2.6. Термодинамический анализ циклов холодильных установок

Холодильные машины предназначены для получения искусственного холода. Рабочее тело холодильных машин называется хладоагентом (ХА). Для того, чтобы в холодильной камере получить температуру Т_х, меньшую, чем температура окружающей среды (Т_ос), необходимо передать тепло от охлаждаемого тела к хладоагенту, а затем от ХА – в окружающую среду. Эти процессы передачи тепла от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой требуют затраты работы в виде электрической, механической или др. вида энергии. Циклы холодильных машин, в отличие от циклов тепловых двигателей, имеют обратное направление, т.е. против часовой стрелки.

Идеальным циклом холодильных машин является обратный цикл Карно для интервала температур Т_х – Т_ос.

Эффективность циклов холодильных машин оценивается холодильным коэффициентом

,

где - удельная холодопроизводительность холодильной машины;

- затрачиваемая работа (работа привода компрессора).

Холодильный коэффициент зависит от температур вырабатываемого холода (Т_х) и окружающей среды (Т_ос): уменьшается с уменьшением Т_х и увеличением Т_ос.

Холодильный коэффициент идеального цикла Карно зависит только от температур Т_х и Т_ос и вычисляется по формуле

.

Характеристикой термодинамического совершенства цикла холодильной машины является эксергетический КПД (_экс), который не зависит от температур вырабатываемого холода (Т_х) и окружающей среды (Т_ос) и характеризует степень отклонения холодильного коэффициента установки от холодильного коэффициента цикла Карно

.

Для идеального цикла Карно _экс = 1.

Задачи для самостоятельного решения

Предлагается выполнить термодинамический анализ для двух наиболее распространенных типов холодильных установок: газовых (задача № 1) и парокомпрессионных (задача № 2).

З адача № 1. На рис. 2.12, 2.13 и 2.14 представлены схема и обратимый цикл в р-υ и Т-s- диаграммах газовой холодильной машины.

Дано: хладоагент (ХА)– воздух; параметры ХА на входе в компрессор: р₁=1бар, t₁=-20^оС; давление ХА на выходе из компрессора р₂=6 бар; температура ХА на выходе теплообменника–охладителя t₃=20^оС.

Рассчитать:

• температуры воздуха в узловых точках цикла;

• работу, затрачиваемую на компрессор ( _к ,кДж/кг);

• работу, получаемую в детандере ( _D ,кДж/кг);

• работу обратимого цикла ( ,кДж/кг);

• удельную холодопроизводительность обратимого цикла (q_х, кДж/кг);

• удельную теплоту, передаваемую в окружающую среду (q_о, кДж/кг);

• холодильный коэффициент обратимого цикла ();

• холодильный коэффициент идеального цикла Карно (_К) для интервала температур (Т_осТ_х);

• эксергетический КПД обратимого цикла холодильной машины (_экс).

Теплоемкость воздуха принять постоянной (µс_v=20,8кДж/кмольК). Ответы выделить и на основании полученных результатов расчета сделать выводы.

Задача № 2. Н а рис. 2.15 и 2.16 представлены схема и обратимый цикл парокомпрессионной холодильной установки.

Рис. 2.15 Рис. 2.16

Обозначения: К – компрессор; КОН – конденсатор; охлаждаемый водой; ОВ – охлаждающая вода; ДВ – дроссельный вентиль; И – испаритель; ХЛ – хладоноситель; П – привод компрессора.

Цифры на схеме соответствуют узловым точкам обратимого цикла, представленного в Т-s- диаграмме.

Дано: хладоагент – фреон-12, температура хладоагента на входе в компрессор t₁=-20^oC, на выходе из компрессора: t₂=20^oC, х₂=1.

Рассчитать:

• значения энтальпий (h) в узловых точках обратимого цикла;

• затрачиваемую работу в цикле ( );

• удельную холодопроизводительность цикла (q_x);

• холодильные коэффициенты для обратимого цикла 1-2-3-4 () и цикла Карно 1-2-3- m (_К) в интервале температур Т_ос – Т_х;

• эксергетический КПД обратимого цикла (_экс).

На основании полученных результатов расчета сделать выводы относительно термодинамического совершенства обратимых циклов парокомпрессионных холодильных машин.

При расчете энтальпий воспользоваться табл. 8 (термодинамические свойства фреона–12 в состоянии насыщения), приведенной в ПРИЛОЖЕНИИ учебного пособия [7].