Циклы холодильных установок. Паровая компрессионная холодильная установка

Циклы холодильных установок

Холодильные установки предназначены для охлаждения тел до температуры ниже температуры окружающей среды. Чтобы осуществить такой процесс, необходимо от тела отвести теплоту и передать ее в окружающую среду за счет работы, подводимой извне.

Холодильные установки широко используются в газовой промышленности при подготовке газа к транспорту в установках комплексной подготовки газа (УКПГ), для охлаждения газа на компрессорных станциях магистральных газопроводов, проложенных в районах многоголетнемерзлых пород, при переработке природного газа, при получении и хранении сжиженного природного газа и т. д.

Теоретически наиболее выгодный цикл холодильной установки – обратный цикл Карно. Однако цикл Карно в холодильных установках не используется из-за конструктивных трудностей, которые возникают при реализации этого цикла, и, кроме того, влияние необратимых потерь работы в реальных холодильных машинах настолько велико, что сводит на нет преимущества цикла Карно.

Паровая компрессионная холодильная установка

Для получения неглубокого холода наибольшее распространение получили паровые компрессионные установки (рис. 1. 42). В качестве рабочего тела в таких установках используют хладоагенты-низкокипящие жидкости (аммиак, фреон и др. ). Холодильная установка состоит из холодильной камеры (5), где должна быть температура ниже температуры окружающей среды, компрессора (1), испарителя (4), конденсатора (2) и регулирующего дроссельного вентиля (3) (рис. 1а).

Рис. 1.  Схема (а) и цикл паровой компрессионной холодильной
установки в координатах T-s (б)

При работе паровой компрессионной холодильной установки компрессор засасывает из испарителя хладоагент в виде влажного насыщенного или сухого насыщенного пара при давлении выше атмосферного ( )и отрицательной температуре ( ) (точка 1), и адиабатически его сжимает
(1–2) до более высокого давления р₂. (рис. 1. б). В конце сжатия (2) температура хладоагента уже положительна и превышает температуру охлаждающей воды, которая в данной установке играет роль окружающей среды ( ). При этих параметрах компрессор подает рабочее тело (перегретый пар) в конденсатор, где охлаждающая вода отнимает от него теплоту перегрева
(2-3) и парообразования (3–4). Вследствие этого пар при давлении
p₂ = idem полностью конденсируется (точка 4). Конденсат проходит через вентиль (рис. 42а), в котором он дросселируется в изоэнтальпийном процессе (h = idem) до давления p₁ (4–5) и поступает в испаритель, где испаряется
(5–1), отбирая теплоту от охлаждаемых тел. Затем рабочее тело вновь поступает в компрессор ицикл повторяется.

В установках большой мощности между холодильной камерой (5) и испарителем (4)циркулирует рассол, отбирающий от охлаждаемых тел в камере (5)теплоту q₂. Эта теплота в испарителе (4) используется для испарения хладоагента. В установках малой мощности, например в домашних холодильниках, испаритель располагается в самой холодильной камере и, надобность в рассоле отпадает. В диаграмме Т–s значениюотводимого от охлаждаемых тел количеству теплоты q₂ в холодильной камере соответствует площадь с-5-1-а; работе l_ц, затрачиваемой в компрессоре на сжатие пара, соответствует площади цикла 1-2-3-4-5-1. Количество теплоты, передаваемое охлаждаемой воде или атмосферному воздуху (q₁= q₂+ l_ц), определяется площадью фигуры с-а-1-2-3-4-5-с.

Термодинамическая эффективность холодильных установок определяется холодильным коэффициентом . Холодильный коэффициент определяется как отношение количества теплоты q₂, отводимой от охлаждаемого тела, к затраченной в цикле работе l_ц

.                                            (1)

Температура в холодильной камере холодильной установки зависит от положения регулирующего дроссельного вентиля (3). Так, при необходимости уменьшить эту температуру вентиль дополнительно прикрывается, в результате чего происходит более глубокое дросселирование, а, следовательно, и охлаждение рабочего тела до более низкой температуры (рис. 1. б). При этом, процесс отвода теплоты от охлаждаемого тела будет происходить при более низкой температуре рабочего тела (5'–1'). Экономичность установки (χ ) снижается в силу уменьшения величины q₂ и увеличения работы l_ц, затрачиваемой на привод компрессора. (рис. 1).