Цикл воздушной холодильной установки

Принцип действия воздушной холодильной установки основан на расширении предварительно сжатого и охлажденного воздуха. На рис. 14.1 изображена принципиальная схема воздушной холодильной машины.

Рис. 14.1. Принципиальная схема воздушной холодильной установки

Воздух из холодильной камеры 3 поступает в компрессор 2. После сжатия до давления (рис. 14.2) он с температурой поступает в теплообменник 1 (холодильник), охлаждается в нем проточной водой до температуры окружающей среды, определяемой точкой 3. Затем воздух поступает в детандер 4, где расширяется от давления до давления . При этом температура воздуха понижается до (-60…-70)°С. Холодный воздух направляется в холодильную камеру 3, где нагревается, отбирая теплоту у охлаждаемых тел. После этого цикл повторяется вновь.

Цикл холодильной машины в и диаграммах (рис. 14.2) состоит из следующих процессов: 1-2 – сжатие воздуха в компрессоре; 2-3 - отвод теплоты от воздуха в теплообменнике при постоянном давлении; 3-4 – расширение воздуха в детандере; 4-1- процесс подвода теплоты при постоянном давлении к воздуху в холодильной камере.

Рис. 14.2. Цикл воздушной холодильной машины:

а- в vP – диаграмме; б - в sT – диаграмме.

Удельное количество теплоты, отданное охлаждающей воде:

, (14.1)

а удельное количество теплоты, отобранное охлажденным воздухом от охлаждаемого объема:

. (14.2)

Удельная работа, совершенная воздухом в холодильной установке при постоянном значении теплоемкости:

,

или

Холодильный коэффициент:

. (14.3)

Вследствие малого значения теплоемкости воздуха удельная холодопроизводительность воздушных холодильных установок низка.

Цикл парокомпрессорной холодильной установки

Хладоагентами паровой холодильной установки являются пары легкокипящих веществ таких, как NH₃, углекислота CO₂, сернистый ангидрид SO₂, хлорметан CH₃Cl, фреон. Наибольшее применение получили аммиак и фреоны. В парокомпрессорных холодильных установках, в отличие от воздушных, вместо детандера применяется дроссельный (редукционный) вентиль, при помощи которого регулируют температуру в охлаждаемом объеме изменением степени открытия редукционного вентиля. Процесс адиабатного дросселирования сопровождается ростом энтропии дросселируемого вещества, при этом энтальпия вещества не изменяется.

Рис. 14.3. Принципиальная схема паровой холодильной машины

Парокомпрессорная холодильная установка работает следующим образом. Сжатый в компрессоре 3 (рис.14.3) до давления влажный (сухой) пар поступает в конденсатор (охладитель) 2, где за счет отдачи теплоты охлаждающей среде происходит полная конденсация пара (изобарно-изотермический процесс 4-1, рис. 14.4). Жидкость из конденсатора при давлении и температуре проходит через дроссельный вентиль 1, где она дросселируется до давления . Давление выбирается таким, чтобы соответствующая этому давлению температура насыщения была несколько ниже температуры охлаждаемого объема. Процесс дросселирования в вентиле 1 является необратимым и на - диаграмме изображается условной линией 1-2. После дроссельного вентиля влажный пар направляется в испаритель 4, где за счет теплоты, отбираемой от охлаждаемых тел, содержащаяся в нем жидкость испаряется, степень сухости влажного пара при этом возрастает (изобарно-изотермический процесс 2-3). Из испарителя пар высокой степени сухости направляется в компрессор 3, где адиабатно сжимается от давления до давления . В зависимости от состояния пара, выходящего из компрессора, возможны следующие циклы: на насыщенном паре (рис. 14.4,а); на влажном паре (рис. 14.4,б); на перегретом паре (рис. 14.4,в). Из компрессора пар направляется в конденсатор 4 и цикл замыкается.

а	б	в

Рис. 14.4. Цикл паровой компрессорной холодильной машины

В цикле Карно 1А34 процесс охлаждения хладоагента от температуры до температуры происходит по обратимой адиабате 1-А в детандере. Количество теплоты , отбираемое от холодного источника, в цикле парокомпрессорной установки изображается пл. а23b, а количество теплоты , отбираемого в цикле Карно, - пл. сА3b. Из рисунка видно, что пл. сА3b> пл. а23b. Потеря хладопроизводительности от замены детандера редукционным вентилем определяется пл.А2ас. Количество теплоты (пл.412аb), переданное в конденсаторе охлаждающей среде при постоянном давлении:

.

Теплота (пл.23bа), подводимая к хладоагенту в охлаждаемом объеме:

.

В цикле парокомпрессорной холодильной установки работа, затрачиваемая на привод компрессора 3:

.

Поскольку в процессе дросселирования , то работа, затрачиваемая в цикле, равна работе компрессора, то есть:

.

Подставляя значения и в выражение (14.3), получим:

. (14.4)