3 . Схемы, циклы и расчет циклов одноступенчатых холодильных машин.

Схемы и циклы одноступенчатых паровых компрессионных холодильных машин.

Схема и цикл с расширением и сжатием в области влажного пара.

А Б В

Рисунок 5.1.Схема и цикл одноступенчатой холодильной машины с сжатием и расширением в области влажного пара.(цикл Карно)

Цикл осуществляется в ХМ, состоящей из КМ, КД, Д и И (см.рисунок 5.1.). Влажный пар х.а. т.1 выходит из И и поступает на всасывание в КМ. В КМ влажный пар адиабатически сжимается при S=const в процессе 1 – 2 от Р_о до Р_к. Причем точка 2, характеризующая состояние х.а. в конце сжатия, лежит на правой пограничной кривой. Для осуществления процесса сжатия затрачивается l_сж. После КМ сжатый насыщенный пар направляется в КД, где конденсируется Т_к =const и Р_к =const в процессе 2 – 3 за счет теплообмена с внешней охлаждающей средой (водой или воздухом). При этом от х.а. отводится теплота конденсации q_к. В процессе конденсации образуется насыщенная жидкость, которая затем поступает в Д. В Д х.а. адиабатически расширяется в процессе 3 - 4 от Р_к до Р_о при S=const с совершением полезной работы расширения l_р. После Д х.а. направляется в И, где жидкость кипит (испаряется) при Т_О =const и Р_о =const в процессе 4 - 1, отнимая теплоту q_о от охлаждаемой среды. Образовавшийся при кипении влажный пар всасывается КМ и цикл повторяется вновь.

Удельная хол-ность цикла или количество теплоты, подведенной к 1 кг х.а. в И q_о в S - T-диаграмме: q_o = Пл.14аб1 = h₁ – h₄.

Удельная теплота конденсации q_к в S - T- диаграмме:

q_к= Пл.23аб2 = h₂ – h₃.

Удельная работа цикла l_ц находится из теплового баланса холодильной машины:

q_к = l_ц + q_о

Отсюда получем:

l_ц = q_к – q_о= Пл.23аб2 – Пл.14аб1 = Пл.12341.

Таким образом, удельная работа цикла равна разности теплоты, подведенной в КД и теплоты, отведенной в И и в S - T- диаграмме эквивалентна площади самого цикла 12341.

С другой стороны с учетом энтальпий холодильного агента

l_ц = q_к – q_о = (h₂ – h₃) – (h₁ – h₄= (h₂ – h₁) – (h₃ – h₄) = l_сж - l_р,),

где l_сж = (h2 – h1) – удельная работа сжатия, т.е. работа, затраченная на сжатие 1 кг пара х.а. в процессе 1-2, Дж/кг; l_р = (h3 – h4) – удельная работа расширения, т.е. полезная работа, полученная в детандере одним кг х.а. в процессе 3-4, Дж/кг.

Термодинамическая эффективность цикла находится как отношение удельной холодопроизводительности к затраченной работе цикла:

.

Данный цикл можно рассматривать как теоретический цикл Карно при условии, что температура конденсации T_к =T_ос, а температура кипения холодильного агента в И будет равна температуре охлаждаемой среды (источника низкой температуры) Т_инт. При этом все процессы цикла будут обратимыми, а работа цикла будет минимальной l_min.

Термодинамическая эффективность цикла Карно оценивается теоретическим холодильным коэффициентом. который является самым высоким из всех обратных термодинамических циклов при одинаковой разнице температур (Т_ос – Т_инт).

Схема и цикл с дросселированием и сжатием влажного пара.

В действительных промышленных холодильных установках цикл с расширением в Д практически не применяется. Вместо Д в реальных холодильных машинах используется дроссельное устройство т.к. Д представляет собой сложный дорогостоящий механизм по конструкции напоминающий КМ с обратным принципом действия. На преодоление сил трения в нем расходуется часть полученной полезной работы при расширении холодильного агента. В связи с этим действительная полученная работа расширения оказывается пренебрежимо малой по сравнению с затраченной работой сжатия. Она является существенной только в очень крупных холодильных установках.

Рис 5.2 Схема и цикл с дросселированием и сжатием влажного пара

Кроме того из-за сложности конструкции Д является ненадежным, требующим постоянного обслуживания. И наоборот в качестве дроссельных устройств используются очень простые и дешевые приспособления (вентиль, шайба, капилярная трубка и др.). Они значительно надежней в работе и практически не требуют специального обслуживания. Однако замена Д дроссельным устройством приводит к двум видам необратимых потерь цикла (см. рисунок 5.3).

Рис.5.3.Схема и цикл одноступенчатой холодильной машины с сжатием в области влажного пара и дросселированием.

Во-первых заметно уменьшается удельная хол-ность цикла q_о, т.к. процесс дросселирования сопровождается необратимыми потерями и протекает при постоянной энтропии (процесс 3-4) в отличие от адиабатического процесса расширения 3-4, т.е.

q_о2 = (h₁ – h_4)  q_о1 = (h₁ – h₄)

Во вторых теряется полезная работа расширения, получаемая в Д

l_р = h₃ – h_4 = 0,

тогда работа такого цикла будет равна:

l_ц2 = l_c = h₂ – h₁ < l_ц1.

Холодильный коэффициент цикла с дросселированием намного меньше, чем цикла с расширением в детандере

Схема и цикл с перегревом пара и переохлаждением жидкого холодильного агента перед дросселированием.

Для увеличения хол-ности действительных холодильных машин поддерживается режим, при котором в И выкипает весь жидкий х.а. Для гарантированного исключения попадания жидкости в КМ всегда пар х.а. перед всасыванием перегревается. В холодильных установках предприятий массового питания для сжатия пара как правило применяются поршневые КМ. Попадание даже небольшого количества жидкости в полость цилиндров может вызвать гидравлический удар и аварию всей ХМ, так как жидкость практически не сжимаема. Поэтому «сухой ход» – это обязательное условие работы КМ ХМ. Кроме того с целью снижения необратимых потерь при дросселировании в реальных ХМ жидкий х.а. перед дроссельным устройством охлаждается. Это повышает удельную хол-ность цикла и холодильной установки в целом. Перегрев пара перед всасыванием в КМ осуществляется или во всасывающем трубопроводе, или в самом И, или в специальном аппарате – РТ. Охлажение жидкого х.а. перед дросселированием может происходить или в специальном переохладителе, или КД, или также в РТ. В малых хладоновых ХМ торговли и общественного питания как правило используется РТ. Схема и цикл холодильной машины с РТ показаны на рисунке 5.4.

Рисунок 5.4 – Схема и цикл холодильной машины с регенеративным теплообменником.

После И насыщенный пар х.а. состояния т.1′ направляется в РТ, где перегревается в процессе 1′ - 1″ за счет теплообмена с теплым жидким х.а., идущим из КД. Перегретый пар всасывается КМ, в котором адиабатически сжимается в процессе 1″ - 2″ от Р_о до Р_к. При этом его температура повышается. Сжатый горячий пар подается в КД. где сначала охлаждается до температуры насыщения, а затем конденсируется в общем процессе 2″ - 3′. Образовавшаяся в процессе конденсации жидкость поступает в РТ, в котором охлаждается в процессе 3′ - 3″ за счет теплообмена с холодным паром, выходящим из И. Охлажденный жидкий хладагент дросселируется в процессе 3″ - 4″ от Р_к до Р_о. После дросселирования х.а. поступает в И, где жидкость кипит в процессе 4″ - 1′, отводя теплоту от охлаждаемой среды. Пар, образовавшийся при кипении, перегревается в РТ, всасывается КМ и цикл повторяется вновь.

Удельная холодопроизводительность цикла:

q_о3 = h_1′ - h_4″.

Удельная работа циклаl_ц3 = h_2″ - h_1″.

Массовый расход холодильного агента

где - Q_о – полная тепловая нагрузка испарителя (полная хол-ность ХМ).

Объемный расход хладагента V_а = G_а∙х∙ν_вс,

где ν_вс – удельный объем всасываемого пара холодильного агента, м³/кг.

Теоретическая потребляемая мощность компрессором

N_т = l_ц3∙G_а.

Холодильный коэффициент цикла

Степень перегрева пара перед всасыванием в КМ и охлаждения жидкости перед дросселированием зависит от вида рабочего вещества и конкретных условий работы ХМ. Так например для аммиачных машин при среднетемпературном режиме перегрев принимается Δt_вс = (5 – 10)С, для хладоновых Δt_вс = (10 – 30)С. В аммиачных ХМ РТ не применяется из-за его низкой эффективности. Поэтому в таких машинах имеет место незначительное охлаждение жидкости перед дросселированием Δt_охл = (3 –5)С. В хладоновых особенно малых машинах РТ обязателен не только для охлаждения, но и для возврата в КМ масла высокой концентрации (выпаривания жидкого х.а. из маслохладонового раствора). В этом случае состояние жидкого х.а. перед дросселированием определяется из теплового баланса регенеративного теплообменника, который имеет вид:

q_под = q_отв,

где q_под – количество подведенной теплоты от теплого жидкого х.а., Дж/кг;

q_под = h_3' - h_3",

где q_отв – количество отведенной теплоты от холодного пара после И, Дж/кг;

q_отв = h_1" – h_1'.

h_3' – h_3'' = h_1'' – h_1'

Отсюда находится энтальпия жидкого х.а. после РТ h_3":

h_3" = h_3' – (h_1" – h_1').