4.2.2. Парокомпрессорные холодильные установки

В парокомпрессорных холодильных установках (ПКХУ) в качестве рабочего тела применяют легкокипящие жидкости (табл. 1), что позволяет реализовать процессы подвода и отвода теплоты по изотермам. Для этого используются процессы кипения и конденсации рабочего тела (хладагента) при постоянных значениях давлений.

Таблица 1.

Физические параметры хладагентов

Хладагент	Температура кипения t кип при давлении р = 0,1 МПа, °С	Критическая температура, °С	Температура замерзания, tзам °С	Скрытая теплота парообразования при t кип, кДж/кг
Аммиак NНз	-33,7	132,4	-77,7	1370
Фреон R-12 СС12 F 2	-30,6	111,5	-155,0	162
Фреон R.-22 СНF2С1	-40,75	96,0	-160,0	233,5
Фреон R-134А СF3СFН2	-26,1	101,1	-101,0	217,1

В XX веке в качестве хладагентов широко применяли различные фреоны на основе фторхлоруглеродов. Они вызывали активное разрушение озонового слоя, в связи, с чем в настоящее время их применение ограничено, и в качестве основного хладагента используют хладагент К-134А (открыт в 1992 году) на основе этана. Его термодинамические свойства близки к свойствам фреона К-12. У обоих хладагентов несущественно различаются молекулярные массы, теплоты парообразования и температуры кипения, но, в отличие от К-12, хладагент К-134А не агрессивен по отношению к озоновому слою Земли.

Схема ПКХУ и цикл в T-s-координатах показаны на рис. 3 и 4. В ПКХУ понижение давления и температуры осуществляется дросселированием хладагента при его протекании через редукционный вентиль РВ, проходное сечение которого может изменяться.

Хладагент из холодильной камеры ХК поступает в компрессор К, в котором адиабатно сжимается в процессе 1 -2. Образующийся при этом сухой насыщенный пар поступает в КД, где конденсируется при постоянных значениях давления и температуры в процессе 2-3. Выделяющаяся теплота q₁ отводится к «горячему» источнику, которым в большинстве случаев является окружающий воздух. Образовавшийся конденсат дросселируется в редукционном вентиле РВ с переменным проходным сечением, что позволяет изменять давление выходящего из него влажного пара (процесс 3-4).

Рис. 3. Принципиальная схема (а) и цикл в Т-s-координатах (б)

парокомпрессорной холодильной установки: КД - конденсатор;

К - компрессор; ХК - холодильная камера; РВ - редукционный вентиль.

Поскольку протекающий при неизменном значении энтальпии (h₃ - h₄) процесс дросселирования необратим, его изображают пунктирной линией. Полученный в результате процесса влажный насыщенный пар небольшой степени сухости попадает в теплообменник холодильной камеры, где при постоянных значениях давления и температуры испаряется за счет теплоты q_2ъ отбираемой от находящихся в камере предметов (процесс 4-1).

Р ис. 4. Принципиальная схема парокомпрессорного холодильника: 1 - холодильная камера; 2 - теплоизоляция; 3 - компрессор; 4 - сжатый горячий пар; 5 - теплообменник; 6 - охлаждающий воздух или охлаждающая вода; 7 - жидкий хладагент; 8 - дроссельный вентиль (расширитель); 9 - расширившаяся, охлажденная и частично испарившаяся жидкость; 10 - охладитель (испаритель); 11 - испарившийся теплоноситель.

В результате «подсушивания» степень сухости хладагента растет. Количество теплоты, отбираемой у охлаждаемых в холодильной камере предметов, в Т-s-координатах опре­деляется площадью прямоугольника под изотермой 4-1.

Использование в ПКХУ легкокипящих жидкостей в качестве ра­бочего тела позволяет приблизиться к обратному циклу Карно.

Вместо дросселирующего вентиля для понижения температуры можно использовать и расширительный цилиндр - детандер (см. рис. 1). При этом установка будет работать по обратному циклу Карно (1-2-3-5-1). Тогда теплота, отбираемая у охлаждаемых предметов, будет большей - она определится площадью под изотермой 5-4-1. Несмотря на частичную компенсацию затрат энергии на привод компрессора положительной работой, получаемой при расширении хладагента в расширительном цилиндре, такие установки не применяют ввиду их конструктивной сложности и больших габаритных размеров. К тому же в установках с дросселем переменного сечения гораздо проще регулировать температуру в холодильной камере.

Рис.. 5. Цикл парокомпрессорной

холодильной установки с перегревом рабочего тела.

Для этого достаточно лишь изменить площадь проходного сечения дросселирующего вентиля, что приводит к изменению давления и соответствующей ему температуры насыщенных паров хладагента на выходе из вентиля.

Холодильный коэффициент ПКХУ вычисляют по формуле

где - энтальпия в процессе 3-4, в котором h = const.

Значение холодильного коэффициента обратного цикла Карно

В знаменателе этой формулы указаны затраты энергии на привод установки, представляющие собой разность отрицательной работы компрессора и положительной работы, совершаемой рабочим телом в расширительном цилиндре.

В настоящее время вместо поршневых компрессоров в основном используют лопаточные компрессоры (рис. 6). О большей экономичности ПКХУ по сравнению с воздушными установками свидетельствует и тот факт, что отношение холодильных коэффициентов ПКХУ и обратного цикла Карно , т.е. достаточно высокое.

В реальных парокомпрессорных установках из теплообменника-испарителя холодильной камеры в компрессор поступает не влажный, а сухой или даже перегретый пар (рис. 5). Это увеличивает отводимую теплоту q₂, уменьшает интенсивность теплообмена хладагента со стенками цилиндра и улучшает условия смазывания поршневой группы компрессора. В подобном цикле в конденсаторе происходит некоторое переохлаждение рабочего тела (участок изобары 4-5).

Рис. 6. Теоретический цикл и принципиальная схема холодильной

установки, работающей по обратному обратимому циклу Карно.