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.
В холодильных 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 температурой TХ передается в окружающую среду, имеющую температуру ТГ, 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< Tx. 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`рm > TГ. 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 e:
(5.13)
Его величина показывает, какое количество теплоты отводится от охлаждаемого тела при затрате единицы работы. В отличие от коэффициента полезного действия тепловых двигателей, e 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 Ки 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=Tн, и пар полностью конденсируется, х = 0.
Из конденсатора хладагент подается в дроссельное устройство Д В дросселе давление хладагента снижается до величины p4., 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 – i1.
Для простоты вычисления холодильного коэффициента на практике используют pi-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 Nx определяется как
Nx= 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 + qo + lн,
Рис. 5 33 где lн – удельная работа, затраченная на привод водяного насоса. Величина ly, 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 испарителя q 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 Тв /Тн (Тв , 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
Дата добавления: 2015-02-16; просмотров: 2116;