Циклы холодильных установок

Холодильные установки служат для искусственного охлаждения тел ниже окружающей среды. Рабочее тело в холодильных маши­нах совершает обратный круговой процесс, в котором в противо­положность прямому циклу затрачивается работа извне и отнима­ется теплота от охлаждаемого тела.

Идеальным циклом холодильных машин является обратный цикл Карно. В результате осуществления этого цикла затрачива­ется работа l₀ и тепло q₀ от холодного тела переносится к более на­гретому телу.

Отношение отведенной от охлаждаемого тела теплоты q₀ (произведенного холода) к затраченной работе q–q₀ носит назва­ние холодильного коэффициента и является характеристикой эко­номичности холодильной машины:

. (6.3)

Количество теплоты, отводимой от охлаждаемого тела за еди­ницу времени (за час), называется холодильной мощностью холо­дильной установки.

В качестве рабочих тел (холодильных агентов) применяют воз­дух я жидкости с низкими температурами кипения: аммиак, угле­кислоту, сернистый ангидрид и фреоны.

Принципиальная схема паровой компрессионной холодильной установки изображена на рисунке 6.3. На этом же рисунке приведен ее цикл в Ts–координатах (цифры на схеме соответствуют точкам, указанным на Ts–диаграмме).

Установка работает следующим образом. Из рефрижератора Р влажный насыщенный пар со степенью сухости х₁ при давлении p₁ и температуре Т_н1 всасывается компрессором КМ и сжимается адиабатно (процесс 1–2) до давления р₂ и температуры Т₂. Из ком­прессора пар подается в конденсатор К, где, охлаждаясь водой или окружающим воздухом, при постоянном давлении p₂ превращается вначале в сухой насыщенный пар (процесс 2–3), а затем полно­стью переходит в жидкость (процесс 3–4). Теплота q_кн, отданная рабочим телом в конденсаторе, равна с учетом масштаба диаграм­мы площади 2–3–4–5–5'–1'–2. На выходе из конденсатора жидкое рабо­чее тело, проходя через клапан Д, дросселируется (на диаграмме этот процесс изображен линией 4–5). При дросселировании h₄ = h₅, а давление падает от р₃ до p₂. Поскольку в данном случае коэффици­ент адиабатного дросселирования а > 0, то температура рабочего тела падает до Т_н1. В точке 5 пар влажный насыщенный (степень сухости x₅).

 

 

КМ–компрессор; Р – рефрижера­тор; Д – дроссельный клапан; К – конденсатор

Рис. 6.3 – Схема компресси­онной паровой холодильной установки и графическое изображение цикла в Ts–координатах

 

После дроссельного клапана пар поступает в рефри­жератор. В результате подвода теплоты q₀ (эквивалентной площа­ди 5–1–1'–5'–5) пар испаряется до состояния, изображаемого точкой 1 (процесс 5–1).

Затраты работы в компрессоре при адиабатном сжатии опреде­ляются по формуле:

. (6.4)

Холодопроизводительность 1 кг холодильного агента q₀ опреде­ляется из уравнения:

, (6.5)

где r – теплота парообразования, а х₁ и х₂ – соответственно степень сухости пара после испарителя и после дроссельного клапана.

Тепловая нагрузка конденсатора определяется по формуле:

, (6.6)

где l₀ – работа затраченная в цикле.

. (6.7)

Расход холодильного агента:

, кг/с, (6.8)

где Q₀ и q₀ – соответственно холодопроизводительность установки и холодопроизводительность 1 кг холодильного агента в кДж/с и кДж/кг.

Теоретическая мощность, необходимая для привода компрес­сора,

, кВт. (6.9)

Холодильный коэффициент этой установки:

. (6.10)

Учитывая, что , получим:

, (6.11)

Цикл абсорбционной холодильной установки. В некоторых случаях для повышения давления рабочего тела в цикле холодиль­ной установки целесообразно расходовать не механическую энергию, а теплоту, например пара, электронагревателя, солнечного излучения. В таких холодильных установках в качестве рабочего тела используется бинарная смесь веществ, имеющих разную тем­пературу кипения при одном и том же давлении. Одно из веществ, имеющее более низкую температуру кипения, является хладоагентом, а другое – абсорбентом. Обычно в качестве хладоагента ис­пользуется аммиак, а в качестве абсорбента – вода.

Схема абсорбционной холодильной установки приведена на рисунке 6.4. В генераторе 1 находится концентрированный водоаммиачный раствор под давлением p₂. За счет подвода теплоты q₁ извне (например, через змеевик 10 подается горячи пар) происхо­дит испарение хладоагента. Вследствие этого в генераторе остает­ся раствор малой концентрации. Образующийся пар с высокой концентрацией хладоагента направляется в конденсатор 2, где ох­лаждается водой, проходящей через змеевик 3, и конденсируется. Конденсат проходит через дроссельный клапан 4, в результате чего давление снижается от p₂ до p₁, а затем поступает в испаритель 5.

1 – генератор, 2 – конденсатор, 3, 6, 10 – змеевик, 4, 9 – дроссельный клапан, 5 – испаритель, 7 – абсорбер, 8 – насос (рефрижератор)

Рис. 6.4 – Схема абсорбционной хо­лодильной установки

 

В испарителе в результате подвода теплоты в количестве q₂ происходит испарение влажного насыщенного пара. Из испарителя пар направляется в абсорбер 7, где он абсорбирует­ся слабым раствором (абсорбентом), поступающим из генератора.

При этом теплота абсорбции q_абс отводится с охлаждающей водой, циркулирующей в змеевике 6. Так как в генераторе 1 давление p₂ выше давления в абсорбере 7 p₁, то между ними устанавливается дроссельный клапан 9. В процессе абсорбции концентрация хладагента в растворе, находящемся в абсорбере, повышается. На­сыщенный раствор подается насосом 8 из абсорбера в генератор 1.

Таким образом, в абсорбционной холодильной установке вме­сто сжатия хладагента в компрессоре происходит процесс десорб­ции, т.е. выделения из раствора при постоянном избыточном дав­лении хладагента (аммиака) за счет подводимой теплоты q₁.

Отношение теплоты q₂, отнятой от охлаждаемого вещества в испарителе к затраченной теплоте q₁ называется коэффициентом теплоиспользования, или тепловым коэффициентом абсорбционной холодильной установки.

. (6.12)

Абсорбционные холодильные установки имеют сравнительно низкую термодинамическую эффективность, но вследствие просто­ты устройства (отсутствие компрессора) и надежности в эксплуа­тации нашли широкое распространение. Особенно перспективны в сельском хозяйстве гелиоабсорбционные холодильные машины, работающие за счет даровой солнечной энергии.