5.7. Циклы холодильных машин

5.7.1. Способы получения низких температур

В жилых и коммунально-бытовых помещениях, в сельскохозяйствен-

ных сооружениях, при технологических процессах переработки и хранения продукции сельскохозяйственного производства и т.п. порой возникает необходимость иметь температуры более низкие, чем окружающая среда. Снизить температуру в помещении или какого-нибудь объекта можно естественным путем. В этом случае надо создать условия для самопроизвольного процесса переноса тепла к телу с более низкой температурой. Такими телами, например, являются: лед (вода в твердом состоянии), сухой лед (твердое состояние двуокиси углерода) и др. В настоящее время низкие температуры в основном создаются искусственным путем с затратой энергии.

Машина, осуществляющая искусственное охлаждение с помощью подводимой энергии, называется х о л о д и л ь н о й м а ш и н о й.

Вхолодильных машинах осуществляется переход теплоты от тел, менее нагретых, к телам, более нагретым в результате осуществления обратного цикла. Схематично это представлено рисунком 5.28 Теплота от охлаждаемого тела с температуройT_Х передается в окружающую среду, имеющую температуру Т_Г, в два этапа.

Первый этап – самопроизвольный процесс перехода теплоты от охлаждаемого тела к рабочему. Он возможен в случае, если температура рабочего тела будет меньше, т.е. T`_рm< T_x. Уменьшение температуры рабочего тела возможно при его дросселировании, при адиабатном расширении, при движении газа в вихревой трубе.

Второй этап – отвод теплоты от ра-

бочего тела в окружающую среду.

Рис. 5.28

Для того, чтобы этот процесс протекал самопроизвольно необходимо иметь температуру рабочего тела Т`<sub>рm</sub> > T<sub>Г</sub>. Для повышения уровня температуры с T`_pm до T``_pm между первым и вторым этапом к рабочему телу необходимо подвести энергию, например, в форме работы l₀.

Таким образом, для самопроизвольного процесса переноса тепла от охлаждаемого тела в окружающую среду, рабочее тело за счет постороннего источника должно периодически изменять свою температуру в пределах от T`_pm до T``_pm .

. Энергетическая эффективность циклов холодильных установок характеризуется холодильным коэффициентом :

(5.13)

Его величина показывает, какое количество теплоты отводится от охлаждаемого тела при затрате единицы работы. В отличие от коэффициента полезного действия тепловых двигателей,  показывает эффективность использования подведенной энергии в обратном цикле. Так как подведенная энергия может быть больше или меньше отведенной теплоты от охлаждаемого тела, холодильный коэффициент может иметь значения больше или меньше единицы.

В зависимости от температуры, которая должна быть достигнута при охлаждении, различают холодильные установки умеренного холода, охватывающие область температур до 70 ^оС и установки глубокого холода, с областью температур до 200 ^оС и ниже. Последние обычно используются для сжижения воздуха и других газов.

Наиболее распространенными холодильными машинами являются паровые компрессорные, абсорбционные, воздушные компрессорные.

5.7.2. Цикл паровой компрессорной холодильной машины

Рабочим телом (х л а д а г е н т о м) паровых компрессорных холодильных машин являются пары различных веществ: аммиака, углекислоты, сернистого ангидрида, фреонов^*. Более полная информация о хладагентах дана в работе [8]. В таблице 5.2 приведены данные некоторых хладагентов, а в табл. 7 Приложения – теплофизические свойства широго используемого хладагента – фреона – 22. Удельная холодильная мощность таких веществ высокая, что позволяет выполнять холодильные машины компактными и удобными в эксплуатации. Особенностью циклов данных холодильных машин является то, что подвод тепла к холодильному агенту протекает в процессе его кипения, а отвод – в основном в процессе конденсации.

Таблица 5.2

Хладагент	Химическая формула	, кг/моль	к =	tн,0С при p=1·105Па	tкр,0С при p=1·105Па
Аммиак	NH3	17,03	1,30	-33,4	-77,7
Углекислота	CO2	44,01	1,30	-78,5	-56,6
R - 12	CF2Cl2	120,92	1,14	-29,8	-155
R - 13	CF3Cl	104,47	1,15	-81,5	-180
R - 21	CHFCl2	102,92	1,16	-8,9	-135
R - 22	CHF2Cl	86,48	1,20	-40,8	-160
R - 114	C2F4Cl2	170,91	1,11	-3,5	-94

Принципиальная схема паровой компрессорной холодильной машины (ПКХМ) приведена на рис.5.29.

Рассмотрим работу ПКХМ с сухим ходом компрессора.

Сухой насыщенный пар хладагента с давлением p₁, температурой T₁, степенью сухости х=1 всасывается компрессором К и адиабатно сжимается. Степень повышения давления в компрессоре должна обеспечить превышение температуры хладагента над температурой окружающей среды или температурой охлаждающего теплоносителя. На сжатие затрачивается работа l₀.

Из компрессора перегретый пар с давлением p₂ и температурой T₂ поступает в теплообменник Т (конденсатор), в кото- Рис. 5.29

ром теплота q₁ самопроизвольно передается какому-либо теплоносителю. Процесс отвода тепла идет при постоянном давлении p₃=p₂, при этом температура уменьшается до температуры насыщения T₃=T_н, и пар полностью конденсируется, х = 0.

Из конденсатора хладагент подается в дроссельное устройство Д В дросселе давление хладагента снижается до величины p_4., что приводит к снижению его температуры фазового перехода.. Степень дросселирования устанавливается токой, чтобы Т₄ была меньше температуры охлаждаемого тела. Уже в дроссельном устройстве хладагент начинает закипать..

Далее парожидкостная смесь (влажный хладагент) поступает в испаритель И. В испарителе к хладагенту при неизменном его давлении подводится тепло от охлаждаемого тела. Температура хладагента не изменяется (происходит фазовый переход - выкипает жидкая фаза во влажном паре) до состояния, когда степень сухости пара достигнет величины х =1. Образовавшийся пар при р₁=р₄ и Т₁=Т₄ вновь засасывается компрессором. И цикл повторяется.

На рис. 5.30 изображен идеальный цикл паровой компрессорной холодильной машины в Ts-координатах. Он состоит из процессов:

1-2 – адиабатное сжатие пара в компрессоре;

2-2 – изобарное охлаждение перегретого пара в конденсаторе;

2-3 – конденсация пара при постоянных температуре и давлении;

3-4 – изоэнтальпа дросселирования;

4-1 – изотерма подвода тепла к влажно-

Рис. 5.30 му пару от охлаждаемого тела в испарителе. Давление в этом процессе не изменяется.

Холодильный коэффициент рассматриваемого цикла вычисляется по формуле:

или , (5.14)

где q₂ = i₁ - i₄; l₀ = i₂ – i_1.

Для простоты вычисления холодильного коэффициента на практике используютpi-диаграммы хладагентов. На рис.5.31 изображен цикл паровой компрессорной холодильной машины в pi -координатах.

1-2 – адиабата сжатия рабочего тела;

2-2`– изобара охлаждения перегретого пара;

2`-3 – изобара отвода тепла при конденсации;

3-4 – изоэнтальпа дросселирования;

4-1 – изобара подвода тепла

к хладагенту в испарителе.

Рис. 5.31 Преимущество изображения цикла

холодильной установки в pi-координатах состоит в том, что изменение энтальпий в процессах измеряется отрезками оси абсцисс. Холодильный коэффициент, определенный с помощью pi -диаграммы, запишется как

.

5.7.3. Цикл абсорбционной холодильной машины

Рассмотрим цикл холодильной установки, в которой задействован процесс а б с о р б ц и и (поглощение паров хладагента всем объемом жидкого растворителя с образованием бинарной смеси). Перепад давления для циркуляции хладагента создается в результате процессов абсорбции и выпаривания в дополнительном контуре, а понижение температуры рабочего тела происходит в процессе дросселирования.

Наибольшее применение получили водоаммиачные холодильные машины, в которых аммиак является хладагентом, имеющим более низкую температуру кипения, а вода – абсорбентом. Схема абсорбционной водоаммиачной холодильной машины приведена на рис.5.32. Из испарителя И аммиак с температурой T₁ и давлением p₁ поступает в абсорбер А. Вода, используемая. в качестве абсорбента, поглощает аммиак с выделением теплоты. Чтобы не уменьшалась поглотительная способность раствора, теплота абсорбции q₃ отводится из абсорбера каким-либо теплоносителем. Полученный крепкий водоаммиачный раствор перекачивается насосом Н в парогенератор П, где в процессе подвода теплоты q₀ происходит выпаривание из раствора аммиака. В парогенераторе давлении p₂ создается таким, чтобы температура аммиачного пара превышала температуру теплоносителя, охлаждающего конденсатор К. Рис. 5.32

Процесс охлаждения и конденсации хладагента протекает при постоянном давлении. В дросселе Д₁, вследствие уменьшения давления, аммиак начинает кипеть, его температура снижается. В испарителе за счет подвода тепла q₂ от охлаждаемого тела продолжается фазовый переход хладагента из жидкого состояния в газообразное. Далее цикл повторяется. В контуре циркуляции абсорбента установлен дроссель Д₂ для понижения давления воды до p₁.

Цикл абсорбционной водоаммиачной холодильной машины представлен на рис. 5.33. Процессы, происходящие с аммиаком в абсорбере и в парогенераторе, допустимо заменить условным процессом 1-2, близким к изохоре. В этом процессе повышаются давление, температура и растет энтропия. При таком допущении цикл состоит из процессов:

1-2 – изохора повышения температуры и давления;

2-2`- изобара отвода тепла в конденсаторе до температуры конденсации аммиака;

2-3 – изотерма конденсации хладагента;

3-4 – изоэнтальпа дросселирования;

4-1 – изотерма кипения аммиака.

Холодильная мощность водоаммиачной холодильной машины N_x определяется как

N_x= q₂ · _x , (5.15)

где q ₂ – тепловая нагрузка испарителя;

_x – массовый расход аммиака.

Тепловая нагрузка q₂ входит в уравнение теплового баланса абсорбционной машины

q₁ +q₃ = q₂ + q_o + l_н,

Рис. 5 33 где l_н – удельная работа, затраченная на привод водяного насоса. Величина l_y, незначительна, и ею в расчетах обычно пренебрегают.

Степень экономичности работы абсорбционной холодильной машины характеризуется к о э ф ф и ц и е н т о м и с п о л ь з о в а н и я т е п л о-

т ы , равным отношению тепловой нагрузки испарителяq ₂ к подведенной теплоте в парогенераторе q₀:

. (5.16)

В работах [1, 8, 9] рассмотрен анализ циклов воздушно-компрессорных, пароэжекторных, термоэлектрических, холодильных машин и установок с вихревой трубой.

5.8. Цикл теплового насоса

В процессе работы холодильной установки происходит трансформация теплоты от низкотемпературных тел к высокотемпературным. Это позволяет использовать холодильный цикл в целях отопления. Холодильные установки, используемые для нагревания объектов, именуют т е п л о в ы м и н а с о а м и или т р а н с ф о р м а т о р а м и т е п л а.

Тепловым насосом называют установку, при помощи которой осуществляется перенос энергии в форме тепла от более низкого к более высокому температурному уровню, необходимому для теплоснабжения..

Для осуществления теплонаносного процесса необходима затрата внешней энергии. От вида используемой энергии тепловые насосы классифицируются на компрессорные, абсорбционные, струйные, термоэлектрические и др. Источником теплоты низкой температуры для теплового насоса служит окружающая среда, например, вода рек, озер и других водоемов, а в качестве рабочего тела обычно используются фреоны.

На рис. 5.34 приведена схема теплового насоса. В испаритель И парожидкостная смесь поступает при низкой температуре. В процессе подвода от внешней среды теплоты q₂ фреон полностью испаряется и поступает в компрессор К. Сжатие газа в компрессоре должно осуществляется до температуры, превышающей температуру нагреваемого объекта. В рекуператорер – конденсаторе РК энергия в форме тепла q₁ отводится низкотемпературным теплоносителем к тепловым приборам ТП в помещение. Сконденсированный фреон поступает в дроссель, где его давление и температура понижаются. Далее цикл повторяется. Потребитель теплоты получает, таким образом, кроме “даровой” теплоты q₂, перенесенной от окружающей среды, также теплоту, эквивалентную затраченной работе l₀ .

В координатах Ts цикл теплового насоса изображается подобно циклу ПКХМ (рис.5.30).

Экономичность цикла теплового насоса характеризуется к о э ф ф и ц и- Рис. 5.34

е н т о м п р е о б р а з о в а н и я теплоты или к о э ф ф и ц и е н о м

т р а н с ф о р м а ц и и,

. (5.17)

При коэффициенте преобразования теплоты = 3...4 потребитель получит теплоты в три–четыре раза больше, чем при обычном электронагреве. Экономичность теплонаносной установки снижается с ростом отношения Т_в /Т_н (Т_в , Т _н – верхний и нижний температурные уровни, К) см. [12].

Тепловые насосы наиболее целесообразно использовать для обеспечения постоянной тепловой нагрузки при наличии источника, способного сохранять