1.4. Циклы и схемы парокомпрессионных бытовых холодильных машин.

Главной отличительной особенностью паровых холодильных машин является то, что рабочее тело в процессе совершения обратного кругового цикла меняет свое фазовое состояние и может находиться в состоянии насыщенной или переохлажденной жидкости, сухого насыщенного, перегретого или влажного пара.

Тепловые процессы, протекающие в холодильных установках, изображают в диаграммах и . В диаграмме изотермы располагаются горизонтально, а адиабаты вертикально. Если в осях соединить точки агрегатного состояния, получают пограничные кривые и , сходящиеся в точке . Кривые называют: – нижняя, – верхняя. Горизонтальные участки в области соответствуют процессу превращения тела из жидкого состояния в газообразное. Количество тепла, которое отнимается на этих участках от тела, называется скрытой теплотой парообразования. В точке скрытая теплота парообразования равна нулю. В диаграмме нанесены линии постоянного паросодержания ( ), постоянной энтальпии ( ), постоянного давления ( ), постоянного объема ( ). При движении от нижней пограничной кривой вправо по линии процесса жидкость переходит в пар и при достижении верхней пограничной кривой паросодержание достигает , т.е. жидкость полностью переходит в пар. Между пограничными кривыми рабочее тело находится в виде парожидкостной смеси, правее верхней пограничной кривой – в состоянии перегретого пара.

Из термодинамики: при нагреве жидкости в замкнутом объеме и объем ее увеличивается и при температуре кипения она кипит. При дальнейшем подводе теплоты жидкость начинает превращаться в пар, причем давление и температура смеси жидкости с влажным насыщенным паром остаются неизменными. Когда вся жидкость полностью испариться, объем будет заполнен сухим насыщенным паром. Его температура, равная температуре кипения, называется температурой насыщения. Влажный пар характеризуется степенью сухости – , которая показывает массовую долю сухого насыщенного пара, находящегося в 1 кг влажного пара. Количество теплоты, затрачиваемое на превращение 1 кг кипящей жидкости в сухой насыщенный пар, называется теплотой парообразования. При дальнейшем нагреве пара при температура его растет, и пар становится перегретым.

В диаграмме площадь, ограниченная кривой процесса, осью абсцисс и ординат, показывает количество подведенного или отведенного тепла, а также эквивалент затраченной работы.

В диаграмме подведенное и отведенное тепло, а также эквивалентная ему затраченная работа изображаются не площадями, а отрезками на оси абсцисс.

Рис. 1.11. Термодинамические процессы в T – S диаграмме.

Рис. 1.12. Термодинамические процессы в диаграмме.

Основными элементами паровой холодильной машины являются: компрессор, конденсатор, испаритель и устройство для расширения рабочего тела. Условное обозначение расположения и взаимосвязи этих агрегатов реализуется в схеме холодильной установки.

Условные обозначения элементов холодильных установок по ГОСТ 2 780-96 «ЕСКД. Обозначения условные графические. Элементы гидравлических и пневматических сетей», ГОСТ 2 782-96 «ЕСКД. Обозначения условные графические. Машины гидравлические и пневматические», ГОСТ 2 784-96 «ЕСКД. Обозначения условные графические. Элементы трубопроводов», ГОСТ 2 785-70 «ЕСКД. Обозначения условные графические. Элементы трубопроводов», ГОСТ 2 789 – 70 «ЕСКД. Обозначения условные графические. Аппараты теплообменные»

Таблица 1.

	соединение трубопроводов
	перекрещение трубопроводов
	изолированные участки трубопроводов
	фланцевое и штуцерное соединение
	слив жидкости и выпуск газа из системы
	шайба дроссельная, расходомер
	вентили, клапаны запорные
	вентили, клапаны регулирующие
	клапаны предохранительные
	клапаны обратные
	дроссель
	клапан редукционный
	задвижка
	манометр
	термометр
	насос
	компрессор
	насос шестеренный
	насос, компрессор центробежный
	компрессор ротационный
	вентилятор центробежный
	вентилятор осевой
	фильтр
	нагреватель и охладитель
	теплообменник регенеративный
	испаритель, конденсатор.

Выбор цикла холодильной машины зависит, прежде всего от температуры источника низкой температуры и от температуры окружающей среды. Для бытовых холодильных машин ГОСТ 17008-85 «Компрессоры хладоновые герметичные. Общие технические условия»устанавливает стандартный температурный режим:

1. температура кипения хладагента – ,

2. температура конденсации – ,

3. температура переохлаждения жидкого хладагента – ,

4. температура всасываемого пара – ,

5. температура окружающей среды – .

Холодильная машина с детандером в области влажного пара.

Рис. 1.13. Схема холодильной машины с детандером в области влажного пара.

Рис. 1.14. Цикл холодильной машины с детандером в области влажного пара.

Из испарителя пар всасывается компрессоров, где адиабатно сжимается до давления конденсации (1–2). Положение точки 1 должно быть таким, чтобы в конце процесса сжатия в компрессоре получился сухой насыщенный пар. После сжатия хладагент поступает в конденсатор, где конденсируется за счет отвода теплоты в окружающую среду (2–3), при этом давление и температура конденсации остаются постоянными. В процессе (3–4) происходит адиабатное расширение от давления конденсации до давления кипения в детандере, и хладагент поступает в испаритель, глее кипит за счет подвода теплоты от источника низкой температуры. Температура и давление в процессе кипения остаются постоянными, т.к. пар постоянно отсасывается компрессором. Рабочее тело совершает обратный цикл Карно. Теплота, подведенная к 1 кг рабочего тела, соответствует площади и выражается:

– удельная массовая холодопроизводительность.

При сжатии пара в компрессоре затрачивается работа:

.

Эта работа соответствует площади . В процессе конденсации 2–3 теплота передается окружающей среде и соответствует площади . В процессе 3–4 происходит расширение тела с совершением внешней работы:

.

Работа цикла:

.

Холодильный коэффициент цикла:

.

Рассмотренный цикл является теоретическим.

Холодильная машина с дросселированием в области влажного пара и всасыванием сухого или перегретого пара.

Рис. 1.15. Схема холодильной машины с дросселем.

Рис. 1.16. Цикл холодильной машины с дросселированием в области влажного пара и всасыванием сухого (∙)1 или перегретого (∙)6 пара.

В этом цикле процесс адиабатного расширения в детандере с получением внешней работы заменен процессом дросселирования. Это связано с тем, что в холодильных машинах работа, отдаваемая детандером мала, по сравнению с работой компрессора и для упрощения схемы и сокращения затрат на изготовление используют дроссель (капиллярную трубку).

Процесс 1–2 (6–7) – адиабатное сжатие тела в компрессоре;

Процесс 2–3 (7–3) – отвод теплоты от тела в окружающую среду;

Процесс 3–4 – дросселирование;

Процесс 4–1 – подвод теплоты к телу от источника низкой температуры.

Отличием данной схемы от предыдущей является то, что компрессор всасывает сухой насыщенный пар (∙)1 или перегретый (∙)6. Это объясняется тем, что в современных холодильных машинах с поршневым компрессором подавать влажный пар в компрессор опасно, что может привести к гидроудару.

В действительности влажный пар во всасывающем трубопроводе подсушивается ( ), холодопроизводительность, эквивалентная площади под процессом ( ), нерационально используется на охлаждение воздуха, работа компрессора увеличивается на величину эквивалентную площади .

Замена детандера дросселем влечет за собой появление необратимых потерь, связанных с дросселированием, кроме того, в циклах и уменьшается удельная холодопроизводительность на величину :

.

При всасывании сухого насыщенного пара температура хладагента в конце процесса сжатия, (∙)2, становится выше температуры окружающей среды, поэтому при охлаждении в процессе возникают дополнительные необратимые потери, которые ведут к увеличению работы цикла. Для определения этих потерь необходимо построить цикл-образец (цикл с минимальной работой, цикл Карно с таким же основанием) для цикла . Это будет цикл . Поставим точку k таким образом, чтобы (эквивалентная количеству теплоты, отводимой от тела в окружающую среду) равнялась площади (эквивалентная количеству теплоты, воспринимаемой окружающей средой). Тогда . Увеличение работы из-за перегрева:

При всасывании перегретого пара эти потери будут еще больше, т.к. .

Удельная холодопроизводительность цикла:

.

Работа компрессора:

;

или

.

Теплота, отведенная в конденсаторе:

;

или

.

Так как в цикле детандер отсутствует, то и .

Сравним холодильные коэффициенты циклов с дросселированием и детандером:

Холодильная машина с регенеративным теплообменником.

Рис.1.17 Схема холодильной машины с регенеративным теплообменником.

Применение теплообменных аппаратов с интенсивным теплообменом является одним из путей экономии энергии при получении холода. Необратимые потери, связанные с теплообменом, при уменьшении разности температур между рабочим телом и внешними источниками сокращаются. Охлаждение жидкого хладагента перед дросселем можно осуществить за счет жидкого пара, идущего из испарителя, т.е. применить регенерацию.

Рис. 1.18. Цикл холодильной машины с регенеративным теплообменником.

Холодный пар выходит из испарителя в состоянии ( ), направляется в регенеративный теплообменник, где он нагревается ( ) за счет теплого хладагента, выходящего из конденсатора, который при этом охлаждается ( ).

В результате регенерации удельная холодопроизводительность увеличивается на величину

.

Одновременно увеличивается работа компрессора на

.

Эффективность этого метода зависит от соотношения , т.е. от термодинамических свойств рабочего тела. Регенеративный цикл применяется для рабочих тел с относительно большими потерями, связанными с дросселированием, и относительно малыми потерями, связанными с перегревом.

Использование регенерации объясняется эксплуатационными преимуществами. При отсутствии перегрева перед всасыванием в компрессор попадают капли масла, содержащие растворенное рабочее тело и капли жидкого хладагента, что может привести к гидроудару. Регенеративный теплообменник является защитой от гидроудара.

Расчет теоретического цикла паровой холодильной машины.

Для оценки работы действительного холодильного агрегата его сравнивают с теоретическим:

1. Теоретический холодильный агрегат не имеет потерь в конденсаторе и испарителе.

2. Работа агрегата осуществляется с помощью теоретического компрессора.

3. Температура на входе в компрессор соответствует температуре окружающей среды, а температура поверхности испарителя – температуре кипения хладагента.

4. Температура паров хладагента на входе в регенеративный теплообменник совпадает с температурой кипения хладагента в испарителе.

5. Температура паров хладагента на выходе из регенеративного теплообменника соответствует температуре окружающей среды.

6. Температура хладагента на выходе из дросселя совпадает с температурой кипения хладагента.

7. Теоретический компрессор имеет одинаковый объем, описываемый поршнем, и работает при одинаковых внешних условиях с действительным компрессором.

8. Теоретический компрессор не имеет мертвого объема, потерь в клапанах и протечек.

9. В нем отсутствуют трение и теплообмен между паром и стенками рабочего объема цилиндра, а применяемый электродвигатель имеет к.п.д., равный единице.

10. Сжатие паров хладагента в теоретическом компрессоре осуществляется адиабатно.

11. Теоретический холодильный агрегат работает на реальных хладагентах.