5.1.2. Холодильна машина з дроселюванням в області вологої та всмоктуванням сухої (перегрітої) пари

Принципова схема такої холодильної машини і цикли з усмоктуванням сухої (перегрітої) пари в Т-s та lgp-h – діаграмах зображено на рис.5.2. Робочі процеси в холодильній машині йдуть таким чином: процес 1-2 (6-7) - ізоентропне стискання робочої речовини в компресорі, процес 2-3 (7-3) - відведення теплоти від робочої речовини в навколишнє середовище у конденсаторі; процес 3-4 - дроселювання робочої речовини в регулювальному вентилі РВ, процес 4-1 - підведення теплоти до робочої речовини від охолодного середовища.

У цих циклах процес ізоентропного розширення в детандері з одержанням зовнішньої роботи замінено процесом дроселювання в РВ. Це пов'язано з тим, що в КХМ робота, яка віддається детандером, мала (на вході до детандера маємо рідкий холодильний агент, а рідина при зміні тиску розширюється дуже мало), у порівнянні з роботою компресора і для спрощення схеми і скорочення витрат на виготовлення холодильної машини детандер заміняють дроселем.

Проте в деяких випадках (для машин значної продуктивності) включення детандера в схему парової холодильної машини було б раціонально, тому що скоротило б витрати енергії для одержання холоду.

Іншою відмінністю аналізованої схеми від попередньої є те, що компресор усмоктує суху насичену (точка 1) або перегріту пару (точка 6). Це пояснюється тим, що в сучасних холодильних машинах із поршневими компресорами подавати вологу пару в компресор небезпечно. Разом із парою в компресор може потрапити рідка робоча речовина і у більшості випадків призвести до гідравлічного удару, наслідком якого буде руйнування компресора чи окремих його деталей. (Гідравлічний удар відбувається при потраплянні рідкої робочої речовини (або мастила) між поршнем і кришкою циліндра.

Рис.5.2. Схема та цикл компресорної ХМ з дроселюванням та всмоктуванням

сухої насиченої або перегрітої пари

Для деяких типів компресорів, наприклад для гвинтових, потрапляння рідкої робочої речовини у незначних кількостях не викликає практично ніяких наслідків. Проте, в будь-якому випадку, при всмоктуванні вологої пари в компресор (точка а) через великі коефіцієнти тепловіддачі вологої пари у всмоктувальному трубопроводі і газовому тракті компресора, по яких вона рухається, виникає інтенсивний теплообмін, наслідком якого є її підсушування (процес а-1). Холодопродуктивність, еквівалентна площі під процесом а-1 у діаграмі Т-s, нераціонально витрачається на охолодження навколишнього повітря і компресора, причому робота компресора збільшується на величину, в Т-s діаграмі еквівалентну – площі 1-2-b-а. Заміна детандера дросельним вентилем призводить до появи незворотних втрат, пов’язаних із дроселюванням, і, крім того, в аналізованих циклах 1-2-3-4 і 6-7-3-4 зменшується питома холодопродуктивність на величину q₀.

При всмоктуванні сухої насиченої пари температура робочої речовини наприкінці процесу стискання (точка 2) стає вище температури навколишнього середовища, що викликає додаткові необоротні втрати, що ведуть до збільшення роботи циклу. (Обидва види втрат детально розглядалися раніше).

Для того щоб визначити ці необоротні втрати, необхідно побудувати цикл-зразок (цикл із мінімальною роботою) для циклу 1-2-3-4. Приймемо, що температура навколишнього середовища Т_нс дорівнює температурі конденсації Т_к і температура охолодного середовища Т_ос дорівнює температурі Т₀. Тоді цикл 1-c-b-h-4-1 буде циклом-зразком (циклом із мінімальною роботою) для циклу 1-2-3-4. Площа с-2-b буде еквівалентна збільшенню роботи циклу через необоротність у процесі охолодження перегрітої робочої речовини (процес 2-b).

Щоб визначити ці необоротні втрати, поставимо точку k таким чином, щоб площа е-2-b-3-т (еквівалентна кількості теплоти, відведеної від робочої речовини в навколишнє середовище) рівнялася площі f-k-3-т (еквівалентна кількості теплоти, сприйманою навколишнім середовищем). Тоді пл.с-2-b = пл.f-k-с-е, тобто площа f-k-с-е відображає збільшення роботи

~пл.f-k-c-e = (5.4)

Збільшення ентропії s_пер можна визначити за виразом (3.19)-(3.20). При всмоктуванні перегрітої пари ці втрати будуть ще більшими, тому що Т₇ > Т₂.

Визначимо основної величини, що характеризують цикли з дроселюванням і з усмоктуванням сухого або перегрітого пара, а саме, цикли 1-2-3-4 або 6-7-3-4. Питому холодопродуктивність можна правильно визначити тільки розглядаючи разом цикл побудований на діаграмах і схему. У нашому випадку для обох циклів

, (5.5)

а саме, питома холодопродуктивність дорівнює різниці ентальпії робочої речовини на виході з випарника і на вході у випарник. У діаграмі Т-s вона еквівалентна площі е-1-4-п або у діаграмі lgp-h – довжині відрізку 1-4. Робота компресора w_кс у циклі 1-2-3-4 еквівалентна площі 1-2-3-0-1; робота компресора w_кп у циклі 6-7-3-4-1 – площі 6-7-3-0-1, або

; . (5.6)

Теплота, відведена у конденсаторі до навколишнього середовища, буде відповідно еквівалентна площам: площі е-2-b-3-т і площі d-7-b-3-т, або

; . (5.7)

В аналізованих циклах детандер відсутній, тому його робота w_д = 0 і робота циклу визначається за формулами

; . (5.8)

Порівняємо холодильні коефіцієнти розглянутих циклів та циклу з адіабатним розширенням в області вологої пари. У циклі з дроселюванням питома холодопродуктивність менша, а робота циклу більша, а це значить, що холодильний коефіцієнт циклу з дроселюванням менший, ніж у циклу з детандером:

. (5.9)

Це випливає і з відношення відповідних площ. Коефіцієнт оборотності циклу 1-2-3-4 дорівнює

. (5.10)

Холодильний коефіцієнт і коефіцієнт оборотності циклу 6-7-3-4 будуть менше, тому що робота цього циклу більше роботи циклу 1-2-3-4 на величину, еквівалентну площі 6-7-2-1.

У описаних вище циклах процес стискання в компресорі приймався ізоентропним. У реальних компресорах такий процес стискання здійснити практично неможливо через необоротні втрати у компресорі. Втрати, пов’язані зі стисканням робочої речовини в компресорі, будуть розглянуті нижче.