ТДЭФФ-6
ХОЛОДИЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ
Основные понятия
В соответствии со II законом термодинамики при обратном цикле Карно можно, затрачивая механическую работу, отнять теплоту от источника с низкой температурой и перенести ее к источнику с более высокой температурой.
Машины, обеспечивающие температуры тел ниже температуры окружающей среды наз. холодильными.
Холодильные установки, в которых в качестве рабочих тел применяют различные газообразные тела, можно разделить на 4 группы.
К первой группе относятся: воздушные и газовые установки. Имеют малый холодильный эффект и большие габариты – не получили широкого распространения.
Ко второй группе относятся: парокомпрессорные установки.
Рабочим телом (хладоагентом) являются пары различных веществ:
- аммиака (NH3);
- углекислоты (CO2);
- сернистого ангидрида (SO2);
- фреонов (фторохлорпроизводные углеводородов, например, фреон-12 CF2Cl2).
Эти установки получили наиболее широкое распространение.
К третьей группе относятся: пароэжекторные холодильные установки.
К четвертой группе относятся: абсорбционные холодильные установки.
В пароэжекторных и абсорбционных холодильных установках для производства холода затрачивается не механическая работа, а теплота какого-либо рабочего тела с высокой температурой.
В пароэжекторной холод. уст. для сжатия холодильного агента используется кинетическая энергия струи пара рабочего тела.
Такие холод. уст. – имеют невысокую термодинамическую эффективность и применяются редко.
Абсорбционные холодильные установки получили большее распространение.
Наиболее совершенным холодильным циклом является обратный обратимый цикл Карно.
Изотермный процесс 1-4 (T2 = const): к хладоагенту подводится теплота q2 от охлаждаемого низкотемпературного источника. Эта теплота – пл. 14561.
Изотермный процесс 3-2 (T1 = const): от хладоагента отводится теплота q1 – пл.32653, которая передается высокотемпературному источнику.
Пл. 12341 – эквивалентна затрачиваемой механической работе l.
Показателем термодинамической эффективности обратного цикла является холодильный коэффициент:
(6.1)
Холодильный коэффициент реального обратного цикла меньше по сравнению с холодильным коэффициентом обратного цикла Карно.
6.2 Циклы воздушных, пароэжекторных и абсорбционных установок
Цикл парокомпрессионной холодильной установки
Наибольшее распространение для охлаждения тел до температуры ≈ - 20 оС получили холодильные установки, в которых основным рабочим телом являются легкокипящие жидкости, находящиеся при невысоких давлениях (близких к атмосферному).
|
Рис. 6.1 Схема парокомпрессионной холодильной установки на парах аммиака
Рис. 6.2 Ts-диаграмма парокомпрессионной холодильной установки на парах аммиака
В компрессоре сжимается аммиачный сухой насыщенный пар или влажный пар с большой степенью сухости по адиабате 1-2 до состояния перегретого пара в т. 2.
Из компрессора пар нагнетается в конденсатор, где полностью превращается в жидкость, отдавая тепло высокотемпературному источнику (процесс 2-3-4).
Из конденсатора жидкий аммиак проходит через дроссельный вентиль, в котором дросселируется, что сопровождается понижением температуры и давления. Процесс дросселирования как необратимый процесс изображается на диаграмме условной кривой 4-5.
Затем жидкий аммиак с низкой температурой поступает в охладитель, где получая теплоту от низкотемпературного источника – охлаждает его, а сам испаряется (до состояния в т.1).
В парокомпрессионной холодильной установке не применяется расширительный цилиндр (детандер), а рабочее тело дросселируется в дроссельном вентиле.
Замена детандера дросселем сопровождается возрастанием энтропии, что вызывает потерю – работоспособности (эксергии), т.е. в данном случае холодопроизводительности.
Но эта замена значительно упрощает установку и дает возможность регулировать давление и температуру влажного пара аммиака на выходе, т.к. в области двухфазных состояний эффект охлаждения при дросселировании будет таким же, как и при адиабатном охлаждении.
При наличии расширительного цилиндра процесс пошел бы по адиабате 4-9. Потеря холодопроизводительности от замены расширительного цилиндра дроссельным вентилем измеряется пл. 95769.
Количество теплоты q2, получаемое 1 кг аммиака от охлаждаемых тел – уменьшается и изображается пл. 51875:
(6.2)
Количество теплоты 
, отведенное в конденсаторе, изображается пл. 42864.
Работа, затраченная на совершение цикла:
(6.3)
Равенство площадей 
следует из условия, что в результате дросселирования аммиака энтальпия в т.5 будет равна энтальпии в т.4.
Холодильный коэффициент компрессорной аммиачной установки:
(6.4)
Подставив значения 
и 
из формул (6.2) и (6.3) соответственно:
(6.5)
Значения энтальпий в уравнении (6.5) определяют по is-диаграмме или по таблицам для аммиака.
6.4 Глубокое охлаждение
Сжижение газов имеет весьма важное значение.
Чтобы превратить газ в жидкость, необходимо его температуру уменьшить ниже параметров критической точки. Только в этом случае возможно одновременное равновесное сосуществование жидкой и газообразной фаз.
Сжижение газов можно осуществить в установке, совершающей обратный холодильный цикл.