Главная Минимаркер Железнодорожный транспорт Минимаркер Транспортная энергетика (хладотранспорт) Минимаркер Тепловые процессы холодильной машины в диаграммах Т – s и lg p – i

Тепловые процессы холодильной машины в диаграммах Т – s и lg p – i

Страница 5 из 13

Теоретические циклы холодильных машин рассчитывают исходя из следующих предположений:

  • процессы кипения и конденсации протекают при неизменных давлениях и температурах;
  • компрессор идеальный (без теплообмена, трения, потерь на дросселирование, вредного пространства и утечек);
  • сжатие адиабатическое;
  • понижение давления хладагента, поступающего из конденсатора в испаритель, происходит в дроссельном регулирующем вентиле;
  • состояние хладагента в трубопроводах не изменяется.

В паровой холодильной машине наиболее близким обратимому циклу рабочего тела является обратный цикл Карно. Однако рабочие процессы применяемого теоретического цикла этой машины отличаются от цикла Карно, так как в действительном цикле расширительный цилиндр заменен дроссельным или регулирующим вентилем и компрессор всасывает не влажный пар, а сухой насыщенный или немного перегретый.

Для того чтобы оценить потери, вносимые регулирующим вентилем, рассмотрим цикл идеальной паровой холодильной компрессионной машины с расширителем и сравним его с циклом машины, которая имеет регулирующий вентиль. Условимся, что все другие потери отсутствуют, т. е. все остальные процессы, кроме дросселирования, обратимы.

На (рис. 1, а) показана принципиальная схема идеальной холодильной машины, состоящей из конденсатора, компрессора, расширительного цилиндра (детандера) и испарителя. Цикл такой машины происходит в области влажного пара между пограничными кривыми х = 0 и х = 1 (рис. 1, б).

В идеальной холодильной машине детандер предназначен для того, чтобы подготовить хладагент к восприятию тепла при низкой температуре, т. е. охладить его. Это достигается понижением энергии хладагента за счет дополнительной работы lp. После совершения такой работы в детандере жидкий хладагент поступает в испаритель, где кипит при постоянной температуре и постоянном давлении р0 (линия 4–1). Во время кипения хладагент отнимает тепло q0 от охлаждаемой среды. Из испарителя компрессор засасывает влажный пар хладагента и сжимает его адабатически (линия 1–2) до давления рк, на что затрачивается работа l. Температура пара при этом повышается до Тк.

Холодопроизводительность машины определяется площадью α – 1 – 4 – β.

Схема идеальной холодильной машины и ее цикл в координатах Т – s

Рис. 1 – Схема идеальной холодильной машины и ее цикл в координатах Тs

Сухой насыщенный пар нагнетается компрессором в конденсатор, где конденсируется при постоянном давлении рк и температуре Тк (линия 2–3), отдавая охлаждающей среде (воде или воздуху) тепло q0 полученное в испарителе, и тепло, эквивалентное работе компрессора l.

Из конденсатора жидкий хладагент поступает в детандер. Здесь происходит его расширение при постоянной энтропии (линия 3–4), и работа l р, полученная за счет внутренней энергии, используется как вспомогательная для привода компрессора. В результате расширения температура хладагента понижается до T0 а давление – до р0. С этими параметрами он снова поступает в испаритель.

Таким образом, цикл, осуществляемый идеальной холодильной машиной в области влажного пара, совпадает с обратным циклом Карно. Но современные машины работают с отклонением от него, так как детандер заменен в них регулирующим вентилем РВ (рис. 2, а).

В компрессионных холодильных машинах детандер (расширительный цилиндр) не ставят из-за трудности изготовления цилиндра малых размеров с весьма ранней отсечкой. Отсечка определяется объемом жидкого хладагента, поступающего из конденсатора или переохладителя в цилиндр.

С заменой детандера регулирующим вентилем адиабатическое расширение заменяется дросселированием. При этом энтальпия в точках 3 и 4 одинаковая. Под процессом дросселирования понимают снижение давления жидкости или пара (газа) во время прохождения через суженное сечение регулирующего вентиля при отсутствии теплообмена с окружающей средой и без осуществления внешней работы. Дросселирование является необратимым процессом, так как тепло, развитое трением и завихрением в потоке, не может быть полностью превращено обратно в другой вид энергии. Это тепло подводится к хладагенту и вызывает бесполезное парообразование. При этом полезная холодопроизводительность каждого килограмма жидкого хладагента снижается.

Процесс в регулирующем вентиле идет не по адиабате 3–4, (рис. 2, б), а по изоэнтальпии 3–4ʹ. Как видно из диаграммы, при регулирующем вентиле не только теряется работа lp, полученная в детандере и изображенная площадью 5–3–4, но и уменьшается холодопроизводительность на величину, равную площади β – 4 – 4ʹ – γ.

Схема и циклы холодильной машины с регулирующим вентилем

Рис. 2 – Схема и циклы холодильной машины с регулирующим вентилем

Дросселирование сопровождается понижением температуры хладагента. На диаграмме lg р – i (рис. 2, в) этот процесс показан вертикальной прямой, т. е. линией 3–4ʹ постоянного теплосодержания. Конец дросселирования определяется точкой 4ʹ. Отрезок 3–4 представляет собой перепад давлений ркр0 в регулирующем вентиле.

Работа, которую мог бы произвести хладагент в детандере, является потерянной, и количество затрачиваемой внешней энергии определяется полной работой компрессора, то есть без вычета из нее работы детандера. Тепловая энергия хладагента, которая могла быть использована в детандере, переносится за регулирующий вентиль и расходуется на кипение, в результате чего снижается холодопроизводительность.

Величина потерь холодопроизводительности зависит от рода и физических свойств хладагента, теплоемкости жидкости, теплоты парообразования и критических параметров. Для аммиака потери от дросселирования несколько меньше, чем для хладона-12. Кроме того, потери при дросселировании зависят от режима работы холодильной машины; они тем больше, чем больше разность между температурами конденсации и кипения.

Потери от дросселирования можно сократить, понизив температуру жидкого хладагента перед регулирующим вентилем ниже температуры конденсации, что является вторым отклонением от обратного цикла Карно. Этот процесс условно называется переохлаждением жидкости и достигается применением более холодной воды в специальных аппаратах – переохладителях. Значительное переохлаждение почти до температуры выходящей охлаждающей воды с отводом тепла qп возможно в противоточном переохладителе, устанавливаемом после конденсатора (рис. 3, а). Обозначения параметров на (рис. 3) такие же, как на (рис. 1).

Схема и циклы холодильной машины с переохлаждением

Рис. 3 – Схема и циклы холодильной машины с переохлаждением

Переохлаждение не может быть достигнуто в присутствии паровой фазы хладагента. Следовательно, переохладителем может служить только та часть поверхности охлаждения противоточного аппарата, в которой жидкий хладагент движется по всему сечению.

Как видно из диаграммы Тs (рис. 3, б), процесс переохлаждения протекает при постоянном давлении по линии 3–3ʹ и совпадает с левой пограничной кривой х = 0. При переохлаждении количество тепла в жидком хладагенте уменьшается, парообразование в процессе дросселирования снижается, а холодопроизводительность (площадь α – 1 – 4ʹ – β) возрастает на величину Δq0, соответствующую площади β – 4ʹ – 4 – γ. Следовательно, увеличивается и холодильный коэффициент с переохлаждением

ɛc/п = (q0 + Δq0) / l > ɛб/п.

Каждый градус переохлаждения жидкого аммиака дает увеличение холодопроизводительности машины на 0,43%, жидкого хладона-12 – на 0,84% и фреона-22 – на 0,87%.

В транспортных холодильных установках переохлаждение обычно достигается путем соответствующего увеличения теплопередающей поверхности конденсатора или применения теплообменников.

Процесс сжатия, изображенный на (рис, 3, б), называется влажным ходом компрессора, так как он протекает в области влажных паров. Хотя точка 2, определяющая конец сжатия, характеризует насыщенный пар без наличия жидкости (х = 1), в действительности так не бывает. При сжатии влажного пара в процессе внутренней теплопередачи, требующей некоторого времени, частицы жидкости переходят в пар. В быстроходных компрессорах время сжатия может быть меньше времени испарения частиц жидкости, что способствует возникновению гидравлического удара. Кроме того, точка 2 характеризует только средние параметры смеси перегретого пара и жидкости.

При влажном ходе частицы жидкости могут смывать смазочное масло со стенок цилиндра, что ускоряет их износ.

Сухой ход компрессора обеспечивается за счет пропуска паров через отделитель жидкости Ж (рис. 4, а). При сухом ходе цикл теряет прямоугольную форму в координатах Тs (рис. 4, б), присущую циклу Карно. Это является третьей особенностью цикла паровой холодильной машины, отличающей его от цикла Карно. Переход от всасывания влажного пара к всасыванию сухого насыщенного (точка 1), с одной стороны, увеличивает холодопроизводительность 1 кг хладагента q0 (площадь 1 – 1ʹ – α – γ), с другой – требует увеличения работы компрессора (площадь 1ʹ – 2ʹ – 2 – 1).

Схема и циклы холодильной машины с сухим ходом компрессора

Схема и циклы холодильной машины с сухим ходом

Рис. 4 – Схема и циклы холодильной машины с сухим ходом компрессора

На диаграмме lg pi холодопроизводительность и затраченная компрессором работа выражены отрезками q0 и l (рис. 4, в).

Как видно из диаграмм (см. рис. 4, б и в), компрессор засасывает из испарителя только сухие пары (точка 1). Работа при сухом ходе компрессора сопровождается перегревом пара хладагента (точка 2).

Теоретически переход на работу с сухим ходом компрессора невыгоден, так как от этого уменьшается холодильный коэффициент машины. Однако при влажном ходе сокращается объем засасываемых компрессором паров ввиду того, что в «мертвом» (вредном) пространстве происходит дополнительное парообразование содержащихся в паре частиц жидкости. Такое парообразование задерживает открытие всасывающего клапана компрессора и тем самым уменьшает количество паров хладагента, засасываемых в цилиндр. Поскольку холодопроизводительность машины при этом снижается, компрессоры обычно работают с перегретым паром.

Низкие объемные и энергетические коэффициенты обусловливают увеличение размеров и повышение мощности компрессоров с влажным ходом, что создает предпосылки для применения холодильных машин с сухим ходом компрессора.

Теоретический цикл одноступенчатой паровой компрессионной холодильной машины в координатах Тs и lg рi (см. рис. 4, б и в) характеризуется засасыванием из испарителя в компрессор сухого насыщенного пара и его адиабатическим (1 – 2) одноступенчатым сжатием, охлаждением (2 – 2ʹ, изобара) и конденсацией пара в конденсаторе (2ʹ – 3, изобара и изотерма) при температуре Tк и давлении рк, переохлаждением хладагента (3 – 3ʹ, изобара), дросселированием его в регулирующем вентиле (3ʹ – 4ʹ, изоэнтальпия) и кипением в испарителе (4ʹ – 1, изобара и изотерма) при температуре Т0 и давлении р0.

Количество тепла q0, отнимаемое в испарителе предварительно охлажденным хладагентом (площадь 1 – 4ʹ – βʹ – γ или отрезок q0 = i1i), больше отнимаемого без предварительного охлаждения (площадь 1 – 4 – β – γ или отрезок i1i 4).

На рис. 5 показана схема холодильной машины с теплообменником III, в котором происходит теплообмен между жидким хладагентом и всасываемыми парами. Этот регенеративный теплообменник переохлаждает жидкость, поступающую из конденсатора II, за счет перегрева пара, всасываемого из испарителя IV. В конденсаторе пар переходит в жидкость (линия 2" – 3), переохлаждается (линия 3 – 3ʹ), а затем поступает в теплообменник и дополнительно охлаждается (линия 3ʹ – 3") посредством пара, поступающего из испарителя IV в перегретом состоянии (линия 1ʹ – 1ʹʹ).

Схема и циклы холодильной машины с регенеративным теплообменником

Рис. 5 – Схема и циклы холодильной машины с регенеративным теплообменником: а – схемы машины; б и в – тепловой процесс в координатах соответственно Т s и p i

Как видно из диаграммы, применение таких теплообменников позволяет увеличить холодопроизводительность машины на Δq0 (площадь α – 4 – 4ʹ – β) и улучшить ее холодильный коэффициент. Но не всегда бывает так. При теплообменнике сжатие на диаграмме Тs перемещается в область перегретого пара и работа, затрачиваемая на сжатие, увеличивается на Δl, равное площади 1 – 1" – 2" – 2. Такой регенеративный теплообмен целесообразно применять для хладагентов с небольшим отношением скрытой теплоты парообразования к теплоемкости жидкости (хладон-12, фреон-22). Для аммиака нецелесообразно применять регенеративные теплообменники.

Использование теплообменника оправдывается в следующих случаях: когда пар, поступающий в компрессор I (см. рис. 5, а), должен быть перегретым для предупреждения попадания жидкости в цилиндр компрессора и уменьшения растворения рабочего вещества в масле; когда желательно переохлаждать хладагент, поступающий из конденсатора, для предупреждения образования пузырьков пара, мешающих проходу потока через регулирующий вентиль РВ. Регенеративный теплообменник позволяет несколько увеличить коэффициент подачи.


© 2013 - 2017 Учебно-образовательный портал "Все лекции"
Материалы, представленные на страницах нашего сайта, созданы авторами сайта, присланы пользователями, взяты из открытых источников и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Все авторские права на материалы принадлежат их законным авторам.
Разработка сайта - Скобелев Алексей





Яндекс.Метрика