Компрессионных холодильных машин

Схема и цикл с расширением и сжатием в области влажного пара.

А Б В

Рисунок 5.1.Схема и цикл одноступенчатой холодильной машины с сжатием и расширением в области влажного пара.

Цикл с расширением рабочего вещества осуществляется в холодильной машине, состоящей из компрессора, конденсатора, детандера и испарителя (см.рисунок 5.1.). Влажный пар холодильного агента состояния т.1 выходит из испарителя и поступает на всасывание в компрессор. В компрессоре влажный пар адиабатически сжимается при постоянной энтропии в процессе 1 – 2 от давления кипения Р_о до давления конденсации Р_к. Причем точка 2, характеризующая состояние хладагента в конце сжатия, лежит на правой пограничной кривой. Для осуществления процесса сжатия затрачивается работа сжатия l_сж. После компрессора сжатый насыщенный пар направляется в конденсатор, где конденсируется при постоянной температуре Т_к и постоянном давлении Р_к в процессе 2 – 3 за счет теплообмена с внешней охлаждающей средой (водой или воздухом). При этом от холодильного агента отводится теплота конденсации q_к. В процессе конденсации образуется насыщенная жидкость, которая затем поступает в детандер. В детандере хладагент адиабатически расширяется в процессе 3 - 4 от давления конденсации Р_к до давления кипения Р_о при постоянной энтропии с совершением полезной работы расширения l_р. После детандера холодильный агент направляется в испаритель, где жидкость кипит (испаряется) при постоянной температуре Т_о и постоянном давлении Р_о в процессе 4 - 1, отнимая теплоту q_о от охлаждаемой среды. Образовавшийся при кипении влажный пар всасывается компрессором и цикл повторяется вновь.

Удельная холодопроизводительность цикла или количество теплоты, подведенной к 1 кг холодильного агента в испарителе q_о в S - T-диаграмме эквивалентна площади под процессом кипения 4 - 1, т.е. Пл.14аб1 или может быть определена разностью энтальпий хладагента в начале h₄ и конце h₁ процесса:

q_o = Пл.14аб1 = h₁ – h₄.

Удельная теплота конденсации q_к в S - T- диаграмме измеряется площадью под процессом конденсации 2 - 3, т.е. Пл. 23аб2 или определяется разностью энтальпий хладагента в начале h₂ и в конце h₃ процесса:

q_к= Пл.23аб2 = h₂ – h₃.

Удельная работа цикла l_ц находится из теплового баланса холодильной машины:

q_к = l_ц + q_о

Отсюда получем:

l_ц = q_к – q_о= Пл.23аб2 – Пл.14аб1 = Пл.12341.

Таким образом, удельная работа цикла равна разности теплоты, подведенной в конденсаторе и теплоты, отведенной в испарителе и в S - T- диаграмме эквивалентна площади самого цикла 12341.

С другой стороны с учетом энтальпий холодильного агента

l_ц = q_к – q_о = (h₂ – h₃) – (h₁ – h₄),

или после преобразования получается:

l_ц = (h₂ – h₁) – (h₃ – h₄) = l_сж - l_р,

где l_с = (h2 – h1) – удельная работа сжатия, т.е. работа, затраченная на сжатие 1 кг пара холодильного агента в процессе 1-2, Дж/кг; l_р = (h3 – h4) – удельная работа расширения, т.е. полезная работа, полученная в детандере одним килограммом хладагента в процессе 3-4, Дж/кг.

Термодинамическая эффективность цикла находится как отношение удельной холодопроизводительности к затраченной работе цикла:

.

Данный цикл можно рассматривать как теоретический цикл Карно при условии, что температура конденсации T_к будет равна температуре окружающей среды T_ос, а температура кипения холодильного агента в испарителе будет равна температуре охлаждаемой среды (источника низкой температуры) Т_инт. При этом все процессы цикла будут обратимыми, а работа цикла будет минимальной l_min.

Термодинамическая эффективность цикла Карно оценивается теоретическим холодильным коэффициентом. который является самым высоким из всех обратных термодинамических циклов при одинаковой разнице температур (Т_ос – Т_инт).