Циклы паровых компрессионных холодильных машин

Преимуществом цикла компрессионной паровой холодильной машины по сравнению с циклом воздушной холодильной машины является то, что в области насыщенного пара принципиально технически осуществим обратный цикл Карно (фиг. 19-11). Парокомпрессионные холодильные установки по этой причине Карно обладают самой высокой эффективностью, а потому и больше распространены.

Фиг.19-11	Фиг. 19-12.

На фиг. 19-12 представлен цикл паровой холодильной машины в координатах р, v.

Фиг. 19-13.

Схема паровой компрессионной машины приведена на фиг. 19-13.

На этой схеме 1 — охлаждаемое помещение (испаритель); 2 — компрессор; 3—конденсатор; 4—расширительный цилиндр- детандер.

В процессе 4—1 испарения влажного пара холодильного агента при температуре Т₀ и давлении р₀ отнимается тепло q₀ от охлаждаемого помещения.

Состояние влажного пара, засасываемого компрессором 2, характеризуется точкой 1.

Компрессор сжимает пар адиабатически по линии 1—2. Состояние в точке 2 соответствует сухому насыщенному пару (в общем случае адиабата 1—2 может располагаться левее, и конечное состояние процесса сжатия будет соответствовать влажному пару).

Сжатый холодильный агент поступает в конденсатор 3, где осуществляется процесс отдачи тепла q₂ (линия 2—3) и конденсации при постоянном давлении р и температуре Т.

Осуществление адиабатического расширения жидкости по адиабате (линия 3—4) с испарением и превращением её во влажный пар требует установки расширительного цилиндра - детандера.

Площадь 1—2—3—-4—1 представляет собой располагаемую работу, затраченную в холодильной машине. Эта работа составляет разность между работой, затрачиваемой в компрессоре (площадь 1—2—b—а—1), и работой, получаемой в расширительном цилиндре (площадь 3—4—а—b—3).

Холодильный коэффициент рассмотренного цикла совпадает с таковым для цикла Карно. .

В компрессионных холодильных машинах вода не используется как холодильный агент, несмотря на ее доступность, полную безвредность и дешевизну. Недостатком воды как холодильного агента является чрезмерно высокая температура кипения —не ниже +2—+4° С даже при низких (т.е. при глубоком вакууме) реально получаемых давлениях. Например, температуре кипения воды +2° С соответствует давление 0,007193 ата. Обычная компрессионная машина поддерживать такое низкое давление не может.

Поэтому, как уже упоминалось, в качестве рабочих веществ (холодильных агентов) в паровых холодильных машинах могут быть использованы вещества с технически допустимыми давлениями насыщенных паров во всем диапазоне температур цикла. Как будет ясно из дальнейшего, желательно, чтобы холодильный агент имел небольшую теплоемкость в жидком состоянии, большую величину скрытой теплоты парообразования и достаточно высокую критическую температуру.

Наряду с этим к холодильным агентам должны быть предъявлены все те требования, которые были сформулированы применительно к рабочим веществам в паросиловых циклах.

До последних лет в холодильной технике использовались в качестве холодильных агентов: хлористый метил, углекислота и наиболее часто аммиак NH₃. Аммиак применяется главным образом в холодильных машинах с поршневыми компрессорами для температур кипения не ниже — 63° С. Недостатками аммиака являются ядовитость (однако он легко обнаруживается по запаху), коррозионность по отношению к меди и её сплавам, воспламеняемость в смеси с воздухом.

Применявшиеся ранее холодильные вещества за исключением аммиака, были вытеснены группой агентов, называемых фреонами,— фторохлорпроизводными углеводородами. В 30-х го­дах XX в. были впервые использованы фреоны — углеводороды, в которых водород полностью или частично замещен галоидами, чаще фтором и хлором, например фреон-12 (CF₂C1₃), фреон-22 (CHF₂C1). Число возможных фторохлорпроизводных чрезвычайно велико, причем многие из них в настоящее время получаются синтезом.

Достоинствами фреонов являются низкие температуры в конце сжатия, низкие температуры затвердевания, хорошая смачиваемость металлов. Нормальная температура кипения фреонов в зависимости от их химического состава колеблется в широком интервале, что дает возможность применять их в холодильной технике для самых различных целей. Однако широкому распространению фреонов помешала их агрессивность к озоновому слою земли.

Безвредным холодильным агентом является углекислота. В отраслях промышленности, где углеводороды служат сырьём в качестве холодильных агентов используются такие газы, как метан, этан, этилен, пропан и др. Они имеют достаточно низкую стоимость, однако их недостатком является лёгкая воспламеняемость и взрывчатость в смесях с воздухом.

Данные о свойствах холодильных агентов приведены в таблицах в специальной литературе.

Пример. Холодильный цикл Карно на СО₂ .

Параметры насыщенного пара СО₂

tнас , 0С	-79,8	-10	+15
pнас , МПа	0,1	2,64	5,1

Задано: t₁ = -10⁰C, t₂ = 20⁰C, p₁ = 2.7МПа, p₂ = 5.85МПа, степени влажности x₁ = 0.821, x₂ = 0.288, холодопроизводительность Q₀ = 100 кВт.

Решение:

По таблицам энтальпии i₂ = 632.5 кДж / кг, i₃ = 477.2 кДж / кг, теплота парообразования r₁ = 261.6 кДж / кг.

Теплота, отданная горячему источнику q₂ = i₂ – i₃ = 632,5 – 477,2 = 155.3 кДж / кг.

Энтальпии i₁ = r₁∙ x1 = 261.6∙0.821 = 214.8 кДж / кг; i₄ = 261.6∙0.288 = 75.3 кДж / кг.

Энтропии s1 = s4, s4 = s3.

Отведённая от холодного источника теплота q₀ = i₁ – i₄ = 214.8 – 75.3 = 139.5 кДж / кг.

Работа цикла l₀ = l_k – l_p = q₂ – q₀ = 155,3 – 139,5 = 15,8 кДж / кг.

Холодильный коэффициент установки ε = q₀ / l₀ = 8.83.

Расход СО₂ в системе m_CO2 = Q₀ / q₀ =100 / 139.5 = 0.717 кг / с.

Механическая мощность установки N = m_CO2∙l₀ = 0.717∙15.8 = 11.3кВт.

Для сравнения

ε_Карно = T1 /(T3 – T1) = 8.77.

Цикл реальной холодильной компрессионной машины отличается от обратного цикла Карно, что объясняется практической целесообразностью некоторых изменений упрощаю

щих конструктивное исполнение и эксплуатацию отдельных элементов машины. Эти изменения заключаются в следующем:

1. В паровой компрессионной машине расширительный цилиндр-детандер отсутствует. Вместо расширения в цилиндре пар дросселируется с помощью регулирующего (дроссельного) вентиля 4. Изменением степени его открытия регулируется поступление холодильного агента в испаритель в соответствии с заданной холодопроизводительностью.

Эта замена значительно упрощает устройство машины, а дополнительные потери, вызванные наличием дросселя, оказываются практически несущественными вследствие большой величины отношения теоретических работ сжатия и расширения в исходном цикле Карно.

2. Компрессор засасывает не влажный, а сухой насыщенный или слегка перегретый пар, и процесс сжатия происходит в области перегретого пара, т. е. компрессор осуществляет так называемый „сухой ход". Осуществление сухого хода компрессора вызывает необходимость установки отделителя влаги непосредственно за испарителем.

Фиг. 19-14	Фиг. 19-15

На р - v-диаграмме фиг. 19-14 полезная работа расширительного цилиндра в тепловых единицах соответствует площади 3—4—a—b-3. Однако работой сжатия жидкости можно пренебречь ввиду малости объема жидкости, и работу расширительного цилиндра можно принять равной площади 3—4—6—3.

Такое положение справедливо для большинства веществ, за исключением агентов с низкой критической температурой (углекислота, этилен и т. д.).

При замене детандера дроссельным вентилем расширение происходит не по адиабате 3—4, а по линии 3—5, (T –s- диаграмма) характеризующейся постоянным теплосодержанием в начале и в конце процесса, так как процесс расширения без совершения работы в потоке характеризуется условием i == соst.

В результате такой замены происходит потеря полезной работы детандера, равная i₅ - i₆ и измеряемая площадкой 4—5—b —с—4. Связанная с ней некоторая потеря холодопроизводительности агента воспринимается агентом и при этом происходит дополнительное бесполезное парообразование в регулирующем вентиле.

Таким образом, (фиг. 19-15) для цикла холодильной машины с регулирующим вентилем холодопроизводительность q₀ измеряется площадью 1—5— b — d — 1, а затрачиваемая работа 1—площадью 1—2—2'—3—6—1.

Холодильный коэффициент при этом равен отношению соответствующих площадей:

_{ε =} _пл.(1—5— b —d—1) пл.(1—2—2'—3—6— 1)'

На величину потери работы Δl , соответствующую площади 3—4 —6—3, влияет характер протекания нижней пограничной кривой, т. е потеря зависит от природы холодильного агента.

Относительная потеря работы, выражаемая отношением

Δl ₌ пл. (3 — 4 — 6 — 3 )

l пл.{1—2—2'—3—6—1}

зависит от теплоемкости агента в жидком состоянии и теплоты парообразования холодильного агента:

Так как для веществ с меньшей теплоемкостью жидкости нижняя кривая протекает круче, то площадь 3—4—6—3, а следовательно и потери работы Δl, становятся меньше.

Очевидно также, что с точки зрения относительной потери работы от замены расширительного цилиндра регулирующим вентилем более благоприятны вещества с большей теплотой парообразования r.

Из этих соображений при сжатии компрессором влажного пара следует максимально использовать теплоту парообразования и выбирать начало сжатия таким образом, чтобы в результате сжатия получался сухой насыщенный и перегретый пар.

Потеря от дроссельного вентиля может быть также несколько уменьшена переохлаждением сконденсированного агента.

Следует отметить также, что при сжатии сухого насыщенного пара теплообмен между рабочим телом и стенками компрессора значительно меньше, чем при влажном ходе, что улучшает действительный холодильный коэффициент машины.

Из сказанного вытекает, что паровая холодильная машина имеет по сравнению с воздушной ряд преимуществ как экономических, так и технико-экономических. К первым относится более высокий теоретический холодильный коэффициент, ко вторым — отсутствие расширительного цилиндра (детандера), большие удельные холодопроизводительности, т. е. малый объемный. расход рабочего вещества, а следовательно, малые габариты машины.