9. Цикл парокомпрессорной холодильной установки

Идеальным циклом холодильных машин является обратный цикл Карно (рис. 9.1.).

Обход контура осуществляется против часовой стрелки.

В результате осуществления этого цикла затрачивается внешняя работа над рабочим телом ( ), которая идет на отбор тепла (q₂) более нагретому телу ( ).

Показателем эффективности цикла является отношение отведенной от охлаждающей среды теплоты (произведенного холода) к затраченной работе ( ) и называется холодильным коэффициентом: .

Рис. 9.1. Обратный цикл Карно:

q₂ – полученное отобранное рабочим телом тепло (Дж/кг);

q₁– отданное рабочим телом тепло (Дж/кг)

Для обратного цикла Карно

Холодильный коэффициент обратного цикла Карно (обратимый процесс) имеет наибольшее значение по сравнению с другими циклами холодильных машин, осуществляемыми в том же интервале температур теплоисточников.

В парокомпрессорных холодильных установках рабочим телом (хладагентом) является низкокипящие вещества – аммиак (NH₃), углекислота (СО₂),сернистый ангидрид (SО₂), фреоны и т.д. Значения термодинамических параметров берутся из таблицы термодинамических свойств хладагентов.

Принципиальная схема установки представлена на рис. 9.2, соответствующая T-s-диаграмма цикла – на рис. 9.3, h-s-диаграмма цикла – на рис. 9.4. (обход контура – против часовой стрелки!).

Установка, реализующая цикл, представленный на рис. 9.3, 9.4, работает следующим образом. Подаваемый на вход компрессора пар (P=P₂,Т=T_s(P₂), X≈1 адиабатно сжимается в компрессоре до давления P₁> P₂ (участок 1-2) и переходит в перегретое состояние. В конденсаторе перегретый пар сначала охлаждается до X=1 (участок 2-3), затем, конденсируясь при том же давлении P₁ и Т=T_s(P₁), охлаждается до X=0 (участок 3-4). На участке 2-3-4 в изобарном процессе (P=P₁=const) в окружающую среду хладагентом передается тепло q₁.

Рис. 9.2. Схема парокомпрессорной холодильной установки (ПКХУ): КП – компрессор; ЭД – электродвигатель;

КН – конденсатор; ДВ – дроссельный (редукционный) вентиль; ИС – испаритель; q₂ – полученное в цикле хладагентом тепло;

q₁ – отданное в цикле хладагентом тепло

Рис. 9.3. T-s-диаграмма цикла ПКХУ:

АК – жидкость на линии насыщения (Х=0); КВ – сухой насыщенный пар (Х=1); линия «2–3–4» – изобара P=P₁; линия «5–1» – изобара P=P₂; h₄=h_s=h′(P₁); s₄=s(P₁)=s₅

Рис. 9.4. h-s- диаграмма цикла ПКХУ

В дроссельном (редукционном) вентиле (т. 4–5) происходит процесс адиабатного дросселирования (изоэнтальпийный процесс – эффект Джоуля-Томсона). Этот процесс адиабатный (∆q=0), но принципиально необратимый и поэтому неизоэнтропийный (∆s=s₅ – s₄ > 0). При использовании расширительного цилиндра (детандера) вместо дроссельного вентиля процесс, практически, изоэнтропийный (участок 4–5).

Наконец, в испарителе (участок 5–1) по изобаре-изотерме влажный насыщенный пар, отбирая тепло q₂ у охлаждаемой среды, переходит в состояние «сухой насыщенный пар» (X=1).

Холодильный коэффициент (ε) цикла, как это видно из рис. 9.4

( , , ; ).

Основной характеристикой холодильной установки является холодопроизводительность (Q₀) – количество тепла, отбираемое от охлаждаемой среды (полученное хладагентом) в единицу времени ([Q₀]=Вт). Так как в наших обозначениях q₂ – это количество тепла, отбираемое 1 кг хладагента от охлаждаемой среды, то

,

где G – массовый расход хладагента ([G] = кг/c).

По определению, , следовательно,

,

_{где GA0 – мощность компрессора (теоретическая).}

Формализм решения задач этого раздела и задач предыдущего раздела (цикл Ренкина) практически один и тот же.