Глава 3. Теоретические циклы и схемы паровых компрессионных холодильных машин

3.1 Схема и цикл паровой компрессионной холодильной машины

Принципиальная схема и термодинамический цикл в S, Т-диаграмме паровой компрессионной холодильной машины показаны на рис. 3.1 и 3.2. Основными элементами машины являются компрессор КМ, конденсатор КД, дроссельный вентиль ДВ и испаритель И, соединенные между собой трубопроводами.

Компрессор отсасывает пары холодильного агента из испарителя, сжимает их по адиабате 1^/–2^/ с давле­ния кипения р₀ до давления конденсации р_к и нагнетает в конденсатор. В конденсаторе от холодильного агента отводится энергия холодной водой или окружающим воздухом и сжатые пары при постоянном давлении р_к и температуре Т_к конденсируется (изотерма 2^/ – 3^/). Жидкий холодильный агент из конденса­тора направляется через дроссельный вентиль в испари­тель. Проходя через дроссельный вен­тиль, холодильный агент дросселируется с давления кон­денсации р_к до дав­ления кипения р₀.

Рис. 3.1  Схема паровой компрессионной холодильной машины:

КМ – компрессор, КД – конденсатор, ДВ – дроссельный вентиль,

И – испаритель

При этом происходит понижение температуры холодиль­ного агента от Т_к до Т₀. Принимается, что процесс дрос­селирования идет при постоянной энтальпии. Поэтому процесс в дроссельном вентиле на рассматриваемой диаграмме изображается линией 3'–4', представляющей собой изоэнтальпу. В испарителе холодильный агент ки­пит при постоянном давлении р₀ и температуре Т₀ (про­цесс 4'–1').

Рис. 3.2  Изображение цикла паровой компрессионной холодильной

машины в S, T-диаграмме

Пары холодильного агента в состоянии, характери­зуемом точкой 1', засасываются компрессором.

Количество тепла q₀, отнимаемое 1 кг холодильного агента от охлаждаемой среды, на диаграмме пропорцио­нально площади а-b-1'-4'-а, а работа l, затрачи­ваемая на осуществление цикла и отнесенная тоже к 1 кг холодильного агента, – площади 1'-2'-3'-с-1'. Коэффициент цикла может быть выражен:

(3.1)

3.2 Цикл с переохлаждением холодильного агента

Большинство современных установок для увеличения  работает с переохлаждением холодильного агента (рис. 3.3). Переохлаждение заключается в том, что образующаяся при конденсации холодильного агента жидкость охлаждается без изменения давления на несколько градусов ниже температуры, соответствующей давлению насыщенных паров в конденсаторе.

Рис. 3.3  Схема и циклы паровой холодильной машины с переохлаждением рабочего вещества: I – компрессор;

II – конденсатор; III – переохладитель; IV – дроссельный вентиль; V – испаритель

В S, T-диаграмме процесс переохлажде­ния изображается ли­нией 34 (рис. 3.3), практически совпада­ющей с левой погра­ничной кривой, так как для большинства холо­дильных агентов изобары жидкого состояния вещества совпадают с левой пограничной кривой. Конечная тем­пература холодильного агента при переохлаждении (в точке 4) называется температурой переохлаждения и обозначается буквой t_п. С этой температурой холодиль­ный агент поступает к дроссельному вентилю.

В дроссельном вентиле процесс дросселирования при работе с переохлаждением протекает по изоэнтальпе 45, соответствующей меньшему значению энтальпии, чем в цикле без переохлаждения. Точка 5, соответствующая состоянию холодильного агента в конце процесса дросселирования, расположена на изобаре кипения значительно ближе к кривой жидкости (х = 0), чем точка 6. В связи с этим процесс кипения в испарителе изображается отрезком 51, благодаря чему холодопроизводительность каждого килограмма холодильного агента возрастает на величину q₀. Затрачиваемая же в компрессоре работа сжатия l остается без изменения и графически изображается, как и в цикле без переохлаждения. Таким образом, переохлаждение холодильного агента вызывает увеличение холодопроизводительности машины без увеличения затраты работы в компрессоре, т.е. по­вышение холодильного коэффициента.

Практически переохлаждение производится до температуры на 3–5⁰С ниже температуры конденсации. Достигается это в конденсаторе или в отдельном аппарате – переохладителе, который располагают между конденсатором и дроссельным вентилем.

Во фреоновых холодильных машинах переохлажде­ние осуществляется обычно в специальных теплообмен­никах, охлаждающей средой в которых служат пары холодильного агента, отсасываемые из испарителя компрессором.