Цикл паровой компрессорной холодильной установки

Основные понятия о работе холодильных установок

В соответствии со вторым законом термодинамики (см. гл. VIII) отмечалось, что при обратном цикле Карно можно, затрачивая меха­ническую работу, отнять некоторое количество теплоты от источ­ника с низкой температурой и перенести ее к источнику с более высо­кой температурой. Машины, непрерывно поддерживающие темпера­туры тел ниже температуры окружающей среды, называют холо­дильными.

Искусственное охлаждение помещений и различных тел находит широкое применение в народном хозяйстве (при строительстве под­земных железных дорог, в угольной, горной, рудной, химической и газовой промышленностях, на машиностроительных заводах, где производится термическая обработка деталей машин при низких температурах). Холод имеет огромное значение для сохранения пищевых продуктов. Для получения холода используются различ­ные установки, в которых применяют в качестве рабочего тела газо­образные тела.

Холодильные установки можно разделить на две группы. К пер­вой группе относятся газовые или воздушные установки, в которых впервые было осуществлено промышленное получение холода. Ввиду малого холодильного эффекта и больших размеров отдель­ных аппаратов такие установки не получили широкого распростра­нения.

Ко второй группе относятся компрессорные паровые установки. Рабочим телом (холодильным агентом) в них являются пары раз­личных веществ: аммиака (NH₃), углекислоты (СО₂), сернистого (ангидрида (SO₂), фреонов (фторохлорпроизводные углеводородов, характерным представителем которых является фреон-12 CF₂CI₂) и др. Паровые холодильные установки, обладающие большой надеж­ностью действия, получили в промышленности самое широкое рас­пространение. Кроме газовых и паровых, существуют холодильные установки, основанные на других принципах: пароэжекторные и абсорбцион­ные. В них для производства холода затрачивается не механическая работа, а теплота какого-либо рабочего тела с высокой температурой.

В пароэжекторной холодильной машине для сжатия холодиль­ного агента используется кинетическая энергия струи рабочего пара произвольного вещества. Такая холодильная установка отличается невысоким термодинамическим совершенством и в промышленности применяется редко. Более широкое распространение получили аб­сорбционные холодильные установки. В них для получения холо­дильного эффекта используется (как и в па-роэжекторных) энергия в виде теплоты.

Холодильная установка, в отличие от теплового двигателя, работает по обратно­му, или холодильному, циклу, наиболее со­вершенным типом которого является об­ратимый обратный цикл Карно (рис. 21-1). В процессе 1-4 к холодильному агенту подводится теплота q₂, отнимаемая от ох­лаждаемых тел; она изображается пл. 51465. В процессе 2-3 от холодильного агента от­водится теплота q₁ изображаемая пл. 52365. Эта теплота передается верхнему источнику теплоты при температуре, рав­ной постоянной температуре в процессе 3-2. Пл. 12341 эквива­лентна затрачиваемой механической работе.

Показателем совершенства обратного цикла является холодиль­ный коэффициент

.

Чем больше отнимается теплоты q₂ и чем меньше при этом затра­чивается механической работы или чем больше в, тем совершенней будет холодильный цикл. Холодильный коэффициент произвольного обратного цикла имеет по сравнению с холодильным коэффициентом обратного цикла Карно меньшее числовое значение.

Цикл паровой компрессорной холодильной установки

Наибольшее распространение для охлаждения тел до темпера­туры — 20° С получили холодильные установки, в которых холо­дильным агентом являются легкокипящие жидкости — аммиак, фреоны, сернистый ангидрид и другие при невысоких давлениях (желательно близких к атмосферному).

Схема холодильной компрессорной установки, работающей на парах аммиака (NH₃), представлена на рис. 21-8. В компрессоре сжи­мается аммиачный сухой насыщенный пар или влажный пар с боль­шой степенью сухости по адиабате 1-2 до состояния перегретого пара в точке 1 (рис. 21-9). Из компрессора пар нагнетается в кон­денсатор, где полностью превращается в жидкость (процесс 1-5-4). Из конденсатора жидкий аммиак проходит через дроссельный вен­тиль, в котором дросселируется, что сопровождается понижением температуры и давления. Затем жидкий аммиак с низкой температу­рой поступает в охладитель, где, получая теплоту (в процессе 3-2), испаряется и охлаждает рассол, который циркулирует в охлаждае­мых камерах. Процесс дросселирования, как необратимый процесс, изображается на диаграмме условной кривой 4-3.

В паровой компрессорной установке не применяется расшири­тельный цилиндр (детандер), а рабочее тело дросселируется в регу­лировочном вентиле. Замена расширительного цилиндра дросселем сопровождается возрастанием энтропии, что вызывает некоторую потерю холодопроизводительности, по эта замена значительно упро­щает установку и дает возможность легко регулировать давление пара и получать необходимую температуру в охладителе, так как в области двухфазных состояний эффект охлаждения при дросселиро­вании будет таким же, как и при адиабатном процессе расширения. При наличии расширительного цилиндра процесс пошел бы по адиа­бате 4-9. Потеря холодопроизводительности от замены расширитель­ного цилиндра дроссельным вентилем измеряется пл. 93769, поэтому холодопроизводительность всей установки уменьшается и будет изображаться пл. 73287 (i₂ — iз) = (i₂ — i₄)-

Количество теплоты q₂, получаемое 1 кг аммиака от охлаждаемых тел, изображается пл. 73287. Количество теплоты q₁, отведенное охлаждающей водой в конденсаторе, изображается пл. 645186. Работа, затраченная на совершение цикла, равна l = q₁ — q₂ = = пл. 64512376 = пл. 10451210 - i₁, — i₂. Равенство пл. 64512376 и 10451210 следует из условия, что дросселирование аммиака проте­кает при равенстве энтальпий в точках 4 и 3.

Холодильный коэффициент компрессорной аммиачной установки будет

где — количество теплоты, воспринимаемое аммиачным паром в охладителе; - работа, затраченная при адиабатном сжатии пара в компрессоре.

Отсюда холодильный коэффициент установки равен

(21-4)

Значения энтальпий в уравнении (21-4) определяют по is-диаграмме или по таблицам для аммиака. Паровые холодильные уста­новки имеют большое преимущество перед воздушными. Они ком­пактны, дешевы и имеют более высокий холодильный коэффициент.