3. Термодинамические диаграммы состояния холодильных агентов

При рас­четах теоретических циклов паровых ХМ параметры хладагентов определяются по таблицам насыщенных, перегретых паров и диа­граммам состояния хладагентов sT (энтропия-температура) и ip (энтальпия-давление). Диаграммы используются также для изо­бражения

процессов и циклов машин.

Рис.1. Схемы термодинамических диаграмм состояния холодильных агентов sT и iP

Диаграмма sT (рис.1а) известна из курса термодинамики, для хладагентов она имеет такой же вид, как для водяного пара. На диаграмме на некотором расстоянии от критической точки К изобары (р = const.) в области переохлажденной жидкости практи­чески сливаются с пограничной кривой насыщенной жидкости, для которой степень сухости пара х = 0.

Чаще употребляется более удобная диаграмма ip (рис.1б), координатную сетку которой образуют изоэнтальпы (i = const) и изобары. Чтобы уменьшить размеры диаграммы, по оси ординат применяется логарифмическая шкала для абсолютных давлений р. Точки левой пограничной кривой характеризуют состояния насы­щенной жидкости, а правой (х = 1) - сухого насыщенного пара. Слева от пограничной кривой насыщенной жидкости находится об­ласть переохлажденной жидкости, между пограничными кривыми - область влажного насыщенного пара, справа от пограничной кривой - область перегретого пара. На диа­грамму нанесены семейства изотерм (t = const), изохор (v = const), изоэнтроп (s = const) и линий постоянной степени сухости пара (х= const). Последние линии расположены так же, как ближайшая пограничная кривая. Изотермы в областях переохлажденной жидко­сти и перегретого пара изображаются кривыми линиями, резко опу­скающимися вниз, а в области важного насыщенного пара - гори­зонтальными прямыми, совпадающими с изобарами, так как каждо­му давлению соответствует единственное значение температуры насы­щения. Изохоры на правой пограничной кривой преломляются. Фазовый переход жидкости в пар показан на диаграмме слева направо, а пара в жидкость - справа налево. Положение точки на диаграмме, характеризующей состояние хладагента, определяется по двум известным параметрам.

Преимущества диаграммы ip заключаются в простоте и большей точности определения энтальпии. Кроме этого, на диаграмме подве­денная и отведенная теплота, а также техническая работа характе­ризуются отрезками по оси абсцисс, а не площадями, как на диаграм­ме sT. На диаграмме ip три процесса из четырех, составляющих цикл одноступенчатой ПКХМ, изображаются прямыми линиями, что упрощает построение теоретического цикла машины.

4. Обратный цикл Карно

Наиболее совершенным в термодинамическом отношении циклом холодильной машины, осуществляемым с минимальной затратой работы, является обратный цикл Карно. Он состоит из двух изотерм и двух адиабат.

Для выполнения цикла Карно необходимо иметь два источ­ника теплоты постоянной температуры, один теплоотдатчик с низкой температурой То и один теплоприемник с высокой темпе­ратурой Т. Цикл Карно состоит из обратимых процессов, по­скольку только в этом случае будут отсутствовать потери энер­гии, сопутствующие всякому необратимому процессу.

Обратный цикл Карно может быть осуществлен в паровой компрессорной холодильной машине, работающей на парах легкокипящих веществ. Цикл такой холодильной машины в координатах Ts приведены на рис. 2.

Рис. 2. Обратный цикл Карно

Влажный пар хладагента, находящийся в начальном состоя­нии при давлении и температуре , с помощью компрессора адиабатно сжимается до давления и температуры (про­цесс 1-2), в результате чего он становится сухим насыщенным. На сжатие пара в компрессоре затрачивается работа ℓ. В кон­денсаторе при постоянной температуре происходит конден­сация паров хладагента и во внешнюю среду отводится теплота (процесс 2-3). .

После конденсатора жидкий хладагент поступает в расшири­тельный цилиндр, где он адиабатно расширяется и частично испаряется с понижением давления до и температуры до (процесс 3-4). При этом хладагент производит работу ℓ .

Из расширительного цилиндра влажный пар хладагента нап­равляется в испаритель. В испарителе, вследствие кипения хладагента при температуре и давлении (процесс 4-1), про­исходит отвод теплоты от охлаждаемой среды. Образовав­шиеся пары хладагента снова всасываются компрессором и цикл повторяется.

Работа, затраченная в рассмотренном цикле ℓ, равна разно­сти работ, затраченной в компрессоре и полученной в расшири­тельном цилиндре,

Тепловой баланс такой холодильной машины

Величина называется удельной массовой холодопроизводительностью 1 кг хладагента. Она равна коли­честву теплоты, отведенной 1 кг хладагента от охлаждаемой среды в испарителе.

Графически на рис. 2 работа цикла ℓ изображена площадью 1-2-3-4, удельные количества теплоты — площадью 5-4-1-6 и — площадью 5-3-2-6.

Обратный цикл Карно неосуществим на практике, так как реальные процессы, протекающие в холодильных машинах, не являются изотермическими и адиабатными и выполнить их прак­тически невозможно. Несмотря на это, значение обратного цикла Карно очень велико, поскольку его холодильный коэффициент служит пределом для данного интервала температур. Чем ближе при одинаковом перепаде температур хладагента холодильный коэффициент рассматриваемого цикла холодильной машины к холодильному коэффициенту обратного цикла Карно, тем совер­шеннее холодильная машина.

5. Схема и цикл одноступенчатой паровой компрессионной холодильной машины (ПКХМ)

Схема и теоретический цикл одноступенчатой ПКХМ представ- лены на рисунках 3 и 4. Здесь и далее характерные состояния хлад­агента в циклах машин и на их схемах отмечены одними и теми же цифрами.

Рис.3 Схема одноступенчатой ПКХМ

Для параметров хладагента используются следующие обозначения:

— соответственно температура и давление кипения;

— соответственно температура и давление конденсации;

— температура переохлаждения конденсата;

и — темпе­ратура пара соответственно всасываемого (1) и нагнетаемого (2) компрессором.

В теоретических циклах пренебрегают теплообме­ном хладагента с неохлаждаемым воздухом (омывающим холодиль­ное оборудование), изменением давления хладагента в теплообменных аппаратах и трубопроводах. Сжатие в компрессоре считается адиабатным.

Как в испарителе, так и в конденсаторе хладагент находится главным образом в состоянии насыщения и каждой температуре на­сыщения или соответствует одно единственное значение давле­ния насыщения или

Рис.4. Теоретический цикл одноступенчатой ПКХМ на диаграммах sT и iP

В охлаждаемом помещении, через тепловую изоляцию которого непрерывно проникает теплота извне, расположен испаритель. Испарителем называется теплообменный аппарат, в котором кипит хладагент. Хладагент поступает в испаритель от регулирующего (дроссельного) клапана в виде очень влажного насыщенного пара (4). Для от­вода теплоты от охлаждаемой среды (воздуха, промежуточного хладоносителя и др.) в паровых машинах используется изобарно-изотермический процесс (4-C) (см. рис.4) кипения, содержащейся во влажном паре жидкости при постоянных значениях давления и температуры. Теплоту парообразо­вания , необходимую для ки­пения, хладагент получает от воздуха судового помещения, вследствие чего оно охлаждает­ся. Кроме того, теплота отво­дится от помещения в конце ис­парителя и во всасывающем тру­бопроводе, смонтированном внутри охлаждаемого помеще­ния, в результате незначитель­ного перегревания (изобарный процесс с—1) образующегося сухого насыщенного пара от тем­пературы до . Температура кипения регулируется изменением давления пара над поверхностью кипящей жидкости путем интенсивного его отвода из испарителя. Давление поддерживают таким, чтобы соответствующая ему температура была более низкой чем температура воздуха в охлаждаемом помещении , Разность этих тем­ператур - необходима для передачи теплоты через стенки зме­евиков И от охлаждаемой среды к кипящему хладагенту. Темпера­туры кипения и всасывания определяются и ограничиваются значением . Для поддержания постоянного давления перегретый пар (1) непре­рывно отсасывается компрессором с той же интенсивностью, с которой пар образуется в испарителе. Чтобы хладагент отдал полученную от охлаждаемой среды ок­ружающей среде теплоту с более высокой температурой, необходимо пар адиабатно сжать в компрессоре (1 – 2) от давления до зна­чения , при котором соответствующая температура насыщения будет выше температуры охлаждающей забортной воды . ПКХМ работает за счет затраты механической энергии на сжатие хладагента.

Тепловой эквивалент работы, расходуемой на сжатие, называется теплотой сжатия. Температура пара, нагнетаемого компрессором (2), зависит от свойств хладагента, температуры в начале сжатия (1), степени повышения давления и способа охлаждения компрессора. Сжатый перегретый пар нагнетается компрессором в конденсатор. Таким образом компрессор осуществляет циркуляцию хладагента через элементы холодильной машины, преодолевая их гидравлические сопротивления.

Через конденсатор циркуляционным насосом прокачивается забортная вода. Вследствие отвода теплоты от хладагента окружаю­щей средой с более низкой температурой (изобарный процесс 2—3) пар вначале в нагнетательном трубопроводе и верхней части конден­сатора изобарно охлаждается до состояния насыщения а (отвод теп­лоты перегрева 2 – а). Затем он конденсируется при постоянной температуре , определяемой давлением насыщения (изобарно-изотермический процесс а – в), а скапливающаяся в нижней час­ти конденсатора жидкость изобарно переохлаждается до темпе­ратуры < . Для поддержания постоянного давления конденсации пар должен конденсироваться с той же интенсивно­стью, с которой он перекачивается в конденсатор. Отводимая от хладагента теплота уносится охлаждающей средой. Из конденса­тора переохлажденная жидкость (3) с параметрами и посту­пает в регулирующий клапан.

В паровых ХМ для понижения температуры хладагента и за­мыкания цикла используется процесс дросселирования (3 — 4) в суженном отверстии регулирующего клапана (дроссельный эффект Джоуля—Томпсона). Дроссельный клапан называется регулирую­щим потому, что он одновременно регулирует массовую подачу жид­кого хладагента в испаритель. В регулирующем клапане давление хладагента понижается от до . Вследствие этого при дросселиро­вании часть циркулирующей жидкости выкипает. Необходимую для кипения теплоту парообразования хладагент берет от самого себя, поэтому невыкипевшая жидкость охлаждается от до первоначаль­ной температуры . Поскольку процесс дросселирования (сопро­вождающийся трением) необратим, то энтропия (s) возрастает. Хла­дагент дросселируется в РК мгновенно, следовательно этот процесс происходит без теплообмена с окружающей средой (адиабатный). В процессе дросселирования полезная работа не совершается. По этим причинам энтальпия хладагента в начале и конце, процесса не изменяется.

Под действием разности давлений и хладагент возвращается через регулирующий клапан в испаритель, и далее цикл повторяется.

Расчет теоретического цикла одноступенчатой ПКХМ. Рассмот­рим расчет цикла без учета влияния примеси масла к хладагенту. Исходной величиной для расчета является рабочая холодопроизводительность (холодильная мощность) машины. Кроме то­го, предварительно выбираются хладагент и температуры: кипения , всасываемого компрессором пара , конденсации и переохлаж­дения .

По температурам и , пользуясь таблицей насыщенного пара для выбранного хладагента, либо термодинамической диаграммой ip или sT, определяются соответствующие абсолютные давления насыщения и . Затем по установленным температурам и давлениям строится теоретический цикл машины в одной из диаграмм состоя­ния хладагента. Состояние перегретого пара, всасыва­емого компрессором из испарителя, определяется пересечением изо­бары с изотермой (1). Принимая сжатие пара в компрессоре адиабатным, проводят изоэнтропу s до пересечения с изобарой (состояние 2 перегретого пара в конце сжатия). На пересечении изотермы с изобарой (в диаграмме sT с левой пограничной кривой, для которой x=0), определяется состояние переохлажденного конденсата (3). Процесс дросселирования условно изображается изоэнтальпой i, проходящей из точки (3) вниз до пересечения с изобарой в точке (4), которая характеризует состояние влажного насыщенного пара между регулирующим клапаном и испарителем.

С помощью термодинамической диаграммы определяются в соот­ветствующих точках цикла энтальпии i и удельный объем вса­сываемого компрессором пара v.

Затем определяются удельные характеристики цикла, отнесенные к 1кг циркулирующего в машине хладагента и к единице времени. Теплота, отводимая от охлаждаемой среды 1кг хладагента называется удельной массовой холодопроизводительностью, кДж/кг,

.

Теплота, отводимая от охлаждаемой среды 1 м³ всасываемого компрессором пара, называется удельной объемной холодопроизводительностью, кДж/м³,

.

Теплота, отводимая холодильной машиной от охлаждаемой среды в единицу времени, называется холодопроизводительностью кДж/с (кВт), .

где - массовый расход циркулирующего в машине хладагента, кг/с.

Теоретическая работа, затрачиваемая на сжатие 1кг хладагента, называется удельной работой компрессора .

Поскольку в цикле ПКХМ использован необратимый про­цесс дросселирования, в котором не совершается внешняя работа и , то удельная работа, затрачиваемая на осуществление цикла хладагента, равна работе компрессора . При s = const тех­ническая работа .

Теоретическая адиабатная мощность компрессора, кВт,

.

Теплота, передаваемая хладагентом в окружающую среду при =const. называется удельной тепловой нагрузкой конденсатора, кДж/кг,

.

Интенсивность отвода теплоты от хладагента в конденсаторе называется тепловой нагрузкой конденсатора, кВт,

.

На основании первого закона термодинамики в удельную тепло­ту конденсатора, передаваемую окружающей среде с повышенной температурой, входит не только удельная теплота, отводимая от ох­лаждаемой среды с низкой температурой, но и тепловой эквива­лент работы, подводимой извне для осуществления обратного цикла:

.

Это равенство называется уравнением энергетического баланса для удельных характери­стик теоретического цикла ПКХМ.

Если величины отнесены к единице времени, то уравнение име­ет вид: .

Энергетическая эффективность теоретического цикла ПКХМ оценивается теоретическим холодильным коэффициентом:

.

В зависимости от вида работы или мощности (теоретической или действительной) определяются теоретический или действительный холо­дильные коэффициенты. Действительным холодильным коэффициентом называется холодильный коэффи­циент реального цикла.

По сравнению с другими типами холодильных машин, ПКХМ отличаются высокой экономичностью, компактностью, небольшой массой. Вследствие этих преимуществ они получили наибольшее распространение в судовой и стационарной холодильной технике. На речных судах применяют только такие машины.