1.3. Циклы парокомпрессионной холодильной машины

1. Теоретический цикл пкхм

Рис. 5. Схема ПКХМ:

1 – охлаждаемое помещение (испаритель); 2 – компрессор; 3 – конденсатор; 4 – детандер

Схема ПКХМ подобна схеме ВКХМ. Отличие – вместо теплообменников (до и после компрессора) стоят конденсатор и испаритель.

Рис.6. T-s-диаграмма ПКХМ

Рис. 7. p-V-диаграмма ПКХМ

Процесс 4-1 – испарение жидкого ХА при Т₀ и р₀, отнимается тепло от охлаждаемого помещения.

Процесс 1-2 – адиабатическое сжатие. Состояние в точке 2 соответствует сухому насыщенному пару (в общем случае адиабата 1-2 может располагаться левее и конечное состояние при сжатии будет соответствовать влажному пару).

Процесс 2-3 – конденсация с отдачей тепла при постоянном давлении р_к и соответствующей ему температуре конденации Т_к.

Процесс 3-4 – адиабатическое расширение жидкости в детандере.

Преимуществом цикла ПКХМ по сравнению с циклом ВКХМ является то, что в области насыщенного пара принципиально технически осуществим обратный цикл Карно, холодильный коэффициент рассматриваемого цикла, очевидно, совпадает с таковым для цикла Карно:

Цикл реальной ПКХМ отличается от обратного цикла Карно, что объясняется сложностью конструктивного выполнения и эксплуатации отдельных элементов машины, работающей по циклу Карно.

Основные отличия следующие:

1. Отсутствует расширительный цилиндр (детандер), он заменен дроссельным вентилем. Причем, изменением открытия вентиля устанавливается определенный расход ХА в соответствии с заданной холодопроизводительностью. Эта замена значительно упрощает устройство машины (трудно создать детандер для жидкого ХА с малым удельным объемом) и мало влияет на величину ε, так как рабочее расширение составляет небольшую часть работы цикла.

2. Компрессор засасывает не влажный, а сухой насыщеный пар или слегка перегретый пар, и процесс сжатия происходит в области перегретого пара, то есть компрессор осуществляет так называемый «сухой ход».

В реальных ХМ кроме того еще имеются следующие отличия от цикла Карно:

1. Жидкий ХА перед вентилем переохлаждается;

2. В действительных процессах принимают участие конкретные ХА с различными теплофизичекими свойствами, которые оказывают существенное влияние на экономичность ХМ;

3. Действительные процессы холодильного компрессора протекают с различными потерями, как объемными, так и энергетическими.

2. Цикл пкхм с регулирующим вентилем

Рис.8. Цикл ПКХМ с регулирующим вентилем

В результате замены расширительного цилиндра (детандера) регулирующим вентилем вместо процесса адиабатического расширения 3-4 протекает необратимый процесс дросселирования 3-4’ (i=const), который приводит в двойным потерям:

1. Теряется полезная работа расширения и, следовательно, увеличивается работа AL, необходимая для осуществления цикла;

2. Уменьшается холодопроизводительность q₀. Это происходит потому, что работа сил трения при дросселировании ХА превращается в тепло, вызывая дополнительное парообразование. Охлаждающий эффект при этом уменьшается вследствие увеличения паросодержания рабочего тела, поступающего в испаритель.

В T-s-диаграмме уменьшение холодопроизводительности Δq₀ выражается площадью а-4-4’-с, полезная холодопроизводительность равна площади с-4’-1-b. Работа, затраченная на совершение цикла, AL=q - q₀=площади с-4’-1-2-3-а. Увеличение работы ΔAL по сравнению с циклом Карно выражается площадью а-4-4’-с, она же характеризует уменьшение холодопроизводительности. Площадь а-4-4’-с практически равна площади 3-4-5, то есть AL=площади 1-2-3-5-1. ΔAL=Δq₀.

Потери от дросселирования зависят от физических свойств ХА (темплоемкости жидкости, теплоты парообразования и критических параметров). Для аммиака потери от дросселирования несколько меньше, чем для фреона-12, но самые большие потери наблюдаются при дросселировании углекислоты (ее дросселируют в области близкой к критической, где теплота парообразования уменьшается, а пограничные кривые расположены очень полого). Относительная потеря работы , то есть зависит от теплоемкости ХА в жидком состоянии и теплоты парообразования. Так как для веществ с меньшей теплоемкостью нижняя (левая) пограничная кривая в T-s-диаграмме протекает круче, то площадь 3-4-5 и, следовательно, потеря работы ΔAL меньше. Очевидно также, что потери от замены расширительного цилиндра вентилем будут меньше в случае веществ с большим значением r. Кроме того, потери от дросселирования зависят от интервала температур до и после процесса: чем меньше перепад температур, тем меньше потери.

Практически потери можно уменьшить понижением температуры жидкого ХА перед дросселированием. Поэтому в цикл вводится переохлаждение жидкого ХА перед регулирующим вентилем (РВ), то есть охлаждение его до температуры ниже температуры конденсации.

Рис. 9. Цикл ПКХМ с переохлаждением

Процесс переохлаждения на T-s-диаграмме – линия постоянного давления 3-3’, которая практически совпадает с левой пограничной кривой. Переохлаждение жидкости перед РВ увеличивает холодопроизводительность на величину площади а-4’-4-с. При переохлаждении на каждый градус холодопроизводительность увеличивается: у аммиачной машины на 0,4%, у фреоновой на 0,43%, у углекислотной на 1,75%, поэтому в настоящее время переохлаждение применяется везде.

Переохлаждение осуществляется:

1. С помощью воды в противоточных конденсаторах или в специальных теплообменниках-переохладителях (вода и ХА текут противоположно);

2. Во фреоновых устройствах за счет внутреннего теплообмена: жидкость охлаждается паром ХА, поступающего из испарителя в компрессор.

Рис. 10. Схема ПКХМ с РВ и переохлаждением:

1 – испаритель; 2 – компрессор; 3 – конденсатор; 4 – теплообменник; 5 – дроссельный вентиль (РВ)