12 Циклы холодильных установок

Идеальным циклом холодильных машин является обратный цикл Карно. В результате осуществления этого цикла затрачивается работа l₀ и тепло q₀ от холодного тела переносится к более нагретому. Отношение отведенной от охлаждаемого тела теплоты к затраченной работе называется холодильным коэффициентом

. (12.1)

Максимальное значение холодильного коэффициента в заданном температурном интервале равно холодильному коэффициенту обратного цикла Карно

. (12.2)

Таким образом, отношение ε/ε_к характеризует степень термодинамического совершенства применяемого цикла, а холодильный коэффициент является характеристикой экономичности холодильной машины. В качестве холодильных агентов (хладагентов) применяют воздух и жидкости с низкими температурами кипения.

Цикл воздушной холодильной установки. Схема воздушной холодильной установки показана на рис. 22. В охлаждаемом объеме (холодильной камере) 1 по трубам циркулирует охлажденный воздух, отбирающий теплоту и при этом нагревающийся, компрессор 2 всасывает этот воздух, сжимает его и подает в охладитель 3, где сжатый воздух охлаждается и поступает в расширительный цилиндр 4, воздух, расширяясь, совершает работу и, следовательно, еще понижает свою температуру, затем поступает в охлаждаемый объем, и процесс повторяется вновь.

Рис. 22

Цикл воздушной холодильной установки в р-v, T-s, диаграммах представлен на рис. 23 и 24. Точка 1 характеризует состояние воздуха, поступающего в компрессор; линия 1-2 – процесс адиабатного сжатия в компрессоре; точка 2 – состояние воздуха, поступающего в охладитель; точка 3 – состояние воздуха, поступающего в расширительный цилиндр; линия 3-4 – адиабатный процесс расширения; точка 4 – состояние воздуха, поступающего в охлаждаемый объем; линия 4-1 – процесс нагревания воздуха в нем.

Рис. 23 Рис. 24

Холодопроизводительность 1 кг воздуха q₀, (кДж/кг) определяется по формуле

q₀ = i₁ – i₄ = c_pm(T₁ – T₄), (12.3)

где Т₁ – температура воздуха, выходящего из холодильной камеры и поступающего в компрессор;

Т₄ – температура воздуха, входящего в холодильную камеру.

Работа, затраченная компрессором

l_к = i₂ – i₁ = c_pm(T₂ – T₁), (12.4)

где Т₂ – температура воздуха после сжатия в компрессоре.

Работа, полученная в расширительном цилиндре

l_рц = i₃ – i₄ = c_pm(T₃ – T₄), (12.5)

где Т₃ – температура воздуха перед расширительным цилиндром

Работа, затраченная в цикле

l₀ = l_к – l_рц, (12.6)

Расход хладагента

, кг/с, (12.7)

где Q₀ – холодопроизводительность установки, кДж/с.

Холодильный коэффициент

, (12.8)

Теоретическая мощность, необходимая для привода компрессора

N_теор = m·l₀, кВт, (12.9)

Цикл паровой компрессорной холодильной установки. Схема паровой компрессорной холодильной установки показана на рис. 25. В охлаждаемом объеме (охлаждаемом помещении) 1 по трубам циркулирует насыщенный пар рабочего тела, отбирающий теплоту и при этом нагревающийся до температуры, близкой к температуре охлаждаемого объема 1, компрессор 2 всасывает его и адиабатно сжимает, затем пар подается в конденсатор 3, где при постоянном давление охлаждается и конденсируется вследствие отнятия у него теплоты охлаждающей водо, полученный жидкий хладагент поступает в редукционный клапан 4, в котором происходит его дросселирование, сопровождаемое падением давления и температуры. Полученный весьма влажный насыщенный пар (х = 0,1÷0,15), поступает в охлаждаемый объем, где отбирает теплоту, увеличивая свою степень сухости, процесс повторяется вновь.

Рис. 25 Рис. 26

На практике применяют паровые компрессорные установки с промежуточным теплоносителем. Схема такой установки приведена на рис. 26. В качестве промежуточного теплоносителя применяют различные рассолы, не замерзающие при низких температурах. В этом случае в схему установки дополнительно вводится испаритель 5, в который после редукционного вентиля направляется влажный пар, где он испаряется, отнимая теплоту от рассола, который с помощью насоса 6 направляется в охлаждаемый объем, где отбирает теплоту и возвращается в испаритель, далее процесс идет также как и установке без промежуточного теплоносителя.

Цикл паровой компрессорной холодильной установки с промежуточным теплоносителем в T-s диаграмме представлен на рис. 27. Точка 1 характеризует состояние пара, поступающего в компрессор; линия 1-2 – процесс адиабатного сжатия в компрессоре; точка 2 – состояние пара, поступающего в конденсатор; точка 3 – состояние жидкого хладагента перед входом в редукционный клапан; линия 3-4 – адиабатный процесс дросселирования; точка 4 – состояние хладагента после дросселирования; линия 4-1 – процесс парообразования в испарителе.

Рис. 27

Холодопроизводительность 1 кг воздуха q₀, (кДж/кг) определяется по формуле

q₀ = i₁ – i₄ = r(x₁ – x₄), (12.10)

где r – теплота парообразования рабочего тела;

i₁ – энтальпия пара поступающего в компрессор;

i₄ – энтальпия хладагента после редукционного клапана;

х₁ и х₄ – соответственно степень сухости пара после испарителя и после редукционного клапана.

Работа, затраченная компрессором

l_к = i₂ – i₁. (12.11)

Тепловая нагрузка конденсатора определяется по формуле

q = q₀ + l₀ = i₂ – i₃, (12.12)

где i₂ – энтальпия пара после сжатия в компрессоре;

i₃ – энтальпия хладагента перед редукционным клапаном.

Количество хладагента и теоретическую мощность, подводимую к компрессору, определяют по формулам 12.7 и 12.9.