Цикл бытовой компрессионной холодильной машины с капиллярной трубкой и регенеративным теплообменником

Цикл паровой компрессионной холодильной машины представляет собой замкнутую последовательность процессов, происходящих в отдельных элементах холодильного агрегата.

Конструктивное исполнение холодильных агрегатов бытовых холодильников может быть различным, однако они всегда включают в себя следующие основные элементы: компрессор, конденсатор, фильтр – осушитель, капиллярную трубку, испаритель, всасывающий трубопровод (рис.1). Часть капиллярной трубки и всасывающего трубопровода, находящиеся в тепловом контакте, образуют регенеративный теплообменник.

Все поле диаграмм Т - S и P - i двумя пограничными кривыми - линией насыщенной жидкости (слева) и линией насыщенного пара (справа) разделяется на три зоны. Слева от левой пограничной кривой находится область переохлажденной жидкости. Между левой и правой пограничными кривыми - область влажного пара. Справа от правой пограничной кривой находится зона перегретого пара.

Цикл холодильного агрегата бытового холодильника (рис.2) осуществляется одновременно в трех областях: переохлажденной жидкости, влажного пара и перегретого пара.

Любая точка на диаграммах характеризуется пятью основными термодинамическими параметрами: давлением - Р (´10⁵Па), температурой - t (°С), энтропией - S (кДж/кг×К), энтальпией - i (кДж/кг), удельным объемом - v (м³/кг). Зная значения любых двух параметров, можно найти три остальных.

На диаграммах (рис.1) изображены основные процессы, протекающие в холодильном агрегате.

Линия 2-5 – процесс кипения хладагента в испарителе; процесс изобарический, изотермический. Паросодержание хладагента в области влажного пара изменяется до х = 1 (правая пограничная кривая). Точка 2 характеризует начало, а точка 5 – окончание процесса кипения, т.е. в точке 5 - 100% пара.

Линия 5–6 –процесс перегрева всасываемых паров во всасывающей трубке на пути из испарителя в компрессор. В процессе повышается температура, давление остается постоянным. Перегрев паров происходит за счет регенеративного теплообмена с жидким хладагентом в капиллярной трубке (линия3-4).

Рис. 1. Цикл холодильного агрегата бытового компрессионного холодильника

Линия 6-7 - процесс адиабатического изоэнтропного сжатия в цилиндре компрессора. Изменяются все параметры, за исключением энтропии (S = соnst). Адиабатический процесс – это процесс, проходящий без теплообмена с окружающей средой.

Линия 7-8 - процесс охлаждения паров хладагента, который протекает на пути от нагнетательного клапана компрессора до того участка конденсатора, где начинается процесс конденсации. В этом процессе постоянным остается давление.

Линия 8-9 - процесс конденсации, который происходит в конденсаторе при постоянных значениях давления и температуры. В процессе снижается паросодержание от х = 1 до х = 0. Точка 9 характеризует окончание процесса, когда полностью закончен фазовый переход хладагента из парообразного состояния в жидкое.

Рис. 2. Принципиальная схема холодильного агрегата бытового компрессионного холодильника:

1 - компрессор; 2 - конденсатор; 3 – фильтр – осушитель; 4 -капиллярная трубка; 5 - испаритель; 6 - всасывающий трубопровод;

*1 - *9 - реперные точки, отмеченные на Т - S и P - i диаграммах.

Линия 9-1 - процесс переохлаждения жидкости в части конденсатора после завершения процесса конденсации и в фильтре – осушителе (цеолитовом патроне). В данном процессе снижается температура и незначительно снижается давление.

Линия 1-3-4-2 соответствует процессу дросселирования холодильного агента в капиллярной трубке. В связи с тем, что процесс протекает при разных условиях теплообмена, целесообразно разделить его на три стадии.

Линия 1-3 - процесс дросселирования жидкого хладагента в капиллярной трубке при теплообмене с окружающей средой. Данная стадия процесса дросселирования начинается на входе в капиллярную трубку и завершается на входе в регенеративный теплообменник. В процессе дросселирования 1-3 снижаются давление и температура хладагента.

Линия 3-4 - процесс дросселирования хладагента в капиллярной трубке при регенеративном теплообмене с всасываемыми из испарителя парами. На данной стадии процесса дросселирования снижаются давление, температура и начинается частичное парообразование хладагента.

Линия 4-2 – адиабатический изоэнтальпический процесс дросселирования. Данная стадия процесса дросселирования начинается на выходе капиллярной трубки из регенеративного теплообменника и завершается в конце капиллярной трубки, т. е. непосредственно в испарителе. В процессе 4-2 происходит снижение давления и температуры хладагента и продолжается парообразование, при котором часть жидкого хладагента превращается в пар.

Температура жидкого хладагента после регенеративного теплообмена определяется из условия теплового баланса: количество тепла, подведенного к пару (i₆ - i₅), равно количеству тепла, отведенного от жидкости (i₃ - i₄):

i₄ = i₃ - i₆ + i₅. (1)

Теоретический цикл работы холодильного агрегата бытового холодильника может быть построен по следующим исходным данным:

· t_о - температура кипения хладагента в испарителе;

· t_к - температура конденсации хладагента в конденсаторе;

· t_пер - температура перегрева паров, всасываемых в цилиндр компрессора;

· t_о.с.- температура окружающей среды;

· t_по - температура переохлаждения жидкости перед дросселированием.

Построение теоретического цикла по исходным данным и определение с помощью таблиц или диаграмм параметров хладагента в реперных точках позволяет провести приближенный расчет основных элементов холодильного агрегата.

Основные показатели термодинамической эффективности цикла рассчитываются по следующим формулам.

1. Удельная массовая холодопроизводительность, кДж/кг:

q_о = i₅ - i₂. (8)

2. Удельная изоэнтропическая работа компрессора, кДж/кг:

l_s = i₇ - i₆. (9)

3. Удельное количество теплоты, отведенное в конденсаторе, кДж/кг:

q_к = i₈ - i₉. (10)

4. Холодильный коэффициент теоретического цикла:

e = q_о / l_s. (11)

5) Массовый расход хладагента:

G_а=Q_о/q_о (12)

6) Теоретическая мощность компрессора:

N_s= G_а×l_s (13)

7) Объемная производительность компрессора:

V_д=G_а×v₆ (14)