Схема и цикл газовой (воздушной) холодильной установки

Впервые промышленное получение холода было осуществлено с помощью воздушной холодильной установки.

Схема и обратимый цикл воздушной холодильной установки представлены на рис. 10.2, 10.3, 10.4.

Работа, затрачиваемая на сжатие воздуха в компрессоре (площадь a-1-2-b в p-v- диаграмме),

.

Работа, получаемая при расширении воздуха в детандере (площадь
a-4-3-b),

частично компенсирует затраты работы на сжатие (компрессор, детандер и электродвигатель находятся на одном валу).

Обозначения: К – компрессор; Д – детандер; ХК - холодильная камера;

T -теплообменник, охлаждаемый водой; ЭД – электродвигатель; T_oc = T₃ - температура окружающей среды; T_x = T₁ - температура вырабатываемого холода.

Цифры на схеме соответствуют узловым точкам обратимого цикла 1-2-3-4.

Результирующая затрачиваемая работа (площадь цикла 1-2-3-4 в p-v- и T-s- диаграммах)

Удельная холодопроизводительность обратимого цикла (площадь
1-4-c-d в T-s- диаграмме)

.

Теплота, передаваемая от охлаждаемого воздуха к воде в теплообменнике (Площ. 2-3-c-d),

.

Холодильный коэффициент обратимого цикла

.

В газовой холодильной установке невозможно осуществить изотермический процесс подвода и отвода теплоты, поэтому обратимый цикл 1-2-3-4 отличается от цикла Карно 1-2¢-3-3¢ для данного интервала температур T_x - T_oc. Из T-s- диаграммы видно, что в цикле Карно удельная холодопроизводительность больше (Площ. c3¢1d > Площ. c41d), а затрачиваемая работа меньше (Площ.1-2¢-3-3¢< Площ. 1-2-3-4), чем в цикле воздушной холодильной установки, следовательно, холодильный коэффициент цикла Карно

.

Эксергетический КПД обратимого цикла для газовых холодильных установок

что говорит о низком термодинамическом совершенстве газовых циклов.

На рис. 10.5 представлен действительный цикл воздушной холодильной установки 1-2д-3-4д.

Степень необратимости процессов сжатия и расширения воздуха учитывается внутренним относительным КПД компрессора и внутренним относительным КПД детандера:

.

Механические и электрические потери в компрессоре, детандере и электродвигателе учитываются электромеханическим КПД (h_ЭМ).

Удельная холодопроизводительность действительного цикла

.

Затрачиваемая работа с учетом всех потерь (электрическая работа)

.

Холодильный коэффициент и эксергетический КПД холодильной установки (с учетом всех потерь)

.

Учет потерь от необратимости снижает эксергетический КПД установки ( ) по сравнению с эксергетическим КПД обратимого цикла ( ) примерно в два раза.

Вследствие малой теплоемкости воздуха удельная холодопроизводительность воздушных холодильных установок

,

мала. Для получения необходимой холодопроизводительности

требуются большие расходы циркулирующего воздуха, с которыми успешно справляются турбокомпрессоры и турбодетандеры.

Газовые холодильные машины применяются для получения искусственного холода с низкими температурами (t < -100 ⁰С).