10.2.Схема и цикл газовой (воздушной) холодильной установки

Впервые промышленное получение холода было осуществлено с помощью воздушной холодильной установки.

Схема и обратимый цикл воздушной холодильной установки представлены на рис. 10.2, 10.3, 10.4.

Работа, затрачиваемая на сжатие воздуха в компрессоре (площадь a-1-2-b в p-v- диаграмме),

.

Работа, получаемая при расширении воздуха в детандере (площадь a-4-3-b),

частично компенсирует затраты работы на сжатие (компрессор, детандер и электродвигатель находятся на одном валу).

О бозначения: К – компрессор; Д – детандер; ХК - холодильная камера;

T -теплообменник, охлаждаемый водой; ЭД – электродвигатель; T_oc = T₃ - температура окружающей среды; T_x = T₁ - температура вырабатываемого холода.

Цифры на схеме соответствуют узловым точкам обратимого цикла 1-2-3-4.

Результирующая затрачиваемая работа (площадь цикла 1-2-3-4 в p-v- и T-s- диаграммах)

Удельная холодопроизводительность обратимого цикла (площадь 1-4-c-d в T-s- диаграмме)

.

Теплота, передаваемая от охлаждаемого воздуха к воде в теплообменнике (Площ. 2-3-c-d),

.

Холодильный коэффициент обратимого цикла

.

В газовой холодильной установке невозможно осуществить изотермический процесс подвода и отвода теплоты, поэтому обратимый цикл 1-2-3-4 отличается от цикла Карно 1-2-3-3 для данного интервала температур T_x - T_oc. Из T-s- диаграммы видно, что в цикле Карно удельная холодопроизводительность больше (Площ. c31d > Площ. c41d), а затрачиваемая работа меньше (Площ.1-2-3-3< Площ. 1-2-3-4), чем в цикле воздушной холодильной установки, следовательно, холодильный коэффициент цикла Карно

.

Эксергетический КПД обратимого цикла для газовых холодильных установок

что говорит о низком термодинамическом совершенстве газовых циклов.

На рис. 10.5 представлен действительный цикл воздушной холодильной установки 1-2д-3-4д.

С тепень необратимости процессов сжатия и расширения воздуха учитывается внутренним относительным КПД компрессора и внутренним относительным КПД детандера:

.

Механические и электрические потери в компрессоре, детандере и электродвигателе учитываются электромеханическим КПД (_ЭМ).

Удельная холодопроизводительность действительного цикла

.

Затрачиваемая работа с учетом всех потерь (электрическая работа)

.

Холодильный коэффициент и эксергетический КПД холодильной установки (с учетом всех потерь)

.

Учет потерь от необратимости снижает эксергетический КПД установки ( ) по сравнению с эксергетическим КПД обратимого цикла ( ) примерно в два раза.

Вследствие малой теплоемкости воздуха удельная холодопроизводительность воздушных холодильных установок

,

мала. Для получения необходимой холодопроизводительности

требуются большие расходы циркулирующего воздуха, с которыми успешно справляются турбокомпрессоры и турбодетандеры.

Газовые холодильные машины применяются для получения искусственного холода с низкими температурами (t < -100 ⁰С).

10.3. Схема и цикл парокомпрессионной холодильной установки

Хладоагентами (ХА) парокомпрессионных холодильных установок являются пары низкокипящих жидкостей: аммиака (NH₃), фреонов (C_mH_nF_xCl_y).

На рис. 10.6 и 10.7 представлены схема и цикл парокомпрессионной холодильной установки.

О бозначения: К- компрессор; КН – конденсатор; ДВ- дроссельный вентиль; И – испаритель; ЭД – электродвигатель; t_хл, t_хл -температуры хладоносителя. Цифры на схеме (рис. 10.6) соответствуют узловым точкам обратимого цикла 1-2-3-4 (рис. 10.7)

Хладоноситель – жидкость, не замерзающая при низких температурах (этиленгликоль, пропиленгликоль), используемая для транспортировки холода.

Для понижения температуры ХА в парокомпрессионных холодильных установках используется дроссельный вентиль. В процессе дросселирования 3-4 энтальпия ХА не изменяется (h₃ = h₄).

Теплота, необходимая для испарения ХА в испарителе, забирается от хладоносителя.

Удельная холодопроизводительность обратимого цикла

.

Затрачиваемая работа в цикле (работа компрессора)

.

Теплота, отводимая в процессе охлаждения и конденсации ХА,

.

Холодильный коэффициент обратимого цикла

.

Если пренебречь разностью температур в процессах теплообмена между хладоагентом и водой, охлаждающей конденсатор, между хладоагентом и хладоносителем в испарителе, то можно принять, что T_x = T₁, T_оc= Т₃ .

В парокомпрессионной холодильной установке в интервале температур T_x – T_оc возможно осуществить цикл Карно 1-2-3-4 с холодильным коэффициентом

.

Эксергетический КПД обратимого цикла парокомпрессионных холодильных установок

,

что говорит о высокой степени термодинамического совершенства паровых циклов.

Д ействительный цикл парокомпрессионной холодильной установки представлен на рис. 10.8.

Затрачиваемая работа с учетом всех потерь

.

Холодильный коэффициент установки

.

Эксергетический КПД холодильной установки

.

Преимущество парокомпрессионных холодильных установок, по сравнению с газовыми, в том, что они имеют более высокий эксергетический КПД, меньшие габариты, большую удельную холодопроизводительность.

Они применяются для получения холода в области умеренных температур (t > -100 ⁰С), широко используются в промышленности и в быту.