Цикл парокомпрессорной холодильной машины

Благодаря тому, что ТРТ цикла – низкокипящая жидкость, можно холодильный цикл расположить в двухфазной области состояний, в которой изобарные процессы теплообмена будут протекать изотермически. Кроме того, понижение давления в цикле можно осуществить не в детандере, а в дроссельном вентиле, в котором процесс дросселирования влажного пара сопровождается понижением температуры.

Рис. 20.5. Парокомпрессорная холодильная машина

В компрессоре 1 происходит адиабатное сжатие пара (3-4), а затем пар направляется в конденсатор 2, в котором вначале происходит охлаждение при p=const перегретого пара (4-5), а затем полная конденсация пара (5-1). Из точки 1 жидкость при температуре T₁ и соответствующем давлении насыщения направляется к дроссельному вентилю 3, где происходит процесс дросселирования (1-2) и оттуда выходит влажный пар. Поступая затем в испаритель 4 (в виде змеевика), влажный пар воспринимает теплоту и содержащаяся в нём жидкость испаряется (2-3). Затем из испарителя пар снова засасывается компрессором, где в процессе сжатия становится сухим насыщенным или перегретым.

Холодильный коэффициент этой установки равен

= q₂/ l_ц . (20.15)

Теплота q₂, воспринимаемая паром в испарителе (2-3), равна q₂=i₃- i₂.

Работа, затрачиваемая в цикле, равна работе компрессора (расширение в дросселе идёт без отдачи внешней работы и i₁= i₂) l_ц=i₄- i₃.

Подставляя значения q₂ и l_ц в (20.15), получим

=(i₃- i₂)/(i₄- i₃). (20.16)

Значение этого  отличается на 15-20% от _к и значительно выше, чем у воздушно-холодильных машин. Выше так же и холодопроизводтельность.

Замена детандера дроссельным клапаном приводит к необратимому расширению хладоагента от давления P₁ до давления P₂ без совершения работы. Однако, это изменение резко уменьшает габаритные размеры установки, делает её более дешёвой и удобной для регулирования в эксплуатации.

В качестве хладоагентов применяют аммиак (NH₃), однако он ядовит. Двуокись углерода СО₂, хлористый метил CH₃Cl и различные галогенозамещённые углеводороды метанового и этанового рядов (фреоны) – фтор-, хлорпроизводные простейших предельных углеводородов [Ф-12 (CF₂Cl₃), Ф-22 (CHF₂Cl₂), Ф-113 (C₂F₃Cl₃) или Ф-142 (C₂H₃F₂Cl)]

Эти установки в настоящее время получили наибольшее распространение.

Цикл теплового насоса

Машины, которые отнимают теплоту от окружающей среды и передают её телу, имеющему температуру, выше окружающей среды называются тепловыми насосами.

Они работают по одинаковым циклам с холодильными машинами и различаются только пределами температур: у установок для производства холода окружающая среда является верхним источником, у установок, служащих для отопления, - низшим источником. Тепловой насос переносит энергию от холодного тела к более нагретому. Однако, это не единственный результат цикла. Осуществление цикла потребует затраты работы L, превращаемой в теплоту, идущую на дополнительное нагревание теплополучающего тела. Следовательно, более нагретое теплополучающее тело будет получать теплоту, эквивалентную работе машины, плюс ту теплоту, которая забирается у менее нагретого теплоотдающего тела: Q₁=L+Q₂.

Практически количество теплоты, отнимаемое от охлаждающей среды, приблизительно в 3 раза больше теплоты, идущей на работу теплового насоса. Благодаря этому цикл может быть с успехом применён для отопления. Идею «динамического отопления» выдвинул ещё в 1853г. Томсон (Кельвин). Длительное время эта идея оставалась забытой. В 1920г. она была подробно разработана московским физиком проф. В.А. Михельсоном. Он нашел, что динамическая система отопления более чем в 2 раза выгоднее, чем обычная, применительно к московским условиям.

За счёт затраты работы в обратном цикле температура теплоносителя повышается. Эффективность теплового насоса оценивается величиной относительного коэффициента : =q₁/ l_ц , где q₁ – количество теплоты, сообщённое нагреваемому объекту; l_ц – работа, подводимая в цикле.

Если в целях отопления используют определённую холодильную машину с холодильным коэффициентом , то q₁=q₂ + l_ц , =q₂/ l_ц , =+1.

Следовательно, чем выше , тем выше и .

Т.к. в тепловом насосе q₁>l_ц, то и >1.

Значение относительного коэффициента в реальных тепловых насосах равно 3-5.

Если бы тепловой насос работал по циклу Карно, то с учётом _к=Т₂/(Т₁-Т₂) и =+1: =Т₁/(Т₁-Т₂).

При постоянной температуре нижнего источника теплоты Т₂ эффективность теплового насоса будет зависеть от температуры, при которой ТРТ отдаёт теплоту в отопительную систему. Этой температурой и нужно руководствоваться при выборе теплоносителя.

Очень дороги и в настоящее время практически не употребляются, однако их дальнейшее усовершенствование и распространение крайне желательно для сбережения энергетических ресурсов.

В народном хозяйстве и в быту получили распространение пароэжекторные холодильные установки. В них охлаждение происходит не за счёт внешней механической работы (например, механического привода компрессора), а за счёт теплоты, подводимой при относительно высокой температуре, которая сначала превращается в механическую энергию по прямому циклу, а затем эта механическая энергия в обратном цикле производит холод. Повышение давления хладоагента, необходимое для переноса теплоты из холодильной камеры в окружающую среду, происходит не повышением давления его в компрессоре, а за счёт кинетической энергии рабочего пара, проходящего через эжектор. Они компактны и могут достичь очень низких температур. Но с термодинамической точки зрения менее эффективны, чем компрессорные, из-за наличия в них эжектора, в котором протекает необратимый процесс сжатия.

В абсорбционных холодильных установках получение холода происходит то же не за счёт механической энергии, а за счёт теплоты внешнего источника высокой температуры. В качестве ТРТ применяется раствор из двух жидкостей (холодильного агента и абсорбента) с разными температурами кипения при одном и том же давлении, полностью растворимых друг в друге. Широко применяют водоаммиачный (H₂O-NH₃) и водобромистолитиевый (LiBr-H₂O) растворы. В качестве холодильного агента используют аммиак и воду, а в качестве абсорбентов – воду и бромистый литий. Первый раствор можно использовать для получения температур как выше, так и ниже 0^оС, второй – только для температур выше 0^оС. Помимо названных растворов возможно применение фреоновых растворов, например Ф-22 – диметилового эфира, тетраэтиленгликоля, Ф-22 – дибутилфталата и др. Обычно растворы состоят из воды (t_k=100^оС) при р=1 ат и аммиака (t_k= -34^оС) при р=1 ат. Здесь H₂O – абсорбент (поглотитель), NH₃ – хладоагент.

В действительной абсорбционной установке выпаривание холодильного агента из раствора в генераторе происходит не полностью. Вместо турбин устанавливают редукционные клапаны, где происходит дросселирование соответственно жидкого холодильного агента и раствора. Процессы, протекающие в аппаратах машины, являются необратимыми.

Преимущество по сравнению с компрессорными установками – использование теплоты невысокого температурного уровня вместо дорогостоящей механической энергии для получения холода.