Нагреваниесухогонасыщенногопараприпостоянномдавлении приводит к повышению его температуры и переходу в состояние перегретого пара. Перегретый пар имеет температуру более высокую, чем насыщенный пар того же давления. Плотность перегретого пара ниже плотности насыщенного пара при одинаковых значениях давления и температуры.

1.5. Обратный цикл Карно

В соответствии со вторым законом термодинамики непрерывное искусственное охлаждение не может происходить без затраты энергии. Совокупностьпроцессов, которыеприэтомосуществляетрабочее тело, называется обратным круговым процессом или обратным термодинамическим циклом. В прямом круговом процессе, или прямом термодинамическом цикле, тепло переносится от горячего тела к холодному (окружающей среде); при этом совершается работа. В обратном цикле тепло переносится от холодного тела к нагретому (окружающейсреде); приэтомзатрачиваетсяработа. Обратныйцикл, вкоторомтеплоотохлаждаемойсредыпередаетсяокружающейсреде (воде или воздуху), называется холодильным циклом.

Рассмотримнаиболеесовершенныйвтермодинамическомотношении обратный цикл Карно, осуществляемый с минимальной затратой работы.

Нарис. 1.6 изображенциклКарновдиаграммеТ–S. Онсостоитиз двухизотермическихидвухадиабатических процессов. В изо- термическомпроцессе4—1 кра-

бочемутелуподводитсятеплоq0, отнимаемое от источника тепла низкойтемпературыТ0. Этотеп- ловыражаетсяплощадью4—1— а—b. В адиабатическом процессе 1—2 рабочее тело сжимается компрессором от начального давленияР0 доконечногодавления Рк, при этом его температура повышается от Т0 до температуры окружающей среды или

25

источникавысокойтемпературы Тк. Насжатиезатрачиваетсяработа lсж. В изотермическом процессе 2—3 рабочее тело отдает источнику высокойтемпературыТктеплоqк, котороевыражаетсяплощадью2— 3—b—а. Чтобырабочеетелосновамоглоотниматьтеплоотисточника низкой температуры, оно адиабатически расширяется в детандере (процесс 3—4) от давления Рк до Р0, при этом его температура понижается от Тк до Т0. В процессе адиабатического расширения рабочее тело совершает работу lрасш. Таким образом, в результате осуществления обратного цикла тепло q0 отводится от источника низкой температурыТ0 ипередаетсяисточникувысокойтемпературыТк. Чтобы такой перенос тепла был возможен, затрачивается работа цикла lц, равная разности работы, затраченной в компрессоре и полученной в детандере:

В соответствии со вторым законом термодинамики тепловой баланс холодильной машины выражается равенством:

q0 + lц =qк .

Следовательно, величина lц может быть выражена площадью 1— 2—3—4, равнойразностимеждуплощадями2—3—b—аи4—1 —а—b.

Эффективность холодильного цикла оценивается холодильным коэффициентом ε. Холодильным коэффициентом называется отношение количества тепла, отведенного от охлаждаемого источника, к затраченной работе:

Из равенства (1.6)

lц =qк– q0.

Следовательно,

26

Выражение (1.7) показывает, что холодильный коэффициент цикла Карнонезависитотфизическихсвойстврабочеготела, аявляетсялишь функциейтемпературТ0 иТк. Холодильныйкоэффициенттембольше, чем выше температура источника низкой температуры Т0 и чем ниже температура источника высокой температуры Тк. В действительных условиях работы источником низкой температуры является охлаждаемоетело: воздух, вода, рассол, продукт, грунтит.д., источником высокойтемпературы— охлаждающаясреда: водаиливоздух.

Согласно выражению (1.6), чем больше холодильный коэффициент, тем меньше работа, затрачиваемая на получение единицы холода, т.е. вышеэкономичностьработыхолодильноймашины. Исходя из этого необходимо при проектировании холодильной установки стремиться к возможно наиболее высокой температуре Т0 и к более низкой температуре Тк.

Обратный цикл Карно характеризует минимальную величину работы, необходимую для осуществления холодильного цикла в заданноминтервалетемпературохлаждаемойиохлаждающейсред.

Рабочеетело, спомощьюкоторогоосуществляетсяхолодильный цикл, называется холодильным агентом.

Тепло, подведенноекхолодильномуагентуотисточниканизкойтемпературызаодинчас, называетсяхолодопроизводительностьюQ0 Вт.

Холодопроизводительность 1 кг холодильного агента или количество тепла, необходимого для испарения 1 кг холодильного аген-

та, называется весовой холодопроизводительностью — q0 кдж/кг.

Холодопроизводительность 1 м3 парообразного холодильного агентаиликоличествотепла, котороеотнимаетхолодильныйагент дляполучения1 м3 пара, называетсяобъемнойхолодопроизводитель-

ностью qν кдж/м3.

Объемнаяхолодопроизводительностьопределяетсякакотношениевесовойхолодопроизводительностиq0 кудельномуобъемувсасываемых паров ν в м3/кг:

Весовая и объемная холодопроизводительность зависят от условий работы машины: чем ниже t0 и выше tк, тем меньше q0 и qν.

Эта величина определяет часовой объем компрессора, т.е. конструкционные характеристики холодильной машины.

27

Термодинамические диаграммы. Для определения параметров при расчетах циклов холодильных машин применяют таблицы параметров хладагентов, а также тепловые диаграммы.

Наиболее распространенными являются диаграммы: энтропиятемпература (S—Т) и энтальпия-давление (lgp- i) (рис. 1.7).

Диаграмма Т—S. В диаграмме Т—S по оси абсцисс откладываютэнтропию S ипроводят вертикальные линии постоянных энтропии — адиабаты, по оси ординат откладывают абсолютную температуру Т и проводят горизонтальные линии постоянных температур — изотермы. По полученной сетке из адиабат и изотерм наносятпограничныекривые: леваякриваяхарактеризуетсостояниенасыщенной жидкости (паросодержание х = 0), правая кривая — состояние сухого насыщенного пара (х = 1). Между обеими пограничными кривыми расположена область влажного пара 2.

Левая пограничная кривая отделяет от области влажного пара область переохлажденной жидкости 1, а правая — область перегретого пара 3. На диаграмме нанесены линии постоянных паросодержаний х, линии постоянных давлений р — изобары, линии постоянных объемов v — изохоры, линии постоянных энтальпий i — изоэнтальпы. Изобара в области влажного пара совпадает с изотермой, а в области перегретого пара круто поднимается вверх. Характер линий постоянных х, v, i виден на рис. 1.7.

В диаграмме Т—S подведенная и отведенная теплота, затраченная и полученнаяработаизображаютсяплощадями.Нарис.1.8,а дляпримера

Рис. 1.7. Тепловые диаграммы: a—S — T; б—i—lgp

28

показана теплота, подведенная к телу в изотермическом процессе 1—2, эквивалентнаяплощади1—2—а—b,теплота,отведеннаявизобарномпро- цессе3—4, эквивалентнаяплощади3—4—d—с.

Тепловой расчет одноступенчатой паровой холодильной машины.

Притепловомрасчетехолодильноймашиныопределяют:

—объем, описываемый поршнем компрессора, м3/ч. Повеличине этого объема подбирают компрессор;

—тепловую нагрузку на конденсатор, Вт, по величине которой определяют его поверхность;

—эффективную мощность Nэ, кВт, на валу компрессора;

—тепловуюнагрузкунапереохладительилитеплообменник, по величине которой определяют их поверхности.

Основаниемдлярасчетаслужитзаданнаяхолодопроизводитель-

ность машины Q0 брутто(Вт) с указанием хладагента, температурных условий работы и намечаемых компрессоров и аппаратов.

С помощью диаграммы S—T и i—lgP и таблиц насыщенных паров (табл. 1.2. и 1.3) соответствующих хладагентов определяют параметры узловых точек цикла холодильной машины.

Рис. 1.8. Изображение количества теплоты в диаграммах: S—T (а); i—lgP (б)

29

Таблица1.2

30

31

Пример. Произвести тепловой расчет фреоновых холодильных машин с вертикальными компрессорами холодопроизводительностью 100000 Вт при условиях работы и параметрах узловых точек цикла холодильной машины, приведенных в таблице.

Подиаграммеi-lgрнаходимэнтальпиивсехточек(рис1.8, в) для хладона R12 и фреона R22 (табл…). Удельные объемы пара находим по диаграммам в точке 1′. Формулы, по которым выполнен расчет, и результаты расчета указаны в таблице.

32