Схема и цикл парокомпрессионной холодильной установки

Хладоагентами (ХА) парокомпрессионных холодильных установок являются пары низкокипящих жидкостей: аммиака (NH₃), фреонов (C_mH_nF_xCl_y).

На рис. 10.6 и 10.7 представлены схема и цикл парокомпрессионной холодильной установки.

Обозначения: К- компрессор; КН – конденсатор; ДВ- дроссельный вентиль; И – испаритель; ЭД – электродвигатель; t¢_хл, t¢¢_хл -температуры хладоносителя. Цифры на схеме (рис. 10.6) соответствуют узловым точкам обратимого цикла 1-2-3-4 (рис. 10.7)

Хладоноситель – жидкость, не замерзающая при низких температурах (этиленгликоль, пропиленгликоль), используемая для транспортировки холода.

Для понижения температуры ХА в парокомпрессионных холодильных установках используется дроссельный вентиль. В процессе дросселирования 3-4 энтальпия ХА не изменяется (h₃ = h₄).

Теплота, необходимая для испарения ХА в испарителе, забирается от хладоносителя.

Удельная холодопроизводительность обратимого цикла

.

Затрачиваемая работа в цикле (работа компрессора)

.

Теплота, отводимая в процессе охлаждения и конденсации ХА,

.

Холодильный коэффициент обратимого цикла

.

Если пренебречь разностью температур в процессах теплообмена между хладоагентом и водой, охлаждающей конденсатор, между хладоагентом и хладоносителем в испарителе, то можно принять, что T_x = T₁, T_оc= Т₃ .

В парокомпрессионной холодильной установке в интервале температур T_x – T_оc возможно осуществить цикл Карно 1¢-2¢-3-4¢ с холодильным коэффициентом

.

Эксергетический КПД обратимого цикла парокомпрессионных холодильных установок

,

что говорит о высокой степени термодинамического совершенства паровых циклов.

Действительный цикл парокомпрессионной холодильной установки представлен на рис. 10.8.

Затрачиваемая работа с учетом всех потерь

.

Холодильный коэффициент установки

.

Эксергетический КПД холодильной установки

.

Преимущество парокомпрессионных холодильных установок, по сравнению с газовыми, в том, что они имеют более высокий эксергетический КПД, меньшие габариты, большую удельную холодопроизводительность.

Они применяются для получения холода в области умеренных температур (t > -100 ⁰С), широко используются в промышленности и в быту.

Методические указания

Почему в теплотрансформаторах осуществляются обратные циклы? Это можно понять, если сравнить назначение теплотрансформаторов с назначением тепловых двигателей. В теплотрансформаторах теплота передается от холодного тела к горячему и этот процесс требует затраты работы. Назначение тепловых двигателей – получить полезную работу за счет тепла горячего источника; не превращенное в работу тепло самопроизвольно переходит к холодному источнику.

Важно разобраться с коэффициентами, оценивающими эффективность циклов теплотрансформаторов ( ). Коэффициенты зависят от температур источников тепла и не могут использоваться для сравнения по эффективности одноименных теплотрансформаторов, работающих в разных температурных интервалах. Показателем термодинамического совершенства любых теплотрансформаторов является эксергетический КПД ( ).

Необходимо понимать особенности работы и применения газовых (воздушных) и парокомпрессионных холодильных установок:

· почему в газовых холодильных установках не применяется дроссельный вентиль вместо громоздкого детандера;

· почему термодинамическая эффективность циклов парокомпрессионных холодильных установок существенно выше, чем газовых;

· в каких установках больше расходы ХА и почему;

· как можно увеличить холодопроизводительность парокомпрессионных холодильных машин и т.д.

Задачи

1. В цикле воздушной холодильной установки параметры воздуха на входе в компрессор p₁ = 1 бар, t = -10 ⁰С, параметры воздуха на входе в детандер p₃ = 5 бар, t₃ = 15 ⁰С.

Определить удельную холодопроизводительность (q_x), затрачиваемую работу (l), холодильный коэффициент (e_t) и эксергетический КПД ( ) обратимого цикла.

Теплоемкость воздуха принять постоянной согласно молекулярно-кинетической теории газов.

Решение

Схема и обратимый цикл воздушной холодильной установки приведены на рис. 10.2-10.4.

Рассчитываются температуры в узловых точках цикла T₂ и T₄ по уравнению (4.48). (Для воздуха - двухатомный газ - показатель адиабаты

k = 1,4):

Затрачиваемая работа при условии постоянной теплоемкости

определяется по формуле

.

Удельная холодопроизводительность

.

Холодильный коэффициент обратимого цикла

.

Холодильный коэффициент цикла Карно

.

Эксергетический КПД обратимого цикла

.

Ответы: q_x = 81,2 кДж/кг, l = 47,3 кДж/кг, e_t = 1,72, = 0,163.

2. Компрессор аммиачной холодильной установки всасывает мокрый пар при давлении p₁ =1,9 бар, степени сухости x₁ = 0,9 и сжимает его адиабатно до давления p₂ = 8,57 бар, при этом пар становится сухим насыщенным.

Определить холодопроизводительность (q_x), отводимое в конденсаторе тепло (q₀), работу компрессора (l_k), внутренний относительный КПД ( ), холодильный коэффициент и эксергетический КПД действительного цикла (e_д, ).

Решение

Действительный цикл (1-2д-3-4), осуществляемый в аммиачной холодильной установке, представлен на рис. 10.9.

Энтальпии (h) в узловых точках цикла определяются с помощью таблицы насыщенного пара аммиака (табл. 3 Приложения). Энтальпия и энтропия аммиака на входе в компрессор (h₁, s₁) рассчитываются по формулам (5.2), (5.4). Параметры берутся из табл.3 при p₁ = 1,9 бар:

При p₂ = 8,57 бар из табл.3 находятся значения h_2д = h¢¢ = 1699,4 кДж/кг, h₃ = h₄ = h¢ = 512,5 кДж/кг.

Степень сухости x₂ рассчитывается по формуле (5.7) через энтропию
s₂ = s₁:

,

энтальпия h₂ рассчитывается по формуле (5.2):

Удельная холодопроизводительность

.

Теплота, отводимая в конденсаторе,

.

Работа компрессора

.

Внутренний относительный КПД компрессора

.

Холодильный коэффициент действительного цикла

.

По давлениям p₁ и p₂ из табл.3 находятся t_x = - 20 ⁰С, t_оc = 20 ⁰С, рассчитывается холодильный коэффициент обратного цикла Карно (по формуле (10.2))

и эксергетический КПД действительного цикла

.

10.6 Ответы:

11. ЗАЩИТА АТМОСФЕРЫ ОТ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК