Циклы холодильных машин

 

Для получения холода в быту и промышленности используют холодильные установки, реализующие холодильный цикл. Простейшей из них является воздушная холодильная машина, в качестве рабочего тела которой используется воздух (или другие идеальные газы):

 

 

Основными агрегатами такой холодильной установки являются сидящие на одном валу с электродвигателем 5 компрессор 1, детандер (расширительная машина) 4 и два теплообменника 2 и 6, один из которых расположен в охлаждаемом помещении 7 и забирает из него теплоту q₁, а другой – его называют холодильником – в окружающей среде, куда он и отдает теплоту q₂. Все агрегаты соединены трубами 3 и образуют герметичную систему, в которой циркулирует рабочее тело.

Процессы в холодильнике и рефрижераторе (так называют теплообменник, забирающий теплоту из охлаждаемого помещения) идут практически при р = const, процессы в компрессоре и детандере – политропные, с показателями n₁ и n₂, лежащими в пределах 1...k.

p–v диаграмма цикла воздушной холодильной машины наглядно демонстрирует последовательность происходящих в холодильной машине термодинамических процессов:

 

 

Основными характеристиками воздушной холодильной машины наряду с параметрами первой точки р₁ и Т₁, показателями политроп n₁ и n₂ являются еще и степень повышения давления в компрессоре b = p₂ / p₁ и степень расширения газа в детандере r = v₄ / v₃, а также температура газа на выходе из холодильника T₃.

Расчет параметров характерных точек цикла не представляет затруднений:

; p₂ = b × p₁; ; ; р₃ = р₂;

; р₄ = р₁; v₄ = r × v₃; ,

при этом значение показателя политропы n₂ рассчитывают по формуле

n₂ = ln b / ln r.

По известным формулам для политропных и изобарных процессов рассчитывают количество теплоты и работу за каждый процесс, и далее величину холодильного коэффициента:

.

Для идеализированного цикла (n₁ = n₂ = k) q_1-2 и q_3-4 равны нулю, и, считая воздух идеальным газом с постоянной теплоемкостью, найдем

.

Для процессов 1–2 и 3–4 можно записать

и ,

откуда следует, что

, или .

Возвращаясь к формуле для величины холодильного коэффициента, после сокращения получим

, или ,

откуда следует вывод: эффективность воздушной холодильной машины тем выше, чем ближе процессы в компрессоре и детандере к изотермическим (при Т₂ = Т₁ ε ® ¥).

Количество теплоты, забираемой из охлаждаемого помещения за цикл 1 кг воздуха, называют удельной хпадопроизводительностью, численно она равна величине q₁. Если в машине циркулирует m кг воздуха и она совершает z циклов в секунду, то полная хладопроизводительность, Дж/с, составит

 

Q = q₁ × m × z .

Мощность, кВт, необходимая для работы воздушной холодильной машины, находят с учетом величины ε:

N = Q / (1000 × ε).

В парокомпрессорных холодильных установках в качестве рабочего тела используют хладагенты, имеющие при сравнительно невысоких давлениях достаточно низкую температуру кипения и значительный положительный дроссель-эффект. В основном это фторхлорпроизводные углеводородов (фреоны, хладоны), аммиак, углекислота, хлористый метил.

Рассмотрим принципиальную схему такой установки:

 

Работа холодильной машины осуществляется следующим образом. В компрессоре 4, приводимом в действие электродвигателем 5, насыщенный или перегретый пар хладоносителя сжимается от давления р₁ до давления р₂. Процесс сжатия близок к адиабатному, поэтому температура пара в результате сжатия увеличивается с t₁ до t₂, превышающей температуру окружающей среды. Сжатый и нагретый пар по трубке 3 направляется в теплообменник (конденсатор) 2, где при р=const от него отводится теплота в окружающую среду. При этом пар сначала охлаждается до температуры насыщения t_H при давлении р₂, затем конденсируется и переохлаждается до температуры t₅ < t_H.

Далее жидкость направляется в дроссельное устройство 1 (отрезок капиллярной трубки, дроссельный вентиль или дроссельная шайба), проходя через которое жидкость дросселируется до давления р₁. При дросселировании происходит частичное испарение хладагента, температура его резко понижается до t₆ и образовавшийся очень влажный пар (степень сухости х » 0,2) направляется в другой теплообменник 6, расположенный в охлаждаемом помещении 7. Здесь при р=const происходит выкипание оставшейся жидкости (потому-то этот теплообменник называют испарителем), причем теплота, необходимая для испарения, забирается из охлаждаемогообъема. Образовавшийся насыщенный (или даже немного перегретый) пар при давлении р₁ и температуре t₁ засасывается в цилиндр компрессора, снова сжимается, и описанный цикл повторяется.

На следующем рисунке изображена диаграмма h–s парокомпрессорной холодильной машины.

 

Поскольку процессы подвода и отвода теплоты идут при р=const, количества подведенной q₁ и отведенной q₂ теплоты определяются соответствующей разностью энтальпий:

q₁ = h₁ – h₆; q₂ = h₂ – h₅ = h₂ – h₆ .

Работа за цикл, как известно,

l_Ц = q_Ц = q₁ – q₂ = (h₁ – h₆) – (h₂ – h₆) = h₁ – h₂ ,

тогда холодильный коэффициент

.

Рабочим телом в абсорбционных холодильных машинах служит бинарная смесь хладагента (обычно аммиак или вода) и абсорбента, способного растворять хладагент и поглощать его пары из бинарной паровой смеси (для аммиака абсорбентом является вода, для воды – бромистый литий). Подчеркнем, что температуры кипения хладагента t_НХ и абсорбента t_НА должны быть существенно разными и t_НХ << t_НА.

Комментарий к слайду: Ученые шутят. Специально для тех, кто не может запомнить разницу между аБсорбцией и аДсорбцией:

- абсорбция (лат. absorptio – поглощение, от absorbeo – поглощаю), поглощение веществ из газовой смеси жидкостями;

- адсорбция (от лат. ad – на, при и sorbeo – поглощаю), поглощение вещества из газообразной среды или раствора поверхностным слоем жидкости или твердого тела.

Чтобы понять принцип работы абсорбционного холодильника, рассмотрим сначала некоторые термодинамические свойства бинарных смесей. На рисунке приведена фазовая диаграмма бинарной смеси при некотором фиксированном давлении р.

 

На ней линия АаВ отражает зависимость температуры кипения смеси от массовой концентрации хладагента С_Х. При С_Х = 0 (точка А) это температура кипения абсорбента t_НА, при С_Х = 1 (точка В) – температура кипения чистого хладагента t_НХ, при 0 < С_Х < 1 температура кипения смеси t_НСМ имеет некоторое промежуточное значение. Область, лежащая ниже линии АаВ, отражает состояния бинарной жидкой смеси.

Понятно, что при нагреве до температуры насыщения (например, до температуры точки а) жидкая смесь начинает кипеть, но интенсивность парообразования каждой из составляющих этой смеси неодинакова, и та из них (в данном случае хладагент), температура кипения которой ниже, выкипает интенсивней. В результате при равновесном состоянии системы жидкость–пар концентрация хладагента в паровой фазе С_П будет намного большей, чем концентрация его С_Ж в жидкой смеси (точка b). Состояния сухого насыщенного пара смеси отражены линией АbВ. Если сухой насыщенный пар нагревать далее, образуется перегретый пар с определенной концентрацией компонент. Область такого пара расположена выше линии АbВ. В процессе кипения в закрытой системе концентрация хладагента уменьшается, так что процесс идет от точки а к точке 1 с повышением температуры насыщения.

Рассмотрим структурную схему абсорбционной водо-аммиачной установки, позволяющая прокомментировать работу и термодинамический цикл абсорбционного холодильника:

В парогенераторе 1 с помощью электронагревателя R_Н концентрированный водоаммиачный раствор нагревается до температуры ~ 80 °С, при этом раствор закипает и происходит выделение паров воды и аммиака. Концентрация паров аммиака в получающейся паровой смеси будет очень большая, во много раз больше, чем в растворе. Концентрация водяного пара – наоборот, будет минимальна: С_А = 1 – С_Х.

Из парогенератора бинарная паровая смесь направляется в конденсатор 2, который охлаждается, например, проточной водой. В результате пар конденсируется и получается жидкая бинарная смесь с очень высокой концентрацией аммиака. И хотя при конденсации давление рабочего тела заметно уменьшается, все же оно остается достаточно высоким, практически равным давлению насыщения аммиака при температуре в конденсаторе (для аммиака, например, при t_К = 20 °С р_Н = 0,8572 МПа). Далее жидкость направляется в дроссельное устройство 3, где происходит ее дросселирование и значительное захолаживание благодаря большому положительному дроссель-эффекту аммиака.

 

 

Из дроссельного устройства захоложенная парожидкостная смесь направляется в испаритель 4, расположенный в охлаждаемом помещении 5. Здесь за счет теплоты, забираемой из охлаждаемого помещения, происходит испарение жидкости, а образовавшийся пар с высокой концентрацией хладагента по трубам направляется в абсорбер 6. Сюда же после предварительного охлаждения и дросселирования в дроссельном вентиле 7 направляется и слабый водоаммиачный раствор, полученный в результате выпаривания в парогенераторе. При дросселировании в вентиле он также несколько захолаживается.

Из абсорбера концентрированная смесь циркуляционным насосом 8 направляется снова в парогенератор 1, и цикл повторяется.

Теплоту, которую несет с собой слабый раствор, выходящий из парогенератора, утилизируют в теплообменнике 9 для дополнительного нагревания концентрированного раствора, полученного в абсорбере. Наличие такого теплообменника обеспечивает лучшую циркуляцию смеси по системе за счет свободной конвекции.