6.10, В), т. Е. Обратный цикл Карно в координатах т, s изобразится площадью

1–2'–3–3'–1. Тогда холодильный коэффициент обратного цикла Карно:

3 1

1

к ε Т Т

Т

= − , а так как Т3 < Т2, то вх ε < к ε , т.е. к.п.д. холодильной

установки ниже к.п.д. цикла Карно.

Конкретные расчеты показывают низкие величины вх ε , т. е. весьма

малую эффективность цикла рассматриваемой установки. Кроме того,

вследствие низкой теплоемкости воздуха теплота q2 также мала, вследствие

чего необходим большой объем циркулирующего воздуха и установка будет

громоздкой. Использование воздуха как хладагента перспективно в уста-

новках с турбокомпрессорами, так как в этом случае большой объем воздуха

не является препятствием для его использования.

Цикл паровой холодильной установки. Применение в холодильных

установках вместо воздуха паров низкокипящих жидкостей делает принци-

103

пиально возможным осуществление обратного цикла Карно, так как в

области влажного пара изобары являются одновременно изотермами и, сле-

довательно, холодильный коэффициент этого цикла будет равен холодиль-

ному коэффициенту обратного цикла Карно.

В качестве хладагентов паровой холодильной установки используются

вещества с технически допустимыми давлениями насыщенных паров во всем

диапазоне температур цикла. Несмотря на дешевизну, доступность и безвред-

ность, вода в качестве хладагента холодильных установок не применяется,

так как даже в диапазоне ограниченных температур (не ниже 2ｰС) имеет

такое низкое давление насыщения, которое обычная холодильная установка

Рис. 6.13. Схема паровой компрессорной установки (а)

и ее графический цикл T – s (б)

обеспечить не может. Применяемые раньше в качестве хладагентов углеки-

слота и хлористый метил в настоящее время вытеснены фреонами _

фторхлорпроизводными углеводородами типа СmНnFхС1y. Низкие темпера-

туры затвердевания, хорошая смачиваемость металлов, низкие температуры в

конце сжатия и широкий диапазон температур применения _ все это

является большим достоинством фреонов. Наряду с фреонами для

температур кипения ниже 208 К применяют аммиак.

Реальный цикл паровой компрессорной холодильной установки нес-

колько отличается от обратного цикла Карно следующим:

1) Дорогостоящая расширительная машина заменена дешевым, неболь-

шого размера дросселем, причем дополнительные потери вследствие дрос-

селирования хладагента оказываются практически ничтожными;

2) Перед подачей влажного пара в компрессор он сепарируется до со-

стояния сухого насыщенного пара, вследствие чего процесс сжатия происхо-

дит в области перегретого пара, что приводит к увеличению холодильной

мощности.

104

Принципиальная схема паровой компрессорной холодильной установ-

ки и ее цикл изображены на рис. 6.13.

Установка работает следующим образом. Компрессор 1 всасывает из

рефрижератора 2 пар рабочего тела при давлении его р2 и степени сухости

х2, после чего адиабатно сжимает его (процесс а − b) до давления р1 так, что

пар становится перегретым с температурой перегрева Тb. Из компрессора пар

поступает в конденсатор 4, где, охлаждаясь водой, полностью переходит в

жидкость (изобарный процесс b − е − с) при давлении р1 с соответствующей

давлению температурой Tc = Tн,1. После выхода из конденсатора жидкость,

проходя через дроссельный вентиль 3, подвергается дросселированию.

Процесс дросселирования пара является термодинамически необратимым

процессом, поэтому на графике изображается условной кривой с – d . При

этом давление понижается до р2, а сама жидкость переходит в парожидкую

смесь со степенью сухости x1 при температуре Тн,2. Эта смесь поступает в

холодильник, где получает теплоту q2 от охлаждаемой среды при постоян-

ном давлении р2, при этом степень сухости смеси увеличивается от x1 до

х2 = 1. Холодильный коэффициент этой установки определится следующим

образом:

1 2

2

пх ε q q

q

= − (6.15)

Так как q2 = r(1 _ хd), то увеличение скрытой теплоты парообразования r

повышает теплоту q2 и холодильную мощность. Как видно из рис. 6.13,

дросселирование, являясь необратимым процессом, несколько уменьшает q2

с учетом роста энтропия при дросселировании. Чем меньше теплоемкость

хладагента в жидком состоянии, тем меньше изменение энтропии при

дросселировании и тем больше будет q2. Следовательно, чем больше r и

меньше ср у хладагента, тем он более совершенен. Преимуществом паровой

холодильной установки в сравнении с воздушной является более высокий

пх ε и меньшие габариты ее, поскольку большая удельная холодильная

мощность снижает объемный расход хладагента.

Цикл пароэжекторной холодильной установки. В химической тех-

нологии часто используют охлажденную воду с температурой 276 _ 283 К,

которую можно получить либо в абсорбционной, либо в пароэжекторной

холодильной установке. Эти установки позволяют сэкономить топливно-

энергетические ресурсы, поскольку они могут использовать вторичные

энергоресурсы (ВЭР). Пароэжекторная холодильная установка отличается от

паровой холодильной установки тем, что в ней вместо компрессора приме-

няется эжектор.

Эжектором называется устройство для сжатия и перемещения газа, пара или

жидкости. Эжектор _ это струйный компрессор. Принцип __________действия его осно-

ван на передаче энергии от одной среды, движущейся с большой скоростью

(рабочая среда), другой среде (подсасываемая среда). Сжатие и перемещение

105

подсасываемой среды достигается за счет передачи ей кинетической энергии

от рабочей среды в процессе их смешения. Устройство и принцип действия

эжектора были рассмотрены ранее (см. разд. 3.2.3).

Принципиальное различие процессов в эжекторе и в компрессоре сос-

тоит в том, что сжатие в эжекторе осуществляется не внешним источником

механической работы, а рабочей средой, которая смешивается с подсасыва-

емой средой.

На рис. 6.14 представлены схема пароэжекторной холодильной уста-

новки и ее цикл в координатах Т, s. Сухой насыщенный пар массой m1 кг с

параметрами р1 и T1 поступает из парогенератора 4 в эжектор 2, где при

Рис. 6.14. Принципиальная схема пароэжекторной холодильной

установки (а) и графическое изображение ее цикла в координатах Т, s (б)

истечении из сопла б его давление понижается до р2 (процесс 1 _ 2 на T, s

_ диаграмме). В камере смешения в он смешивается с m2 кг сухого

насыщен-ного пара, поступающего из холодильника 1 (точка __________о) с

параметрами р2 и Т2, в результате чего получается смесь паров массой (m1 +

m2) кг с параметрами р2 и хс (точка с). Далее из камеры смешения смесь

поступает в диффузор а эжектора, где происходит повышение ее давления

до р3 (точка а, процесс с _ а). Из эжектора смесь поступает в

конденсатор 3, где происходит ее пол-ная конденсация (процесс а _ е _ 3).

Одна часть конденсата массой m кг с помощью насоса 6 (процесс 3-й, работа

насоса) поступает в парогенератор 4, другая часть конденсата массой m/ кг

_ в дроссель 5; в результате дросселирования (процесс 3 _ 5) получается

влажный пар давлением р2 и степенью сухости х5, который далее поступает

в холодильник 1. Здесь в результате подвода теплоты q2 пар при

постоянном давлении подсушивается до состоя-ния х0 = 1 (процесс 5 _ 0),

после чего поступает в эжектор 2. В парогенерато-ре 4 подводится теплота

q1 в результате чего m кг конденсата превращается в сухой насыщенный пар

давления р1 (процесс d _ 1).

106

Коэффициент теплоиспользования пароэжекторной холодильной

установки, определяется соотношением:

1

ξ 2 q

q

∗ = (6.16)

Пароэжекторная холодильная установка работает в следующем

режиме: р1 = 0,3 _ 1,0 МПа и х1 = 1 (т. е. T1 = Тн = 406 _ 453 К), Т2 = 276

_ 283 К (чему соответствует р2 = 0,0007 _ 0,0012 МПа) и T3= 303 _ 313 К

(чему соответствует р3 = 0,0042 _ 0,0074 МПа).

Цикл абсорбционной холодильной установки. Из физической химии

известно, что в отличие от чистых веществ растворы обладают способностью

Рис. 6.15. Схема абсорбционной холодильной установки

абсорбировать (поглощать) пар раствора одного состава жидким раствором

другого состава даже в случае, когда температура последнего выше темпе-

ратуры пара. Именно это свойство растворов используется в абсорбционной

холодильной установке (АХУ). Действие АХУ основано на абсорбции паров

хладагента каким-либо абсорбентом при давлении р2 и последующем выде-

лении их при давлении р1 > р2. На рис. 6.15 изображена схема АХУ, в

которой в качестве хладагента применяется влажный пар аммиака. Влажный

пар аммиака, проходя через дроссель 1, понижает свое давление от р1 до р2

и температуру от Т1 до Т2. Затем влажный пар аммиака поступает в рефре-

жератор 2, где он за счет притока теплоты q2 увеличивает свою степень

сухости до х3 = 1.

Сухой насыщенный пар аммиака с температурой Т2 поступает в абсорбер 3,

куда подается из парогенератора 5 раствор, обедненный аммиаком, через

дроссель 7 с температурой Т1 > Т2, в котором легкокипящим компонентом

является аммиак. Раствор абсорбирует пар аммиака, а выделяющаяся при

107

этом теплота абсорбции qабс отводится охлаждающей водой (при раство-

рении аммиака в воде температура раствора возрастает, что уменьшает

растворимость аммиака, и если не отводить теплоту из раствора, то процесс

абсорбции прекращается).

Концентрация аммиака в растворе в процессе абсорбции увеличивается

и, следовательно, из абсорбера выходит обогащенный раствор при темпера-

туре Т2 < Т3 < T1 и давлении р2. С помощью насоса 4 при давлении р1 этот

раствор поступает в парогенератор 5, где за счет подводимой теплоты q1 из

него испаряется в основном аммиак, как наиболее летучий компонент. Пары

аммиака поступают в конденсатор 6. Здесь они частично конденсируются,

чем и завершается цикл.

Коэффициент теплоиспользования АХУ, определяется соотношением

(6.16).

АХУ проста и надежна в эксплуатации. В настоящее время она применяется

в промышленности для получения умеренного охлаждения, при этом исполь-

зуется физическая теплота вторичных энергоресурсов.

Кроме водного раствора аммиака в АХУ применяют также водные растворы

бромистого лития и хлористого кальция.