Расход хладоагента:

M = Q_o / q₂ , кг/с, (3.6.)

где Q_o, кДж/с (кВт) – холодопроизводительность цикла.

Теоретическая мощность для привода компрессора:

N_T = M · l_k, кВт. (3.7.)

Вследствие малой теплоемкости воздуха удельная холодопроизводительность воздушных холодильных установок ограничена. Использование малогабаритного турбодетандера позволяет применять такие установки в авиационных системах кондиционирования воздуха.

При регенерации холода экономичность воздушных холодильных установок возрастает, и их используют для получения глубокого холода, например, в процессах сжижения воздуха.

В воздушной холодильной установке подвод и отвод теплоты производится по изобарам, что снижает величину холодильного коэффициента. При использовании в качестве хладоагента влажного пара, какой – либо низкокипящей жидкости, процессы подвода и отвода теплоты удается осуществлять изотермически. В этом случае холодильный цикла будет в большей степени приближен к обратному циклу Карно, и поэтому холодильный коэффициент в парокомпрессионных установках значительно выше, чем в воздушных.

На рис. 3.3 показана схема парокомпрессионной холодильной установки, а на рис. 3.4 ее цикл в координатах p-v и T-s. Из холодильной камеры ХК рабочее тело в виде влажного пара поступает в компрессор К, где сжимается по адиабате. После сжатия пар будет перегретым (процесс 1-2) или сухим насыщенным (процесс 1’-5). Из компрессора пар направляется в конденсатор КН, в котором превращается в жидкость за счет отдачи теплоты парообразования охлаждающему телу (воздуху или воде). Процесс конденсации пара 2-3 изобарный, на участке 5-3 он является одновременно изотермическим. Из конденсатора жидкость поступает в редукционный вентиль (дроссель) ДР, где она дроселируется с понижением давления и температуры (процесс 3-4). В результате дроселирования 3-4 энтальпия рабочего тела остается постоянной h₃ = h₄.

Полученный влажный насыщенный пар с низкой температурой в холодильной камере ХК отбирает теплоту от охлаждаемого объекта и подсушивается при постоянных давлении и температуре по линии 4-1, чем завершается цикл.

Рис.3.3. Схема парокомпрессионной холодильной установки

Рис.3.4. Цикл парокомпрессионной холодильной установки в координатах p-v и T-s

Работа, затрачиваемая на осуществление цикла, определяется только работой компрессора, так как расширение происходит без производства работы.

Работа компрессора

l_k = h₂ – h₁ = l_ц (3.8.)

Тепловая нагрузка конденсатора

q₁ = h₂ – h₃ (3.9.)

Количество теплоты, отводимое от охлаждаемого тела одним кг хладоагента, т.е. удельная холодопроизводительность

q₂ = h₁ – h₄ = r (x₁ – x₄), (3.10)

где r – теплота парообразования;

x₁, x₄ – соответственно степень сухости пара в точках 1 и 4.

Количество хладоагента и теоретическую мощность, подводимую к компрессору, определяют по тем же формулам, что и для цикла воздушной холодильной установки.

Холодильный коэффициент

ε = . (3.11)

Сравнивая цикл 1’-5-3-4-1’ идеальной холодильной парокомпрессионной установки (рис.3.4) и обратный цикл Карно 1’-5-3-4’-1, можно видеть, что при одинаковом изменении температур холодильный коэффициент первого цикла близок ко второму. Следовательно, парокомпрессионная холодильная установка термодинамически весьма совершенна.