Тема 9. Термодинамические свойства рабочих веществ холодильных машин. Циклы одноступенчатых холодильных машин.

Лекция 1. Термодинамические свойства рабочих веществ.

Термодинамические свойства рабочих веществ влияют главным образом на температурные режимы работы холодильных машин, эффективность термодинамических циклов, показатели и характеристики холодильных машин и компрессоров. К термодинамическим характеристикам хладагентов относятся энтропия S, энтальпия i, критические параметры P_кр, T_кр,υ_кр, нормальная температура кипения T_н (температура кипения при атмосферном давлении), температура затвердевания T_з, постоянная Трутона M r_н/T_н (M – молярная масса, r_н – удельная теплота парообразования при давлении 0,1 Мпа), число Гульдберга T_н /T_кр, теплоемкости жидкости с^’_х , сухого насыщенного пара с^’’_х , перегретого пара с_р . Кроме этого, в области насыщенного пара термодинамические свойства определяются зависимостью давления от температуры p = f(t). Термодинамические параметры некоторых хладагентов представлены в табл. 1.

Таблица 1. Термодинамические параметры некоторых хладагентов.

Рабочее вещество	Химическая формула	Нормальная температура кипения tн,0С	Удельная теплота парообразования, r кДж/кг	Газовая постоянная R, Дж/(кгК)	Показатель адиабаты k
R718 R21 R142	H2O CHFCl2 C2H3F2Cl	100 8,73 - 9,2	2259,72 239 223,5	461,51 80,78 83,74	1,33 1,16 1,135
R12 R22 R134а R717	CF2Cl2 CHF2Cl CF3CH2F NH3	- 29,74 - 40,81 - 26,8 - 33,35	166 229 217,8 1360	68,76 96,16 81,49 488,16	1,14 1,16 - 1,3
R13 R744 Воздух	CF3Cl CO2 -	- 81,59 - 78,50 - 192…-195	149,7 573,13* 196,8	79,59 188,54 288	- 1,3 1,4

* - теплота сублимации.

Рабочие вещества, имеющие большую теплоту парообразования r_o , обладают малой теплоемкостью насыщенной жидкости с^’_х , и поэтому дроссельные потери цикла здесь будут минимальными. При осуществлении цикла в области, лежащей ближе к критической температуре, необратимость дросселирования увеличивается, так как r_o→0, а с^’_х→∞. Поэтому применять рабочие вещества высокого давления, имеющих низкую критическую температуру, для получения умеренно низких температур кипения не целесообразно. При заданных постоянных температурах внешних источников рабочее вещество надо выбирать с такими свойствами, чтобы цикл осуществлялся при температурах, не близких к критической (Т/Т_КР = 0,5 ÷ 0,85).

Лекция 2. Цикл с дросселированием в области влажного пара и цикл с переохлаждением.

Кд

Р 3 Рк Тк 2

Тос Ду Км

Ро То

4 1

qо Lк

qк

И

i

Рис. 24. Цикл и схема одноступенчатой холодильной машины с дроссельным вентилем и всасыванием сухого насыщенного пара.

Рабочие процессы рис. 24, идут следующим образом: 1-2 сжатие рабочего вещества в компрессоре Км, 2-3 конденсация рабочего вещества в конденсаторе Кд, 3-4 расширение рабочего вещества в дроссельном устройстве Ду, 4-1 кипение рабочего вещества в испарителе И.

Удельная холодопроизводительность:

qо = i1- i4 (82)

Теплота отводимая в конденсаторе:

qк = i2- i3 (83)

Работа цикла:

Lк = i2- i1 (84)

Холодильный коэффициент теоретического цикла:

εт = qо / qк = (i1- i4) / (i2- i1) (85)

В цикле с регенеративным теплообменником рабочее вещество охлаждается перед дросселированием холодным паром, идущим из испарителя рис. 25. В этой машине пар состояния 1* направляется в РТО, где охлаждает жидкое рабочее вещество идущее из конденсатора Кд. В результате теплообмена пар нагревается – процесс 1*-1, а жидкость охлаждается – процесс 3- 3*, вследствие этого повышается удельная массовая холодопроизводительность цикла на величину Δqо = i3- i3*. Однако подогрев на всасывании ведет к увеличению работы сжатия рабочего вещества, но в тоже время исключает влажный ход компрессора.

Кд

Р 3* 3 Рк Тк 2

Ду РТО Км

Ро То

4 1* 1

Твс

i И

Рис. 25. Цикл и схема одноступенчатой холодильной машины с регенеративным теплообменником.

Лекция 3. Тепловой расчет циклов одноступенчатых парокомпрессионных холодильных машин.

Исходными данными для теплового расчета являются:

нагрузка на компрессор, определенная при расчете теплопритоков; температурный режим работы; вид хладагента.

Последовательность расчета следующая:

1. Определяют удельную холодопроизводительность qо по формуле 82, а в цикле с РТО по формуле 86.

qо = i1*- i4 ( кДж/кг) (86)

2. Рассчитывают массовый расход пара.

G_а= Q_о / q_о (кг/с) (87)

где Q_о- нагрузка на компрессор с учетом потерь, кВт.

3. Определяют объемный расход пара.

V_д = G_а υ₁ (м³/с) (88)

где υ₁- удельный объем всасываемого пара, м³/кг.

4. По графику находят коэффициент подачи в зависимости от степени сжатия Р_к/Р_о, типа компрессора и хладагента рис.26.

λ

1.0

1

0.9

2

0.8

0.7

3

0.6

5 4

0.5

0.4

2 3 4 5 6 7 8 9 10 Р_к/Р_о

Рис. 26. Коэффициенты подачи компрессоров.

1-спиральных; 2- винтовых; 3- бескрейцкопфных; 4- ротационных; 5- работающих на хладоне –22.

5. Определяют описываемый объем компрессора V (в м³/с)

V = V_д / λ (89)

По этому объему подбирают один или несколько компрессоров, которые в сумме дают тот же объем.

6. Вычисляют теоретическую мощность компрессора N_т (в кВт)

N_т = G_а (i2- i1). (90)

7.Определяют индикаторную мощность N_i (в кВт) компрессора

N_i = N_т /η_i (91)

где η_i – индикаторный к.п.д.

Для бескрейцкопфных компрессоров индикаторный к.п.д. можно принимать 0,79-0,84. Для малых и средних компрессоров работающих на хладонах, - от 0,65 до 0,8.

8. Рассчитывают эффективную мощность N_е (в кВт) на валу компрессора

N_е = N_i / η_м (92)

где η_м – механический к.п.д., учитывающий потери на трение.

Для крупных бескрейцкопфных компрессоров механический к.п.д. можно принимать от 0,82 до 0,92; для малых и средних компрессоров, работающих на хладонах,- от 0,84 до 0,97.

По эффективной мощности подбирают электродвигатель компрессора с запасом мощности 10-15%.

9. Определяют тепловой поток Q_к (в кВт) в конденсаторе для установок с поршневыми компрессорами

Q_к = Q_о + N_i (93)

По приведенной методике могут производиться тепловой расчет и подбор оборудования для установок любой производительности.