Лекция № 4

ПЛАН

1. Обратимые и необратимые процессы

2. Работа компрессора

Обратимые и необратимые процессы

Обратимым - называется такой процесс, которой можно провести в обратном направлении и получить все участвующие в процессе тела в первоначальном состоянии.

Из всех термодинамических процессов холодильной техники наиболее важным является теплообмен и адиабатическое сжатие и расширения.

Теплообмен может быть обратимым при бесконечно малых разностях температур между телами, обменивающихся теплотой.

Поскольку для этого процесса требуется бесконечно большие поверхности теплопередачи, он практически не может быть осуществлен.

Теплообмен протекает при конечных разностях. Теплообмен при конечных разностях температур не может быть проведен в обратном направлении, т.к. по второму закону термодинамики тепло с более низкого температурного потенциала может быть передана только с помощью затрат энергии, поэтому теплообмен при конечных разностях температур является процессом необратимым.

Необратимость процессов теплообмена в испарителе и конденсаторе приводит к ухудшению холодильного коэфициэнта Е.

При Δ_о = Δ_К = 0 или при Т_о = Т_ПОМ холодильный коэффициент обратного цикла Карно из уравнения (1-5) имеет вид:

(1-8)

Холодильный коэффициент цикла Карно с конечными величинами Δ_К и Δ_о:

(1-9)

При постоянных заданных температурах окружающей среды и охлаждаемого помещения, Е_НЕОБР всегда меньше Е_ОБР.

Е_НЕОБР < Е_ОБР т.к. в уравнении (1-9) числитель меньше, чем в уравнении (1-8), а знаменатель больше.

При адиабатическом сжатии без трения с окружающей средой процесс проходит и в обратном направлении, т.к. после сжатия и дальнейшего адиабатического расширения вещество можно привести в первоначальное состояние.

Адиабатический процесс протекает по линии постоянной энтропии (S= const ), т.к. в нем теплообмен с окружающей средой равен нулю.

В процессе с трением количества тепла, подводимого к телу при сжатии равно тепловому эквиваленту работы трения или части ее.

Поэтому в процессе адиабатического сжатия с трением энтропия тела будет возрастать.

Обратный процесс расширения с трением приведет к еще большому росту энтропии, следовательно, он поможет возвратить тело в прежнее состояние.

Особенно опасно с точки зрения обратимости процессы с большими скоростями газа, при которых потенциальная разность давления превращается в кинетическую энергию струи газа, переходящую в тепло от трения и ударов.

Наличие трения увеличивает потери в холодильных установках и приводит к дальнейшему снижению холодильного коэффициента.

Работа компрессора

В зависимости от хода поршня изменяется давление в компрессоре.

На рисунке приведена теоретическая индикаторная диаграмма изменения давления для компрессора, работающего без трения. В цилиндре его не бывает мертвого пространства и при работе, не происходит теплообмена в процессе сжатия, т.е. при адиабатическом сжатии.

ход поршня

Поршень во время движения вправо засасывает пары холодильного агента с давлением кипения Р_о в количестве равном V_{ЦИЛИНДРА} или V_ЦИКЛА.

При ходе поршня влево происходит сжатие паров до давления Р_К, а затем выталкивает их при этом же давлении в конденсатор.

Весь процесс осуществляется без потерь и поэтому является обратимым.

Р

3 2 ' 2 I

V₁ II

4 1

П_о

0. 5 V

V_ЦИКЛ

а) изотерма

Процесс работы компрессора складывается из трех величин:

• работа сжатия (l_СЖ), линия 1-2 (площадь 1-2-5-6)

• работа выталкивания (l_ВЫТ), линия 2-3 (площадь 2-3-0-5)

• работа всасывания (l_ВС), производимой всасываемым паром толкающим поршень вправо (площадь 4-1-6-0)

Работа компрессора определяется выражением:

l_K = l_СЖ + l_ВЫП - l_ВС (1-10)

Из изотермы видно, видно, что за один ход поршня работа компрессора будет выражаться площадью 1-2-3-4.

Р

Х

I - зона перегретого пара

II - зона жидкого (влажного) пара

=0 Х=1

3

2

II I

P_K

4. 4' P_O

V₂ 1

P_O

5 6

0 V₁ V

б) адиабата

Если от сжимаемого пара отводить тепло, то линия сжатия пойдет более полого, где-то между адиабатой и изотермой.

Процесс сжатия в этом случае называется политропическим. Уравнение для него:

, n - постоянная политролы

При n=1 уравнение политролы превращается в уравнение изотермы (з-н Бойля - Мариотта)

При сжатии с отводом тепла n>1 - всегда, но n<к - всегда, где к - показатель адиабаты.

Политропическое, а тем более изотермическое сжатие (линия1-2') приводит к уменьшению плотности индикаторной диаграммы, и последовательно к уменьшению работы компрессора, отсюда следует, что охлаждение компрессора выгодно.

Работу компрессорной холодильной машины можно представить и в диаграмме P - V (рисунок б - адиабата).

Линия 1-2 - процесс адиабатического сжатия.

Линия 2-3 - процесс уменьшения предельного объема, при постоянном давлении Р_К с отводом тепла (процесс конденсации).

При падении давления жидкости в расширительном цилиндре (линия 3-4') работа расширения выражается площадью (3-4-4').

Для определения работы всего цикла ее надо вычесть из работы компрессора, выраженной площадью (1-2-3-4).

Линия 4'-1 характеризует процесс расширения хладагента при постоянном давлении Р_О с подовом тепла (процесс испарения).

Работу холодильной машины можно представить в виде алгебраической суммы площадей согласно уравнению (1-10) :

(1-11)

где: - разность внутренней энергии пара в точках 1,2 равно работе адиабатического расширения (площадь 1-2-5-6).

Р_К V₂ -площадь (2-3-0-5)

Р_о V₁ -площадь (1-4-0-6)

После преобразования (1-11):

(1-12)

Тепловой эквивалент работы компрессора отнесенный к 1 кг хладагента равен приращению энтальпий пара в адиабатическом процессе его сжатия.