книги из ГПНТБ / Трушин, В. Н. Механическое оборудование и установки курс лекций

ся расходом тепла, а не затратой механической энергии. Пароэжекторные машины применяют­

ся главным образом для кондиционирования воздуха, где не тре­ буется охлаждения воды ниже І0°С.

Абсорбционные холодильные машины

Действие абсорбционной холодильной пашины основано на термохимических свойствах раствора, состоящего из двух компо­ нентов с резво различными температурами кипения при одинаковом давлении. Компонент, имеющий более низкую температуру кипения, является хладагентом, а компонент с высокой температурой кипе­ ния служит абсорбентом. Последний должен обладать способностью поглощать пары хладагента.

В существующих абсорбционных машинах в качестве рабочих веществ применяются бромистолитиевые и водоаммиачвыѳ растворы. В бромистолитиевых машинах абсорбентом является вода, а хлад­

208

агентом-концентрированный водяной раствор бромистого лития.

В водоаммиачных холодильных машинах в качестве хладагента слу­ жит водоаммиачный раствор, а в качестве абсорбента - вода.

Токсичность и взрывоопасность аммиака ограничивает область применения водоаммиачных абсорбционных машин. Бромистолитиевые холодильные машины намного безопаснее аммиачных, однако ввиду повышенной коррозионной активности раствора бромистого лития требуется применение для их аппаратов специальных материалов.

В состав простейшей абсорбционной холодильной машины,схема которой представлена на рис.II.4, входят: конденсатор I, дрос­ сель на линии хладагента 7, испаритель б, абсорбер 5, генера­ тор 2, дроссель на линии абсорбента 4 и насос 3. Направление движения рабочих веществ на схеме показано стрелками.

Холодильный эффект достигается в испарителе б, в котором sä счет тепла 30 .отбираемого от охлаждаемого объекта, проис­ ходит кипение хладагента, холодные пары хладагента поступают

Рис.IIЛ. Схема абсорбционной холодильной машины:

абсорбере ниже, чем в испарителе, что обеспечивает непрерывный отсос паров.

Процесс абсорбции идет экзотермически с выделением теп­ ла За , которое, нагревая абсорбент, препятствует дальнейшему

209

протеканию процесса растворения в ней хладагента. Поэтому аб­ сорбер 5 обычно охлаждается проточной водой, отводящей выде­ ляющуюся теплоту. Насыщенный хладагентом раствор из абсорбера насосом 3 подается в генератор 2. В генераторе за счет подво­ димого от нагревателя тепла Qr насыщенный раствор нагревается до температуры кипения хладагента. Образовавшиеся теплые пары хладагента направляются в конденсатор 1^ где они сжижаются,от­ давая теплоту конденсации йк охлаждающей среде.

Давление в конденсаторе всегда выне, чем в испарителе, по­ этому конденсат хладагента поступает в испаритель через дрос­ сельный вентиль 7. Раствор абсорбента после выпаривания из него хладагента вновь направляется в абсорбер черег дроссель­ ный вентиль 4. Наличие дросселя 4 объясняется тем, что за счет работы засоса S давление в генераторе 2 выше, чем в абсорбере5.

Таким образом, в абсорбционной холодильной машине перенос тепла fi0 от охлаждаемого объекта к охлаждающей среде осущест­ вляется путем использования тепла нагревателя в генераторе и энергии, затрачиваемой насосом. При этом абсорбер осуществляет как бы всасывающие функции компрессора, а генератор и насос - нагнетательные. Что касается конденсатора, дросселя и испари­ теля, то они, как и в паровой компрессионной холодильной ма­ шине, выполняют свои обычные функции.

Тепловой баланс абсорбционной холодильной машины представ­ ляется равенством

är + S 0 = a * + a «

В этом балансе работа насоса не учтена, так как по сравне­ нию с затратой тепла в генераторе ею можно пренебречь.

Термоэлектрические холодильники

В основе данного способа охлаждения лежит термоэлектриче­ ский эффект, открытый еще в 1834 г. Этот эффект заключается в том, что при прохождении тока через цепь, состоящую из двух разнородных материалов (термопару), один конец спая нагревает­ ся, а другой охлаждается. Попытки использовать термоэлектриче­ ский эффект для получения холода долгое время успеха не имели и только появление полупроводников, имеющих термоэлектродвижу­ щую силу во много раз большую, чем металлы, открыло дорогу

термоэлементам в холодильную технику. Реализация этого открытия осуществлена в институте полупроводников АН СССР им.А.Ф.Иоффе.

Термоэлемент (рис.II.5) состоит из двух разнородных полу­ проводников I и 3, соединенных последовательно медной пластин­ кой 2. При прохождении тока верхний спай охлаждается, а нижний

состоящие из сплавов свинца и теллура, теллура и сурьмы, вис­ мута и теллура и др. Термоэлементы обычно последовательно со­ единяются в батарею.

Полезное тепло Q0 , отводимое термоэлементом от охлажда­ емого объекта, равно разности между количеством тепла, которое поглощает холодный спай ß c„ » и количеством джоулева тепла уменьшающего охлаждающий эффект спая, т.е.

Однако в настоящее время на основе полученных полупровод­ никовых материалов нельзя еще создать крупные холодильные ма­ шины с энергетической эффективностью, близкой к холодильным ма­ шинам других типові

Энергетическая эффективность холодильных машин оценивается по часовой холодопроизводительности Q0 , отнесенной к часово-

2II

му расходу электроэнергии уѵѵ » или к часовому расходу услов­ ного топлива ß . Это отношение называется удельной энергети­ ческой холодопроизводительностью одного киловатт-часа (одного килограмма условного топлива)

тыс.ккал (холода) квт-ч

или

По удельной энергетической холодопроизводитѳльности наибо­ лее экономичными являются компрессионные паровые фреоновые ма­ шины. Самой нигкой экономичностью (в пять раз меньше фреоно­ вых) обладают эжекторные машины, которые к тому же еще и очень чувствительны к повышению температуры охлаждающей воды. Аб­ сорбционные холодильные мамины по экономичности занимают про­ межуточное положение, и их удельная холодопроизводитѳльность примерно в два раза выше, чем у эжекторных.

Г л а в а 12

РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ В ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИНАХ

§ 12.1. ОБРАТНЫЙ ЦИКЛ КАРНО

Для непрерывного процесса охлаждения необходимо, чтобы холодильный агент совершал холодильный цикл. Одним из таких, теоретических циклов является обратный цикл Карно (рис.12.I).

Цикл Карно состоит из двух ивотѳрн и двух адиабат. Изотер­ мический процесс 4-1 представляет собой процесс отбора тепла от охлаждаемого объекта цри постоянном давлении и температу­ ре 7^ , соответствующей температуре кипения хладагента в ис­ парителе. При этом процессе за счет тепла, отбираемого от охлаждаемого объекта, теплосодержание рабочего тела возраста­ ет. Адиабатный процесс сжатия 1-2 совершается без тѳплообмева с окружающей средой, и температура рабочего тела при этом по­ вышается от ТО до Тн . В изотермическом процессе 2-3 в кондѳн-

212

саторе от рабочего тела отбирается тепло при постоянном давле­ нии и температуре Т , которая соответствует температуре кон­ денсации хладагента. Б адиабатном процессе расширения 3-4 ра­ бочее тело понижает свою температуру от Тк до 7^ .

При рассмотрении обратного цикла Карно предполагалось, что теплообмен между рабочим телом и тѳплоотдатчиком (теплоприем­

охлаждение. В процессе 2-3 от рабочего тела тепло отводится к телу с более высокой температурой. Для осуществления такой пе­ редачи тепла необходимо перевести рабочее тело с низкого тем­

=1/427 М§5_). Последующее понижение температуры рабочего тела кгс*м

от Тн до Т0 осуществляется в процессе адиабатического расшире­ ния 3-4, который сопровождается совершением полезной работы расширения А Ь расш. Разность работы сжатия и расширения состав­ ляет работу цикла , затраченную на совершение обратного кругового процесса

Ді,^ = A L c m ~ А Ь рарш •

На диаграмме T ~ S (рис.12.1) площади а -1-4- Ь соответст­ вует количество тепла, отобранного рабочим веществом от охлаж­ даемого тела, а площади а -2-3- Ъ - количество тепла, отведен­ ного от рабочего вещества. На основании теплового баланса раз­ ность площадей а -2-3-6 и а -1-4- Ъ , равная площади 1-2-3-4,

213

величину работы, затрачиваемую на совершение холодильного цик­ ла. При помощи обратного цикла Карно оценивается степень тер­ модинамического совершенства действительного цикла холодильной машины.

Если исходить из одного термодинамического совершенства цикла, то необходимо стремиться к отсутствию разности темпера­ тур в процессах теплообмена рабочего тела и источника. Однако такой теплообмен возможен только при наличии бесконечно боль­

214

ших поверхностей теплопередачи и бесконечно больших тел тѳплоотдатчина и тѳплоприемвика, температура которых в процессе теп­ лообмена не меняется.

В реальных условиях температура охлаждаемого тела должна быть выше температуры рабочего вещества, тогда тепло само со­ бой перейдет к рабочему веществу в процессе 4-1. Температура теплоприѳмника (охладителя хладагента) всегда должна быть ниже температуры рабочего тела после его сжатия, тогда в процессе 2-3 тепло будет переходить к тѳплоприемнику.

Процесс теплообмена при наличии перепада температур являет­ ся односторонним процессом, приводящим к необратимым потерям тепла. Необратимые потери от наличия перепада температур вызы­ вают в холодильной машине бесполезную дополнительную затрату работы. Однако уменьшение перепада температур приводит к уве­ личению теплопередающей поверхности теплообменных аппаратов, а следовательно, к увеличению их громоздкости и стоимости.

ны, наибольшее распространение среди которых получили паровые машины.

Ко второй группе холодильных машин, в которых для произ­ водства холода затрачивается тепло, подводимое извне, относят­ ся пароэжекторные и абсорбционные машины.

§ 12.2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ ПАРОВЫХ КОМПРЕССИОННЫХ

Наиболее просто обратный цикл Карно осуществляется в холодиль­ ной машине, работающей в области влажного пара и состоящей из компрессора, конденсатора, расширительного цилиндра и испари­ теля (рис.12.2а).

При работе компрессор иг испарителя засасывает влажный пар хладагента при давлении р0 и температуре TQ и сжимает их адиабатно до давления рн с повышением температуры до Тн (про­

215

цесс 1-2, рис.12.26). При этом положение точки I выбираѳтоя таким образом, чтобы в конце процесса сжатия в компрессоре влажный пар переходил бы в насыщенное состояние, т.е. точка 2 должна лежать на верхней пограничной кривой. Для осуществления процесса сжатия в компрессоре затрачивается работа Д L cm

Далее, сжатый пар в состоянии, соответствующем точке 2, на­ гнетается в конденсатор. В конденсаторе сухой насыщенный пар переходит в жидкое состояние (процесс 2-3), при этом точка 3

Рис.12.2. Холодильная машина с расширительным цилиндром: а) схема; б) теоретический цикл в области влажного пара

соответствует окончанию процесса конденсации и лежит на нижней пограничной кривой. Жидкий холодильный агент в состоянии 3 (г.ѳ. при температуре, соответствующей температуре конденсации) по­ ступает в расширительный цилиндр, где он адиабатно расширяется

работа, затрачиваемая на совершение холодильного цикла (но не работа сжатия в компрессоре). В состоянии 4 жидкий холодильный агент поступает в испаритель, где он кипит при постоянном.дав­

а -2-3- Ъ , а работа цикла (в тепловых единицах) площади I-2-3-4.

216

вой холодильной машине отсутствует расширительный цилиндр, и его заменяют регулирующим вентилем. Замена раоширитѳля регу­ лирующим (дроссельным) вентилем вызывается невозможностью практического создания цилиндра малых размеров, в котором ра­ бота производилась бы за счет расширения жидкости, и трудно­ стью использования этой работы.

На рис.12.За представлена схема холодильной машины с ре­ гулирующим вентилем, а на рис.12.36 - ее теоретический цикл.

Т

Рис.12.3. Холодильная машина с регулирующим вентилем: а) схема; б) теоретический цикл в области влажного пара

Регулирующий вентиль создает местное сужение на пути дви­ жения агента и вызывает дросселирование, т.е. расширение и снижение его давления, сопровождающееся понижением темпера­ туры. В данном случав работа расширения холодильного агента идет на преодоление сил трения в дросселе и превращается в тепло, которое обратно поглощается холодильным .агентом и вы­ зывает частичное его парообразование.

При введении регулирующего вентиля процесс расширения бу­ дет происходить не по адиабате 3-4 (рис.12.36), а по кривой дросселирования 3-5, представляющей собой линию постоянной энтальпии (изоэнтальпу).

Замена расширительного цилиндра регулирующим вентилем приводит к некоторым потерям:

а) не используется полезная работа расширения холодиль­ ного агента, что приводит к увеличению затрат работы на совер­ шение холодильного цикла. При введении регулирующего вентиля