В основе действия холодильных установок лежит использование обратных циклов. Наиболее распространены компрессорные установки, работа которых обеспечивается сжатием холодильного агента в компрессоре.
|
|
|
1 – компрессор (8бар во фреоновых);2 – конденсатор;3 – регулирующий (дроссельный) клапан (во фреоновых до 2бар).;4 – испаритель, полученный в испарителе пар возвращается в компрессор.
При мятии понижается давление жидкого агента и он превращается в смесь пара и жидкости. С падением давления снижается температура.
Состояние холодильного агента при выходе из компрессора точка 1. В конденсаторе холодильный агент сначала охлаждается до температуры насыщения (линия 1 – 2), а затем конденсируется по изотерме 2 – 3, далее происходит мятие хладагента по линии 3 – 4, процесс испарения по изотерме 4 – 5, затем в компрессоре происходит адиабатное сжатие 5 – 1 и цикл завершается.
В этом цикле компрессор всасывает влажный пар хладагента. Такой цикл называется «влажным». При наличии отделителя жидкости компрессор всасывает сухой пар и цикл называется «сухим».
Количество теплоты 
, отнимаемой от охлаждаемого помещения (или рассола) и поступающей в рабочее тело (хладагент), измеряется площадью 
. Разность между количеством теплоты 
, отданным рабочим телом в охлаждающую воду и количеством теплоты , отнятой от рассола, эквивалентна работе l, затраченной на действие установки:
.
Так как, количество теплоты измеряется площадью 3’-3-2-1-5, то
|
|
Давление 
в конце сжатия в компрессоре и соответствующая ему температура насыщения холодильного агента выбирают соответственно температуре воды, охлаждающей конденсатор. Обычно температуру насыщения выбирают на 3 – 5 оС. выше температуры воды, выходящей из конденсатора. Если температура выходящей из конденсатора воды равна 35 оС, то температура конденсации холодильного агента – 30 оС. Этой температуре соответствует давление Ф-12 
бар. Температура испарения часто принимают – 10 оС, ей соответствует давление Ф-12 
бар.
Величина называется холодопроизводительностью 1 кг хладагента. Совершенство рабочего цикла холодильной установки выражается холодильным коэффициентом:
.
Чем выше холодильный коэффициент, тем меньше расход энергии на получение одной и той же холодопроизводительности.
Так как в холодильной установке происходит переход теплоты от источника с более низкой температурой к источнику с более высокой температурой, то холодильная установка может быть использована для перевода тепла с более низкого на более высокий температурный уровень. Такая установка называется тепловым насосом.
Рис.4. Схема компрессорной холодильной установки.
Cycle of operation.
| Evaporator – испаритель To evaporate – испарять, испаряться Condenser – конденсатор Compressor – компрессор Condensation - конденсация Regulator – регулирующий вентиль Gas – газ Liquid & gas – жидкость и газ liquid – жидкость; Superheat removal – снятие перегрева; Suction valve – всасывающий клапан; Delivery valve – нагнетательный клапан; Suction to compressor – всасывание компрессора; Compressor delivery – нагнетание компрессором; Circuit – контур, цикл; | Coil – змеевик, кольцо; Chamber – камера; Vessel – сосуд; Brine – рассол; Absorption – поглощение; Gauge – прибор, измеритель; Frosted – покрытый инеем; To adjust – регулировать, настраивать; Evaporation temperature – температура испарения; Boiling point – точка кипения; Liquid refrigerant – жидкий хладагент; Expansion valve – расширительный клапан; Cooling pipes or grids – охлаждающие трубы или батареи. |
2.2. Действительный цикл паровой компрессионной холодильной установки.
|
|
Отличие от простейшего цикла:
- переохлаждение жидкого хладагента перед регулирующим вентилем
- подвод к компрессору хладагента в сухом насыщенном или слегка перегретом состоянии, т.е. применение «сухого хода» компрессора.
Переохлаждение жидкого хладагента посредством увеличения охлаждающей поверхности конденсатора или установки специального теплообменника - переохладителя повышает холодопроизводительность установки без дополнительных затрат работы.
Сухой ход компрессора производится путем установки специального сепаратора (отделителя жидкости) или теплообменника на всасывающем трубопроводе компрессора. «Сухой ход» компрессора увеличивает практическое значение холодильного коэффициента и улучшает условия работы компрессора.
Рис. 5. Принципиальная схема рабочего цикла компрессионной холодильной машины.
Компрессор 1 всасывает пары хладагента из испарителя 4 через теплообменник 3, сжимает их до давления конденсации, в результате чего температура повышается. Сжатый парообразный хладагент, поступающий в конденсатор 2, содержит тепло, отнятое от охлаждаемой среды в испарителе, и тепло, эквивалентное работе сжатия. В результате соприкосновения с поверхностью трубок, внутри которых циркулирует забортная вода, перегретые пары хладагента охлаждаются до температуры конденсации и конденсируются. Для снижения температуры хладагента до температуры, которая должна быть ниже, чем в охлаждаемом помещении, он до поступления в испаритель проходит через терморегулирующий вентиль (ТРВ). Падение давления за ТРВ вызывает кипение парожидкостной смеси. При движении по змеевикам испарителя кипящая парожидкостная смесь в результате отбора тепла от охлаждаемого воздуха (или рассола) переходит в парообразное состояние. Образующиеся пары в испарителе снова отсасываются компрессором, поддерживая тем самым в нем низкое давление, необходимое для кипения хладагента при низкой температуре.
|
|
На диаграмме Т - S изображены следующие процессы:
1. Сухой цикл 1 – 4 – 5 – 6 – 7.
Здесь 1 – 4 – сжатие в компрессоре, 4 – 5 – охлаждение до температуры конденсации, 5 – 6 – конденсация в конденсаторе, 6 – 7 – процесс дросселирования (мятия) в ТРВ, 7 – 1 – испарение в испарителе.
Холодильный коэффициент 
.
В результате перехода от влажного цикла к сухому количество тепла, отводимого из охлаждаемого помещения, будет больше на величину 
. Холодопроизводительность машины при этом возрастет на величину, измеряемую на диаграмме площадью 
.
2. Перегретый цикл 1 – 2 – 3 – 4 – 5 – 6 - 7.
Здесь 1 - 2 – перегрев во всасывающей трубе, 2 - 3 – сжатие в компрессоре, 3 – 4 – 5 – охлаждение в конденсаторе до температуры конденсации, 5 - 6 – конденсация в конденсаторе, 6 -7 – дросселирование в ТРВ, 7 - 1 – испарение в испарителе.
Холодильный коэффициент 
.
Перегрев хладагента до состояния, соответствующего точке 2 на диаграмме, приводит к повышению холодопроизводительности машины на величину, выраженную на диаграмме площадью 1 – 2 – 2’ - 9. Одновременно с увеличением холодильного действия 1 кг хладагента возрастает работа сжатия, равная при этом 
. Как уже отмечалось, увеличить холодопроизводительность можно без дополнительных затрат работы путем переохлаждения жидкого хладагента ниже температуры конденсации Тк.
3. Перегретый цикл с переохлаждением жидкого хладагента 1 – 2 – 3 – 4 – 5 – 6 – 10 – 11 - 7.
Здесь 6 - 10 – процесс переохлаждения в конденсаторе, 10 - 11 – дросселирование, 11 - 1 – испарение в испарителе. Работа сжатия в этом цикле осталась прежней, а холодильный коэффициент вырос
.
В результате переохлаждения холодильное действие 1 кг хладагента возрастает на величину 
. Холодопроизводительность машины при этом повысится на величину, измеряемую на диаграмме площадью 11-7-8-11'. Считается, что каждый градус переохлаждения увеличивает холодопроизводительность во фреоновой машине на 0,43 %, а в аммиачной – на 0,4 %.
2.3. Расчет теоретического цикла.
В диаграмме i – p расчетные величины выражаются в виде отрезков, что очень удобно для проведения численных расчетов.
Рис. 6. Теоретические процессы в диаграмме i — р.
Линия сжатия в компрессоре изображена отрезком адиабаты 1 – 2. При этом проекция отрезка 1 – 2 на ось i равна работе, затраченной на сжатие агента в компрессоре, так как 
. Процесс перегрева и конденсации изображены отрезками изобары 2 – 3 и 3 – 4, а общее тепло, отнимаемое в конденсаторе, - отрезком 2 – 4, равным 
. Процесс дросселирования изобразится изоэнтальпией 4 – 5, а процесс кипения в испарителе – изобарой 5 – 1. Холодопроизводительность 
, равная 
, представится в виде отрезка 5 – 1. В случае работы с переохлаждением процесс изменения состояния в конденсаторе должен быть изображен линией 2 – 4, а процесс переохлаждения – отрезком 4 – 4’. Увеличение холодопроизводительности, связанное с процессом переохлаждения, будет изображено отрезком 5 – 5’.