21
.pdf
Центр дистанционного обучения
Для идеального цикла выражение (1) при подстановке значений и ад приобретает вид:
х |
н∆ |
|
|
н |
2 |
|
в н |
||||
в н∆ |
|
|
|||
Как видно из (2), для идеального цикла холодильный коэффициент не зависит от физических свойств РТ, а целиком определяется температурой верхнего и нижнего источников.
На величину х можно воздействовать, выбирая уровни температур н и в . С понижением н коэффициент х уменьшается, и производство холода становится дороже; значит, не следует стремиться к чрезмерному понижению температуры н. С понижением в коэффициент х возрастает; однако возможности снижения в обычно ограничены, так как ограничен диапазон температур охлаждающей среды в конденсаторе.
11 online.mirea.ru
Центр дистанционного обучения
Реальная холодильная машина
Реальная компрессионная холодильная машина имеет три существенных отличия от идеальной:
1)Вместо расширительной машины (детандера) в схеме используется дроссельный вентиль;
2)Компрессор реальной холодильной машины всасывает сухой насыщенный пар (при сжатии последний становится перегретым);
3)Жидкость после конденсации несколько переохлаждается перед
дросселированием;
Первые два отличия являются вынужденными: они негативно сказываются на эффективности процесса. Третье отличие вводят намеренно.
12 online.mirea.ru
Центр дистанционного обучения
Предметная оценка указанных изменений дана при рассмотрении диаграммы T–s для реальной холодильной машины.
Напомним, что в дроссельном вентиле происходит адиабатный процесс сброса давления без отдачи работы на сторону. Небольшие размеры вентиля при весьма значительных потоках рабочего тела через вентиль позволяют игнорировать теплообмен с окружающей средой; заметим: в холодильных процессах вентиль часто покрыт естественной изоляцией – “шубой” инея из замерзшей влаги атмосферного воздуха. Смысл процесса состоит в прохождении потока через узкий канал, обладающий существенным гидравлическим сопротивлением.
Замена детандера дроссельным вентилем обусловлена отсутствием
расширительных машин для жидкости. Использование энергии “сжатой” (но практически несжимаемой жидкости) потребовало бы создания расширительной машины с крайне малым ходом поршня, что технически неосуществимо. Образование капель в детандере при адиабатическом расширении в нем жидкости нежелательно из-за эрозии стенок цилиндра, затруднений при выходе двухфазного потока, гидравлических ударов в пространстве под поршнем.
13 online.mirea.ru
Центр дистанционного обучения
Принцип работы дроссельного вентиля иллюстрируется схемой на рис.2. Поток движется через узкий канал А под действием перепада давлений рн – рк, равного гидравлическому сопротивлению канала, обусловленному трением потока о его стенки. При этом энтальпия потока должна бы понижаться от начальной величины iн до конечной iк. Но затраты энергии на трение переходят в теплоту, а последняя целиком (устройство изолировано) возвращается потоку. Поэтому на выходе энтальпия потока iк та же, что и на выходе iн. Результат процесса следует записать в форме iк = iн; часто его записывают в форме i=const. Рассмотренный процесс падения давления потока в сужающем устройстве при сохранении его энтальпии именуют
дросселированием.
Рис. 2 К принципу работы дроссельного вентиля
14 online.mirea.ru
Центр дистанционного обучения
При всасывании компрессором влажного пара (парожидкостной смеси) происходит испарение капель жидкости за счет теплоты сжатия. При этом увеличивается количество паровой фазы и дополнительно повышается давление, значит, падает объемный КПД компрессора, а с ним и производительность холодильной машины. Кроме того, при испарении капель РТ возникают локальные термические напряжения в точках контакта с поверхностью цилиндра компрессора, что сказывается на его сроке службы. Этим и обусловлен переход к “сухому” сжатию.
Схема реальной одноступенчатой компрессионной холодильной машины показана на рис.3, а:
Рис.3 Реальная одноступенчатая компрессионная холодильная машина: а - принципиальная схема, б - диаграмма T-s; I - рабочее тело, II - охлаждаемая среда, III - охлаждающая среда; К - компрессор, ХК - холодильник-конденсатор, Др - дроссельный вентиль, И – испаритель.
Центр дистанционного обучения
Компрессор К сжимает пары РТ, поступающие из испарителя И, от давления р1 до давления р2 и подает их в холодильник-конденсатор ХК. Из него жидкое РТ направляется на дросселирование в дроссельном вентиле Др, где давление падает от р2 до р1, и далее – в испаритель. Регулированием степени открытия Др можно при заданной производительности компрессора (потоке РТ в цикле) изменять в некоторых пределах перепад давления р2 – р1 и сами р2 , р1, а значит, и температуры Тв и Тн.
Вопрос “где в холодильной машине производится холод?” не имеет однозначного ответа. С позиции потребителя охлаждаемой среды – несомненно, в испарителе И, где происходит охлаждение целевого потока, т.е. отбор теплоты от самой охлаждаемой среды. Но с позиций технолога, обслуживающего холодильный цикл, холод производится там, где РТ отдает теплоту, т.е. в холодильнике-конденсаторе.
16 online.mirea.ru
Центр дистанционного обучения
Диаграмма T–s при переходе к реальной машине претерпевает изменения (рис.3, б), отвечающие схеме процесса на рис.3,а. Стадии реального цикла:
1-2 – адиабатическое (s = const) сжатие сухого (перегретого) пара;
2-3’-3”-3 – изобарическое (р2 = const) охлаждение паров до точки конденсации, конденсация пара и переохлаждение полученной жидости; 3-4 – изоэнтальпическое (i = const) дросселирование; 4-1 – испарение до состояния сухого насыщенного пара.
Диаграмма T–s позволяет наглядно оценить выгодность или невыгодность изменений, внесенных в цикл при переходе от идеальной холодильной машины к реальной.
17 online.mirea.ru
Центр дистанционного обучения
Переход к “сухому” сжатию, т.е. сжатие паров в перегретой области, является термодинамически невыгодным: на участке 2–3 возрастает удельная работа lад – на величину площади 1’123’1’ в сравнении с идеальным циклом, где сжимается влажный пар (точка 1’). Правда, при этом увеличивается и удельная теплота q0 (на величину площади 1’177’1’); но это увеличение компенсировало бы возрастание lад, если дополнительная работа выражалась площадью 1’12’3’1’, а она в действительности больше (на величину площади 2’23’2’). Таким образом, затраты энергии lад растут в большей
мере, нежели |
q0 |
и согласно |
(1) |
холодильный |
|
коэффициент |
х |
понижается. |
18 |
online.mirea.ru |
|
Центр дистанционного обучения
Переход к дросселированию ухудшает энергетические характеристики цикла по двум причинам. Во-первых, нет возврата энергии в детандере, что приводит к увеличению удельной работы цикла lад (на величину площади 3”4”53”, если бы работа велась без переохлаждения жидкости перед дросселем). Во-вторых, уменьшается теплота q0, получаемая рабочим телом от охлаждаемой среды в испарителе (поскольку при дросселировании точка
4’смещается вправо в сравнении с адиабатическим расширением РТ в детандере).
А вот переохлаждение РТ после его конденсации (подстадия3”-3) благоприятно сказывается на эффективности холодильного цикла: не затрагивая затрат энергии на сжатие РТ в компрессоре, мы увеличиваем удельную холодопроизводительность q0 на величину, измеряемую площадью 4’466’4’. В результате повышается значение х– цикл становится более экономичным.
19 online.mirea.ru
Центр дистанционного обучения
Диаграмма T–s хорошо иллюстрирует различные эффекты холодильного цикла, но она не очень удобна для технологических расчетов, так как приходится оперировать площадями или определять необходимые энтальпии рабочего тела hпо криволинейной сетке на диаграмме. Поэтому предпочитают пользоваться диаграммами состояния РТ в координатах p – i, в которой все расчеты ведутся в отрезках абсциссы, а кривой линией изображается только стадия сжатия пара в компрессоре.
На рис.4 приведена диаграмма p – iдля реальной холодильной машины. В целях иллюстрации на диаграмме показан ход температурных кривых, необходимых при построении цикла. Располагая входной и выходной температурами хладагента в и в , принимают температуры и несколько выше (на 5-10 ˚С); тогда известен уровень давления p2.
Рис.4 Диаграмма p – i. К расчету реальной холодильной машины.
20 online.mirea.ru