 |
На рис.3.9 в Т–s диаграмме контуром ABCDEFA [8] представлен теоретический (базовый) цикл парокомпрессионной холодильной машины с переохлаждением жидкого хладагента перед дроссельным вентилем (процесс D – E), дросселирование (процесс E – F) и всасыванием сухого насыщенного пара в компрессор точка А).
1. Необратимость процесса сжатия в компрессоре (этот источник необратимости не учтен на рисунке, так как линия сжатия АВ показана в виде обратимой адиабаты).
2. Внешняя необратимость, вследствие отвода тепла перегрева по линии ВС. Теплообмен между хладагентом и окружающей средой протекает в этом процессе при значительной разности температур (средняя разность температур хладагента и среды равна ∆Т0'). Вследствие этого, хотя доля тепла, отдаваемого хладагентом окружающей среде в процессе ВС, невелика, влияние необратимого теплообмена на энергетические затраты в холодильной машине оказывается существенным.
3. Внешняя необратимость, связанная с наличием конечной разности температур между конденсирующимся холодильным агентом и внешней средой. Постоянная разность температур в процессе конденсации равна ∆Т0''; ввиду того, что тепло конденсации для большинства хладагентов составляет большую долю от всего количества тепла, отнимаемого внешней средой, пренебрегать этим источником необратимости нельзя.
4. Внешняя необратимость в процессе переохлаждения жидкого хладагента (в процессе отнятия тепла по линии DE). Этот необратимый теплообмен сказывается на энергетических затратах в сравнительно небольшой степени, так как разность температур в процессе теплообмена ∆Т0''' невелика и тепло переохлаждения составляет небольшую долю от всего тепла, отнимаемого внешней средой от хладагента.
5. Внутренняя необратимость вследствие дросселирования хладагента при проходе дроссельного вентиля. Эта необратимость могла бы быть устранена при использовании адиабатического детандера вместо дроссельного вентиля. Этот вид необратимости особенно сказывается в установках глубокого охлаждения.
6. Внешняя необратимость ввиду наличия конечной разности температур ∆Тх между охлаждаемым телом с температурой Тх и кипящим хладагентом. В процессе сообщения тепла хладагенту температура его в испарителе должна быть всегда более низкой, чем температура охлаждаемого тела Тх.
Таким образом, для уменьшения затрат механической работы в цикле целесообразно уменьшать разности температур ∆Тх, ∆Т0', ∆Т0'' и ∆Т0''', однако при этом будут возрастать поверхности теплопередающих аппаратов.
На рис.3.9 контуром abcda показан соответственный условный цикл Карно, а контуром a1b1c1 d1a1 – эквивалентный условный цикл, построенный на среднепланеметрических температурах. Этот эквивалентный условный цикл обладает той же эффективностью, что и цикл холодильной машины, в котором потери вызваны только необратимым теплообменом. Вертикально заштрихованные участки площадицикла АВСDEFA, относящиеся к условному циклу a1b1c1 d1a1 показывают избыток механической работы, связанный с необратимостью по сравнению с механической работой, представленной площадью аbcda цикла Карно.
Различные хладагенты далеко неравноценны в смысле влияния каждого из перечисленных выше шести источников необратимости на затрачиваемую механическую работу. Так, например, для аммиака, имеющего по сравнению с другими хладагентами более высокую температуру конца адиабатического сжатия (и, следовательно, повышенную разность температур Т0',)больше значение имеет внешняя необратимость в процессе перегрева.
Фреоны, приводящие к низким температурам конца сжатия, в противоположность аммиаку не обнаруживают существенного влияния необратимости при отводе тепла перегрева на значение холодильного коэффициента, но для этих хладагентов вследствие сравнительно малых значений коэффициентов теплоотдачи разности температур ∆Тх и ∆Т0'' обычно несколько более высоки, чем для других хладагентов.
Установлено, что по сравнению с аммиаком для фреонов отмечены большие необратимые потери при дросселировании. Поэтому для уменьшения этих потерь во фреоновых холодильных машинах и установках наиболее целесообразно использовать переохлаждение жидкого фреона перед дросселированием.
Учет всех перечисленных выше шести источников энергетических потерь позволяет дать ответ на вопрос о степени совершенства того или иного холодильного агента. Степень термодинамического совершенства хладагента в этом смысле должна рассматриваться как отношение действительного холодильного коэффициента к холодильному коэффициенту обратимого цикла, осуществляемого в интервале температур Т0 и Тх.
Вопросы к подразделу 3.2
1). Представить необратимости в T-s диаграмме парокомпрессионной холодильной машины без учета необратимости процесса сжатия в компрессоре, а также представить на той диаграмме условный цикл Карно и эквивалентный условный действительный цикл.
2). Какие виды необратимостей наиболее существенны при оценке эффективности цикла?
3). Для какого типа хладагента наибольшее значение имеет внешняя необратимость в процессе перегрева?
4). Для каких хладагентов наибольшее значение имеет внешняя необратимость в процессах конденсации и кипения?
5). Для каких хладагентов наиболее целесообразно использовать переохлаждение перед дроссельным вентилем и почему?
6). Как определить степень термодинамического совершенства хладагента?