книги из ГПНТБ / Основы теплотехники и гидрогазодинамики учеб. пособие

Г л а в а 9. ЦИКЛЫ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Под холодильными машинами понимаются установки, предназ­ наченные для понижения температуры тел ниже температуры окру­ жающей среды и непрерывного поддержания заданной низкой тем­ пературы.

Работа холодильных машин основана па переносе тепла от тел с более низкой температурой к телам, имеющим более высокие температуры. В соответствии со вторым законом термодинамики такой процесс самопроизвольно осуществляться не может, поэто­ му непременным условием его осуществления является наличие еще дополнительного .компенсирующего процесса, которым чаще всего является превращение механической работы в тепло, а в ря­ де случаев переход тепла от дополнительно вводимых в цикл более нагретых тел к менее нагретым. Короче говоря, получение холода всегда сопровождается дополнительными затратами энергии.

Рис. 9.1. Обратный обратимый цикл Карно:

о — в к о о р д и н а т а х T—s; 6—в к о о р д и н а т а х p—v.

В этом цикле рабочее тело или так называемый холодильный агент при изотермическом расширении 41 получает от охлаждае­ мого тела (теплоотдатчшса), имеющего низшую температуру Ть количество тепла qx, соответствующее площади 16541. Затем ра­ бочее тело подвергается адиабатному сжатию 12, в связи с чем тем­ пература его повышается от Г, до Тт —температуры теплопрмем-

210

ние рабочего тела 34, при котором оно охлаждается от температу­ ры Ттдо температуры Тх.

Таким образом, в итоге осуществления обратного цикла от ох­ лаждаемого тела отводится и передается окружающей среде с бо­ лее высокой температурой некоторое количество тепла qx. При этом затрачивается внешняя работа 4. равная разности работ сжа­ тия и расширения рабочего тела п соответствующая площади 1234L Эта работа превращается в тепло п передается вместе с отводи­

Количество тепла, отводимого в холодильной установке от охлаждаемого тела в единицу времени, называется холодопроизводительностью установки. Холодопроизводптельность, приходящая­ ся на I кг рабочего тела (агента), носит название удельной холодопроизводительности.

Для характеристики теоретических циклов, при помощи кото­ рых осуществляется перенос тепла от менее нагретых тел к более нагретым, используется так называемый холодильный коэффици­ ент цикла et, представляющий собой отношение количества теп­ ла, отводимого в цикле от охлаждаемого тела, к количеству тепла, соответствующего теоретически необходимой работе цикла, т. е.

Тогда

*= 45— 1.

Л4

т. е. существует прямая связь между холодильным коэффициентом обратного обратимого цикла и термическим к. п. д. соответствую­ щего ему прямого обратимого цикла.

шее значение, чем меньше отношение средних температур отвода и подвода тепла в холодильном цикле. Как видно из уравнения (9.4), г, всегда больше единицы.

Рассмотренный холодильный коэффициент является теорети­ ческим и характеризует обратимые циклы. Он не учитывает необ­ ратимости процессов действительных рабочих циклов и поэтому не может отражать в полной мере термодинамического совершен­ ства реальных холодильных машин.

Более полную характеристику холодильных машин дает дейст­ вительный холодильный коэффициент, равный отношению количе­

ЦИКЛ ВОЗДУШНОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ МАШИНЫ

Принципиальная схема воздушной холодильной машины изо­ бражена на рис. 9.2, а. Рабочий процесс ее осуществляется в такой последовательности. Воздух из змеевика 1, находящегося в охлаж­ денном помещении, засасывается компрессором 2, адиабатно сжи­ мается до давления с повышением температуры до Т2 и подает­ ся в теплообменник 3, где охлаждается водой. После охлаждения в теплообменнике до температуры Тз, близкой к температуре окру­ жающей среды, воздух при давлении р2 поступает в расширитель­ ный цилиндр (детандер), где адиабатно расширяется до давления Ра, производя при этом полезную работу. В процессе расширения температура воздуха значительно снижается (до минус 60—70° С)

212

ii он при низкой температуре подается в змеевик 1, где, нагреваясь до температуры Гi, отбирает тепло от охлаждаемого тела. В даль­ нейшем все процессы цикла повторяются в рассмотренной после­ довательности.

соответствует затраченной работе по переносу тепла. За счет этой работы происходит круговой процесс изменения состояния рабо­ чего тела, обеспечивающий передачу тепла от тела с менее высо­ кой температурой (охлаждаемого помещения) к телу с более высо­

213

q* — ср (Т1 T'i)]

qr= cp { T , - T z).

А тепло, эквивалентное работе цикла, определится как

1 (т'2— г3)— (7',— т:Г)’

Так как процессы сжатия 12 и расширения 34 осуществляются адиабатно между одними и темп же давлениями р\ и р2, то

7; т\

Т\ т

С учетом последнего выражения окончательно получим

Тх

(9.6)

Тг - Т х

Цикл воздушной холодильной машины является внешне необ­ ратимым циклом, так как он осуществляется всегда при конечной разности температур. Действительно, для того чтобы тепло в теп­ лообменнике 3 передавалось от рабочего тела к охлаждающей во­ де, температура последней на выходе не может быть выше темпе­ ратуры Тз, а для того чтобы тепло воспринималось рабочим телом от охлаждаемого тела в змеевике 1, температура охлаждаемого тела не может быть ниже температуры 7V

Полностью обратимый цикл с источниками тепла Т\ и Т3 на рис. 9.2, в изображается контуром 12'34'1 и представляет собой обратимый цикл Карно. Холодильный коэффициент такого цикла

Ti

е©

т. е. холодильный коэффициент термодинамического цикла воз­ душной холодильной машины вследствие внешней необратимости процессов всегда меньше холодильного коэффициента обратимого цикла Карно, осуществляемого при тех же температурах теплоотдатчпка и теплоприемника.

В действительных циклах воздушных холодильных машин, на­ ряду с внешней необратимостью, имеет .место(внутренняя необрати­ мость процессов, связанная с наличием дополнительных потерь в компрессоре н расширителе. В результате этих потерь в компрес­ соре затрачивается дополнительная работа, а в расширителе умень­ шается получаемая энергия и сокращается холодопронзводитель-

214

ность (рис. 9.3). В связи с этим действительный холодильный коэф­ фициент £д воздушной холодильной машины всегда меньше тео­ ретического холодильного коэффициента причем тем значи­ тельнее, чем больше потерн в компрессоре и расширителе.

Значения холодильного коэффициента воздушной холодильной машины определяются уравнением

Т)к-.а

.рации тепла. Схем.а холодильной машины с регенерацией тепла изображена на рис. 9.4, а. Здесь сжатый воздух после холодиль­ ника 3 дополнительно еще охлаждается в регенераторе 5 возду­ хом, поступающим туда от охлаждаемого тела / и имеющим еще достаточно низкую температуру.

Термодинамический регенеративный цикл рассматриваемой хо­ лодильной машины изображен на рис. 9.4, б. Теоретический холо­ дильный коэффициент для регенеративного цикла в пределе равен

. =

“/р Тй — Tz ’

т. е. соответствует холодильному коэффициенту обратного цикла Карно для интервала температур 74— 73. Действительный холо­ дильный коэффициент регенеративного цикла также всегда имеет более высокие значения, чем аналогичный коэффициент цикла без

215

регенерации, поскольку регенеративный цикл совершается црп значительно меньшей работе сжатия, а следовательно, н при

Рис. 9.4. Принципиальная схема и термодинамический цикл воз­ душной холодильной машины с регенерацией тепла:

а — п р и н ц и п и а л ь н а я с х е м а ; б —т е р м о д и н а м и ч е с к и й ц и к л в к о о р д и н а т а х Т— .ч: 1 — о х л а ж д а е м о е т е л о ; 2— р а с ш и р и т е л ь ; 3 —х о л о д и л ь н и к ; •/— к о м п р е с с о р ; о — р е г е ­

н е р а т о р .

шнх 'потерях. Менее высокие давления воздуха в компрессор', п меньшая степень сжатия в регенеративном цикле позволяю" ис­ пользовать турбокомпрессоры, благодаря чему обеспечивается воз­ можность значительного повышения производительности : лодильной установки.

В заключение заметим, что v воздушных холодильных машин вследствие малой теплоемкости воздуха удельная холодопропзводительность незначительна, что является наиболее существенным недостатком машин этого типа. Поэтому применение поршневых воздушных холодильных машин малоцелесообразно. Использова­ ние воздушных холодильных машин с регенерацией при наличии высокоэкономпчных турбокомпрессоров и турбодетандеров может иметь определенные перспективы там, где требуются установки большой мощности.

ЦИКЛ ПАРОВОЙ КОМПРЕССОРНОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ МАШИНЫ

В качестве рабочего тела в компрессорных паровых холодиль­ ных машинах используются обычно вещества с низкими темпера­ турами кипения (около или ниже 0°С при атмосферном давлении). К этим веществам предъявляются следующие основные тс-гбо- ванпя:

—большая скрытая теплота парообразования при малой теп­ лоемкости насыщенного пара н малой теплоемкости жидкой фазы;

—достаточно высокая критическая температура;

—низкая упругость насыщенных паров в рабочем интервале температур;

216

—. невысокая стоимость, химическая инертность к конструктив­ ным материалам, неядовнтость и т. п.

Указанным требованиям удовлетворяют в тон пли иной степени ряд химических соединений. Наибольшее применение в настоящее время находят аммиак и фреоны (фторхлорпроизводные углево­ дородов типа C,„HxFyCL). Достоинством фреонов является из­ менение температуры кипения в широких пределах в зависимости от химического состава, это дает возможность использовать их в холодильной технике для самых различных целей.

Основные преимущества паровых компрессорных холодильных машин, по сравнению с воздушными холодильными машинами, за­ ключаются в более высоких значениях холодильного коэффициен­ та и значительно большей удельной холодопропзводнтельностп. благодаря чему такие мдшины имеют малый объемный расход ра­ бочего тела и малые габариты. Кроме того, 'использование рабо­ чего вещества в этих машинах в жидкой и газообразной фазах де­ лает принципиально возможным техническое осуществление обрат­ ного цикла Карно. Указанные положительные качества паровых компрессорных холодильных машин обеспечили им широкое при­ менение в технике.

Принципиальная схема паровой компрессорной холодильной машины показана на рис. 9.5, а, а ее цикл изображен на рис. 9.5.

о и в.

о)

Рис. 9.5. Принципиальная схема и термодинамическим цикл паровой компрессорной холодильной машины:

л — п р и н ц и п и а л ь н а я с х е м а ; о - т е р м о д п н а м и ч е с к п й ц и к л и к о о р д и н а т а х р —v\ g — т е р м о д и н а м и ч е с к и й ц и к л в к о о р д и н а т а х Т—s; / — з м е е в и к ; 2— к о м п р е с с о р ; J — к о н д е н с а т о р ; 4 —р а с ш и р и т е л ь .

217

Жидкий холодильный агент, воспринимая тепло от охлаждае­ мого тела (процесс 41), испаряется при температуре Tt и давле­ нии р[ в испарителе 1, переходя в состояние влажного пара. Влаж­ ный пар из змеевика засасывается компрессором и адиабатно сжи­ мается до температуры То и давления р-> (процесс 12), превра­ щаясь в сухой насыщенный пар. Из компрессора 2 холодильный агент поступает в конденсатор 3, где отдает тепло (процесс 23) охлаждающей воде при постоянном давлении рз = р-> и соответст­ вующей ему температуре Ж, превращаясь в жидкую фазу. Жидкий холодильный агент расширяется в расширителе 4 (процесс 34) до давления рх, превращаясь во влажный пар, соответствующий точ­ ке 4 на диаграммах цикла. В дальнейшем процесс повторяется.

Поскольку изобары насыщенного пара являются также п изо­ термами, холодильный коэффициент рассмотренного цикла совпа­ дает с циклом Карно и равен

Тг, Т3— температуры рабочего тела в соответствующих точках.

Практическое осуществление рассматриваемого цикла нецеле­ сообразно из-за следующих обстоятельств:

— работа расширения в детандере (процесс 34) с учетом по­ терь на трение оказывается незначительной и не оправдывает за­ трат на его изготовление и обслуживание;

— экономически выгоднее полностью испарять в испарителе всю жидкую фазу холодильного агента, благодаря чему увеличи­ вается холодопроизводительность машины;

•— в целях уменьшения размеров поверхностей теплообменных аппаратов целесообразно в конденсаторе и испарителе иметь опре­ деленные разности температур, т. е. допускать некоторую внешнюю необратимость цикла.

С учетом указанных обстоятельств схема и цикл паровой ком­ прессорной холодильной машины несколько изменяются. Вместо детандера устанавливается дроссельный вентиль, который служит также для регулирования количества жидкости, подаваемой в ис­ паритель. Замена детандера дроссельным вентилем значительно упрощает устройство машины, а дополнительные потерн, вызван­ ные наличием дросселя, практически несущественны вследствие большой величины отношения работы сжатия и расширения в ис­ ходном цикле Карно.

Схема паровой компрессорной холодильной машины с дроссель­ ным вентилем и ее цикл изображены на рис. 9.6. Замена расшири­ тельного цилиндра (4 на рис. 9.5, а) дроссельным вентилем (4 на

218

рис. 9.6, а) приводит к потере работы -д- (у — у), равной работе

расширения пара в расширительном цилиндре, в связи с чем на эту же величину возрастает затрачиваемая на привод машины внешняя работа (пл. 3453 на рис. 9.6,6). Потерянная работа пре-

Рис. 9.6. Принципиальная схема и циклы паровой компрессорной холодильной машины с дросселирующим вентилем:

а — п р и н ц и п и а л ь н а я с х е м а ; у — т е р м о д и н а м и ч е с к и й ц и к л п р и д р о с с е л и р о в а н и и р а б о ­ ч е г о т е л а ; в— т е р м о д и н а м и ч е с к и й ц и к л п р и п о л н о м и с п а р е н и и ж и д к о с т и в и с п а р и ­ т е л е ; г — т е р м о д и н а м и ч е с к и й ц и к л п р и п о л н о м и с п а р е н и и ж и д к о с т и в и с п а р и т е л е и п р и п е р е о х л а ж д е н и и с к о н д е н с и р о в а н н о г о х о л о д и л ь н о г о а г е н т а ; / — х о л о д и л ь н и к ; 2— к о м п р е с с о р ; 3—о х л а ж д а е м о е т е л о ; 4 — д р о с с е л ь н ы й в е н т и л ь .

вращается в тепло н воспринимается холодильным агентом, в результате чего в дроссельном вентиле происходит бесполезное паро­ образование (участок 46) и холодопроизводительность машины уменьшается от значения й —У до значения А — t'e, снижаясь на величину

А Яг = i\ У У h = ^6 i-i = h

поскольку дросселирование осуществляется обычно таким обра­

зом, ЧТО 1з = 1бНа рис. 9.6 б снижение холодопронэводительностп машины со­

ответствует пл. 64876, причем в соответствии с изложенным выше пл. 64876 = пл. 3453, т. е. в результате дросселирования внешняя ра­ бота цикла увеличивается, а холодопроизводительность его умень­ шается на одну и ту же величину.

219