Паро-компрессорная холодильная установка

Возможность приблизить экономичность холодильной установки к экономичности цикла Карно в интервале температур холодного тела и окружающей среды появилась с получением рабочих тел, имеющих низкие температуры фазового перехода из жидкости в пар. К таким веществам относятся различные фторхлоруглеводородные соединения, называемые фреонами. Для таких веществ можно осуществить холодильный цикл в области влажного насыщенного пара (рис. 10.8).

Однако реализация цикла 1-2-3-а, соответствующего циклу Карно, невозможна по причине технического ограничения адиабатного процесса расширения рабочего тела при его фазовом переходе из жидкости в пар (процесс 3-а). При таком фазовом переходе ни поршневой, ни проточный детандеры работать не будут (они быстро разрушаться по причине резкого изменения объема рабочего тела и наличия большого количества капельной влаги). Поэтому адиабатный процесс расширения рабочего тела (3-а) в паро-компрессорных холодильных установках (ПКХУ) заменили процессом дросселирования (3-4), и вместо детандера установили редуктор (дроссельный клапан). Установка редуктора снизит величину q₂ и увеличит затраты работы на реализацию цикла 1-2-3-4-1 по отношению к циклу Карно 1-2-3-а-1. Однако установка получается простой, надежной и

достаточно экономичной (рис.10.9).

Методика расчета идеального цикла ПКХУ

Удельная работа компрессора ПКХУ определяется выражением

. (10.17)

Удельная теплота, отводимая от рабочего тела в охладителе, рассчитывается как

. (10.18)

Удельная теплота, подводимая к рабочему телу от охлаждаемого тела в холодильной камере, рассчитывается исходя из равенства энтальпий в процессе дросселирования h₃=h₄

. (10.19)

Удельная работа, затраченная на реализацию обратимого цикла ПКХУ, равна работе компрессора

. (10.20)

Холодильный коэффициент ПКХУ соответствует выражению

. (10.21)

Реальный цикл ПКХУ

В реальном цикле ПКХУ начало процесса сжатия рабочего тела (точка 1) смещается в область допустимых начальных влажностей, что диктуется требованием надежной работы первых ступеней компрессора (х_1доп=0,88). В результате этого завершение процесса 12’ осуществляется в области перегретого пара (рис.10.10). Такое смещение процесса сжатия приводит к увеличению затрат работы на привод компрессора и, соответственно, к снижению холодильного коэффициента ПКХУ.

Для увеличения экономичности реальной ПКХУ в ее холодильную камеру направляют только жидкую фазу рабочего тела. При этом происходит увеличение удельной холодопроизводительности q₂ и, соответственно, уменьшение размеров холодильной камеры. Направление жидкой фазы рабочего тела в холодильную камеру ПКХУ обеспечивает сепаратор, установленный после редуктора (рис. 10.11). Смесь жидкой и паровой фаз рабочего тела, выходящая из холодильной камеры, снова поступает в сепаратор. Из сепаратора пар с допустимой степенью сухости направляется в компрессор. Между сепаратором и холодильной камерой циркулирует часть рабочего тела (отсепарированная жидкая фаза). Обозначим относительную долю этого рабочего тела как a_с , приняв за единицу

(a=1) относительный расход рабочего тела через компрессор.

Величина a_с определяется исходя из того, что количество сухого насыщенного пара на входе и выходе из сепаратора одинаково. На основании этого материального баланса сепаратора записывается равенство

, (10.22)

где х₁, х₄ и х₆ – степени сухости фреона на выходе из сепаратора, редуктора и холодильной камеры соответственно.

Из уравнения (10.22) получаем величину a_с при известных степенях сухости х₁, х₄ и х₆

. (10.23)

Удельная работа компрессора ПКХУ определяется выражением

, (10.24)

где – адиабатный коэффициент компрессора.

Удельная теплота, отводимая от рабочего тела в охладителе, рассчитывается как

. (10.25)

Удельная теплота, подводимая к рабочему телу от охлаждаемого тела в холодильной камере, рассчитывается исходя из процесса 5-6 в холодильной камере и количества фреона, проходящего через нее

. (10.26)

Удельная работа, затраченная на реализацию реального цикла ПКХУ, равна работе компрессора

. (10.27)

Холодильный коэффициент реальной ПКХУ соответствует выражению

. (10.28)

Холодильный коэффициент реальной ПКХУ в несколько раз выше, чем у ВХУ. При этом ПКХУ требует на порядок меньший расход рабочего тела и эффективный процесс теплопередачи в холодильной камере, что делает ее компактной. Большинство бытовых холодильников выполнены по принципу ПКХУ.