Циклы холодильных машин

Холодильные установки предназначены для понижения температуры тел ниже температуры окружающей среды и работают по обратному циклу. В обратном цикле за счёт затраты работы теплота передаётся от холодного источника к горячему.

Эффективность работы холодильного цикла оценивается холодильным коэффициентом

, (4.1)

определяемым как отношение отводимой от охлаждаемого тела теплоты q ₂ к затраченной работе цикла l ₀.

На рис. 4.1, 4.2 приведены принципиальная схема и теоретический цикл воздушной холодильной установки. Из холодильной камеры ХК воздух поступает в компрессор К, где его давление повышается от p ₁ до p ₂, а температура – от Т ₁ до Т ₂. Сжатый компрессором воздух поступает в теплообменный аппарат (охладитель) ТА, где охлаждается при p ₂ = p ₃ = const, отдавая теплоту в окружающую среду. После этого воздух расширяется в детандере Д от давления p ₃ до p ₄, совершая полезную работу. При расширении его температура понижается от Т ₃ до Т ₄. Холодный воздух поступает в холодильную камеру, где он отбирает теплоту от охлаждаемого тела при постоянном давлении (p ₄ = p ₁ = const).

Рис. 4.1. Принципиальная схема воздушной холодильной установки

Рис. 4.2. Цикл воздушной холодильной установки:

1–2 – адиабатное сжатие воздуха в К;

2–3 – изобарный отвод теплоты от воздуха в ТА;

3–4 – адиабатное расширение воздуха в Д;

4–1 – изобарный подвод теплоты к воздуху в ХК

Удельное количество теплоты, подводимой к воздуху в холодильной камере (удельная холодопроизводительность установки), определяется из уравнения

, (4.2)

а удельное количество теплоты, отводимой в охладителе в окружающую среду, –

(4.3)

Удельная работа, затраченная на сжатие воздуха в компрессоре, находится как

, (4.4)

а удельная работа, полученная при расширении воздуха в детандере, –

. (4.5)

Работа, затраченная в цикле, определяется как

. (4.6)

С учетом этих выражений холодильный коэффициент (4.1) будет равен

. (4.7)

Расход холодильного агента в цикле, кг/с, определяется как

, (4.8)

где – полная холодопроизводительность установки, кВт.

Теоретическая мощность, необходимая для привода компрессора,

, (4.9)

а мощность детандера

. (4.10)

В качестве хладагентов в парокомпрессорных холодильных установках используются вещества с низкой температурой кипения при атмосферном давлении (аммиак, углекислота, фреоны). На рис. 4.3 приведена принципиальная схема парокомпрессионной установки.

Влажный пар хладагента поступает в испаритель холодильной камеры ХК, где вскипает при постоянном давлении (p ₄ = p ₁ = const). Необходимая для кипения теплота отнимается от охлаждаемого тела, вследствие чего его температура понижается. Затем пар поступает в компрессор К, где его давление повышается от p ₁ до p ₂. Сжатый компрессором пар поступает в теплообменный аппарат (конденсатор) ТА, где он охлаждается при p ₂ = const, отдавая теплоту в окружающую среду, и конденсируется. Дальше жидкий хладагент дросселируется, проходя через дроссель Др, в результате чего его температура и давление понижаются, и часть хладагента испаряется без подвода теплоты извне. После дросселирования парогазовая смесь хладагента возвращается в испаритель для повторного испарения, замыкая таким образом цикл работы машины.

,

Рис. 4.3. Принципиальная схема парокомпрессорной

холодильной установки

В парокомпрессорных холодильных установках обычно используются два вида циклов: цикл с влажным ходом компрессора (см. рис. 4.4, а), в котором из холодильной камеры выходит влажный пар, а на выходе из компрессора получается сухой насыщенный пар; и цикл с сухим ходом компрессора (см. рис. 4.4, б), в котором из холодильной камеры выходит сухой насыщенный пар, а компрессор работает в области перегретого пара.

Рис. 4.4. Цикл парокомпрессорной холодильной установки,

а – влажный ход компрессора; б – сухой ход компрессора:

1–2 – процесс адиабатного сжатия пара в компрессоре;

2–3 – изобарный отвод теплоты от пара в окружающую среду;

3–4 – процесс дросселирования, h ₃ = h ₄;

4–1 – изобарно-изотермический процесс подвода теплоты

к хладагенту в холодильной камере

Теплота, подводимая к рабочему телу в холодильной камере, (удельная холодопроизводительность установки) определяется из уравнения

. (4.10)

Теплота, отводимая в охладителе в окружающую среду, –

. (4.11)

Работа, затраченная в цикле, определяется как

(4.12)

Энтальпия рабочего тела определяется по диаграммамили по таблицам, составленным для соответствующих хладагентов.

Используя холодильный цикл, можно отапливать помещения, "перекачивая" теплоту от холодного источника к горячему. Такие установки называются тепловыми насосами.

Эффективность теплового насоса оценивается величиной отопительного коэффициента e_отоп,

. (4.13)

Задачи

4.1. Воздушная холодильная установка (см. рис. 4.1) имеет холодопроизводительность = 100 МДж/ч. Параметры воздуха на входе в компрессор (см. рис. 4.2): p ₁ = 1 бар и t ₁ = –5 ^oС. После сжатия воздух имеет давление p ₂ = 5 бар. Температура воздуха после охладителя t ₃ = 22 ^oС. Определить параметры воздуха в характерных точках цикла, удельную холодопроизводительность установки, затраченную в цикле работу, холодильный коэффициент, расход воздуха, мощности привода компрессора и детандера.