Принципиальная схема одноступенчатой парокомпрессионной холодильной машины

В настоящее время в системах кондиционирования воздуха в пассажирских вагонах широкое распространение получили так называемые парокомпрессионные холодильные машины [10-13]. Особенностью этих машин является то, что все рабочие процессы: сжатие рабочего тела, его конденсацию, расширение и кипение происходят при температурах ниже критической.

Для понижения температуры воздуха в помещениях изотермических и пассажирских вагонов ниже температуры окружающей среды используются машинные системы охлаждения, работа которых базируется на использовании двух законов термодинамики.

Важной характеристикой термодинамической системы является ее внутренняя энергия (U), которая представляет собой энергию теплового движения молекул и атомов системы. Внутренняя энергия может изменяться в результате совершения над системой работы или за счет сообщения ей тепла. В общем случае тепло Q подведенное к изолированной системе расходуется на увеличение ее внутренней энергии DU и на совершение механической работы L:

Q= DU +L. (4.1)

Согласно первому закону термодинамики (закон сохранения энергии) разные формы энергии эквивалентно переходят из одного вида в другой. Известно, что энергия теплового движения молекул может превращаться в механическую работу в количестве равному механическому эквиваленту тепла:

1 ккал=427 кгс·м =4,1868 кДж.

В соответствие со вторым законом термодинамики, теплота может производить работу только в том случае, если температурный уровень используемой теплоты выше температуры окружающей среды. Следовательно, теплота с низкого температурного уровня может быть перенесена на более высокий температурный уровень только при совершении работы.

В процессе работы холодильной машины (принципиальную схему см. рисунок 36), от термостата с более низкой температурой Т₀ отбирается количество тепла равное q₀ и передается термостату с более высокой температурой Т1 в количестве q_k.

Количество тепла отводимого в круговом процессе холодильной машины, определяется по формуле:

q_K=q_o+L, (4.2)

где q_о — количество тепла, отведенное от охлаждаемого тела;

L — затраченная работа в цикле.

Парокомпрессионная холодильная машина (см. рисунок 37) состоит из компрессора 1, конденсатора 2, регулирующего вентиля 3 и испарителя 4, соединенные между собой трубопроводами а, б, в, д.

Рисунок 36. Принципиальная схема действия холодильной машины

В парокомпрессионной холодильной машине циркулирует одно и то же количество хладагента, который изменяет только свое агрегатное состояние (при кипении и конденсации) и не сопровождается расходом хладагента.

1– компрессор, 2 – конденсатор, 3 – регулирующий вентиль, 4 –испаритель,

а, б, в, д – соединительные трубопроводы

Рисунок. 37. Схема холодильной машины

Последовательность работы парокомпрессионной холодильной машины происходит следующим образом: хладагент после сжатия в компрессоре 1 поступает в конденсатор 2, в котором отводится теплота сжатия, в результате чего пары хладагента конденсируются при давлении нагнетании (Р_К) и температуре конденсации (Т_К). Далее жидкий хладагент направляется в дроссельный вентиль 3, в котором давление хладагента снижается до давления всасывания (Р_ВС), что сопровождается понижением его температуры. Охлажденный хладагент поступает в испаритель 4, где за счет подвода тепла от охлаждаемого объекта хладагент кипит, а образовавшие пары поступают на всасывание в компрессор. Далее цикл повторяется.

Таким образом, парокомпрессионная холодильная машина для получения холода должна иметь следующие аппараты: компрессор, конденсатор, дроссельный вентиль и испаритель.

Компрессор предназначен для сжатия паров хладагента, и организации его циркуляции между конденсатором и испарителем.

Конденсатор служит для отвода теплоты сжатия, и конденсации паров хладагента.

Испаритель предназначен для отвода тепла от охлаждаемого объекта за счет кипения хладагента при заданной температуре охлаждения.

Регулирующий вентиль необходим для понижения давления паров рабочего тела (дросселирования), в результате чего происходит понижение температуры, сопровождающее его сжижением.