Самостійна робота № 6. Повітряні холодильні машини.
Повітря – це найдоступніше і найбезпечніше робоче тіло для теплових двигунів і холодильних машин.
В повітряній холодильній установці повітря з теплообмінника ТО, що встановлений в приміщенні охолодження, всмоктується компресором К і стискається адіабатно (процес 1-2). Далі повітря, що має тиск і температуру кінця стисненні, поступає у холодильник Х, де при постійному тиску охолоджується водою в стаціонарних холодильних установках або атмосферним повітрям в транспортних (процес 2-3). Охолоджене повітря розширюється в детандері Д (процес 3-4), виконуючи корисну роботу. В результаті чого його температура знижується до рівня, що забезпечує задане охолодження в приміщенні. В теплообміннику ТО повітря нагрівається при постійному тиску за рахунок відбирання тепла від тіла охолодження.
Робота, що витрачається на здійснення циклу, визначається площею1-2-3-4 в координатах
p, v і дорівнює різниці робіт стиснення в компресорі (площа 1-2-в-а) і розширення в детандері (площа 4-3-в-а). Холодопродуктивність установки q0 відповідає в координатах Т-S площі а-в-4-1 під кривою нагріву, а тепло q, що віддається навколишньому середовищу, - площі а-2-2-в під кривою охолодження. Різниця цих величин (площа 1-2-3-4) еквівалентна витраченій роботі l.
Використовуючи відношення параметрів для адіабатних та ізотермічних процесів. Отримують формулу для визначення холодильного коефіцієнта машини:
E = q0/l = T1/ (T2-T1) = T4/ (T3-T4).
Процеси підведення і відведення тепла в даному циклі виконуються при наявності певної, хоча і змінної різниці температур між робочим тілом холодильної машини і зовнішнім джерелом тепла. Такі процеси зовнішньо не обернені.
Температура зовнішнього повітря лише в межах (без різниці температур) відповідає точці 3, а в приміщенні охолодження – точці 1, внаслідок чого холодильний коефіцієнт теоретичного циклу повітряної машини буде значно нижчий, ніж в оберненому циклі Карно.
При заданій холодопродуктивності Q0 (Вт) кількість повітря. Що циркулює в системі складає (кг/год) G = 3,6· Q0 / q0 .
Теоретична потужність, що витрачається компресором (кВт), Nк = G·l к /3600, де l к – робота,витрачена в компресорі.
Теоретична потужність, що отримана при розширенні в детандері (кВт) , Nд = G·l д /3600, де l д – робота, що здійснюється в розширювачі.
Теоретична потужність, що витрачається в циклів, Nт = Nк - Nд.
В дійсному циклі економічність нижча, ніж в теоретичному. Ефективність повітряних холодильних машинах покращують введенням регенераторів (теплообмінників) в прямих і обернених процесах циклу. Такі турбодетандери з теплообмінниками – регенераторами використовують в авіаційних установках кондиціювання повітря.
Самостійна робота № 7. Пароежекторні і абсорбційні холодильні машини.
В пароежекторній холодильній установці одночасно здійснюються два цикли : прямий цикл теплового двигуна 1-3-8-10-11 , в якому теплова енергія, що підводиться ззовні, перетворюється в механічну, і обернений холодильний цикл 4-5-8-9, в якому механічна енергія використовується для вироблення холоду. Обидва цикли стикуються в процесах здійснення роботи двигуном і відбору тепла в оберненому круговому процесі.
В пароежекторних машинах в якості холодоагенту зазвичай використовують воду, яка є доступним і нешкідливим холодоагентом з великою теплотою пароутворення. Особливістю установки є те, що стиснення робочого тіла в паровій фазі холодильного циклу і розширення в тепловому циклі здійснюються в паропотокому ежекторному приладі Е. Ззовні до установки підводиться не механічна робота, а тепло. Вода охолоджується у випарнику В машини за рахунок часткового переходу її в пароподібний стан при вакуумі. Для охолодження зовнішнього теплоносія (розсіл, повітря) до температури порядку –10 0С необхідно забезпечити тиск у випарнику близько 0,4-1,6 кПа, – дуже глибокий вакуум. При цих умовах у випарнику утворюється великий об’єм сухої насиченої водяної пари, який може бути економічно видалений тільки пароструйним ежектором. Ежектор складається з трьох частин: сопла а, камери змішування б (приймальна камера) і дифузора в.
В паровому котлі КТ за рахунок підведення ззовні тепла Qк вода випаровується і у вигляді сухої насиченої пари (точка 1 на діаграмі) поступає в ежектор. В соплі а ежектора виконується адіабатне розширення пари (процес 1-2) і перетворення його потенціальної енергії в кінетичну енергію стікаючого потоку. В приймальній камері б енергія потоку передається навколишньому середовищу, яке захоплюється потоком, і в камері утворюється понижений тиск. В зв’язку з тим, що камера б безпосередньо з’єднана з випарником В, в неї поступає суха насичена пара (точка 4) і змішується з потоком (точка 6); у випарнику утворюється вакуум. Далі в дифузорі в ежектора за рахунок зниження швидкості суміші виконується стиснення потоку, і тиск підвищується (процес 6-7) до тиску в конденсаторі рк. , який є проміжним тиском циклу. Після охолодження пара в конденсаторі КД спеціально підведеною до установки водою до стану киплячої рідини (точка 8) потік робочого тіла розділяється: одна частина проходить через терморегулювальний вентиль ТРВ, дроселюється (процес 8-9) до тиску ро і поступає у випарник; друга частина рідини стискається (процес 8-10-11) насосом Н до максимального тиску циклу р і направляється в паровий котел. В насосі стискається рідина. Робота такого стиснення дуже мала, і лінія стиснення 8-10-11 практично співпадає з нижньою пограничною кривою (х=0).
Холодопродуктивність установки: Q0 = G1·q0 = G1· (i4--i9),
Холодильний коефіцієнт е= Q0/Q = G1(i4-i9)/G2(i1-i11) = (i4-i9)/ G=(i1-i11) .
Показники циклу тим кращі, чим більше значення G1 і менше G2, - коли зменшується відносна величина G – характеристика циклу є оберненою величиною коефіцієнта ежекції.
Абсорбційні холодильні установки працюють на використанні бінарних (подвійних ) сумішей , які складаються з речовин, що відрізняються температурами кипіння при однаковому тиску. Легко киплячою речовиною є холодоагент. Речовина зі значно більш високою температурою кипіння призначене поглинати – абсорбувати холодоагент, і називається абсорбентом. В якості такої пари речовин використовують воду (абсорбент) і астрону – холодоагент. Розчин цих двох речовин при заданому тиску має різні температури кипіння, що залежать від його концентрації. Другою особливістю бінарних сумішей є здатність рідкого розчину поглинати пару холодоагенту, що має значно низьку температуру, ніж розчин. Вказані властивості розчинів дають можливість здійснити холодильний процес шляхом періодичної зміни їх концентрації. В них на вироблення холоду витрачається не електрична (механічна) енергія, а тепло від джерел високої температури.
Конденсатор КД, випарник В, регулювальний вентиль ТРВ виконують такі ж само функції, що і в ПКХМ. Кип’ятильник-генератор КГ, абсорбер А і насос Н – нові елементи установки. Холод Q0 в машині отримується завдяки випаровуванню астрона при низькій температурі.
Пара астрону при тиску р0 безперервно всмоктується з випарника в абсорбер і поглинається слабим водоастроновим розчином, який поступає з кип’ятильника через регулювальний вентиль РВ, де дроселюється від тиску рк до р0. Процес абсорбції є екзотермічним, - виконується з виділенням тепла Qа, яке відводиться водою охолодження. Міцний водоастроновим розчин, що утворився в абсорбері, нагнітається насосом в кип’ятильник, при цьому тиск рідини підвищується від р0 до рк .
До кип’ятильника – генератора ззовні підводиться тепло Qh, яке витрачається на випаровування розчину при постійному тиску. В наслідок виділяється пара астрона, яка далі поступає в конденсатор, охолоджуються з відведенням тепла Qк і в стані киплячої рідини при тиску рк дроселюється в терморегулювальному вентилі ТРВ до тиску випаровування р0.
Якщо знехтувати роботою стиснення розчину в насосі, то рівняння теплового балансу машини буде мати вигляд Qа + Qк = Qо + Qh, а тепловий коефіцієнт Еа = Qо / Qh.
Визначальною характеристикою процесів в абсорбційній установці є масова концентрація астрона в розчині Gа = Gа / (Gа + Gв); Gа і Gв – масові кількості астрона і води.