Термодинамические процессы в холодильных циклах

 

Охлаждение осуществляется, когда между телами происходит теплообмен. А это возможно, если тела имеют различные температуры. Для обеспечения непрерывности процесса теплоотвод должен функционировать постоянно. Это возможно, если обеспечить постоянное восстановление первоначального состояния источника низкой температуры. Этот метод непрерывного получения низкой температуры широко применяется в холодильной технике с использованием различных холодильных машин.

Для охлаждения машинными способами помимо охлаждаемого тела и приемника теплоты (окружающей среды) требуется еще третье тело, переносящее теплоту от первого ко второму. Это третье тело называется рабочим телом или холодильным агентом (хладагентом).

Холодильный агент, претерпевая ряд фазовых изменений, возвращается в первоначальное состояние, совершая непрерывно круговой процесс (цикл).

В отличие от прямого цикла (цикл тепловой машины), когда работа производится при переходе теплоты от более нагретого тела к менее нагретому телу, круговой процесс, в котором для передачи теплоты от менее нагретого тела к более нагретому телу необходимо подводить работу (или теплоту), называется обратным циклом.

Если при осуществлении процессов, образующих обратный цикл, у взаимодействующих тел не наблюдаются остаточные изменения, т.е. эти процессы обратимы, то и обратный цикл обратим. На осуществление обратимого цикла требуется минимум работы или теплоты, поэтому он является эталоном. Обратимый холодильный цикл 1-2-3-4, приведенный на рис.2.2, показан на диаграмме S-T (энтропия — абсолютная температура).Он состоит из двух изотермических (4-1) и (2-3), двух адиабатических (1-2) и (3-4) процессов. Такой цикл называется циклом Карно. Холодильный агент получает теплоту от охлаждаемого тела и передавать ее окружающей среде при постоянных температурах.

T

 

Т_ос 3● ●2

 

 

 

Т_ох 4● ●1

 

a b S

Рис.2.2. Обратный цикл Карно

На участке 4–1 кругового процесса (рис. 2.2) холодильный агент в результате теплообмена получает теплоту от охлаждаемого тела. Полученная теплота передается на участке 2-3 приемнику теплоты, которым является обычно окружающая среда (атмосферный воздух, вода). Но самопроизвольно такой переход теплоты невозможен, так как температура окружающей среды (Т _ос) выше, чем температура холодильного агента (Т _ох).

Для того чтобы холодильный агент мог передать полученную теплоту окружающей среде, необходимо подвести к нему энергию в виде работы или теплоту (участок 1-2). Это способствует повышению его температуры настолько, чтобы холодильный агент мог самопроизвольно передать полученную в предшествующих процессах теплоту окружающей среде. На участке (3-4) хладагент возвращается в первоначальное состояние.

В изотермическом процессе 4-1 каждый килограмм циркулирующего холодильного агента получает от охлаждаемого тела теплоту q _о, которая называется удельной массовой холодопроизводительностью холодильного агента и выражается площадью 4-1-b-а-4:

 

q_o = T_ox(S_b – S_a)

 

В процессе 1-2 при затрате работы l _сж холодильный агент адиабатически сжимается и его температура повышается от T _{о х} до T _ос..

В изотермическом процессе 2-3 каждый килограмм циркулирующего холодильного агента отдает окружающей среде теплоту q _к, измеряемую площадью 2-З- а- b-2:

 

q_k = T_oc(S_b – S_a)

 

В адиабатическом процессе 3—4 холодильный агент расширяется с получением работы l _р и в результате температура хладагента понижается от T _ос до T _ох.

Работа цикла l _цпревращается в теплоту, подводимую к холодильному агенту, и определяется как разность работ, затраченной на сжатие холодильного агента l _сж и полученной при его расширении l _р:

l_ц = l_сж - l_р

В соответствии с первым началом термодинамики сумма энергии, подведенной к холодильному агенту, должна равняться сумме энергии, отведенной от него:

q = q_о + l_ц

Отсюда

l_ц = q - q_о

 

В S-T диаграмме работа цикла выражается площадью 1-2-3-4-1.

Отношение теплоты «q_о», приобретенной холодильным агентом от охлаждаемого тела, к работе цикла «l_ц», называется холодильным коэффициентом:

ε =

Холодильный коэффициент характеризует эффективность осуществления холодильного цикла. Его можно выразить через температуры:

ε =

Из этого выражения следует, что при температуре окружающей среды T _oc, затрата работы на единицу отведенной теплоты будет тем больше, чем ниже температура T _ох. Совокупность технических устройств, обеспечивающих осуществление холодильного цикла, и называется холодильной машиной.

Реальные циклы являются необратимыми вследствие необратимости действительных процессов: теплообмена с окружающей средой, расширения и сжатия хладагента, из-за наличия трения, при прохождении жидкости в дроссельном устройстве и т.д..

На рис. 2.3 и 2.4 изображены принципиальная схема и цикл в диаграмме I - lgp

паровой одноступенчатой холодильной машины

Рис.2.3 Принципиальная схема одноступенчатой холодильной машины

Рис.2.4 Цикл одноступенчатой холодильной машины

Расчет основных теплофизических характеристик холодильной машины сводится к определению следующих величин:

- удельная массовая холодопроизводительность:

Q_о = i_1" - i₄, кДж/кг.

- удельная работа сжатия холодильного агента в компрессоре:

l = i₂ - i_1", кДж/кг.

- дельная теплота, отводимая от холодильного агента в конденсаторе:

q_к = i₂ + i_3", кДж/кг.

- уравнение теплового баланса:

q_к = q_о + l, кДж/кг.

- холодильный коэффициент теоретического цикла:

e = q_о / l,кг/с.

- массовая производительность компрессора, то есть масса холодильного агента, циркуляцию которого обеспечивает компрессор за 1 секунду:

M_а = Q_о / q_о,кг/с.

- удельная объёмная холодопроизводительность компрессора:

q_v = q_о / v_1',кДж/м³.

- действительная объёмная производительность компрессора, то есть объём паров, отбираемых компрессором из испарителя:

V_д = M_а · V_1' = Q_о / q_v, м³/с.

- объём, описанный поршнями компрессора:

V _h = V _д/ λ;,кг/с,

где λ; – коэффициент подачи компрессора (объёмные потери в компрессоре), зависит от режима работы, вида холодильного агента, конструкции компрессора и рассчитывается:

λ = λ_i λ_w,

здесь λ_i – объёмный индикаторный коэффициент, учитывающий объёмные потери в компрессоре из-за наличия мёртвого пространства и сопротивления в клапанах:

λ_i = 1 – с (P_к / P_о – 1),

где с – относительное мёртвое пространство в компрессоре:

- для аммиачных с = 0,04…0,05;

- для фреоновых с = 0,03…0,04.

λ_w – коэффициент подогрева, учитывающий объёмные потери от нагрева холодильного агента в цилиндре компрессора.

λ_w = T _о / T _к = ( 273 + t _о) / ( 273 + t_к).

Теоретическая мощность, затрачиваемая компрессором на адиабатическое сжатие холодильного агента:

N_т=M_а ·l, кВт.

Индикаторная мощность, затрачиваемая в действительном рабочем процессе на сжатие холодильного агента в цилиндре компрессора:

N_i = N Т / η _i, кВт,

где η _i – индикаторный КПД, учитывающий энергетические потери от теплообмена в цилиндре и от сопротивления в клапанах при всасывании и нагнетании:

η _i = λ_w + b · t_о,

- для аммиака b = 0,001;

- для фреона b = 0,0025.

 

Эффективная мощность – мощность на валу компрессора с учётом механических потерь (трение и т.д.):

N_e = N_i / η_мех, кВт,

где η_мех = 0,7…0,9 – механический КПД.

Мощность на валу электродвигателя:

N_эл = N_e / η_эл, кВт,

где η_эл = 0,8…0,9 - коэффициент полезного действия (КПД) электродвигателя.

Термодинамическое совершенствование цикла определяется сопоставлением его с обратимым циклом, имеющим ту же величину удельной массовой холодопроизводительности, и оценивается коэффициентом обратимости равным отношению холодильных коэффициентов реального цикла и цикла Карно.

Холодильный коэффициент обратимого цикла Карно больше холодильного коэффициента любого из циклов, осуществляемых в тех же температурных пределах, поэтому чем больше необратимость реального цикла, тем большую работу надо затратить для его осуществления.