Принципові схеми і теплові процеси компресійних холодильних машин.

Теоретичні цикли холодильних машин розраховують виходячи з наступних пропозицій: процеси кипіння і конденсації протікають при незмінних тисках і температурах; компресор ідеальний (без теплообміну, тертя, втрат на дроселювання, шкідливого простору і витікань); стиснення адіабатне; зниження тиску холодоагенту, що поступає з конденсатора у випарник, проходить в дроселю вальному регулювальному вентилі; стан холодоагенту в трубопроводах не змінюється.

Розглянемо принципову схему ідеальної холодильної машини, яка складається з конденсатора, компресора, розширювального циліндра ( детандера) і випарника. Цикл такої машини виконується в області вологої пари між пограничними кривими х=0 і х=1.

В ідеальній холодильній машині детандер призначений для того, щоб підготувати холодоагент до сприйняття тепла при низькій температурі, - охолодити його. Це досягається зниженням енергії холодоагенту за рахунок додаткової роботи lр.Після здійснення такої роботи в детандері рідкий холодоагент поступає у випарник, де кипить при постійній температурі t₀ і постійному тиску р₀ (лінія 4-1). Під час кипіння холодоагент віднімає тепло q₀від середовища охолодження. З випарника компресор засмоктує вологу пару холодоагенту і стискає його адіабатно (лінія 1-2) до тиску р_к, на що витрачається робота l. Температура зростає до t_к. Холодопродуктивність машини визначається площею α-1-4-β.

Суха насичена пара нагнітається компресором в конденсатор, де конденсується при постійному тиску рк і температурі tк(лінія 2-3), віддаючи середовищу охолодження теплоq0, яке отримане у випарнику, і тепло, еквівалентне роботі компресора l.

З конденсатора рідкий холодоагент поступає в детандер. Тут виконується його розширення при постійній ентропії (лінія 3-4), і робота lр , отримана за рахунок внутрішньої енергії, використовується як додаткова для привода компресора. Внаслідок розширення температура холодоагенту понижується до t₀, а тиск – до р₀ . З цими параметрами він знову поступає у випарник.

У сучасних холодильних машин детандер замінено регулювальним вентилем РВ, через це адіабатне розширення замінюють дроселюванням. В точках 3 і 4 ентальпія однакова. Під процесом дроселювання розуміють пониження тиску рідини або пари (газу) під час проходження через звужене січення регулювального вентиля при відсутності теплообміну з навколишнім середовищем без здійснення зовнішньої роботи. Дроселювання є не оберненим процесом, - тепло, що розвинене тертям і завихренням у потоці, не може бути повністю перетворено назад в інший вид енергії. Це тепло підводиться до холодоагенту і викликає безкорисне пароутворення. При цьому корисна холодопродуктивність кожного кілограму рідкого холодоагенту знижується.

Процес в регулювальному вентилі йде не по адіабаті 3-4, а по ізоентальпії 3-4’. При регулювальному вентилі не тільки втрачається робота lр, що отримана в детандері і зображена площею 5-3-4, але й зменшується холодопродуктивність на величину, що дорівнює площі β-4-4’- δ.

Дроселювання супроводжується зниженням температури холодоагенту. На діаграмі lq p-і цей процес показаний лінією 3-4’ постійного тепловмісту. Кінець дроселювання визначається точкою 4’. Відрізок 3-4 являє собою перепад тисків рк-р0в регулювальному вентилі.

Робота, яку міг би здійснити холодоагент в детандері, є втраченою, і кількість витраченої зовнішньої енергії визначається повною роботою компресора, - без віднімання з нею роботи детандера. Теплова енергія холодоагенту, що могла б використовуватися в детандері, переноситься за регулювальний вентиль і витрачається на кипіння, в наслідок чого понижується холодопродуктивність.

Величина втрат холодопродуктивності залежить від властивостей холодоагенту, теплоємкості рідини, теплоти пароутворення і критичних параметрів.

Втрати від дроселювання можна скоротити, понизивши температуру рідкого холодоагенту перед регулювальним вентилем нижче температури конденсації. Цей процес умовно називається переохолодженням рідини і досягається використанням більш холодної водив пере охолоджувачах. Значне переохолодження майже до температури охолоджувальної води, що виходить, з відведенням теплоти qп можливо в проти потоковому пере охолоджувачі, що встановлюється після конденсатор. Переохолодження може бути досягнуте в присутності парової фази холодоагенту. Переохолодженням може служити тільки та частина поверхні охолодження проти потокового апарату, в якому рідкий холодоагент рухається по всьому січенню.

На Т-S діаграмі процес переохолодження протікає при постійному тиску по лінії 3-3’ і співпадає з лівою пограничною кривою х=0. При переохолодженні кількість тепла в рідкому холодоагенті зменшується, а холодопродуктивність (площа α-1-4’-β) зростає на величину Δq0, що відповідає площі β-4-4’-δ.

В транспортних холодильних установках переохолодження досягається шляхом відповідного збільшення тепло передаючої поверхні конденсатора або використання теплообмінників.

Процес стиснення називається вологим ходом компресора, бо він протікає в області вологої пари. Хоч точка 2, яка визначає кінець стиснення, характеризує насичену пару без наявності рідини(х=1), в дійсності так не буває. При стисненні вологої пари в процесі внутрішньої теплопередачі, що потребує деякий час, частинки рідини переходять у пару, що може викликати гідравлічний удар. Точка 2 характеризує тільки середні параметри суміші перегрітої пари рідини.

Сухий хід компресора забезпечується за рахунок пропуску пари через відокремлював рідини Ж. При сухому ході цикл втрачає прямокутну форму в координатах T-S. Це є третьою особливістю циклу парової компресійної холодильної машини , що відрізняє його від циклу Карно. Перехід від всмоктування вологої пари до всмоктування сухої насиченої пари (точка1), збільшує холодопродуктивність 1 кг холодоагенту q₀(площа 1-1’- α-δ), потребує збільшення роботи компресора ( площа 1’-2’-2-1).

На діаграмі lq p-і холодопродуктивність і витрачена компресором робота виражені відрізком q₀іl.Компресор засмоктує з випарника тільки суху насичену пару (точка1). Робота при сухому ході компресора супроводжується перегрівом пари холодоагенту (точка2).

Теоретичний цикл одноступеневої парової компресійної холодильної машини в координатах T-Sі lq p-іхарактеризуєтьсязасмоктуванням з випарника в компресор сухої насиченої пари і його адіабатним (1-2) одноступеневим стисканням, охолодженням (2-2’, ізобара) і конденсацією пари в конденсаторі (2’-3, ізобара та ізотерма) при температурі t_к і тиску р_к , переохолодженням холодоагенту (3-3’, ізобара), дроселюванням його в регулювальному вентилі (3’-4’, ізоентальпії) і кипінням у випарнику (4’-1, ізобара та ізотерма) при температурі t₀ і тиску р₀.

Кількість тепла q₀ , що відбирається у випарнику попереднього охолодження (площа або відрізок q₀= і₁-і_4’).

Схема холодильної машини з теплообмінником ІІІ, в якому виконується теплообмін між рідким холодоагентом і парою всмоктування. Регенеративний теплообмінник переохолоджує рідину, що поступає з конденсатора ІІ, за рахунок перегріву пари, що всмоктується з випарника ІУ. В конденсаторі пара переходить в рідину (лінія 2’’-3), переохолоджується (лінія 3-3’), а потім поступає в теплообмінник і додатково охолоджується (лінія 3’-3’’) за допомогою пари, що поступає з випарника ІУ в перегрітому стані (лінія 1’-1’’).

Використання теплообмінників дозволяє збільшувати холодопродуктивність машини на Δq₀ (площа α-1-4’-β) і покращує її холодильний коефіцієнт. При теплообміннику стиснення на діаграмі T-S переміщується в область перегрітої пари і робота, що витрачається на стискання, збільшується на Δl, що дорівнює площі 1-1’’-2’’-2. Такий теплообмін доцільно використовувати для холодоагентів з невеликим відношенням схованої теплоти пароутворення до теплоємкості рідини.

Використання теплообмінника виправдовується коли пара, що поступає в компресор І, повинна бути перегрітою для попередження попадання рідини в циліндр компресора і зменшення розчину робочої речовини в маслі; коли бажано переохолодити холодоагент, що поступає з конденсатора, для попередження утворення кульок пари, які заважають проходу потоку через регулювальний вентиль РВ. Регенеративний теплообмінник дозволяє декілька збільшити коефіцієнт подачі.