8.2 Цикл воздушной холодильной установки

Схема воздушной холодильной установки представлена на рис.8.2, а ее цикл в p-υ и Т-s координатах - на рис. 8.3. В компрессоре І воздух сжимается адиабатно (процесс 1-2), в результате чего его давление и температура растут. В теплообменнике ІІ сжатый воздух охлаждается при постоянном давлении (процесс 2-3). Охлаждение воздуха происходит путем отвода теплоты в окружающую среду непосредственно или посредством промежуточного теплоносителя (воды, топлива, др.). Отвод теплоты от воздуха в окружающую среду возможен, если температура воздуха в этом процессе выше температуры окружающей среды и эти температуры могут сравняться только в конце процесса. Затем воздух адиабатно расширяется до исходного давления с совершением работы (процесс 3-4) в детандере (расширителе) III с понижением температуры при расширении за счет совершения работы.

В качестве детандеров чаще всего используются турбины (турбодетандеры или турбохолодильники) или расширительные машины поршневого типа (поршневые детандеры). Температура воздуха в детандере понижается до Т₄. Далее воздух направляется в объем ІV, где он воспринимает теплоту q₂ от охлаждаемого тела (изобарный процесс 4-1). Отвод теплоты от охлаждаемого тела к воздуху возможен в том случае, если температура воздуха в этом процессе ниже температуры тела и только в конце процесса они могут уравняться. В p–υ и Т–s координатах (рис.8.3) работа цикла и подведенная в цикле теплота эквивалентны площади 1-2-3-4.

Определим холодильный коэффициент воздушной холодильной установки. Так как q₁ = с_р (Т₂ – Т₃), а q₂ = с_р (Т₁ – Т₄) , то:

.

Поскольку процессы 2-3 и 4-1 изобарные (р = const), а Δs _3-2 = Δs _4-1 = Δs, то:

_.

Следовательно, и поэтому:

. (8.8)

Так как для адиабатного процесса 1-2:

, (8.9)

то, подставляя (8.9) в (8.8), получим:

. (8.10)

Из уравнения (8.10) следует, что с уменьшением степени повышения давления в компрессоре холодильный коэффициент увеличивается.

Недостатком воздушных (газовых) холодильных установок является сравнительно небольшой холодильный коэффициент ε. Это следует из Т-s диаграммы (рис. 8.4), на которой изображены обратный цикл Карно и цикл воздушной холодильной установки, осуществляемые в одном и том же интервале температур от Т_І до Т_ІІ. Этот недостаток цикла воздушной холодильной установки определяется тем, что процессы подвода и отвода теплоты осуществляются не по изотерме, как в цикле Карно, а по изобаре.

В системах кондиционирования герметичных кабин самолетов, в отличие от рассмотренной выше системы, применяются воздушные холодильные установки с разомкнутым контуром, когда воздух из кабины выбрасывается в атмосферу. Схема простейшей воздушной холодильной установки самолета показана на рис. 8.5. Воздух в установку поступает от компрессора газотурбинного двигателя или отдельного компрессора І, проходит далее через теплообменник ІІ, в котором охладителем является забортный воздух. В тех случаях, когда этого недостаточно (полет на сверхзвуковых скоростях), дополнительно используют топливовоздушный или испарительный теплообменник. В первом случае охладителем является топливо ГТД, которое перед поступлением в двигатель проходит через теплообменник. Во втором - для охлаждения воздуха используется скрытая теплота испарения жидкости, находящейся в теплообменнике. В качестве испаряющейся жидкости применяют воду, водоспиртовую смесь и др. Далее воздух поступает в детандер III и объем ІV, воспринимающий теплоту от охлаждаемого тела. Цикл открытой воздушной холодильной установки аналогичен циклу установки с замкнутой схемой (рис. 8.3).

Для повышения эффективности холодильной установки в авиации применяют двухступенчатое (и более) сжатие воздуха с промежуточным охлаждением в теплообменнике (рис. 8.6). Воздух в установку поступает от компрессора газотурбинного двигателя или отдельного компрессора І, проходит через теплообменник ІІ, в котором он охлаждается, и далее направляется в компрессор ІІІ, приводимый во вращение от холодильной турбины V. Затем воздух направляется в промежуточный теплообменник ІV, в котором он снова охлаждается, попадает в холодильную турбину V и далее в кабину самолета VІ.

Цикл описанной выше воздушной холодильной установки изображен на рис.8.7, на котором линия 1´ - 2´ отображает процесс отвода теплоты в теплообменнике ІІ, а линия 2 - 3 – процесс отвода теплоты в теплообменнике ІV. Из диаграммы следует, что в заданном интервале температур холодильный коэффициент установки с двух-ступенчатым сжатием выше, чем у установки с одноступенчатым сжатием.