5.1.4. Методи скорочення необоротних втрат у циклах компресорних холодильних машин

Як було розглянуто вище, у циклах холодильних машин виникають необоротні втрати, пов'язані з теплообміном робочої речовини і джерел, і втрати, пов'язані з дроселюванням. Ці втрати істотно збільшують витрати енергії на одержання штучного холоду. На рис.5.6. показано цикл 1-2-3-4 з ізоентропним процесом стискання. Циклом-зразком для цього циклу буде цикл а-b-с-d.

Рис.5.6. Цикл зразок для одноступеневої компресорної ХМ

У циклі з дросельним вентилем робота компресора ; дорівнює роботі циклу і визначається так: . У величину втрат входять втрати, пов'язані з роселюванням , теплообміном у конденсаторі і у випарнику та втрати у компресорі .

Визначення і втрат, пов’язаних із дроселюванням і теплообміном робочої речовини з джерелами, була розглянута раніше. Втрати, що виникають у компресорі холодильної машини, можна визначити так:

, (5.22)

. (5.23)

Розрахунки циклу парової холодильної машини, яка працює на R12 при Т₀=253К, Т_к=298К и T=Т_о=5К, показали, що необоротні втрати у циклі відносно розподіляються в такий спосіб: =12%, =20%, =32%, =28%. Отже, значна частина втрат виникає під час теплообміну робочої речовини і зовнішніх джерел.

5.1.5. Методи скорочення необоротних втрат під час теплообміну

Розглянемо як можна скоротити необоротні втрати, що виникають під час теплообміну між робочою речовиною і джерелом низької температури, якщо джерело охолоджується від температури навколишнього середовища Т_нс до якоїсь кінцевої температури Т_ос.

Скоротити необоротні втрати і тим самим скоротити витрати енергії при відведенні теплоти від джерела з перемінною температурою можна за рахунок східчастого охолодження кількома машинами. Схема такої установки та цикли холодильних машин наведено на рис.5.7. У прикладі, який розглядаємо, холодильні машини використовують для роботи однакову робочу речовину.

У випадку охолодження джерела від Т_нс до Т_ос однією холодильною машиною (цикл 1-2-3-4) затрата роботи може бути визначена за виразом холодильного коефіцієнта

; , (5.24)

де с- теплоємність охолодного джерела; G- масова витрата охолодного джерела; Т_m- проміжна температура.

Передбачається, що G і с постійні. При використанні двох машин можна за допомогою машини, що яка працює за циклом 5-6-3-7, охолодити джерело від Т_нс до Т_m, а другою машиною, яка працює за циклом 1-2-3-4, відвести частину теплоти, що залишилася й охолодити джерело до температури Т_ос. Витрачена робота в цьому випадку визначиться за рівнянням

. (5.25)

Рис.5.7. Схема та цикли установки з двома холодильними машинами

Як було розглянуто раніше, більш ефективною буде холодильна машина, яка працює у меншому інтервалі температур, отже > . Порівнюючи (5.24) та (5.25) видно, що у випадку використання ступінчастого охолодження, частина теплоти від джерела відводиться при більш високому холодильному коефіцієнті. Це дозволяє скоротити витрату енергії, тобто .

Оптимальна проміжна температура Т_m^опт може бути знайдена з умови мінімальної сумарної роботи:

. (5.26)

Якщо скористатися залежностями:

; , (5.27)

де , - коефіцієнти, постійні в достатньо широкому інтервалі температур, та прийняти , можемо записати рівняння (5.24) у такому вигляді:

. (5.28)

Тоді за умови , , вирішуємо рівняння (5.26), підставивши в нього з рівняння (5.28), у результаті одержимо оптимальне значення проміжної температури

. (5.29)

Раніше було показано, що при всмоктуванні в компресор сухої насиченої пари (або перегрітої) температура кінця стискання стає вищою температури навколишнього середовища – це призводить до додаткових затрат роботи в циклі . Цю додаткову роботу можна використати нагріваючи воду для технологічних потреб. Для цього між компресором і конденсатором необхідно встановити пароводяний теплообмінник, у якому перегріта пара буде охолоджуватися до температури конденсація нагріваючи воду. Такий частково теплофікаційний цикл дає суттєвий економічний ефект. У великих холодильних машинах, особливо аміачних, можна отримати безперерве гаряче водопостачання. Для малих ХМ та у випадку використання фреонів набули поширення холодильні установки з акумуляторами гарячої води у часи низького її споживання.

Іншим способом скорочення необоротних втрат, пов’язаних із теплообміном робочої речовини і зовнішніх джерел, може бути використання у парових холодильних машинах робочих речовин із змінними темперами кипіння та конденсації – неазеатропних сумішей. Цикл такої холодильної машини показаний на рис.5.8. На ньому умовно зображено процес охолодження джерела низької температури b-а. Робота циклу 1-2-3-4 буде еквівалентна площі 1-2-3-0-1. Цикл-зразок для цього – а-b-с-d, робота якого еквівалентна площі а-b-c-d.

Коефіцієнт оборотності циклу 1-2-3-4 дорівнює

. (5.30)

Якби в холодильній машині використовувалася однокомпонентна робоча речовина, то цикл такої машини був би 5-6-3-7 (показаний умовно), а його коефіцієнт оборотності

. (5.31)

Оскільки площа 5-6-3-0-5 > площі 1-2-3-0-1, то

. (5.32)

Рис.5.8. Цикл компресорної ХМ, яка працює на неазеотропній суміші

У аналізованому випадку температура навколишнього середовища приймалася постійною. У реальних умовах роботи ХМ, коли навколишнім середовищем виступає вода і повітря в обмежених кількостях, Т_нс змінна. У цьому випадку виграш буде ще помітнішим.

Однак розглянута економія буде мати місце лише під час охолодження. У випадку необхідності підтримування постійної температури охолодного середовища, використання неазеотропних сумішей призведе до додаткових втрат. Це викликано більшою середньою різницею температур при використанні неазеотропних сумішей у порівнянні із чистими речовинами. При цьому втрати будуть тим помітніші, чим більша різниця температур кипіння компонентів неазеотропної суміші.

Ще одним із шляхів економії енергії при одержанні штучного холоду є зменшенням різниці температур між робочою речовиною і джерелами. Досягнути цього можна застосуванням теплообмінних апаратів з інтенсифікованим теплообміном, правильним вибором (без заниження необхідної площі теплообміну) та належною експлуатацією теплообмінного обладнання, яка не допускає забруднення, а якщо це неможливо, передбачає своєчасне очищення поверхні теплообміну (від мастила, інею, водного каменю та ін.).