51

Тема 7. Холодильные машины

Классификация холодильных машин. Холодильные машины классифицируют по ряду признаков: в зависимости от вида энергии, используемой для осуществления обратного термодинамического цикла, различают компрессорные и теплоиспользующие; в зависимости от состояния хладагента холодильные машины подразделяют на паровые, если хладагент изменяет агрегатное состояние, и газовые, если не изменяет; в зависимости от числа последовательных ступеней сжатия в цикле холодильные машины называют одно- двухступенчатыми и т. д.

7.1 Паровые холодильные машины

Паровые холодильные машины получили наиболее широкое распространение во всех сферах применения низких температур. Их особенность в том, что цикл может совершаться в области влажного пара хладагента, где изобары совпадают с изотермами, что позволяет осуществить цикл Карно. Кроме того, кипение хладагента сопровождается поглощением значительного количества теплоты, а температуру кипения можно изменять в широком интервале.

7.1.1 Одноступенчатые паровые холодильные машины

Холодильная машина с детандером в области влажного пара. Функциональная схема и обратный цикл Карно, совершаемый ею, показаны на рис. 7.1.

Жидкий хладагент кипит в испарителе IV при постоянной температуре Т₀ (процесс 4–1), отводя теплоту от охлаждаемого объекта. Образовавшийся влажный пар изоэнтропно сжимается в компрессоре I до давления р_К (процесс 1–2) и поступает в конденсатор II, где конденсируется при постоянной температуре Т_К (процесс 2–3), отдавая поглощенную в предыдущих процессах теплоту окружающей среде, например воде. Затем жидкий хладагент изоэнтропно расширяется в детандере III до давления р₀ (процесс 3–4), совершая полезную работу l_Р.

Количество теплоты q_О.ОБР, отведенное 1 кг жидкого хладагента в испарителе, в s–Т-диаграмме измеряется площадью a–4–l–b и может быть представлена как разность энтальпий

q_О.ОБР = i₁ – i₄. (7.1)

Количество теплоты q, отданное 1 кг хладагента в конденсаторе, измеряется площадью a–3–2–b или разностью энтальпий i₂ – i₃. Работа цикла равна разности работ компрессора и детандера

l_ОБР = l_K – l_P. (7.2)

Работы компрессора и детандера можно выразить уравнениями

l_K = i₂ – i₁, (7.3)

l_P = i₃ – i₄. (7.4)

Холодильный коэффициент цикла равен

_ОБР = q_О.ОБР/l_ОБР = (i₁ – i₄)/[(i₂ – i₁) – (i₃ – i₄)]. (7.5)

Рассмотренный цикл Карно является обратимым. Но практически осуществить его трудно по следующим причинам. Работа, полученная в детандере, значительно меньше работы, затраченной в компрессоре, так как жидкость несжимаема, а удельные объемы жидкости и пара отличаются в сотни раз.

Кроме того, часть работы детандера тратится на преодоление сил трения. Поэтому в паровой холодильной машине вместо детандера используют дроссель (регулирующий вентиль). Холодильная машина с регулирующим вентилем. Функциональная схема и термодинамический цикл показан на рис. 7.2.

В состав этой холодильной машины входит регулирующий вентиль III, который проще по устройству и надежней в эксплуатации, чем детандер.

Но в результате замены детандера регулирующим вентилем в цикле появляется необратимый процесс дросселирования 3–4', протекающий без производства работы и теплообмена с окружающей средой, т. е. при постоянной энтальпии, поэтому i₃ = i'₄. Как известно, при таком дросселировании работа расширения переходит в теплоту трения. По этой причине часть каждого килограмма циркулирующего жидкого хладагента, пропорциональная выделенной теплоте, превращается в пар. В испаритель этот килограмм холодильного агента поступит в виде парожидкостной смеси. Следовательно, только часть каждого килограмма циркулирующего хладагента кипит в испарителе, отводя теплоту, и поэтому удельная массовая холодопроизводительность хладагента уменьшается на значение, пропорциональное площади а–4–4'–с

q₀ = i'₄– i₄.

Тогда получим

q_О = q_О.ОБР – q₀ = (i₁ – i₄) – (i'₄– i₄) = i₁ – i'₄. (7.6)

Работа этого цикла будет больше, чем обратимого

l =l_K = l_ОБР + l_P = i₂ – i₁. (7.7)

Холодильный коэффициент цикла

 = q_О/l = (q_О.ОБР – l_P)/( l_ОБР + l_P) = (i₁ – i'₄)/( i₂ – i₁)< _ОБР. (7.8)

Коэффициент обратимости цикла

_ОБР = /_ОБР <1. (7.9)

Следовательно, замена детандера регулирующим вентилем приводит к уменьшению q₀,  и увеличению l. И чем больше доля работы детандера, тем больше необратимые потери цикла.

Холодильная машина с регулирующим вентилем, всасыванием сухого насыщенного и перегретого пара. Учитывая указанные выше недостатки, рассмотрим цикл 1–2–3–4 (рис. 7.3), в котором в компрессор поступает сухой насыщенный пар.

Для сжатия пара обратимым путем необходимо осуществить два процесса сжатия: изоэнтропное 1–2' и изотермическое 2'–2", для чего требуется два компрессора. Но более практичным будет цикл 1–2–3–4, так как для его осуществления достаточно одного компрессора.

Удельная массовая холодопроизводительность хладагента в циклах 1–2–3–4 и 1–2'–2"–3–4 одинакова

q₀ = i₁– i₄. (7.10)

Количество теплоты, отданное 1 кг хладагента в конденсаторе окружающей среде,

q = i₂– i₃ (7.11)

и работа цикла, равная

l = i₂ – i₁, (7.12)

будут больше в цикле 1–2–3–4, чем в цикле 1–2'–2"–3–4, на площадь 2–2–2".

Естественно, что холодильный коэффициент

 = (i₁ – i₄)/(i₂ – i₁) (7.13)

и коэффициент обратимости _ОБР = /_ОБР цикла 1–2–3–4 меньше, чем цикла 1–2'–2"–3–4.

Следовательно, необратимые потери цикла 1–2–3–4 больше, чем цикла 1–2'–2"–3–4, так как хладагент передает теплоту окружающей среде в процессе 2–2" при конечной разности температур.

При всасывании в компрессор перегретого пара (цикл 1_П–2_П–3–4 на рис. 7.3) удельная массовая холодопроизводительность хладагента увеличивается, но в меньшей степени, чем возрастает работа цикла. Поэтому необратимые потери цикла увеличиваются.

Холодильная машина с регенеративным теплообменником. Такая холодильная машина совершает цикл 1–1'–2'–3–3'–4' (рис. 7.4), в котором жидкий хладагент перед дросселированием охлаждается паром, выходящим из испарителя V, в регенеративном теплообменнике III. Этот цикл называется регенеративным.

В результате теплообмена температура жидкого хладагента перед дросселированием становится ниже температуры окружающей среды (точка 3' вместо 3), что снижает необратимые потери дросселирования, а температуры всасываемого в компрессор (точка 1' вместо 1) и нагнетаемого в конденсатор (точка 2' вместо 2) пара выше температуры окружающей среды, что увеличивает необратимые потери так называемого перегрева.

Необратимые потери перегрева, связанные с передачей теплоты хладагентом окружающей среде при конечной разности температур, можно сократить, уменьшив температуру хладагента в конце процесса сжатия, например, охлаждая полости сжатия компрессора или применяя многоступенчатое сжатие хладагента.