График парокомпрессионного холодильного цикла

Цикл Карно теплового двигателя в координатах P и V

T-s диаграмма парокомпрессионного цикла

Диаграмма T-S цикла Ренкина

Так как основная передача тепла основана не на цикле Карно, а на фазовых переходах — испарении и конденсации, график цикла в координатах P и V является не информативным.

1. В тепловом двигателе процессы происходят циклично, а холодильных установках — непрерывно, без разграничения циклов. Хотя кипение хладагента в испарителе приводит к многократному увеличению объёма рабочего тела, из-за непрерывной работы компрессора давление остается постоянным. Давление в конденсаторе также постоянно и определяется установившейся температурой. Если по каким-либо причинам давление в конденсаторе начнет меняться, то изменится физическое свойство газа — температура конденсации. Температура не меняется, значит давление постоянно. Таким образом, в парокомпрессионном холодильном цикле выделяют два постоянных давления: высокое и низкое.

2. Парокомпрессионный холодильный цикл является обратным — механическая энергия используется для переноса тепловой. В отличие от теплового двигателя, необходимо оценить не полученную механическую энергию, а перенесенный объем тепла.

3. Теплообмен между рабочим телом и окружающей средой происходит при установившихся по времени и постоянных по площади радиаторов температурах — кипения или конденсации.

4. Объёма хладагента при конденсации и кипении изменяется в десятки раз из-за смены агрегатных состояний вещества. Для холодильного цикла на координатах P и V необходимо использовать логарифмическую шкалу.

Поэтому парокомпрессионный холодильный цикл удобно представить в координатах T и S (температура и энтропия).

• Линия, напоминающая параболу — диаграмма термодинамических свойств хладагента. Вершина этого купола — критическая точка, при которой конденсация жидкости не возможна.

• Линия сжатия 1-2. Сжатие газа компрессором. При сжатии повышается давление и температура.

• Линия охлаждения перегретого газа 2-3. Конденсация хладагента начинается в точке 3, после небольшого охлаждения газа. Перегрев необходим, чтобы образование жидкой фазы происходило в конденсаторе, а не в компрессоре.

• Линия конденсации 3-4. Изменение энтропии при постоянной температуре. При конденсации отводится тепловая энергия.

• Линия дросселирования 4-5. Дросселирование хладагента происходит на основе эффекта Джоуля — Томсона.

• Линия кипения 5-1. Кипение хладагента в испарителе происходит при постоянной температуре и давлении. При кипении поглощается тепловая энергия и энтропия повышается.

Площадь прямоугольника под отрезком 5-1 до оси S (интеграл функции по линии температуры испарителя 5-1) характеризует холодопроизводительность. Площадь всей фигуры 1-2-3-4-5 плюс интеграл по линии 4-5 характеризует затрачиваемую компрессором работу.[1]

[Править]Составляющие холодильной установки

Хладагент вещество, которое переносит тепло от испарителя к конденсатору. Для повышения КПД, климатическое и холодильное оборудование проектируют таким образом, чтобы температура хладагента в состоянии газа незначительно отличалась от температуры кипения. Отличие температуры газа на выходе из испарителя от температуры кипения называют перегревом. Аналогично, в зоне высокого давления отличие температуры жидкости на выходе из конденсатора от температуры конденсации называют переохлаждением. Значение перегрева и переохлаждения, как правило, должно находиться в интервале от 3 до 7 K. Для каждого хладагента существует шкала, устанавливающая однозначное соответствие между давлением и температурой кипения и конденсации хладагента. Температура кипения в холодильных системах значительно ниже (до −18С) чем в климатических системах (от +2 до +5С). Фреон климатического оборудования должен быть не горючим, так как при утечке хладагент мог бы спровоцировать объемный взрыв в помещении или в системе вентиляции. Соответственно, некоторые фреоны применяются только в холодильных системах (R600), или только в климатическом оборудовании (R410A), большая группа фреонов применяют как в холодильном, так и в климатическом оборудовании (R22).

Компрессор обеспечивает необходимую разность давления между двумя частями системы: конденсатором (зона высокого давления) и испарителем (зона низкого давления). Если сравнивать холодильное и климатическое оборудование на одном типе хладагента, можно отметить сходные параметры зоны высокого давления, но на входе в компрессор давление фреона в холодильном оборудовании будет ниже, чем в климатическом.

Конденсатор передает тепло от хладагента в окружающее пространство. Хладагент охлаждается в конденсаторе и кондесируется в жидкость. Климатическое оборудование может передавать тепло как из охлаждаемого помещения при охлаждении, так внутрь помещения при обогреве. В качестве конденсатора может выступать как внутренний, так и внешний блок сплит-системы. Максимальная температура конденсатора ограничивается параметрами критической точки хладагента.

Терморегулирующий вентиль обеспечивает требуемое значение давления (а значит, температуры) в испарителе, дросселируя подачу жидкого фреона в зависимости от температуры на выходе испарителя. В оборудовании небольшой мощности (до 10 кВт), применяют капиллярную трубку.

Испаритель передает тепло из окружающего пространства хладагенту. Из-за низкого давления хладагент закипает в испарителе при низкой температуре. В холодильном оборудовании температура испарителя может быть ниже 0C, и он покрывается инеем, что ухудшает теплообмен. Это компенсируется увеличением площади теплообмена морозильных камер. Очистка от инея (оттаивание) осуществляется периодической процедурой "размораживания" (выключения). В No-Frost холодильниках может применяется «плачущий» испаритель, температура которого всегда выше 0С. В климатическом оборудования для увеличения скорости охлаждения помещения через испаритель необходимо пропустить наибольшее количество воздуха. В сплит-системах для этого применяют тангенциальный вентилятор.

Система отвода конденсата воды В климатическом и холодильном оборудовании температура испарителя хотя и может быть выше 0С, но всё же она обычно ниже точки образования росы, и на нём образуетсяконденсат. Отвод воды от испарителя в зависимости от вида оборудования производится по разному. В холодильниках с «плачущим» испарителем вода по желобу в задней части стенке попадает в специальную пластмассовую чашу на компрессоре и испаряется. В сплит-системах вода по трубке под наклоном выводится на улицу. В промышленных системах кондиционирования при помощи системы дренажных помп вода централизованно отводится в канализацию.

ЦИКЛ КЛОДА

Цикл Клода аналогичен двухступенчатому обратному циклу Брайтона, за исключением того, что на холодном конце добавляются два теплообменника и дроссельный вентиль. Компрессор состоит из ряда ступеней с промежуточными холодильниками; количество ступеней зависит от отношения давлений в цикле. [1]

В отличие от цикла Клода в этом цикле в детандер направляется часть сжатого газа до его охлаждения в регенеративных теплообменниках. Детандер работает на более высоком температурном уровне, в результате коэффициенты полезного действия детандера и цикла значительно повышаются. [2]

Цикл Клода с двукратным расширением газа.

Практически по расходу энергии цикл Клода дает примерно такие же показатели, что усовершенствованный цикл Линде с циркуляцией газа под давлением и применением аммиачного охлаждения. [3]

Схема процесса сжижения воздуха по способу Клода с однократным расширением.

При получении жидкого воздуха по циклу Клода затрачивается мощность НО кет на валу компрессора. [4]

Цикл Клода с двукратным расширением газа.

Приведенный теоретический расчет расхода энергии и холодопро-зводительности цикла Клода страдает некоторой условностью из-за затруднительности определения расчетом теплоперепада в детандере. [5]

Четвертая схема основана на использовании для ожижения водорода цикла Клода. Весь поток водорода с начальной температурой 65 К, соответствующей температуре предварительного охлаждения жидким азотом, кипящим под вакуумом, охлаждается в предде - тандерном теплообменнике 5 и делится на два потока. Часть водорода ( 1 - М) расширяется в детандере 6 до низкого давления, близкого к давлению ванны жидкого водорода. Другая часть водорода М охлаждается. Включив в этот цикл детандер 6, таким образом обеспечивают дополнительную ступень охлаждения прямого потока водорода. [6]

Брайтона ( система на 20 К); б - цикл Клода ( система на 4 4 К); 1 - компрессор; 2 - противоточный теплообменник; 3 - криостатируемый объект; 4 - дроссельный вентиль; 5 - турбодетандер. [7]

Цикл с детандером был впервые осуществлен французским инженером Клодом и в технике известен как цикл Клода. [8]

Регенеративный цикл Капицы с иаоэнтропическим расширением газа. в - турбокомпрессор. б - холодильник компрессора. а - теплообменник. е - турбодетандер, в - ожижитель. е - дросселирующий вентиль. ои - сборник сжиженного газа.

Если же в результате разделения газовых смесей необходимо получить газообразные компоненты, преимущества по сравнению с циклом Клода имеют другие холодильные циклы, основанные также на изоэнтальпическом расширении газа, а именно: цикл Гейландта и цикл Капицы.