Одноступенчатые холодильные машины.
При работе паровых компрессионных холодильных машин цикл совершается в области влажного пара холодильного агента , где изобары совпадают с изотермами, что позво-ляет теоретически рассмотреть цикл Карно.
Функциональная схема паровой одноступенчатой холодильной машины и обратимый цикл Карно, совершаемый ею, приведены на рис. 2.
Рис. 3.1. Функциональная схема паровой одноступенчатой холодильной
машины с детандером и дросселем и циклы ее работы:
а — схема машины; б — диаграмма работы машины
Жидкий холодильный агент кипит в испарителе И при постоянной температуре ТK (процесс 4—1), в результате чего от охлаждаемого тела, например воздуха, отводится теплота. При кипении холодильного агента происходит поглощение значительного ко-личества теплоты.
Образовавшийся пар вместе с небольшим количеством неиспарившегося холодильного агента адиабатически сжимается в компрессоре КM до давления РK (процесс 1—2) и по-ступает в конденсатор Кн, конденсируясь при постоянной температуре Тк (процесс 2—
3) и отдавая поглощенную в испарителе теплоту окружающей среде — воздуху или во-де. Жидкий холодильный агент адиабатически расширяется в детандере Д до давления Ро (процесс 3—4), совершая при этом полезную работу.
Количество отведенной 1 кг холодильного агента теплоты q0 в испарителе определяется на S—T-диаграмме площадью а—4—1—b и может быть представлено как разность эн-тальпий i1 – i4. Количество теплоты qобр, отданное 1 кг холодильного агента в конденса-торе, определяется площадью a — 3—2—b или разностью энтальпий i2 - i3.
Работа цикла lобр может быть определена разностью работ компрессора и детандера:
| lобр= lK – lp. | (3.1) |
Работа компрессора и детандера может быть записана
| lk = i2 – i1 и lр= i3 – i4. | (3.2) |
Холодильный коэффициент цикла εобр0 может быть выражен как
| εобр0= qобр0 /lобр = (i1 – i4) / [(i2 – i1) – (i3 – i4)]. | (3.3) |
Рассмотренный цикл Карно является обратимым. Однако осуществить его практически трудно, так как работа, полученная в детандере, значительно меньше работы, затрачен-ной в компрессоре, ибо жидкость практически несжимаема, а удельные объемы жидко-сти и пара различаются в сотни раз.
Следует иметь в виду и то, что часть работы детандера тратится на преодоление сил трения, поэтому вместо детандера в паровой холодильной машине используется дрос-сельный (регулирующий) вентиль ДВ, изображенный на рис. 2 штрихами. Дроссельный вентиль прост в устройстве и надежен в эксплуатации.
Вследствие замены детандера дроссельным вентилем в цикле появляется необратимый процесс дросселирования 3—4, проходящий без производства работы и теплообмена с окружающей средой, т.е. при постоянной энтальпии, поэтому i = i4.
При адиабатическом дросселировании работа расширения переходит в теплоту трения, поэтому часть циркулирующего жидкого холодильного агента, пропорциональная вы-деленной теплоте, превращается в пар. В испаритель холодильный агент поступает в виде парожидкостной смеси. Поэтому только часть циркулирующего холодильного агента кипит в испарителе, воспринимая теплоту от охлаждаемого тела, вследствие че-го удельная массовая холодопроизводительность холодильного агента уменьшается на величину, соответствующую площади а—4—4'—с:
| ∆q0 = i4’ – i4. | (3.4) |
Удельная массовая холодопроизводительность холодильного агента в этом случае:
| q0 = qобр0 - ∆q0 = (i1 – i4) – (i4’ – i4) = i1 – i4’. | (3.5) |
Работа цикла будет больше, чем обратимого:
| l = lк – lобр + lp = i2 – i1. | (3.6) |
Холодильный коэффициент цикла
| ε = q0 / l = (i1 – i4’) / (i2 – i1). | (3.7) |
Как видно, замена детандера дроссельным вентилем приводит к уменьшению удельной массовой холодопроизводительности холодильного агента, холодильного коэффициен-та и увеличению работы цикла.
В циклах 1—2—3—4 и 1—2—3—4’ влажный пар выходит из испарителя и поступает в компрессор. Это уменьшает производительность компрессора вследствие повышения удельного объема всасываемого пара и падения давления, возникает опасность аварии компрессора в результате гидравлического удара. Чтобы избежать этого, холодильные машины должны работать так, чтобы из испарителя выходил сухой насыщенный или перегретый пар, а в компрессор поступал перегретый пар холодильного агента. Это можно осуществить в цикле 1’— 2’— 3— 4’ со всасыванием в компрессор сухого на-сыщенного пара.
Для сжатия пара обратимым путем необходимо провести два процесса сжатия: адиаба-тическое 1’ — 2" и изотермическое 2” — 2, для чего требуется два компрессора. Хотя необратимые потери в цикле 1’—2’—3—4’ больше, чем в цикле 1’—2’’—3—4’, так как холодильный агент передает теплоту окружающей среде в процессе 2’— 2 при конеч-ной разности температур, на практике реализуют цикл 1’—2’—3—4’, так как для него достаточно одного компрессора.
Удельная массовая холодопроизводительность холодильного агента в обоих циклах одинакова:
| q0 = i1’ – i4’. | (3.8) |
Но количество теплоты, отданной 1 кг холодильного агента в конденсаторе окружаю-щей среде, и работа цикла 1’ —2’— 3—4’ будут больше, чем в цикле 1’—2’’—3--4’, на величину площади 2—2’—2’’. Холодильный коэффициент цикла 1’—2’—3—4’ опреде-ляется как
| ε = (i1’ – i4’) / (i2’ – i1’). | (3.9) |
и будет меньше, чем коэффициент цикла 1’— 2’’ --3—4’.
При всасывании в компрессор перегретого пара (цикл 1а — 2а — 3—4’) удельная мас-совая холодопроизводительность холодильного агента увеличивается, но в большей степени возрастает работа цикла, поэтому необратимые потери увеличиваются. Их можно сократить. Так, необратимые потери, связанные с дросселированием хладагента, могут быть уменьшены его охлаждением перед дросселированием (процесс 3—3') до температуры ниже температуры окружающей среды . Это можно осуществить, напри-мер, артезианской водой, температура которой ниже температуры окружающей среды.
В таком случае удельная массовая холодо-производительность холодильного агента возрастет на величину i4 – i4’’, а величина работы цикла не изменится.
Жидкий холодильный агент перед дросселированием можно охладить также паром, выходящим из испарителя в регенеративном теплообменнике, осуществив цикл, назы-ваемый регенеративным. Однако при этом температура всасываемого в компрессор (точка 1а вместо 1’) и нагнетаемого в конденсатор (точка 2а вместо 2') пара повышает-ся, что увеличивает необратимые потери так называемого перегрева.
Теоретически выгоднее влажный ход компрессора, так как при этом цикл ближе к иде-альному циклу Карно. Однако практически производительность компрессора при влажном ходе всегда и для всех холодильных агентов значительно ниже, чем при сухом ходе, т.е. при всасывании сухих насыщенных паров или несколько перегретых при том же давлении кипения Ро. Отсюда получаем теоретический цикл современной паровой компрессионной машины на S—T-диаграмме в виде 1а — 2а—3’— 4". Сейчас почти во всех холодильных машинах компрессоры работают при сухом ходе.
В машинах, работающих на аммиаке, этот режим работы компрессора достигается при помощи специального аппарата — отделителя жидкости либо путем регулирования по-дачи холодильного агента в испаритель. Отделитель жидкости включается во всасы-вающую линию холодильной установки между испарителем и компрессором.
В хладоновых установках сухой ход компрессора достигается при помощи специаль-ных теплообменников или путем регулирования подачи холодильного агента в испари-тель.
Эффективность работы машины оценивается ее холодильным коэффициентом и холо-допроизводительностью, которые зависят от типа и конструкции установки, вида и свойств холодильного агента, конструкции компрессора, а также условий работы. Под условиями работы холодильной машины подразумевают температуру кипения холо-дильного агента в испарителе t0, температуру конденсации сжатых паров агента в кон-денсаторе tK, температуру переохлаждения жидкого холодильного агента, поступающе-го в регулирующий вентиль tп.
Чем выше температура кипения t0, чем ниже температура конденсации паров tK и тем-пература переохлаждения tп, тем больше холодопроизводительность установки. Однако все эти изменения надо проводить в разумных пределах. Так, например, понижение температуры кипения холодильного агента t0 в хладоновой компрессионной машине с - 15 до -30 °С не повысит, а понизит ее холодопроизводительность в 2 раза. Это объясня-ется тем, что с понижением t0 уменьшаются давление кипения Ро и удельный вес паров, поступающих в компрессор. В результате снижается производительность компрессора. Следовательно, без необходимости не нужно переводить холодильную машину на ра-боту с более низкой температурой кипения.