Цикл паровой компрессорной холодильной установки

Известно, что для повышения эффективности реальной холодильной ма­шины необходимо ее цикл максимально приблизить к холодильному циклу Карно. Для этого требуется, чтобы процессы подвода тепловой энергии Q2 К рабочему телу от холодильной камеры (низкотемпературного источника) и отвода тепловой энергии Qi от рабочего тела в окружающую среду (высо­котемпературный источник) происходили изотермически. Действительно, такой циклический процесс можно осуществить, если в качестве рабочего тела (хладагента) использовать вещество, способное при определенных условиях, близких к естественным, существовать в двухфазном состоянии (жидкость — пар).

Некоторые вещества (аммиак, фреон, сернистый ангидрид и другие) при давлениях, близких к атмосферному давлению, легко кипят. При кипении
жидкости образуется влажный пар. Процесс парообразования является одновременно изобарным (р = idem) и изотермическим (Т = idem), Что соответствует процессам фазовых превращений (подводимая в форме теплоты энергия затрачивается не на повышение температуры, а только на преодоление сил притяжения между молекулами и на работу расширения пара). Пока жидкость не будет полностью превращена в пар, ее темпера­тура во время кипения изменяться не будет (она остается всегда равной температуре кипения). Когда последняя капля жидкости испарится, то при дальнейшем подводе энергии в форме теплоты температура пара будет возрастать (пар будет становиться перегретым)[8].

В качестве рабочего тела (хладагента) во многих бытовых холодиль­никах (например, «Саратов», «ЗИЛ») применяют легко испаряющуюся жидкость фреон-12 (соединения фтора, хлора и углерода). При нормаль­ном атмосферном давлении фреон-12 кипит при температуре £„ = — 30°С. Аммиак кипит при tH = —35°С, а хлористый метил —при tH = —23°С.

Основное достоинство цикла паровой компрессорной холодильной уста­новки состоит в следующем. Теплообмен между теплоотдатчиком (холо­дильной камерой) и теплоприемником (окружающей средой) при осуществ­лении цикла будет происходить с рабочим телом, находящимся в двухфаз­ном состоянии, поэтому изобарное протекание этих процессов для рабочего тела совпадает с изотермическим процессом. В этом случае холодильный цикл будет в большей степени приближен к обратному циклу Карно.

На рис. 8.25 показана условная схема паровой компрессионной холо­дильной установки.

Пар при низком давлении

Рис. 8.25. Схема паровой компрессорной холодильной машины

! Холодная Ыг* Жидкость ~~ FV^ " Расширительный клапан

Влажный пар хладагента из испарителя засасывается компрессором и адиабатно сжимается с затратой энергии в механической форме, под­
водимой из окружающей среды. В общем случае до начала сжатия пар находится во влажном насыщенном состоянии (двухфазное состояние пар-жидкость). При сжатии пара хладагента в компрессоре затрачивается энергия в механической форме W^. Температура хладагента при сжатии увеличивается, и пар последовательно переходит из влажного состояния в сухое насыщенное состояние. В дальнейшем он переходит в перегретое состояние. После компрессора рабочее тело (пар хладагента) под высоким давлением поступает в конденсатор (как правило, расположенный снаружи на задней стенке холодильника), где при постоянном давлении перегретый пар охлаждается (от него в окружающую среду отводится энергия в тепловой форме).

Дальнейший процесс отвода тепловой энергии Qi происходит не только изобарно, но и изотермически. Процесс происходит до тех пор, пока пары хладагента полностью не конденсируются, и он не перейдет в горячую жидкость.

Для снижения температуры рабочего тела до температуры Т2, соот­ветствующей температуре, поддерживаемой в холодильной камере, можно применить расширительную машину (детандер) поршневого или лопаточ­ного тапа.

Совершенно очевидно, что холодильный коэффициент рассмотренного цикла почти равен холодильному коэффициенту обратного цикла Карно.

Из-за сложности создания детандера поршневого или лопаточного типа, работающего на влажном паре, и малой величины получаемой работы в расширительной машине, ее (расширительную машину) заменяют регу­лирующим дроссельным вентилем (расширительным клапаном; рис. 8.25), в котором хладагент после конденсатора дросселируется с понижением давления и температуры.

Дросселирование пара всегда происходит с понижением температуры (Т4 < Т3), а энтальпия рабочего тела сохраняет прежнее значение (if4 = #3). Строго говоря, температура реального газа при дросселировании может уменьшаться, увеличиваться или не изменяться[9], но в качестве рабочего тела в холодильных установках применяют вещества, которые в данных условиях при дросселировании понижают свою температуру[10].

Понижение температуры хладагента в процессе дросселирования вы­бирается примерно на 9… 10°С ниже температуры в охлаждаемом поме­щении. Благодаря этому, становится возможной передача энергии в форме теплоты от охлаждаемых тел к пару хладагента, циркулирующего в трубах испарителя холодильной камеры.

Работает холодильник следующим образом. Компрессор (рис. 8.25) за счет подводимой из окружающей среды (электродвигателя) энергии в механической форме сжимает рабочее тело. При сжатии давление и тем­пература рабочего тела увеличиваются. Через нагнетательный клапан рабочее тело поступает в конденсатор, находящийся на задней стенке холодильника. В конденсаторе происходит отвод энергии в тепловой форме от рабочего тела в окружающую среду, так как температура рабочего тела больше температуры окружающей среды. При отводе тепловой энергии температура тела понижается. После конденсатора рабочее тело поступает в расширительный клапан, где дросселируется и его температура еще боль­ше понижается. Температура рабочего тела становится ниже температуры тел, находящихся внутри холодильной камеры. После расширительного клапана рабочее тело поступает в испаритель, находящийся внутри холо­дильной камеры, от которого отбирает тепловую энергию. Температура рабочего тела увеличивается, а температура внутри холодильной камеры понижается. После испарителя рабочее тело снова поступает в компрессор, и цикл замыкается.

Механическая энергия, затраченная на осуществление цикла, опреде­ляется только работой компрессора, так как расширение происходит в дросселе (расширительном клапане или диафрагме) без подвода или отвода энергии в механической форме.

Напомним, что в процессе дросселирования работа не совершается. В обратном цикле Карно расширение хладагента происходит в детандере (поршневой или лопаточной расширительной машине), где от рабочего тела отводится энергия в механической форме (совершается полезная работа). Эта работа (энергия) затрачивается на привод компрессора и составляет только часть результирующей работы, затрачиваемой на привод компрессора, так как большая часть результирующей работы подводится к компрессору извне.

Бели бы паровая компрессорная холодильная установка работала по обратному (идеальному) циклу Карно, то получаемой в детандере полезной работы было бы достаточно для привода компрессора. Однако, из-за нерав­новесности протекаемых процессов в паровой компрессорной холодильной установке реальные затраты механической энергии на привод компрессора больше, чем получаемая в детандере полезная работа. Следовательно, в обратном цикле Карно на привод компрессора затрачивается меньше механической энергии, чем в паровой компрессорной холодильной машине. По этой причине холодильный коэффициент паровой компрессорной холо­дильной установки меньше холодильного коэффициента установки Карно, работающей в том же интервале предельных температур.

Можно заключить, что парокомпрессорная холодильная установка по сравнению с воздушной компрессорной холодильной установкой более со­вершенна.

В отличие от холодильного коэффициента обратного цикла Карно, зависящего только от температуры отдатчика и приемника энергии в тепловой форме, холодильный коэффициент цикла с дросселированием пара зависит дополнительно от физических свойств хладагента.

С целью повышения эффективности паровой компрессорной холодиль­ной машины реализуют следующие мероприятия:

• цикл рассчитывают так, чтобы холодильный компрессор всасывал сухой насыщенный пар хладагента или, по крайней мере, влажный пар с высокой степенью сухости. В этом случае применяют термин «сухой ход» холодильного компрессора в отличие от влажного хода.

• применяют переохлаждение хладагента в холодильном конденсаторе, которое осуществляют посредством повторного прокачивания жидкого хладагента через холодильный конденсатор. Иногда для переохлажде­ния хладагента при проектировании предусматривают большую тепло — обменную поверхность холодильного конденсатора, чем это нужно для превращения пара в кипящую жидкость. При переохлаждении хлад­агента энергия, затрачиваемая на привод холодильного компрессора, не изменяется, а количество отводимой в тепловой форме энергии Q2 уве­личивается. В итоге холодильный коэффициент цикла увеличивается.

Многие проблемы можно решить, благодаря правильному выбору хо­лодильного агента. Желательно, чтобы хладагент имел в холодильном испарителе давление Р2, которое было бы чуть больше атмосферного. Большое давление р2 приводит к утяжелению установки. Температура насыщения Г2, соответствующая давлению Р2, должна быть на 9… 10°С ниже температуры охлаждаемого объекта. Давление pi (на выходе из холо­дильного компрессора), соответствующее температуре конденсации, также не должно быть слишком большим. Это понятно, так как большие давления требуют утолщения стенок трубопроводов, утяжеляющего установку, а также больших затрат на привод холодильного компрессора. Чем меньше отношение давлений рг/р2, тем меньшее количество механической энергии затрачивается на привод холодильного компрессора.

Положительными свойствами хладагента являются невысокие значения его плотности в жидком и парообразном состояниях. Повышение плотности хладагента влечет за собой увеличенный расход энергии на обеспечение его циркуляции. Наиболее распространенным хладагентом является ам­миак, обеспечивающий достаточно высокие холодильные коэффициенты и относительно невысокие давления в цикле. Из-за токсичности аммиака в последнее время широкое распространение получили фреоны, которые нетоксичны и невзрывоопасны, но в конце XX в. оказалось, что, по мнению многих ученых, фреоны разрушают озоновый слой вокруг Земли, а это может вызвать катастрофические последствия для человечества.

В настоящее время использование парокомпрессорных установок в об­ласти умеренных температур охлаждения наиболее эффективно. Такие установки широко применяются в технике и для бытовых нужд при получении и поддержании в течение длительного времени температуры тел в интервале —150… 0°С.