2.2. Парокомпрессионные холодильные машины

В парокомпрссионной холодильной машине происходят следующие процессы (рис.2.2):

• 4 -1, 8-5, 12-9 – кипение рабочего вещества (хладагента) в испарителе (воздухоохладителе), при этом теплота Q₀ отводится от охлаждаемой среды;

• 1-2, 5-6, 9-10 – сжатие паров рабочего вещества в компрессоре;

• 2-3, 6-7, 10-11 – конденсация паров рабочего вещества в конденсаторе, при этом теплота Q цикла (а) или Q_r цикла (б) и (в) передается окружающей или нагреваемой среде;

• 3-4, 7-8, 11-12 – дросселирование рабочего вещества в регулирующем вентиле.

Таким образом, парокомпрессионная холодильная машина должна иметь четыре следующих обязательных элемента (рис.2.2): компрессор, конденсатор, испаритель (воздухоохладитель) и регулирующий вентиль.

В испарителе (воздухоохладителе) за счет кипения рабочего вещества при низкой температуре теплота Q₀ отводится от охлаждаемой среды – воздуха в системе непосредственного охлаждения (например, в домашнем холодильнике), воды или рассола в системе с хладоносителем (насос направляет охлажденный хладоноситель в батареи, расположенные в охлаждаемом помещении). Пары рабочего вещества из испарителя (воздухоохладителя) отсасываются с помощью компрессора, сжимаются и нагнетаются в конденсатор. В нем теплота Q отводится от конденсирующегося рабочего вещества с помощью охлаждающей среды – воздуха или воды, – которая при этом нагревается. Жидкое рабочее вещество из конденсатора проходит через регулирующий вентиль, где происходит процесс дросселирования. При этом падают давление и температура рабочего вещества. Температура кипения t₀ рабочего вещества в испарителе зависит от давления кипения р₀, а оно, в свою очередь от производительности компрессора. Температуру кипения поддерживают такой, чтобы обеспечить необходимую (заданную) температуру охлаждаемой среды. Для понижения температуры кипения необходимо понизить давление кипения, что можно сделать, увеличив производительность компрессора.

Температура конденсации t_к рабочего вещества и соответствующее ей давление конденсации р_к зависят главным образом от температуры среды, используемой для охлаждения конденсатора. Чем ниже температура охлаждаемой среды, тем ниже будут температура и давление конденсации.

При одной температуре кипения хладагента холодопроизводительность компрессора бует увеличиваться с понижением температуры конденсации.

Холодопроизводительность компрессора будет также увеличиваться с повышением температуры кипения хладагента при реализации любой температуры конденсации.

Величины р₀ и р_к в значительной мере влияют на производительность компрессора. Они же в основном определяют и количество энергии, которое необходимо для его работы.

2.3. Абсорбционная и пароэжекторная холодильные машины

Из теплоиспользующих холодильных машин широкое применение имеют абсорбционные и пароэжекторные.

Абсорбционная холодильная машина. В абсорбционной холодильной машине (рис.2.4) рабочее вещество двухкомпонентное – например водоаммиачный раствор, в котором аммиак является хладагентом, вода абсорбентом. В генераторе (кипятильнике) при подводе к нему теплоты Q_r раствор выпаривается.

Пар с высокой концентрацией легкокипящего компонента (аммиака) поступает в конденсатор КД, а оставшаяся жидкость (слабый раствор, близкий по концентрации к воде) – в абсорбер АБ. Сконденсированная в конденсаторе жидкость направляется в испаритель И. Образующийся здесь за счет теплоты Q₀ отбираемой от охлаждаемой среды, пар подводится к абсорберу, в котором он поглощается слабым раствором, поступившим из генератора. Этот процесс, называемый абсорбцией, сопровождается выделением теплоты Q_а, которая отводится из аппарата с помощью холодной воды. Крепкий, насыщенный поглощенным паром, раствор из абсорбера насосом перекачивается насосом Н в генератор.

Помимо водоаммиачного раствора, в абсорбционных холодильных машинах широко применяют раствор бромистого лития, в котором хладагентом являетсявода, а абсорбентом – бромистый литий.

Энергетическую эффективность абсорбционной холодильной машины оценивают тепловым коэффициентом

ζ = Q₀/( Q_г+L_н),

где L_н – тепловой эквивалент работы насоса, Дж; Q_г – тепло, подводимое к генератору.

Таким образом, в этой холодильной машине роль компрессора выполняют генератор, абсорбер и насос. Основное количество энергии, необходимое для ее работы подводится к генератору в виде теплоты Q_г. Количество электроэнергии, необходимое для привода насоса, незначительно.

По сравнению с парокомпрессионными абсорбционные холодильные машины более надежны в эксплуатации, но существенно уступают им по металлоемкости и энергетическим затратам. При одинаковой подведенной теплоте Q₀ теплота Q_г будет существенно больше теплового эквивалента работы компрессора L_н. Абсорбционные холодильные машины целесообразно применять, где имеется дешевая тепловая энергия для обогрева генератора.

Пароэжекторная холодильная машина . В пароэжекторной холодильной машине (рис.2.5) рабочим веществом обычно служит вода. В кипятильнике КП (котле) вода кипит при подводе теплоты Q_к. Образующийся пар высокого давления поступает в эжектор Э (пароструйный аппарат). При истечении из сопла эжектора он развивает большую скорость, в результате чего его потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию струи, засасывающую пар низкого давления из испарителя. После смешения рабочий пар из кипятильника и холодный пар из испарителя И в эжекторе сжимаются и направляются в конденсатор КД. Пар конденсируется при отводе теплоты Q_к с помощью охлаждающей воды.

Из конденсатора часть воды через регулирующий вентиль РВ поступает в испаритель, а другая часть насосом Н подается в кипятильник.

Пароэжекторную холодильную машину, работающую на воде, широко используют в центральных системах кондиционирования воздуха, где хладоносителем также является вода с температурой 10…12⁰С. Однако при такой температуре хладоносителя давление кипения воды в испарителе должно быть ниже атмосферного. При этом возможен подсос воздуха из атмосферы, что нарушает работу холодильной машины.

Энергетическая эффективность пароэжекторной холодильной машины, как и абсорбционной, оценивают тепловым коэффициентом

ζ = Q₀/( Q_к + L_н).

Работа насоса L_н значительно меньше теплоты Q_к и ею можно пренебречь. Тогда ζ ≈ Q₀/Q_к или ζ ≈ Q₀·L_н/ Q_к ·L_н ≈ ε·η_t, т.е. отсюда следует, что тепловой коэффициент пароэжекторной холодильной машины есть произведение термического КПД прямого цикла и холодильного коэффициента обратного цикла.

Если в качестве источника теплоты Q_к есть возможность использовать теплоту как отход другого производства, то пароэжекторные холодильные машины могут быть энергетически выгодны.