Холод

Министерство науки и образования

Российской Федерации

_________________________

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)

____________________________________________________________________

Кафедра процессов и аппаратов

Л.И. Лавров, А.В. Марков

ХОЛОДИЛЬНЫЕ ПАРОКОМПРЕССИОННЫЕ УСТАНОВКИ

Учебное пособие

Санкт-Петербург

2004

УДК 536:621.574

Лавров Л.И., Марков А.В. Холодильные парокомпрессионные установки: Учебное пособие. – СПб.: СПбГТИ (ТУ), 2004. – 24 с.

Приведены основные сведения о парокомпрессионной холодильной установке (схема установки, изображение основных видов холодильных циклов в T – s и lg P – i координатах, основные расчетные формулы). Даны подробно разобранные примеры, а также задачи для самостоятельной работы студентов.

Предназначено для студентов второго и третьего курсов химикотехнологических и механических специальностей дневного, вечернего и заочного обучения и соответствует рабочей программе по дисциплине «Техническая термодинамика и теплотехника».

Ил. 20, табл.1, библиогр. 4 назв.

Рецензенты: 1. Санкт–Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий, кафедра процессов и аппаратов пищевых производств В.Б. Тишин д-р техн. наук, профессор

2. Н.А. Незамаев, канд. техн. наук, доцент СПбГТИ (ТУ)

Утверждены на заседании учебно-методической комиссии общеинженерного отделения 17.05.04.

Рекомендованы к изданию РИСо СПбГТИ (ТУ)

Введение

Всовременной промышленности многие процессы, в том числе и хими- ко-технологические: получение сжиженных газов, разделение газовых смесей, некоторые процессы абсорбции, кристаллизации, сушки и некоторые другие процессы, осуществляются при низких температурах. Для охлаждения тел до температур ниже температуры окружающей среды используются холодильные установки, в которых рабочее вещество (хладагент) забирает теплоту от охлаждаемых тел, имеющих низкую температуру, и передает ее в окружающую среду телам с более высокой температурой. Согласно второму закону термодинамики самопроизвольно такие процессы не происходят, для их осуществления необ-

ходимо затратить энергию.

Для получения умеренно низких температур (до –100ОС) широко применяются паровые компрессионные холодильные установки, в которых в качестве хладагента используется низкокипящая жидкость с температурой кипения при атмосферном давлении ниже температуры окружающей среды. Процессы теплообмена осуществляют в области влажного пара при постоянной температуре (испарение и конденсация). По сравнению с газовой (воздушной) холодильной установкой эффективность таких установок выше, а расход хладагента меньше.

Внастоящее время отсутствуют универсальные хладагенты, удовлетворяющие всем основным требованиям: низкая температура испарения при давлении близком к атмосферному, не очень высокое давление конденсации при температуре окружающей среды (охлаждающей воды), значительная величина теплоты фазового перехода, а также безвредность, неагрессивность, дешевизна. Наибольшее распространение в качестве хладагентов получили фреоны (фторхлорпроизводные углеводородов), аммиак, диоксид углерода, диоксид серы и некоторые другие.

Предлагаемое пособие предназначено для углубленного изучения одного из важных разделов технической термодинамики – парокомпрессионных холодильных установок и может быть использовано на практических занятиях и при подготовке к зачету.

3

Q – количество теплоты, передаваемое хладагентом в окружающую среду в теплообменнике – конденсаторе, Вт;

N – теоретическая мощность двигателя компрессора, Вт; mХ – расход хладагента, кг/с;

– холодильный коэффициент, характеризующий эффективность холодильного цикла,

QО qО ,

N lЗ

где qО=QО/mХ, lЗ=N/mХ – соответственно удельная холодопроизводительность и удельная затраченная работа.

Отметим, что теплота Q отводится, а работа lЗ затрачивается поэтому они должны быть отрицательными. Однако в расчетах удобно пользоваться положительными величинами, поэтому величины Q и lЗ принимаем положительными, а их знаки учтем при записи энергетического баланса (первого закона термодинамики).

На рисунке 2 удельная холодопроизводительность qО представлена площадью под линией 5 – 1, а удельная работа lЗ, затрачиваемая в компрессоре, площадью фигуры 1234651.

Выразим величины qО и lЗ через энтальпии хладагента, воспользовавшись вторым уравнением первого закона термодинамики

q = i + lО,

где i – энтальпия, lО – располагаемая работа.

Для изобарного процесса испарения (линия 5 – 1) располагаемая работа

lО=0 и

qО = i = i1 – i5 = i1 – i4,

поскольку при дросселировании начальная и конечная энтальпии совпадают (i5

= i4).

Для адиабатного процесса сжатия хладагента в компрессоре (линия 1 – 2)

q=0 и

lЗ = |lО| = |– i| = i2 – i1.

Тогда холодильный коэффициент

i1 i4 .

i2 i1

Чем больше величина , тем эффективнее холодильный цикл. Для заданных температур охлаждаемого тела и окружающей среды (характеризуемыми

5

соответственно температурами испарения ТИ и конденсации ТК хладагента) максимальным холодильным коэффициентом обладает идеальный цикл – обратный цикл Карно, состоящий из двух изотермических и двух адиабатных (изоэнтропийных) процессов (рисунок 3),

или, деля на s = s2 s3= s1 s4

Как известно, для любого цикла изменение энтальпии рабочего вещества равно нулю, поэтому, согласно второму уравнению первого закона термодинамики, сумма теплот равна сумме располагаемых работ. Учитывая знаки термодинамических величин для цикла холодильной установки (рисунок 2) можно записать

qО – q = – lЗ .

Таким образом, количество теплоты q (Дж/ кг), передаваемой хладагентом в окружающую среду в теплообменнике-конденсаторе, определится равенством

q = qО + lЗ

или

Q = QО + N .

Расход воды mВ (кг/с), подаваемой в холодильник-конденсатор, можно определить по формуле

6

Q

mВ сВ (tВК tВН ) ,

где cВ = 4,19 кДж/(кг·К) – теплоемкость воды, tВН, tВК – начальная и конечная температуры воды.

Если холодильная установка предназначена для производства льда, то количество получаемого льда mЛ (кг/с) можно рассчитать по формуле

mЛ = QО/qЛ ,

где qЛ = сВ(tВ – tЗ ) + Л + сЛ(tЗ – tЛ)– удельная теплота образования льда, т.е. количество теплоты, которое необходимо забрать от 1 кг воды, имеющей температуру tВ (ОС), чтобы получить лед с температурой tЛ (ОС), tЗ – температура замерзания воды (ОС), сВ = 4,19 кДж/(кг К) – удельная теплоемкость воды, сл = 2,1 кДж/(кг К) – удельная теплоемкость льда, Л = 334 кДж/кг – удельная теплота плавления льда. Поскольку tЗ = 0ОС, то выражение для удельной теплоты образования льда можно записать в виде

qЛ = сВtВ + Л – сЛ tЛ.

Отметим, что теплота qЛ отводится от воды и льда и поэтому должна быть отрицательной. Однако в расчетах удобно пользоваться положительными величинами и здесь приведена абсолютная величина теплоты qЛ.

При расчетах паровых компрессионных холодильных установок кроме T – s диаграмм широкое распространение получили lg P – i диаграммы. Цикл, изображенный на рисунке 2, в lg P – i координатах представлен на рисунке 4.

Рисунок 4 – Цикл паровой компрессионной холодильной установки в lgР – i координатах

7

3. Цикл с перегревом пара хладагента в испарителе (рисунок 7).

Перегрев пара перед компрессором (линия 1 – 1) обеспечивает устойчивый сухой ход компрессора.

4. Цикл с переохлаждением хладагента в теплообменнике-конденсаторе

(рисунок 8).

Как видно из рисунка 8, переохлаждение конденсата перед дросселированием(линия 4 – 4) приводит к увеличению холодопроизводительности при той же величине затраченной работы и, следовательно, к повышению холодильного коэффициента, т.е. к повышению эффективности цикла.

Отметим, что в области жидкой фазы изобара 4 – 4 практически сливается с нижней пограничной кривой х=0.

На практике используются либо сухой цикл (рисунок 6), либо цикл с перегревом пара перед компрессором (рисунок 7). Циклы, в которых хладагент имеет перед компрессором небольшую влажность (рисунок 2), используются редко. Переохлаждение конденсата может быть осуществлено в любом цикле.

Рассмотрим влияние температур конденсации и испарения хладагента на эффективность холодильной установки.

Как видно из рисунка 9, понижение температуры конденсации хладагента (Т К < ТК) приводит к уменьшению затрачиваемой работы (степень сжатия в компрессоре уменьшается), к увеличению холодопроизводительности и, следовательно, к увеличению холодильного коэффициента. Таким образом, температура конденсации хладагента должна быть как можно ниже, однако она не может выбираться произвольно: температура конденсации должна быть выше температуры окружающей среды (охлаждающей воды). В зимнее время эффективность холодильной установки можно повысить используя компрессор с меньшей степенью сжатия.

9

Понижение температуры испарения хладагента (Т И < ТИ на рисунке 10) приводит к увеличению затрачиваемой работы, уменьшению холодопроизводительности и, следовательно, к уменьшению холодильного коэффициента. Таким образом, получение более низких температур (более высокого “качества” холода) требует больших энергетических затрат.

10