Парокомпрессионные холодильные установки

Холодильные установки предназначены для охлаждения некоторого объема пространства. Рассмотрим вначале возможность использования цикла Карно в холодильных установках. Схема такой установки и соответствующая Т— s диаграмма приведены на рис. 9.1.

Рабочее тело, использующееся в холодильных установках, называется хладагентом, он попадает в испаритель в состоянии 4. В испарителе часть хладагента испаряется (точка 1). Затем хладагент адиабатно сжимается в компрессоре до состояния насыщенного пара (точка 2), при этом его температура возрастает от Т_с до Т_и. На участке 2—3 хладагент конденсируется в изобарно-изотермическом процессе. Затем хладагент проходит через турбину, в которой адиабатно расширяется, и цикл замыкается.

Рис. 9.1. Схема установки для реализации цикла Карно и соответствующая Т— s диаграмма Поскольку предполагается, что все процессы являются обратимыми, площади фигур на Т— s диаграмме можно интерпретировать как количества переданной теплоты. В частности, площадь фигуры 1—а—Ь—4—1 характеризует тепло, подведенное к хладагенту от охлаждаемого объема на единицу массы рабочего тела. Площадь фигуры 2—а—Ь—3—2 характеризует тепло, которое отводится от хладагента в окружающую среду. Площадь фигуры 1—2—3—4—1 характеризует работу цикла, которая равна разнице работ компрессора и турбины.

Холодильный коэффициент идеального цикла Карно равен.

Если учесть некоторые особенности реальных процессов, соответствующий цикл Карно в координатах T—s будет выглядеть так, как показано на рис. 9.2.

Рис. 9.2. Реальный и идеальный циклы Карно в координатах T—s.

Для того чтобы хладагент мог отдать тепло в окружающую среду, его температура должна быть выше температуры окружающей среды. Для того чтобы охлаждаемый объект мог отдать тепло хладагенту, его температура должны быть выше температуры хладагента. Разница температур может составлять несколько градусов.

Холодильный коэффициент реального цикла Карно равен.

Как видно из Т— s диаграммы, в компрессоре сжимается влажный пар. Присутствие капель в сжимаемой смеси ухудшает условия работы компрессора, приводя к ускоренному износу оборудования. В реальных устройствах желательно сжимать перегретый пар (сухое сжатие).

Работа расширения на участке 3'—4' относительно невелика, поэтому в холодильниках малой мощности турбину целесообразно заменить дроссельным клапаном (рис. 9.3).

Рис. 93. Схема холодильной установки с дроссельным клапаном.

Термодинамический анализ идеального цикла парокомпрессионной установки. Рассмотрим стационарный режим работы парокомпрессионной установки, предполагая, что процесс сжатия рабочего тела в компрессоре протекает обратимо, изменением кинетической и потенциальной энергии рабочего тела можно пренебречь.

Испаритель. где Q_in — холодопроизводительность, количество теплоты, отбираемой в единицу времени от охлаждаемого объема.

Компрессор. После испарителя хладагент сжимается в компрессоре, мощность которого связана с изменением энтальпии соотношением.

Конденсатор. В конденсаторе хладагент отдает тепло в окружающую среду:

Дроссель-клапан. В процессе адиабатного дросселирования энтальпия рабочего тела не меняется, /г₄ =/г₃, а давление падает, р_А < р₃. Рабочее тело на выходе дроссель-клапана представляет собой парожидкостную систему.

Холодильный коэффициент парокомпрессионной холодильной установки можно рассчитать по формуле

Т— s диаграмма идеального цикла парокомпрессионной установки приведена на рис. 9.4.

Рис. 9.4. T—s диаграмма идеального цикла парокомпрессионной установки:

• 1—25 — изоэнтропное сжатие; 25—3 — отвод тепла от хладагента в конденсаторе; 3—4 — процесс дросселирования с образованием двухфазной смеси;
• 4—1 — передача тепла от охлаждаемого объекта к хладагенту

Предполагается, что все процессы протекают обратимо, кроме процесса дросселирования, который необратим принципиально.

В следующем примере приведен расчет характеристик идеального парокомпрессионного цикла^[1].

Пример 9.1.

Фреон-134а используется в качестве рабочего тела в цикле охлаждения. В камере холодильника поддерживается температура 0 °C, температура воздуха в помещении — 26 °C. Насыщенный пар поступает в компрессор при 0 °C, а насыщенная жидкость покидает конденсатор при 26 °C. Массовая скорость хладагента равна 70 г/с. Определите мощность компрессора, холодопроизводительность, холодильный коэффициент и КПД цикла Карно.

Решение

В таблицах термодинамических свойств фреона-134а находим.

Точку 2s можно найти как пересечение изобары р₂ = const и изоэнтропы s, = const. Энтальпия рабочего тела в этой точке.

Энтальпия хладагента в точке 3.

Мощность компрессора рассчитаем по формуле

Холодопроизводительность равна Холодильный коэффициент.

Для цикла Карно Термодинамический цикл реальной холодильной парокомпрессионной установки. В реальной парокомпрессионной установке процессы теплообмена протекают неравновесно, поскольку всегда существует конечная разность температур между рабочим телом, охлаждаемым объектом и окружающей средой (рис. 9.5).

Изоэнтропную эффективность компрессора можно рассчитать по формуле.

Рис. 9.5. T—s диаграмма цикла реальной холодильной парокомпрессионной установки В примере ниже рассмотрено влияние необратимости теплообмена на эффективность цикла^[2]

Пример 9.2.

Попытаемся модифицировать пример 9.1, предполагая, что насыщенный пар поступает в компрессор при -10°С, а насыщенная жидкость вытекает из конденсатора при давлении 9 бар. Определите мощность компрессора, холодопроизводительность и холодильный коэффициент.

Решение .

В точке 25 давление 9 бар и 5₂ = 5, из таблиц находим.

дросселирование.

Мощность компрессора.

Холодопроизводительность.

Холод ил ьн ы й коэффи циент.

В квадратных скобках для сравнения приведены значения, полученные в примере 9.1.

Основные требования к хладагентам парокомпрессионных установок.

• 1. Интервал температур, в котором осуществляется цикл, должен находиться между тройной и критической точками рабочего тела. В противном случае возможно замерзание хладагента или переход его в область, где конденсация невозможна.
• 2. В указанном интервале температур давление насыщенного пара хладагента не должно быть очень низким, иначе придется создавать вакуум.

Вместе с тем оно не должно быть высоким, иначе придется затрачивать большую мощность на сжатие рабочего тела.

Верхняя температура цикла парокомпрессионных холодильных установок примерно одинакова и не зависит от выбора хладагента, поскольку она определяется температурой окружающей среды (примерно 20°С).

Нижняя температура цикла может меняться и зависит от назначения холодильной установки. Парокомпрессионные холодильные установки применяются для поддержания в охлаждаемом объеме температур от 0 до -120°С. Выбор хладагента определяется интервалом температур, в котором работает установка. Желательно, чтобы при нижней температуре цикла Т_с давление насыщенного пара было близко к атмосферному.

В промышленных холодильных установках в качестве хладагента часто используется аммиак. Недостатками аммиака в этой роли являются его токсичность и коррозионная активность по отношению к цветным металлам. В качестве хладагентов также широко используются фреоны — фторхлорпроизводные предельных углеводородов.

• [1] Moran M.J. Fundamentals of Engineering Thermodynamics. Wiley, 2010.
• [2] Moran M.J. Указ. соч.