Теоретические циклы холодильной машины

Под теоретическими будем понимать такие циклы в которых:

1) подвод тепла к хладагенту в испарителе и отвод тепла от него в конденсаторе осуществляется при бесконечно малой разнице температур;

2) не учитываются гидравлические потери на линиях всасывания и нагнетания компрессора;

3) не учитываются потери на трение при сжатии пара хладагента в компрессоре.

3.1.1. Одноступенчатые холодильные машины и способы переохлаждения хладагента

Холодильная машина с детандером в области всасывания влажного пара при реализации цикла Карно

Принципиальная схема и теоретические циклы в P-i и T-s диаграммах холодильной машины с детандером приведены на рис.3.1.

Рабочее вещество в состоянии влажного пара 1 поступает в компрессор I, где изоэнтропно сжимается до давления конденсации рк (процесс 1 – 2) и направляется в конденсатор II. В этом цикле т.2 должна лежать на правой пограничной кривой. После конденсации за счет отвода теплоты в окружающую среду с температурой Тос (процесс 2 – 3), рабочее вещество расширяется в детандере III до давления кипения р0, совершая при этом работу. Процесс расширения 3 – 4 также идет изоэнтропно. В состоянии т.4 рабочее вещество поступает в испаритель IV, где кипит при давлении р0за счет теплоты, подводимой от источника Тинтнизкой температуры (процесс 4 – 1). Пар рабочего вещества, образовавшийся при кипении в испарителе, отсасывается компрессором. Теплота, которая подводится к рабочему веществу в испарителе, называется холодопроизводительностью холодильной машины Q0, а, теплота, отнесенная к 1 кг рабочего вещества, – удельной массовой холодопроизводительностью q0. Удельная массовая холодопроизводительность на диаграмме Т-s соответствует площади m – 4 – 1 – n, а на диаграмме p-i – разности энтальпий между точками 1 и 4.

q0 = i1 – i4.

Удельная работа ℓк, затрачиваемая компрессором, соответствует в Т-s диаграмме площади пл. 1 – 2 – 3 – 0 – 1, а в диаграмме p-i – отрезку 1 – 2, или

ℓк = i2 – i1.

Удельная теплота, отводимая от рабочего вещества в конденсаторе, определяется на диаграмме Т-s как площадь m – 3 – 2 – n, на диаграмме p-i – отрезком 2 – 3, или

q = i2 – i3.

Удельная работа, совершаемая рабочим веществом при расширении в детандере, – это на диаграмме Т-s площадь пл. 0 – 3 – 4, а на диаграмме p-i – отрезок 3 – 4, или

ℓд = i3 – i4.

Так как в компрессоре работа затрачивается, а в детандере – совершается, то удельная работа, которую необходимо затратить для осуществления цикла 1 – 2 – 3 – 4 будет

ℓц = ℓк – ℓд = (i2 – i1) – (i3 – i4).

Площадь на диаграмме Т-s, которая эквивалентна работе цикла, соответствует пл. 1 – 2 – 3 – 0 – 1 – пл. 0 – 3 – 4 = пл. 1 – 2 – 3 – 4. К такому же выводу можно прийти другим способом:

ℓц = q – q0 = (i2 – i3) – (i1 – i4) = (i2 – i1) – (i3 – i4),

или ℓц = q – q0 соответствует пл. m – 3 – 2 – n – пл. m – 4 – 1 – n = пл.1– 2 – 3 – 4.

Холодильный коэффициент цикла 1– 2 – 3 – 4 (Карно)

εк = .

Таблица 3.1

Параметры теоретического цикла с детандером T-s и р-i диаграммах

Для наглядности в таблице 3.1 для основных параметров рассмотренного теоретического цикла с детандером приведены соответствующие площади в Т-s диаграмме и соответствующие им разности удельных энтальпий в p-i диаграмме.

Холодильная машина с дроссельным вентилем и всасыванием сухого насыщенного пара

На рис.3.2 показаны принципиальная схема такой машины и ее теоретические циклы в Т–s и p–i диаграммах. Рабочие процессы рассматриваемой холодильной машины идут следующим образом:

· 1 – 2 изоэнтропное сжатие рабочего вещества в компрессоре I;

· 2 – 3 – охлаждение и конденсация рабочего вещества за счет отвода тепла в окружающую среду с температурой Тосв конденсаторе II;

· 3 – 4 – изоэнтальпийное расширение рабочего вещества в дроссельном вентиле III;

· 3 – 5 – изоэнтропное расширение рабочего вещества в детандере;

· 4 – 1 – кипение рабочего вещества за счет подвода теплоты от источника низкой температуры Тинтв испарителе IV.

В рассматриваемом цикле по сравнению с предыдущим изоэнтропное расширение с совершением внешней работы заменено дросселированием, что привело к появлению внутренней необратимости. Всасывание в компрессор сухого насыщенного пара явилось причиной того, что температура нагнетания (т.2) стала выше температуры окружающей среды, поэтому появиля внешне необратимый процесс охлаждения рабочего вещества 2 – b.

Для имеющихся внешних условий в Т–s диаграмме обратимым циклом Карно будет цикл 1 – а – b – c – 4, в котором 1 – а – изоэнтропное сжатие, а – b – изотермическое сжатие, остальные процессы также обратимы. Работа этого цикла ℓmin соответствует пл. 1 – а – с – 4. Необратимые потери, связанные с дросселированием, эквивалентны площади 0 – 3 – с – 4. Необратимые потери, связанные с охлаждением рабочего вещества 2 – b при конечной разности температур (т.е. охлаждение от температуры выходящего перегретого пара хладагента из компрессора до температуры, соответствующей его температуре конденсации), эквивалентны площади b – 2 – а. Кроме того, при замене детандера на дроссельный вентиль, уменьшается удельная холодопроизводительность на величину ∆q0 = пл. m – 5 – 4 – n. Это происходит вследствие того, что удельная работа, которая могла бы быть получена в изоэнтропном процессе расширения 3 – 5 (пл. 0 – 3 – 5) полностью превращается в теплоту и подводится к рабочему веществу в процессе дросселирования, потому часть рабочего вещества выкипает (процесс 5 – 4). Цикл Карно, показанный на рис. 3.1, практически осуществить очень сложно, поэтому именно цикл с дроссельным вентилем и всасыванием сухого насыщенного пара является теоретическим (образцовым) циклом для одноступенчатых холодильных машин. Основные величины, характеризующие этот цикл:

· удельная холодопроизводительность q0 в Т–s диаграмме соответствует пл. n – 4 – 1 – e и равна разности энтальпий i1 – i4 в p-i диаграмме;

· удельная теплота конденсации соответствует в Т–s диаграмме пл. m – 3 – b – 2 – е и равна разности энтальпий i2 – i3 в p-i диаграмме;

· работа цикла ℓц = q – q0 и соответствует в Т–s диаграмме разнице

пл. m – 3 – b – 2 – e – пл. n – 4 – 1 – e = пл. 1 – 2 – b– 3 – 0 – 1, или, так как

ℓд = 0, ℓц = ℓк = i2 – i1, что и соответствует в Т–s диаграмме пл. 1 – 2 – b – 3 – 0 – 1. При этом следует иметь в виду, что ∆q0= ℓд.

Холодильный коэффициент теоретического цикла

,

а коэффициент обратимости будет определяться соотношением

Для наглядности в таблице 3.2 для основных параметров рассмотренного теоретического цикла с дроссельным вентилем приведены соответствующие площади в Т-s диаграмме и соответствующие им разности удельных энтальпий в p-i диаграмме.

Таблица 3.2

Параметры теоретического цикла с дроссельным вентилем в T-s и р-i диаграммах

Читайте также:

Рекомендуемые страницы:

©2015-2021 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-02-16
Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных

Отвод тепла с помощью теплоты плавления льда

В основе действия холодильных машин лежит второй закон (или второе начало) термодинамики, который применительно к холодильным машинам гласит: для передачи теплоты от менее нагретого тела (холодного) к более нагретому (горячему) необходимо затратить энергию.Иными словами, чтобы охладить какое-либо тело, необходимо отвести от него теплоту, используя для этого какое либо техническое устройство.

В системах охлаждения используется явление увеличения теплосодержания вещества во время плавления и кипения при постоянной температуре. Самый простой способ отвода тепла от определенной области осуществляется при помощи ледяного блока. При плавлении лед поглощает тепло из окружающей атмосферы и продуктов, а продукт плавления льда отводится за пределы ледника—в окружающую среду.

Поскольку теплота парообразования во много раз больше теплоты плавления, во время процесса кипения поглощается большее количество теплоты при постоянной температуре. Поэтому рекомендуется производить перенос теплоты при температуре кипения вещества. В этом состоит преимущество компрессионных систем охлаждения. В дальнейшем в данном курсе будут рассмотрены особенности монтажа парокомпрессионных систем охлаждения.

Рассмотрим цикл работы холодильной установки на примере бытового холодильника.

Цикл холодильной установки (бытовой холодильник)

Холодильник оснащен теплообменником (испарителем), куда поступает хладагент в парожидкостной фазе (смесь пара с жидкостью). В испарителе за счет кипения рабочего вещества теплота отводится от охлаждаемой среды — воздуха в системе непосредственного охлаждения (как в рассматриваемом примере), воды или рассола в системе с промежуточным хладоносителем.

При температуре +5°C внутри холодильника температура кипения хладагента в испарителе составит около -15°C, которая в случае использования хладагента R134a соответствует абсолютному давлению 1,7 бар. Тепло из внутренней части холодильника отводится более холодным испарителем, где кипит хладагент. Температура внутри холодильника снижается.

Компрессор откачивает пары хладагента из испарителя, сжимает их и направляет в другой теплообменник – конденсатор, расположенный на внешней части холодильной камеры.

В конденсаторе теплота отводится от конденсирующегося рабочего вещества с помощью охлаждающей среды — воздуха или воды— которая при этом нагревается. Хладагент меняет агрегатное состояние на жидкое.

Обычно температура окружающего конденсатор воздуха (комнатная) составляет от 20 до 25°C. Для обеспечения правильного отвода теплоты от конденсатора в окружающую среду температура конденсации должна превышать температуру окружающей среды в данном случае на 20-30 К. Для хладагента R134a и предполагаемой температуры конденсации 50°C абсолютное давление в конденсаторе составляет 13,2 бар.

Таким образом, задача компрессора состоит не только в удалении паров хладагента из испарителя, но и в их сжатии.

Жидкое рабочее вещество из конденсатора проходит через регулирующий (дроссельный) вентиль, где происходит процесс дросселирования (расширения рабочего тела без совершения внешней работы). Этот вентиль (в данном случае капиллярная трубка) расположен между конденсатором и испарителем, в котором хладагент расширяется и его давление снижается до давления кипения. Здесь замыкается цикл охлаждения.

Ниже приведена схема холодильного цикла в условных обозначениях

Принципиальная схема парокомпрессионной холодильной машины: КМ — компрессор; КД — конденсатор; РВ — регулирующий вентиль; И — испаритель; /, 2,3,4 — точки цикла

Процессы, обозначенные на схеме:

4—1—кипение рабочего вещества (хладагента) в испарителе, при этом теплота Q0 отводится от охлаждаемой среды
1—2—сжатие паров рабочего вещества в компрессоре;
2—3—конденсация паров рабочего вещества в конденсаторе, при этом теплота Q передается окружающей или нагреваемой среде;
3—4—дросселирование рабочего вещества в регулирующем вентиле.

Таким образом, парокомпрессионная холодильная машина должна иметь четыре обязательных элемента: компрессор, конденсатор, испаритель и регулирующий вентиль.

Температура кипения рабочего вещества в испарителе зависит от давления кипения р0, а оно, в свою очередь,— от производительности компрессора. Температуру кипения поддерживают такой, чтобы обеспечить необходимую (заданную) температуру охлаждаемой среды. Для понижения температуры кипения необходимо понизить давление кипения, что можно сделать, увеличив производительность компрессора.

Температура конденсации рабочего вещества и соответствующее ей давление конденсации зависят главным образом от температуры среды, используемой для охлаждения конденсатора. Чем она ниже, тем ниже будут температура и давление конденсации. Величины давлений кипения и конденсации в значительной мере влияют на производительность компрессора. Они же в основном определяют и количество энергии, которое необходимо для его работы.

Представление цикла холодильной машины в термодинамических диаграммах

Теоретические циклы холодильных машин изображают на термодинамических диаграммах, которые позволяют лучше понять принцип их действия. Термодинамические диаграммы, кроме того, служат теоретической базой для расчета холодильных машин в целом и их отдельных элементов.

Наиболее распространены диаграммы энтальпия — давление (i, lgp -диаграмма) и энтропия — температура (s, T-диаграмма). Первую применяют для тепловых расчетов, вторую — для анализа термодинамической эффективности циклов. При этом используют следующие параметры:

• температуру в °С или абсолютную температуру Т в К;
• давление в Па или производных единицах (1кПа=103Па, 1 МПа= 106 Па= 10,2 кгс/см2 = 10 бар);
• удельный объем ν в м3/кг;
• плотность в кг/м3, (величина, обратная удельному объему).
  Кроме простых измеряемых параметров, используют также сложные расчетные параметры:
• энтальпию I в кДж;
• энтропию S в кДж/К.
  На диаграммах и в расчетах применяют обычно удельную энтальпию i в кДж/кг, т. е. отнесенную к единице массы хладагента. Логарифмическая ось давления принимается в целях уменьшения масштаба диаграммы.

 На i, lgр и s, T-диаграммах из точки К, соответствующей критическому состоянию хладагента, расходятся две так называемые пограничные кривые, разделяющие поле на три зоны: переохлажденной жидкости (ПЖ), парожидкостной смеси (Ж+П) и перегретого пара (ПП).

Если на i, lgp-диаграмме провести линию постоянного давления (p = const) — изобару, а на s, Т-диаграмме—линию постоянной температуры (T=const) — изотерму, то они пересекут пограничные кривые в точках А и В. В точке А хладагент находится в состоянии насыщенной жидкости, а в точке В — насыщенного пара.

Фазовый переход от жидкости к пару на диаграммах идет слева направо. При подводе теплоты (энтальпия и энтропия возрастают) переохлажденная жидкость, достигнув состояния насыщения в точке А, начинает кипеть. По мере дальнейшего подвода теплоты содержание жидкости в единице массы хладагента уменьшается, а содержание пара – увеличивается, достигая в точке В 100 %. Образуется насыщенный пар. Паросодер-жание х хладагента на левой пограничной кривой равно 0, а на правой—1. Состояние при х=1 называют также сухим насыщенным паром, чтобы подчеркнуть, что пар не содержит частиц жидкости в отличие от влажного пара, представляющего собой смесь пара и жидкости (П + Ж).

Фазовый переход от пара к жидкости на диаграммах идет справа налево. При отводе теплоты происходит процесс конденсации хладагента. Он начинается в точке В и заканчивается в точке A.

На i, lgр-диаграмме разность значений энтальпий i в точках А и В будет равна величине r в кДж/кг, которую, в зависимости от направления процесса (от А к В или от В к А), называют удельной (скрытой) теплотой парообразования или удельной теплотой конденсации.

На s, Т-диаграмме величине r будет соответствовать площадь (заштрихованная) под процессом А — В.

Параметры, соответствующие состоянию хладагента на левой пограничной кривой (х = 0), обозначают с одним штрихом, а на правой (х = 1) — с двумя.

В процессах кипения и конденсации давление и температура насыщения остаются неизменными, так как подводимая или отводимая теплота расходуется на изменение агрегатного состояния хладагента. При этом температура насыщения зависит от давления. При его увеличении она повышается, а при уменьшении — понижается.

Если после подвода определенного количества теплоты и достижения хладагентом состояния насыщенного пара в точке В продолжать подводить теплоту при постоянном давлении (p = const), то этот процесс В — С будет сопровождаться повышением температуры: ТС>ТВ. Насыщенный пар перейдет в точке С в состояние, называемое перегретым паром.

Аналогично, если после окончания процесса конденсации В — А продолжать отводить теплоту, то дальнейший процесс А — D будет сопровождаться понижением температуры. Насыщенная жидкость перейдет в точке D в состояние, называемое переохлажденной жидкостью.

На i, lgp-диаграмме изотермы (T = const) в зоне ПЖ идут почти вертикально вверх, параллельно изоэнтальпам—линиям постоянной удельной энтальпии (i=const), а в зоне ПП—резко вниз.

На s, T-диаграмме изотермы горизонтальны. Изобары (р=const) в зоне ПЖ идут резко вниз и почти совпадают с пограничной кривой (x = 0), в зоне ПП — поднимаются круто вверх. Изоэнтальпы (i =const) спускаются круто вниз.

Линии постоянной удельной энтропии (s = const) Ha s, T-диаграмме вертикальны, а на i, lgр-диаграмме располагаются примерно под углом 45° к горизонтали.

С небольшим подъемом от горизонтали идут на обеих диаграммах линии постоянного удельного объема (ν = const). Большим давлениям р соответствует меньший удельный объем ν.

Поскольку при работе парокомпрессионной холодильной машины в установившемся (стационарном) режиме давления кипения р0 и конденсации рк хладагента постоянны, количество подводимой или отводимой теплоты изображается на i, lgр-диаграмме в виде отрезка прямой линии и равно разности энтальпий в начале и конце процесса. В этом заключается достоинство i, lgp-диаграммы, которое обусловило ее широкое использование для расчета парокомпрессионных холодильных машин.

Контрольные вопросы:

1. Каковы основные элементы холодильного контура?
2. В чем заключается принцип работы холодильной машины
3. Как представляется процесс работы холодильной машины в диаграммах?

Литература:

1. Изучающим основы холодильной техники. Под общей редакцией А. Д. Акимовой. М., 1996. – 144 с.