Вопрос 2. Цикл воздушной холодильной установки

Вопрос 1. Цикл паровой компрессорной холодильной установки

 

Рассмотрим схему холодильной компрессорной установки, работающей, например, на парах аммиака.

 

1 – компрессор; 2 – конденсатор; 3 – дроссельный вентиль; 4 – охлаждаемое помещение (холодильная камера) (испаритель).

Сухой насыщенный, перегретый или влажный с большой степенью сухости пар сжимается в компрессоре по адиабате (изоэнтропе) 1-2 до состояния перегретого пара в точке 2. Из компрессора пар нагнетается в конденсатор, где полностью превращается в жидкость в процесс 2-3-4. После конденсатора жидкий аммиак проходит через дроссельный вентиль, в котором понижаются его температура и давление. Затем жидкий аммиак с низкой температурой поступает в испаритель, где, получая количество теплоты q₂ в процессе 5-1, испаряется и охлаждает жидкость, которая циркулирует в охлаждаемой камере. Процесс дросселирования, как необратимый процесс, изображается на диаграмме условной кривой 4-5.

Удельное количество теплоты q₂, получаемое аммиаком от охлаждаемых тел в испарителе, (удельная холодопроизводительность) изображается пл. 75187, т.е. q₂= . Удельное количество теплоты q₁, отведенное охлаждающей жидкостью в конденсаторе, изображается пл. 643286, т.е. q₁= . Удельная работа, затраченная на совершение цикла (удельная работа, затраченная при адиабатном (изоэнтропном) сжатии пара в компрессоре) l_ц=q₁-q₂= ≡6421576≡1042110. Равенство пл. 64321576 и 10432110 следует из условия, что в результате дросселирования аммиака энтальпия в точке 5 равна энтальпии в точке 4 .

Холодильный коэффициент компрессорной паровой установки

 

.

 

Значения энтальпий в уравнении определяют по i, s или р, i - диаграмме или по таблицам для аммиака.

Паровые холодильные установки имеют большое преимущество перед воздушными. Они компактны, дешевы и имеют более высокий холодильный коэффициент.

Вопрос 2. Цикл воздушной холодильной установки

 

 

В воздушных холодильных установках в качестве рабочего тела применяют воздух, являющийся наиболее удобным, безвредным и доступным рабочим телом.

Воздух в процессе 1-2 адиабатно (изоэнтропно) сжимается в компрессоре 2 от давления р₁ до р₂, в результате чего температура его увеличивается от Т₁ до Т₂. В теплообменнике 3 в изобарном процессе 2-3 от воздуха в окружающую среду отводится количество теплоты q₁ и температура его понижается от Т₂ до Т₃. После этого сжатый воздух поступает в расширительный цилиндр, или детандер 4, в котором при адиабатном (изоэнтропном) расширении в процессе 3-4 воздух дополнительно охлаждается от температуры Т₃ до Т₄, равной -60 - -70 ⁰С. Затем холодный воздух поступает для охлаждения камеры 1, в которой в изобарном процессе 4-1 происходит отвод количества теплоты q₂ от охлаждаемых предметов, в результате чего воздух нагревается от Т₄ до Т₁. Затем воздух снова поступает в компрессор и цикл повторяется

Работа, затрачиваемая на осуществление цикла, равна разности удельных количеств теплоты q₁ и q₂. Считая теплоемкость воздуха постоянной, имеем

,

,

.

Тогда холодильный коэффициент цикла

.

Из адиабатных (изоэнтропных) процессов 1-2 и 3-4 получаем

= ,

или, по свойствам пропорции, .

Окончательно имеем

,

где Т₁ – температура охлаждаемой камеры или температура воздуха, засасываемого в компрессор;

Т₂ – температура сжатого воздуха.

Цикл воздушной холодильной установки внешне необратим, так как отвод теплоты осуществляется в окружающую среду с постоянной температурой, в пределе равной Т₃. Подвод теплоты происходит от охлаждаемого помещения, в котором должна поддерживаться постоянная температура, не превышающая Т₁. Таким образом, из-за несовершенства цикла воздух после компрессора должен перегреваться на разность температур Т₂ – Т₃ и охлаждаться ниже температуры охлаждаемого помещения на разность температур Т₁ – Т₄. Наиболее совершенным процессом отвода теплоты был бы изотермический процесс 5-3, а процессом подвода теплоты – изотермический процесс 6-1. При этом указанные процессы можно было бы в пределе провести обратимо. Но цикл 1-5-3-6-1 будет обратным циклом Карно.

По сравнению с циклом Карно в идеальном цикле воздушной холодильной установки дополнительно затрачивается работа, равная сумме пл. 2352 и 1641. При этом количество теплоты, отбираемое от охлаждаемого помещения, будет меньше на величину пл. 1641 по сравнению с циклом Карно.

Холодильный коэффициент эквивалентного обратного цикла Карно, как видно из T-s диаграммы, равен

,

поскольку Т₃ < Т₂, то > e.

Следовательно, еще раз подтверждается, что обратный цикл Карно является наиболее совершенным циклом холодильной установки.

Цикл воздушной холодильной установки является термодинамически несовершенным, а установка малоэкономичной и громоздкой, поэтому они применяются редко.

ТЕМА 7. ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ

По обратному циклу могут работать не только холодильные машины, задачей которых является поддержание температуры охлаждаемого помещения на заданном уровне, но и тепловые насосы, с помощью которых теплота низкого потенциала, забираемая от окружающей среды с помощью затраченной извне работы, при более высокой температуре отдается внешнему потребителю.

 

 

Характеристикой совершенства работы теплового насоса является отношение отданного внешнему потребителю удельного количества теплоты к затраченной на это удельной работе

.

Коэффициент x называется или отопительным коэффициентом, или коэффициентом теплоиспользования, или коэффициентом преобразования теплового насоса.

Работа теплового насоса в принципе не отличается от работы холодильной установки.

Тепловой насос для нужд отопления выгодно применять в тех случаях, когда имеется источник теплоты с низкой температурой (например, вода в различных водоемах; вода, получаемая после охлаждения компрессоров, гидрогенераторов, и др.), а также источник дешевой работы.

 

 

Рассмотрим схему теплового насоса.

 

Работа теплового насоса состоит в следующем. За счет теплоты источника с низкой температурой в испарителе 1 происходит процесс парообразования рабочего тела с низкой температурой кипения (аммиак, фреон). Полученный пар направляется в компрессор 2, в котором температура рабочего тела повышается от t₂ до t₁. Пар с температурой t₁ поступает в конденсатор 3, где при конденсации отдает свою теплоту жидкости, циркулирующей в отопительной системе. Образовавшиеся конденсат рабочего тела направляется в дроссельный вентиль 4. Там он дросселируется с понижением давления от р₁ до р₂. После дроссельного вентиля жидкое рабочее тело снова поступает в испаритель 1.

Из схемы видно, что затраченная работа, изображаемая пл. 1042110, вместе с теплотой источника низкой температуры передается телу с высокой температурой. Если обозначить удельное количество теплоты, получаемое рабочим телом в испарителе, через q₂, а удельное количество теплоты, отданное в отопительную систему, - через q₁ и затраченную удельную работу в компрессоре – через l, то . Из рассмотренного цикла следует, что , . Энтальпия рабочего тела в результате дросселирования не изменяется, поэтому , а . Тогда коэффициент преобразования теплового насоса

.

Если бы тепловой насос работал по обратному циклу Карно, то коэффициент преобразования был бы

.

Например, при отоплении здания зимой температура речной воды Т₂ @ 280 К, температура рабочего тела в отопительной системе Т₁ = 350 К, при этих условиях x=350/(350-280)=5.0. Эта величина показывает, что тепловой насос передает количество теплоты в отопительную систему в пять раз больше, чем затрачивается работы.

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: