Глава 9. ЦИКЛЫ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН Холодильными машинами или термокомпрессорами называются машины, непрерывно поддерживающие температуры тел ниже температуры окружающей среды. Холодильными машинами или термокомпрессорами называются машины, непрерывно поддерживающие температуры тел ниже температуры окружающей среды. Холодильные машины подразделяются на воздушные (газовые), паровые, пароэжекторные, абсорбционные, а также машины, принцип действия которых основан на эффектах Пельтье и Ранка-Хильша. Холодильные машины подразделяются на воздушные (газовые), паровые, пароэжекторные, абсорбционные, а также машины, принцип действия которых основан на эффектах Пельтье и Ранка-Хильша. В воздушной холодильной машине в качестве холодильного агента используется атмосферный воздух. Эти установки не получили широкого распространения ввиду малого холодильного коэффициента и сложности конструкции. В воздушной холодильной машине в качестве холодильного агента используется атмосферный воздух. Эти установки не получили широкого распространения ввиду малого холодильного коэффициента и сложности конструкции. В паровых (парокомпрессионных) холодильных установках рабочим телом являются пары различных веществ – аммиака NН3, углекислоты СО2, сернистого ангидрида SO2, фреонов (фторхлорпроизводных углеводородов). Ввиду простоты конструкции (по сравнению с воздушными), высокой холодопроизводительности и большой надежности работы, эти установки получили самое широкое распространение в технике. В паровых (парокомпрессионных) холодильных установках рабочим телом являются пары различных веществ – аммиака NН3, углекислоты СО2, сернистого ангидрида SO2, фреонов (фторхлорпроизводных углеводородов). Ввиду простоты конструкции (по сравнению с воздушными), высокой холодопроизводительности и большой надежности работы, эти установки получили самое широкое распространение в технике. В пароэжекторных и абсорбционных холодильных установках для получения низких температур затрачивается не механическая работа (как в паровых или газовых), а теплота какого либо рабочего тела с высокой температурой. В пароэжекторной установке для сжатия холодильного агента используется кинетическая энергия струи пара некоторого вещества. В пароэжекторных и абсорбционных холодильных установках для получения низких температур затрачивается не механическая работа (как в паровых или газовых), а теплота какого либо рабочего тела с высокой температурой. В пароэжекторной установке для сжатия холодильного агента используется кинетическая энергия струи пара некоторого вещества.

Эти установки отличаются невысоким холодильным эффектом и в промышленности применяются редко. Более широкое распространение получили абсорбционные холодильные машины, в которых для получения низких температур используется (как и в пароэжекторных) энергия в виде теплоты. Термодинамически эти установки менее совершенны, чем паровые, однако они значительно проще по конструкции (ввиду отсутствия компрессора), дешевле, более надежны в работе и поэтому получили достаточно широкое распространение. Эти установки отличаются невысоким холодильным эффектом и в промышленности применяются редко. Более широкое распространение получили абсорбционные холодильные машины, в которых для получения низких температур используется (как и в пароэжекторных) энергия в виде теплоты. Термодинамически эти установки менее совершенны, чем паровые, однако они значительно проще по конструкции (ввиду отсутствия компрессора), дешевле, более надежны в работе и поэтому получили достаточно широкое распространение. Холодильные установки, принцип действия которых основан на использовании эффектов Пелътье и Ранка-Хильша, максимально просты по конструкции – не имеют движущихся деталей. Однако они пока не получили широкого распространения из-за низких значений холодильного коэффициента. Холодильные установки, принцип действия которых основан на использовании эффектов Пелътье и Ранка-Хильша, максимально просты по конструкции – не имеют движущихся деталей. Однако они пока не получили широкого распространения из-за низких значений холодильного коэффициента. Холодильные машины работают по обратному циклу, то есть циклу, изображенному в тепловых диаграммах (pv, Ts, is) в направлении против направления часовой стрелки. Наивыгоднейшим циклом холодильной машины, осуществляемым между двумя источниками тепла с температурами Т1 и T2, будет обратимый обратный цикл Карно, состоящий из двух изотерм и двух адиабат (рис. 9.1). Холодильные машины работают по обратному циклу, то есть циклу, изображенному в тепловых диаграммах (pv, Ts, is) в направлении против направления часовой стрелки. Наивыгоднейшим циклом холодильной машины, осуществляемым между двумя источниками тепла с температурами Т1 и T2, будет обратимый обратный цикл Карно, состоящий из двух изотерм и двух адиабат (рис. 9.1).

Рис Рис Рассмотрим процессы цикла: 1-2 – адиабатное сжатие рабочего тела (хладоагента); 2-3 – изотермическое сжатие с отводом теплоты q1 в окружающую среду; 3-4 – адиабатное расширение; 4-1 – изотермическое расширение с подводом теплоты q2 к хладоагенту от охлаждаемого в холодильнике тела. Рассмотрим процессы цикла: 1-2 – адиабатное сжатие рабочего тела (хладоагента); 2-3 – изотермическое сжатие с отводом теплоты q1 в окружающую среду; 3-4 – адиабатное расширение; 4-1 – изотермическое расширение с подводом теплоты q2 к хладоагенту от охлаждаемого в холодильнике тела. В качестве характеристики термодинамической эффективности холодильного цикла принята величина, В качестве характеристики термодинамической эффективности холодильного цикла принята величина, где l – затрачиваемая механическая работа, где l – затрачиваемая механическая работа, равная площади равная площади Величина e называется холодильным коэффициентом или коэффициентом холодопроизводительности. Величина e называется холодильным коэффициентом или коэффициентом холодопроизводительности.

Для обратного цикла Карно Для обратного цикла Карно.(12.1).(12.1) Холодильный коэффициент обратного цикла Карно имеет наибольшее значение по сравнению с другими циклами холодильных машин, осуществляемыми в том же интервале температур теплоисточников. Холодильный коэффициент обратного цикла Карно имеет наибольшее значение по сравнению с другими циклами холодильных машин, осуществляемыми в том же интервале температур теплоисточников. Из формулы для ec видно, что с увеличением температуры T1 и с уменьшением температуры Т2 коэффициент холодопроизводительности уменьшается и при Т2 0 ec 0. Из формулы для ec видно, что с увеличением температуры T1 и с уменьшением температуры Т2 коэффициент холодопроизводительности уменьшается и при Т2 0 ec 0.

9.1. ЦИКЛ ВОЗДУШНОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ 9.1. ЦИКЛ ВОЗДУШНОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ Схема воздушной холодильной установки представлена на рис Схема воздушной холодильной установки представлена на рис Рис Рис Принцип ее действия заключается в следующем. В компрессоре 1 воздух сжимается до давления р 2 и нагнетается в теплообменник (охладитель) 2, где от него отводится часть теплоты в количестве q1, полученной в результате сжатия. Затем сжатый воздух поступает в расширительный цилиндр или детандер 3, где расширяется до начального давления. При расширении температура воздуха понижается до -(60–70)°С. Холодный воздух направляется в теплообменник (охлаждаемое помещение) 4, где к нему подводится теплота в количестве q2. Принцип ее действия заключается в следующем. В компрессоре 1 воздух сжимается до давления р 2 и нагнетается в теплообменник (охладитель) 2, где от него отводится часть теплоты в количестве q1, полученной в результате сжатия. Затем сжатый воздух поступает в расширительный цилиндр или детандер 3, где расширяется до начального давления. При расширении температура воздуха понижается до -(60–70)°С. Холодный воздух направляется в теплообменник (охлаждаемое помещение) 4, где к нему подводится теплота в количестве q2.

На рис. 9.3 и 9.4 представлены диаграммы идеального цикла воздушной холодильной установки в Ts– и pv – координатах. Рассмотрим процессы цикла. На рис. 9.3 и 9.4 представлены диаграммы идеального цикла воздушной холодильной установки в Ts– и pv – координатах. Рассмотрим процессы цикла. Рис Рис Рис Рис – адиабатное сжатие воздуха в компрессоре 1 от давления р 1 до давления р 2; 2-3 – изобарный процесс отвода теплоты q1 внешнему источнику, сопровождающийся понижением температуры рабочего тела от T2 до Т3; 3-4 – адиабатное расширение рабочего тела в детандере 3 с понижением температуры от T3 до T4; 4-1 – изобарный подвод теплоты к рабочему телу в теплообменнике 4 с возрастанием его температуры от T4 до Т – адиабатное сжатие воздуха в компрессоре 1 от давления р 1 до давления р 2; 2-3 – изобарный процесс отвода теплоты q1 внешнему источнику, сопровождающийся понижением температуры рабочего тела от T2 до Т3; 3-4 – адиабатное расширение рабочего тела в детандере 3 с понижением температуры от T3 до T4; 4-1 – изобарный подвод теплоты к рабочему телу в теплообменнике 4 с возрастанием его температуры от T4 до Т1. Работа, затраченная в цикле, будет. Работа, затраченная в цикле, будет. Отсюда Отсюда.

Для адиабатных процессов 1-2 и 3-4 можно записать Для адиабатных процессов 1-2 и 3-4 можно записать. Так как p2 = р 3, р 1 = p4,то Так как p2 = р 3, р 1 = p4,то. Отсюда Отсюда Формула для холодильного коэффициента в окончательном виде будет Формула для холодильного коэффициента в окончательном виде будет. Таким образом, холодильный коэффициент зависит только от отношения давлений p2/p1. Таким образом, холодильный коэффициент зависит только от отношения давлений p2/p1.

Цикл, изображенный на рис. 9.3 и 9.4, называется циклом Лоренца. Сравним его холодильный коэффициент с коэффициентом эквивалентного обратного обратимого цикла Карно, определяемым по формуле (9.1). Эта формула применительно к циклу Карно , изображенному на рис. 9.3, примет вид Цикл, изображенный на рис. 9.3 и 9.4, называется циклом Лоренца. Сравним его холодильный коэффициент с коэффициентом эквивалентного обратного обратимого цикла Карно, определяемым по формуле (9.1). Эта формула применительно к циклу Карно , изображенному на рис. 9.3, примет вид. Так как T3 e. Более низкий холодильный коэффициент цикла воздушной холодильной установки объясняется необратимостью теплообмена в изобарных процессах отвода (2-3) и подвода (4-1) теплоты к рабочему телу, т.к. эти процессы протекают при конечной разности температур. Так как T3 e. Более низкий холодильный коэффициент цикла воздушной холодильной установки объясняется необратимостью теплообмена в изобарных процессах отвода (2-3) и подвода (4-1) теплоты к рабочему телу, т.к. эти процессы протекают при конечной разности температур.

9.2. ЦИКЛ ПАРОВОЙ КОМПРЕССОРНОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ В парокомпрессионных холодильных установках в качестве рабочего тела используются низкокипящие жидкости. Благодаря этому рабочий цикл можно расположить в двухфазной области, в которой изобарные процессы подвода и отвода теплоты можно заменить на изотермические и тем самым уменьшить потери, связанные с необратимостью процессов. В парокомпрессионных холодильных установках в качестве рабочего тела используются низкокипящие жидкости. Благодаря этому рабочий цикл можно расположить в двухфазной области, в которой изобарные процессы подвода и отвода теплоты можно заменить на изотермические и тем самым уменьшить потери, связанные с необратимостью процессов. Принципиальная схема установки представлена на рис. 9.5, а диаграмма цикла в Ts– координатах – на рис Принципиальная схема установки представлена на рис. 9.5, а диаграмма цикла в Ts– координатах – на рис Установка работает следующим образом. В компрессоре 1 происходит адиабатное сжатие пара (процесс 1-2). В конденсаторе 2 холодильный агент вначале охлаждается (процесс 2-2') при постоянном давлении и затем конденсируется (процесс 2'-3) с отдачей в окружающую среду теплоты q1. Установка работает следующим образом. В компрессоре 1 происходит адиабатное сжатие пара (процесс 1-2). В конденсаторе 2 холодильный агент вначале охлаждается (процесс 2-2') при постоянном давлении и затем конденсируется (процесс 2'-3) с отдачей в окружающую среду теплоты q1. В дроссельном вентиле 3 происходит процесс дросселирования (процесс 3-5) с превращением жидкости во влажный пар. В испарителе 4 влажный пар принимает теплоту q2, и содержащаяся в нем жидкость испаряется (процесс 5-1). В дроссельном вентиле 3 происходит процесс дросселирования (процесс 3-5) с превращением жидкости во влажный пар. В испарителе 4 влажный пар принимает теплоту q2, и содержащаяся в нем жидкость испаряется (процесс 5-1).

Рис Рис Рис Рис Процесс дросселирования в дроссельном вентиле является необратимым процессом и на диаграмме он изображается условной кривой 3-5. Если вместо дроссельного вентиля применять детандер (расширительный цилиндр), то процесс протекал бы по линии 3-4. Таким образом, замена расширительного цилиндра дроссельным вентилем вызывает некоторую потерю холодопроизводительности, измеряемую площадью фигуры s4-4-5-s5 и вызванную возрастанием энтропии рабочего тела. Следовательно, применение дроссельного вентиля приводит к уменьшению количества теплоты q2, получаемой от охлаждаемых тел. Положительными сторонами применения дроссельного вентиля является возможность легко регулировать давление пара, а также максимальная простота конструкции. Процесс дросселирования в дроссельном вентиле является необратимым процессом и на диаграмме он изображается условной кривой 3-5. Если вместо дроссельного вентиля применять детандер (расширительный цилиндр), то процесс протекал бы по линии 3-4. Таким образом, замена расширительного цилиндра дроссельным вентилем вызывает некоторую потерю холодопроизводительности, измеряемую площадью фигуры s4-4-5-s5 и вызванную возрастанием энтропии рабочего тела. Следовательно, применение дроссельного вентиля приводит к уменьшению количества теплоты q2, получаемой от охлаждаемых тел. Положительными сторонами применения дроссельного вентиля является возможность легко регулировать давление пара, а также максимальная простота конструкции.

9.3. ЦИКЛ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ АБСОРБЦИОННОГО ТИПА Абсорбционные холодильные установки существенно отличаются от всех других простотой конструкции. Холодильный эффект в них получается не за счет затраты энергии в форме механической работы, а за счет энергии в форме теплоты. Для абсорбционной установки подбираются две жидкости, которые полностью растворяются друг в друге и имеют разные температуры кипения. Процесс поглощения всей массы одного тела другим называется абсорбцией. При этом легкокипящая жидкость используется как холодильный агент, а жидкость с более высокой температурой кипения – как абсорбент. Абсорбционные холодильные установки существенно отличаются от всех других простотой конструкции. Холодильный эффект в них получается не за счет затраты энергии в форме механической работы, а за счет энергии в форме теплоты. Для абсорбционной установки подбираются две жидкости, которые полностью растворяются друг в друге и имеют разные температуры кипения. Процесс поглощения всей массы одного тела другим называется абсорбцией. При этом легкокипящая жидкость используется как холодильный агент, а жидкость с более высокой температурой кипения – как абсорбент. Принципиальная схема установки представлена на рис Принципиальная схема установки представлена на рис Рассмотрим ее работу. В парогенераторе 1 в результате подвода теплоты q1 холодильный агент выпаривается из абсорбента в виде почти сухого насыщенного пара. В конденсаторе 2 он полностью конденсируется, отдавая теплоту парообразования охлаждающей воде. В дроссельном вентиле 3 холодильный агент дросселируется, что сопровождается уменьшением давления и температуры и увеличением объема. В теплообменнике 4 происходит передача холодильному агенту теплоты q2 от охлаждаемых тел. В абсорбере 5 происходит соединение холодильного агента с абсорбентом, поступающим через дросселирующий вентиль 7. Полученная смесь насосом 6 направляется в парогенератор 1. Рассмотрим ее работу. В парогенераторе 1 в результате подвода теплоты q1 холодильный агент выпаривается из абсорбента в виде почти сухого насыщенного пара. В конденсаторе 2 он полностью конденсируется, отдавая теплоту парообразования охлаждающей воде. В дроссельном вентиле 3 холодильный агент дросселируется, что сопровождается уменьшением давления и температуры и увеличением объема. В теплообменнике 4 происходит передача холодильному агенту теплоты q2 от охлаждаемых тел. В абсорбере 5 происходит соединение холодильного агента с абсорбентом, поступающим через дросселирующий вентиль 7. Полученная смесь насосом 6 направляется в парогенератор 1.

Рис Рис Холодильный коэффициент абсорбционной установки определяется по формуле Холодильный коэффициент абсорбционной установки определяется по формуле. Абсорбционные холодильные установки получили широкое распространение ввиду того, что они просты, надежны и дешевы в изготовлении. Следует однако отметить, что термодинамически они менее совершенны, чем паровые. Абсорбционные холодильные установки получили широкое распространение ввиду того, что они просты, надежны и дешевы в изготовлении. Следует однако отметить, что термодинамически они менее совершенны, чем паровые.

9.4. ЦИКЛ ПАРОЭЖЕКТОРНОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ Принципиальная схема пароэжекторной холодильной установки представлена на рис Из испарителя 1 пар холодильного агента поступает в камеру смешения эжектора 2. Сюда же одновременно подается пар из котла 6. Полученная в камере смешения смесь пара сжимается в диффузоре эжектора. Поступая в конденсатор 3, пар конденсируется с отдачей теплоты парообразования. После конденсатора часть жидкости дросселируется в дроссельном вентиле 4, где происходит падение давления и температуры. Другая ее часть с помощью питательного насоса 5 направляется в котел 6, где она вновь с помощью подведенной извне теплоты q1 превращается в пар. Принципиальная схема пароэжекторной холодильной установки представлена на рис Из испарителя 1 пар холодильного агента поступает в камеру смешения эжектора 2. Сюда же одновременно подается пар из котла 6. Полученная в камере смешения смесь пара сжимается в диффузоре эжектора. Поступая в конденсатор 3, пар конденсируется с отдачей теплоты парообразования. После конденсатора часть жидкости дросселируется в дроссельном вентиле 4, где происходит падение давления и температуры. Другая ее часть с помощью питательного насоса 5 направляется в котел 6, где она вновь с помощью подведенной извне теплоты q1 превращается в пар. Холодильный коэффициент в данном случае определяется по формуле Холодильный коэффициент в данном случае определяется по формуле, где q2 – удельное количество теплоты, подведенное к рабочему телу в испарителе; q1 – удельное количество теплоты, подводимое к рабочему телу в котле. где q2 – удельное количество теплоты, подведенное к рабочему телу в испарителе; q1 – удельное количество теплоты, подводимое к рабочему телу в котле.

Рис Рис Пароэжекторные холодильные установки отличаются простотой конструкции, надежностью в работе и малыми габаритами. Однако они имеют низкую тепловую экономичность и термодинамически менее совершенны, чем парокомпрессорные холодильные установки. Пароэжекторные холодильные установки отличаются простотой конструкции, надежностью в работе и малыми габаритами. Однако они имеют низкую тепловую экономичность и термодинамически менее совершенны, чем парокомпрессорные холодильные установки.

9.5. ТЕПЛОВОЙ НАСОС Тепловыми насосами называются устройства, с помощью которых теплота, забираемая от источника с низкой температурой посредством затраченной извне работы, отдается потребителю при более высокой температуре. Работа теплового насоса в принципе не отличается от работы холодильной установки. Тепловыми насосами называются устройства, с помощью которых теплота, забираемая от источника с низкой температурой посредством затраченной извне работы, отдается потребителю при более высокой температуре. Работа теплового насоса в принципе не отличается от работы холодильной установки. Принципиальная схема теплового насоса представлена на рис Его работа происходит следующим образом. В компрессоре 1 происходит сжатие холодильного агента с повышением его температуры. В конденсаторе 2 происходит конденсация парообразного рабочего тела. Выделяющаяся при этом теплота q1 передается жидкости, циркулирующей в отопительной системе. Принципиальная схема теплового насоса представлена на рис Его работа происходит следующим образом. В компрессоре 1 происходит сжатие холодильного агента с повышением его температуры. В конденсаторе 2 происходит конденсация парообразного рабочего тела. Выделяющаяся при этом теплота q1 передается жидкости, циркулирующей в отопительной системе. В дроссельном вентиле 3 конденсат рабочего тела дросселируется с понижением его давления и температуры. В испарителе 4 температура хладоагента повышается за счет подвода удельного количества теплоты q2. В дроссельном вентиле 3 конденсат рабочего тела дросселируется с понижением его давления и температуры. В испарителе 4 температура хладоагента повышается за счет подвода удельного количества теплоты q2.

Рис Рис Эффективность работы теплового насоса характеризуется отопительным коэффициентом z, который определяется по формуле Эффективность работы теплового насоса характеризуется отопительным коэффициентом z, который определяется по формуле, где q1 – удельное количество теплоты, отданное рабочим телом потребителю в конденсаторе 2; q2 – удельное количество теплоты, принятой рабочим телом в испарителе 4; l – удельное количество работы, затраченной на привод компрессора. где q1 – удельное количество теплоты, отданное рабочим телом потребителю в конденсаторе 2; q2 – удельное количество теплоты, принятой рабочим телом в испарителе 4; l – удельное количество работы, затраченной на привод компрессора.

При использовании в качестве холодильного агента паров жидкости, кипящей при низких температурах (аммиак, углекислота, фреоны и др.), цикл теплового насоса не отличается от цикла парокомпрессионной холодильной установки, изображенного на рис Из рассмотрения этого цикла следует, что. При использовании в качестве холодильного агента паров жидкости, кипящей при низких температурах (аммиак, углекислота, фреоны и др.), цикл теплового насоса не отличается от цикла парокомпрессионной холодильной установки, изображенного на рис Из рассмотрения этого цикла следует, что. Так как энтальпия рабочего тела в результате дросселирования Так как энтальпия рабочего тела в результате дросселирования не изменяется, то. Тогда. не изменяется, то. Тогда. Отсюда. Отсюда. Холодильный коэффициент в случае, если бы тепловой насос работал по обратному обратимому циклу Карно, был бы равен Холодильный коэффициент в случае, если бы тепловой насос работал по обратному обратимому циклу Карно, был бы равен.

Например, при отоплении здания зимой при температуре низшего источника (речная вода) Т1 =280 К и температуре рабочего тела в отопительной системе T2=360 К z = 360/(360 – 280) = 4,5. Например, при отоплении здания зимой при температуре низшего источника (речная вода) Т1 =280 К и температуре рабочего тела в отопительной системе T2=360 К z = 360/(360 – 280) = 4,5. Следовательно, тепловой насос передает в отопительную систему количество теплоты в 4,5 раза большее, чем количество затрачиваемой в компрессоре работы. Следовательно, тепловой насос передает в отопительную систему количество теплоты в 4,5 раза большее, чем количество затрачиваемой в компрессоре работы. Таким образом, при указанных значениях Т1 и T2 тепловой насос теоретически мог бы передать потребителю количество теплоты в 4,5 раза большее, чем при обычном электрообогреве при той же затраченной электроэнергии. Таким образом, при указанных значениях Т1 и T2 тепловой насос теоретически мог бы передать потребителю количество теплоты в 4,5 раза большее, чем при обычном электрообогреве при той же затраченной электроэнергии.