3.2. Циклы и схемы паровых компрессорных одноступенчатых холодильных машин

В отличие от циклов газовых холодильных машин, где агрегатное состояние рабочего тела остается неизменным, в циклах паровых холодильных машин происходит непрерывный переход холодильного агента из жидкого состояния в парообразное (испаритель), а затем – из парообразного в жидкое (конденсатор). Процесс отвода тепла от охлаждаемого тела идет за счет теплоты парообразования жидкости, причем температура кипения зависит от давления, которое будет поддерживаться над кипящей жидкостью в испарителе. В зависимости от диапазона получаемых температур паровые холодильные машины подразделяют на одно- и многоступенчатые.

3.2.1. Цикл в области влажного пара с детандером

Цикл такой простейшей холодильной машины осуществляется в двухфазной области состояния вещества. Он содержит четыре линии, которые соответствуют четырем процессам в основных элементах паровой компрессорной холодильной машины (рис. 3.2).

Компрессор Iотбирает пар холодильного агента из испарителяIV, поддерживая в нем постоянное низкое давлениеР₀, адиабатически сжимает пар в процессе 1, 2 и проталкивает в конденсаторII. В конденсаторе от каждого килограмма холодильного агента отводится теплотаq_k, в результате чего он конденсируется. Процесс конденсации 2, 3 протекает при постоянных давленииР_ки температуреt_k, величины которых зависят от температуры теплоотводящего источника (проточной воды, либо охлаждающего воздуха). Конденсат в состоянии 3 поступает в детандер (расширительный цилиндр)III, где происходит адиабатическое снижение давления жидкости отР_kдо первоначальногоР₀в процессе 3, 4. Состоянию холодильного агента 4 соответствует парожидкостная смесь с преимущественным содержанием жидкой фазы.

Рис. 3.2.  Цикл в T,s-диаграмме и принципиальная схема холодильной машины с детандером

Эта смесь подается в испаритель, где кипит при постоянных Р₀,t₀, отбирая у охлаждаемого тела теплотуq₀(ранее эта теплота была названа удельной холодопроизводительностью). Таким образом, в результате осуществления цикла у охлаждаемого тела была отнята теплотаq₀, при низкой температуреt₀, которая в компрессоре холодильной машины была трансформирована к более высокой температуреt_ки в количествеq_кпередана окружающей среде. При этом холодильный агент дважды изменял свое агрегатное состояние: в испарителе, где кипящая жидкость превратилась в пар, и в конденсаторе, где пар снова превратился в жидкость. Также как и рассмотренный ранее цикл газовой холодильной машины, приведенный здесь цикл паровой холодильной машины состоит из двух адиабат (1, 2 и 3, 4) и двух изобар (2, 3 и 4, 1). Но, поскольку в области влажного пара изобары совпадают с изотермами, с полным основанием можно считать, что рассматриваемый цикл состоит из двух адиабат и двух изотерм. Следовательно, теоретический цикл паровой компрессорной холодильной машины, протекающий в области влажного пара, при определенных допущениях можно идентифицировать с обратным циклом Карно Естественно, что реализация такого цикла в реальных условиях невозможна уже по той причине, что цикл Карно предполагает нулевой температурный напор в теплообменных аппаратах холодильной машины. А это невозможно осуществить.

Холодильный коэффициент рассматриваемого цикла можно рассчитать по известной формуле:

.

где l_к– удельная работа сжатия в компрессоре;

l_д– удельная работа расширения в детандере.

Циклы реальных паровых холодильных машин существенно отличаются от теоретического цикла, осуществляемого в области влажного пара. Рассмотрим некоторые отступления от этого цикла.