Цикл паровой компрессионной холодильной установки

Значительно более выгодными и удобными по сравнению с воздушными являются паровые компрессионные установки, позволяющие в области насыщенного пара приблизить холодильный цикл к обратному циклу Карно (рис. 1).

Рис. 1 Схема (а) и цикл (б) паровой компрессионной холодильной установки

 

Насыщенный пар низкокипящей жидкости (хладагента) всасывается компрессором и адиабатно сжимается до давления конденсации р₂ с затратой работы l₀ (процесс 1 – 2). В точке 2 имеем перегретый пар. После компрессора сжатый перегретый пар поступает в конденсатор, где при постоянном давлении р₂ вследствие отнятия у пара теплоты q₁ охлаждающей водой (процесс 2 – 2^/ - 3) он превращается в кипящий жидкий хладагент. Причем сначала изобарно снижается температура перегретого пара по линии 2 – 2^/ до состояния сухого насыщенного пара, а затем в изобарно – изотермическом процессе через область влажного насыщенного пара он превращается по линии 2^/ - 3 в кипящий жидкий хладагент. Для дальнейшего снижения температуры хладагента можно было бы применить детандер (расширительный цилиндр) и осуществить в нём адиабатное расширение по линии 3 – 4^/ с производством внешней работы за счет убыли внутренней энергии. Однако для упрощения установки, уменьшения её стоимости и обеспечения гибкой регулировки детандер заменяют регулирующим дроссельным вентилем, в котором хладагент после конденсатора дросселируется с понижением давления и температуры в политропном необратимом процессе 3 – 4 при h = const. При этом сухость влажного насыщенного пара в точке 4 ниже, чем влажного насыщенного пара в точке 4^/. После дроссельного вентиля образовавшийся влажный насыщенный пар с низкой температурой Т₂ поступает по трубам в испаритель, находящийся в холодильной камере. В испарителе в изобарно – изотермическом процессе при Т₂ и р₁ происходит отбор теплоты q₂ от охлаждаемых объектов и за счет этого испарение хладагента в сухой насыщенный пар процесс 4 – 1. Образовавшийся сухой насыщенный пар (точка 1) вновь засасывается компрессором, и цикл повторяется.

Холодильный коэффициент:

ε = q₂/(q₁ – q₂) = q₂/q_ц.

Удельная хладопроизводительность

q₂ = h₁ – h₄ = h₁ – h₃.

Энтальпия хладагента до и после дросселирования не изменяется h₃ = h₄. Хотя замена детандера дроссельным вентилем упрощает конструкцию установки и удешевляет её, процесс дросселирования является необратимым, снижает хладопроизводительность установки на величину площади 4 – 4^/ - 3^/ - а, а также её эффективность. Количество теплоты, переданной в конденсаторе охлаждающей среде:

q₁ = h₂ – h₃.

Тогда холодильный коэффициент ε = (h₁ – h₃)/(h₂ – h₁). Отсюда следует, что ε увеличивается с повышением температуры в испарителе Т₂, (чем выше расположена линия 4 – 1, тем больше хладопроизводительность) и понижением температуры окружающей среды в конденсаторе Т₁ (линия 2^/ - 2 расположена ниже, затрачиваемая работа в компрессоре меньше).

Затрата работы в компрессоре при адиабатном сжатии 1 – 2: l₀ = h₂ – h₁. Процесс 3 – 4 совершается без внешней работы и на оценку работы цикла не влияет.

Реальный цикл парокомпрессионной холодильной установки отличается от теоретического тем, что из-за трения сжатие в компрессоре происходит не по адиабате, а по политропе. Кроме того, теплообмен происходит при конечной разности температур, в результате чего увеличивается затраты работы на сжатие, а действительный холодильный коэффициент оказывается меньше теоретического.

Эффективность холодильных установок зависит также от свойств хладагентов, к которым предъявляется ряд требований:

1) давление насыщенного пара хладагента, соответствующее требуемым низким температурам, должно быть выше атмосферного, т.к. при этом легче бороться с утечкой хладагента, чем с подсосом воздуха при вакууме. Попадающий в хладагент воздух сильно ухудшает теплопередачу и содержит влагу, которая может замерзать при низкой температуре;

2) теплота парообразования r должна быть по возможности больше, т.к. при одном и том же расходе хладагента она определяет хладопроизводительность установки;

3) хладагенты не должны вредно воздействовать на здоровье человека и не должны обладать коррозирующими свойствами.

Наиболее распространенным хладагентом является аммиак (t_s = - 33,5 ⁰C), позволяющий получить достаточно высокий холодильный коэффициент и относительно невысокое давление в цикле. Однако из-за токсичности аммиака в последнее время широко применяют фреоны (в частности, фреон – 12). По термодинамическим свойствам фреон – 12 ближе к аммиаку, хотя меньшая его теплота парообразования обуславливает большой расход хладагента.