Классификация обратных круговых процессов.

Главным при классификации является соотношение диапазона температуры в цикле T_н и T_в к уровню температуры окружающей среды (см. рис. 4).

Рис. 4.

Назначение холодильных установок (ХУ) и криогенных установок (КУ):

1) Рефрижераторы: охлаждение внешних объектов до T_пн < T_ОС .

2) Ожижители: для перевода внешних объектов в жидкое или твердое состояние при T_пн < T_ОС .

3) Разделительные установки: для разделения газовых смесей при T_пн < 120º К .

По агрегатному состоянию рабочего тела установки разделяют на 1) газовые; 2) газожидкостные; 3) парожидкостные; 4) твердотельные.

Понижение температуры рабочего тела осуществляется двумя путями за счет внутреннего охлаждения при расширении. Либо 1) необратимого дросселирования (без выполнения работы); либо 2) детандирование (адиабатный процесс с выполнением работы). Детандер – машина, предназначенная для понижения температуры РТ при его расширении с отдачей внешней работы.

В химической технологии ХУ используются при проведении сушки, кристаллизации, адсорбции, абсорбции, кондиционирования воздуха, экзотермических реакций (их торможение).

Характеристики холодильных и криогенных установок.

Основной характеристикой любой установки является ее производительность. Производительность (холодопроизводительность) рефрижераторов:

Q₀ = m_XAq_пн , [Q₀] = Вт .

Количество тепловой энергии которое отводится от объекта на единицу массы хладагента, называется удельной массовой холодопроизводительностью (q_пн [Дж/кг]). m_XA – массовый расход циркулирующего ХА [кг/с] . Стандартная холодопроизводительность определяется при t_пн = –15º С при t_пв = 30º С .

Для оценки установки, особенно многоцелевой, целесообразно свести все разнообразные показатели к одному обобщенному показателю. Для этого используется единый для всех случаев показатель – эксергетическая производительность. Применительно в ХУ и КУ она называется эксергетической хладопроизводительностью. Для рефрижераторов:

Удельная холодопроизводительность рефрижераторов является практически реальным холодильным коэффициентом

 = Q₀/N , n_уд = 1/ , _E = E_Qo/N = Q₀_e/N = _e ,

учитывающим потребляемую мощность N ,

N = m_XAl_цд ,

где l_цд – действительная работа цикла, n_уд – удельный расход мощности на единицу продукта, _E – эксергетический КПД. Для ожижителей и разделительных установок эта величина определяется так:

n_уд = N/m_Ж ,

где m_Ж – массовый расход жидкости.

Величины  и n_уд в отличие от _E не отражают непосредственно эффективность установки, поскольку на разных температурных уровнях T_пн энергетическая ценность одной и той же холодопроизводительности Q₀ различна.

Парокомпрессионные холодильные машины.

Холодильной машиной называется машина, осуществляющая перенос теплоты с низкого температурного уровня на более высокий. Холодильная машина, в которой холодильный цикл осуществляется при помощи механического компрессора называется компрессионной холодильной машиной. В паровой компрессионной машине холодильный агент изменяет свое агрегатное состояние.

Цикл идеальной машины.

Рис. 5.

Цикл идеальной машины проходит как обратный цикл Карно. Хотя обратимый цикл Карно имеет максимальный холодильный коэффициент при заданных T_пв и T_пн , он не применяется в промышленности из-за следующих основных недостатков:

1) Процесс 1–2 сжатие влажного пара – приводит к быстрому износу компрессора.

2) Процесс 3–4 расширение в области влажного пара – не отдает значимой работы, но требует для своего осуществления сложной машины.

Схема установки представлена на рис. 6.

Рис. 6.

КМ – компрессор, К – конденсатор. Участок 2–3 установки изотермический T_пв = const и изобарический P_пв = const . ДТ – детандер, И – испаритель. Процесс на участке 4–1 установки также изотермический T_пн = const и изобарический P_пн = const .

Циклы действительной машины.

Они отличаются от идеальных: 1). Сложный по конструкции детандер заменяется простым устройством – дроссельным регулирующим вентилем (дросселем). Протекание процесса в нем необратимое. 2). Добавляется дополнительный теплообменник (переохладитель конденсата). 3) Сжатие ХА компрессором происходит не в области влажного пара, а в области перегретого пара. При этом компрессор засасывает сухие насыщенные, или даже несколько перегретые пары. Работа сжатия теоретически увеличивается, однако практически производительность компрессора существенно выше при сухом ходе для всех ХА. 4) После конденсации паров ХА этот конденсат обычно переохлаждается на (5…10)К по сравнению с температурой конденсации, что несколько увеличивает холодопроизводительность.

Рис. 7.

1–2 – адиабатное сжатие ХА в компрессоре КМ; P_пн^пв , Т₁², h = l^p 

l_КМ = l^p = h₁  h₂ (1)

 техническая работа. Реальный процесс обычно проходит по политропе (s₂ > s₁). Формула для работы в этом случае приведена в методичке.

2–3 – охлаждение перегретого пара ХА до состояния насыщения и его конденсация 3–4 . P_пв = const , Т²₃ = Т₄ = Т_пв = const. q_пв = h₄  h₂ .

4–5 – переохлаждение конденсата при том же давлении P_пв , q_ОХЛ = h₅  h₄ .

5–6 – процесс дросселирования: h₅ = h₆ , s₆ > s₅ , P^пв_пн , Т⁵₆ = Т_пн .

6–7 – испарение ХА при P_пн = const , Т_пн = const . Теплота перегрева паров ХА, процесс 7–1 включается в общий расчет: q_пн = h₁  h₆ . Это отвод теплоты от ХН.

Температура Т_ХН ХН, отдающего теплоту q_пн должна быть выше Т_пн . Рекомендуемая средняя разность температур в испарителе Т_И = Т_ХН  Т_пн = 5 . Холодильный коэффициент действительного цикла:

 = q_пн/l_Ц = (h₁  h₆)/(h₁  h₂) .

Если вместо дроссельного вентиля использовать детандер, то процесс протекал бы по линии 5–5^ (обратимая адиабата). Это привело бы к увеличению холодопроизводительности на величину, измеряемую площадью прямоугольника s₅–5^–6–s₆ . Потеря холодопроизводительности напрямую связана с необратимым переходом работоспособной энергией ХА в тепловую при дросселировании.

Расход ХА в цикле m_ХА (кг/с) , находится по заданной холодопроизводительности Q₀ :

m_ХА = Q₀/q_пн .

По значению Q₀ рассчитывается испаритель. По значению величины

Q_пв = q_ОХЛm_ХА

рассчитывается конденсатор. При наличии переохладителя:

Q_ОХЛ = q_ОХЛm_ХА .

Удельную работу цикла можно рассчитать по диаграмме h–s при s = const как работу идеального адиабатного процесса [см. (1)].

l_Ц = l_КМ = l^p_АД = h₁  h_2АД .

Далее следует учесть отличие реального процесса общим КПД _КМ компрессора и рассчитать мощность на валу приводного двигателя компрессора по ранее приведенным формулам.