5. Цикли і схеми компресорних холодильних машин

Компресорні холодильні машини (КХМ) є найбільш поширеним типом холодильних машин. Вони застосовуються для одержання штучного холоду в широкому інтервалі температур: від 278К (одноступінчаті холодильні машини) до 113К (каскадні холодильні машини).

Холодопродуктивність КХМ охоплює діапазон від кількох сот Вт до кількох МВт. Головною відмінною рисою таких машин є те, що робоча речовина в процесах зворотного циклу змінює свій фазовий стан і в різні часові проміжки може знаходитися в стані насиченої або “переохолодженої” рідини, сухої насиченої, перегрітої або вологої пари. Основними елементами КХМ є: компресор, конденсатор, випарник і пристрій для розширення робочої речовини. Для стискання робочої речовини в парових холодильних машинах застосовуються різноманітні типи компресорів: поршневі, гвинтові, відцентрові, осьові і ротаційні. Як конденсатори і випарники можуть застосовуватися теплообмінні апарати різноманітного типу. Вибір циклу КХМ залежить, насамперед від температури охолодного та навколишнього середовища. На характер і процеси циклу КХМ істотний вплив спричиняють тип застосованого компресора, розширювального пристрою, теплообмінних апаратів, а також робоча речовина і схема холодильної машини.

5.1. Цикли і принципові схеми одноступеневих компресорних холодильних машин

5.1.1. Холодильна машина з детандером в області вологої пари

На рис.5.1. наведена принципова схема і цикл такої холодильної машини зображений у Т-s та lgp-h діаграмах. З випарника В волога пара робочої речовини з паровмістом х₁ засмоктується компресором КМ, де ізоентропно стискується до тиску конденсації р_к (процес 1-2). При такому стисканні вологої пари до неї підводиться теплота еквівалентна витраченій роботі. Ця теплота витрачається на випаровування рідкої фази, що міститься у парі. Положення точки 1 повинно бути таким, щоб наприкінці процесу стискання в компресорі утворювалася суха насичена пара. Після стискання робоча речовина направляється в конденсатор КД, де конденсується за рахунок відведення теплоти в навколишнє середовище (процес 2-3). При цьому тиск р_к і температура Т_к залишаються постійними. У процесі 3-4 відбувається ізоентропне розширення робочої речовини від тиску конденсації р_к до тиску кипіння р₀ у детандері Д. Після детандера робоча речовина в стані вологої пари з паровмістом х₄ надходить у випарник. У випарнику за рахунок підведення теплоти від охолодного середовища відбувається випаровування рідкої фази пари робочої речовини (процес 4-1). Температура Т₀ і тиск р₀ робочої речовини в процесі випаровування залишаються постійними, тому що волога пара, постійно відсмоктується компресором. Якщо зовнішні джерела (охолодне та навколишнє середовище) не змінюють свою температуру і теплообмін робочої речовини і зовнішніх джерел відбувається при нескінченно малій різниці температур, то в цьому випадку робоча речовина в холодильній машині буде здійснювати зворотний цикл Карно.

Теплота, підведена до 1 кг робочої речовини у випарнику, у діаграмі Т-s відповідає площі n-1-4-т та еквівалентна різниці ентальпій h₁-h₄. Ця величина називається питомою масовою холодопродуктивністю q₀. У діаграмі lgр-h питома холодопродуктивність відповідає довжині відрізку 1-4.

Рис.5.1. Схема та цикли компресорної холодильної машини в області вологої пари

Під час стискання пари в компресорі витрачається робота w_ст. Ця робота в діаграмі Т-s відповідає пл.1-2-3-0-1; у діаграмі lgр-h – довжині відрізку під процесом 1–2. У процесі конденсації 2–3 теплота передається навколишньому середовищу. Ця теплота в діаграмі lgр-h відповідає довжині відрізку 2–3, а діаграмі Т-s – площі п-2-3-т. У процесі 3–4 відбувається розширення робочої речовини, яке супроводжується здійсненням зовнішньої роботи ω_д. Ця робота в діаграмі Т-s еквівалентна площі 4-3-0-4, а у діаграмі lgр-h – довжині відрізку під процесом 3­–4.

Таким чином, основні величини, що характеризують цикл 1-2-3-4, можна обчислити в такий спосіб:

; ; ; . (5.1)

Робота, яку одержують у детандері може бути використана у компресорі на стискання робочої речовини. У цьому випадку робота циклу дорівнює різниці робіт, витраченої в компресорі й отриманої в детандері:

. (5.2)

Отже, щоб здійснити зворотний цикл і перенести теплоту від охолодного до навколишнього середовища, необхідно затратити роботу, рівну w_ц.

Холодильний коефіцієнт циклу 1-2-3-4 дорівнює

. (5.3)

Розглянутий цикл і схема парової холодильної машини є теоретичними і використовуються для порівняння під час визначення втрат у реальних холодильних машинах.