Принцип карно для холодильной машины

Принцип карно для холодильной машины

Рейтинг 3.1/5 (115 голосов)

Принцип действия теплового двигателя приведём на примере (рис.1): от термостата с более высокой температурой Т₁, называемого нагревателем, за цикл отнимается количество теплоты Q₁, а термостату с более низкой температурой Т₂, называемому холодильником, за цикл передаётся количество теплоты Q₂, при этом совершается работа A = Q₁ — Q₂.

Процесс, обратный происходящему в тепловом двигателе, используется в холодильной машине, принцип действия которой представим на примере (рис.2): системой за цикл от термостата с более низкой температурой T₂ отнимается количество теплоты Q₂ и отдаётся термостату с более высокой температурой T₁ количество теплоты Q₁. Для кругового процесса Q=A, но по условию, Q=Q₂—Q₁

При адиабатическом расширении 2-3 теплообмен с окружающей средой отсутствует, и работа расширения A₂₃ совершается за счет изменения внутренней энергии и:

(2)

Количество теплоты Q₂, отданное газом холодильнику при изотермическом, сжатии равно работе сжатия A₃₄:

(3)

Работа адиабатического сжатия

(4)

(5)

и, как можно показать определяется площадью, заштрихованной на рис.3.

Термический к.п.д. цикла Карно

(6)

Применив уравнение для диабад 2-3 и 4-1, получим

(7)

Подставляя (1) и (3) в формулу (6) получаем

т. е. для цикла Карно к.п.д. действительно определяется только температурами нагревателя и холодильника. Для его повышения необходимо увеличивать разность температур нагревателя и холодильника. К.п.д. всякого реального теплового двигателя из-за трения и неизбежных тепловых потерь гораздо меньше вычисленного для цикла Карно.

Источник

Цикл холодильной машины Карно. Принцип работы холодильника

Ранее отмечалось, что тепловая машина может работать и по обратному циклу Карно (рис. 8.17). Результатом такого цикла является то, что ра­бочее тело получает энергию в тепловой форме от низкотемпературного источника энергии (холодильника) и передает ее высокотемпературному источнику энергии (нагревателю). На первый взгляд это противоречит второму закону термодинамики, одна из формулировок которого гласит:

• энергия в тепловой форме не может самопроизвольно переходить от менее нагретого тела к более нагретому телу.

Из этой формулировки видно лишь то, что процесс не может быть самопроизвольным. Следовательно, принципиально второй закон термо­динамики не запрещает переход теплоты от низкотемпературного резер­вуара (источника) к высокотемпературному. Из практики действительно известно, что при приведении в контакт двух тел энергия в форме теплоты будет самопроизвольно передаваться от более нагретого тела (имеющего большую температуру) к менее нагретому телу (имеющему меньшую тем­пературу). В противоположном направлении переход энергии в тепловой форме от менее нагретого тела к более нагретому телу самопроизвольно невозможен. Тем не менее, этот процесс возможен при определенных условиях, которые должны быть созданы искусственно. Совершив цикл Карно в обратном направлении, можно целенаправленно вызвать переход энергии в тепловой форме от менее нагретого тела к более нагретому телу.

При совершении обратного цикла Карно затрачивается энергия в ме­ханической форме в количестве Wре3. Затрачиваемая энергия в механи­ческой форме имеет знак «минус». Это означает только то, что энергия в механической форме передается рабочему телу из окружающей среды. В соответствии с правилом термодинамических знаков, если энергия в механической форме отводится от рабочего тела в окружающую среду, она положительна. Структурная схема работы холодильной машины Карно показана на рис. 8.21.

В чем состоит идея холодильной машины Карно? Фактически это та же тепловая машина, но работающая по обратному циклу.

Пусть рабочее тело (газ) находится в цилиндре в сжатом состоянии (точка а на индикаторной диаграмме; рис. 8.22). Предоставим газу воз­можность расшириться адиабатически, т. е. без притока энергии извне[6].

Высоттемжрамурный источник тепловой энергии J

Рис. 8.21. Условная схема работы тепловой машины по обратному циклу Карно

Рис. 8.22. Индикаторная диаграм­ма обратного цикла Карно

Процесс адиабатического расширения будет происходить по линии а-Ъ. Объем газа увеличится. Рабочим телом (термодинамической системой) будет совершена положительная работа, численно равная площади фигуры А-Ь-2-1 под линией адиабатического расширения а-Ъ. Так как в этом процессе энергия в форме теплоты к рабочему телу не подводится, но отводится в механической форме (путем совершения работы), внутренняя энергия рабочего тела будет уменьшаться:

AU = иь — иа = Qa-b — Wa-b = — WV*; Ub-Ua = Ua — Ub = Wa-b]

Можно заключить, что подводимая в адиабатическом процессе сжатия работа (энергия в механической форме) расходуется только на повышение внутренней энергии рабочего тела, так как Qc-d = 0. Так как в процессе сжатия c-d внутренняя энергия рабочего тела увеличивается, увеличива­ется и его температура (Td > Тс).

В адиабатическом процессе сжатия к рабочему телу подводится энергия в механической форме И^, численно равная площади фигуры c-d—3-4.

Таким образом, поступающая из окружающей среды энергия в механи­ческой форме в процессе адиабатического сжатия преобразуется во внут­реннюю энергию рабочего тела. Возрастание внутренней энергии рабочего тела означает, что его температура также увеличивается. В точке d, когда температура рабочего тела достигнет значения Td, которое на бесконечно малую величину превышает температуру высокотемпературного источни­ка тепловой энергии (Td — 7\ —» +0), рабочее тело приводят в контакт с этим источником. Дальнейший процесс сжатия d-a не вызывает роста температуры рабочего тела, поскольку из-за бесконечно малой разности температур рабочего тела и высокотемпературного источника энергии будет наблюдаться постоянный отток внутренней энергии в форме теплоты в этот источник (нагреватель).

Таким образом, процесс сжатия d-a будет происходить изотермически (Ti = idem). В точке а цикл замыкается. В процессе изотермического сжатия d-a от рабочего тела в высокотемпературный источник энергии (нагреватель) будет отведена энергия в форме теплоты в количестве Q\. Поскольку обратный цикл Карно начался в точке а и закончился в ней, значения параметров рабочего тела в конце цикла равны их значениям в начале цикла, т. е.

Так как Ткон = Тнач, то изменение внутренней энергии рабочего тела за цикл a-b-c-d-a равно нулю: AUa-b-c-d-a = fruv(TKOH — Тнач) = 0.

В изотермическом процессе сжатия d-a затрачивается энергия в меха­нической форме в количестве Wd-a• Эта энергия (работа) численно равна площади фигуры d-a-1-З.

В обратном цикле к рабочему телу подводится энергия в форме теплоты Q2 (в соответствии с правилом термодинамических знаков она имеет знак «плюс»), а отводится —Qi (имеет знак «минус»).

1 (рис. 8.22) позволяет заключить, что в ходе обратного цикла к рабочему телу подводится больше энергии в механической форме, чем отводится от него в такой же форме:

Площадь c-d-a-1-4 > площадь a-b-c-A-1.

По этой причине результирующая работа цикла Wpe3 будет отрицатель­ной величиной. На основании выражения первого закона термодинамики (8.5) для обратного циклического процесса можно записать

AU = Q2-Q1-(-W) = Q2-Q1 + Wpe3 = Q. (8.52)

Так как в ходе циклического процесса внутренняя энергия рабочего тела не изменяется (AU — 0), выражение (8.52) можно записать в виде

Полученное выражение позволяет заключить, что высокотемператур­ному источнику передается больше энергии в форме теплоты, чем прини­мается от низкотемпературного источника.

Исходя из этих соотношений, на основании выражения (8.74) можно установить, что холодильный коэффициент г)хол тепловой машины Карно может быть большим 1, равным 1 и меньшим 1.

Выражение (8.74) справедливо только для холодильной машины. Из анализа зависимости (8.74) вытекает следующее:

• холодильный коэффициент цикла зависит от температур горячего и холодного источников и не зависит от природы рабочего тела;

• значение холодильного коэффициента цикла тем больше, чем меньше разность температур (Т2 — 7\) холодного и горячего источников;

• значение холодильного коэффициента может изменяться от 0 до беско­нечности;

• холодильный коэффициент обратного цикла Карно имеет максимальное значение в сравнении с другими циклами.

Циклы современных холодильных машин определяются назначением, глубиной охлаждения и свойствами используемого в них рабочего тела.

Проанализируем на качественном уровне изменения, которые происхо­дят на нашей кухне при работе холодильника. В холодильник встроена теп­ловая машина, работающая по некоторому обратному циклу. В результате работы этой тепловой машины по обратному циклу тепловая энергия отби­рается из внутреннего пространства (холодильной камеры), являющегося

Низкотемпературным источником теплоты, и передается воздуху на кухне с помощью теплообменника, расположенного снаружи на задней стенке холодильника. Многие из личного опыта знают, что задняя стенка (там, как правило, расположен теплообменник) холодильника всегда теплее, чем окружающий воздух. От теплообменника теплота передается воздуху. Если бы кухня не проветривалась, а ее стенки имели идеальную тепло­вую изоляцию, вскоре можно было бы заметить существенное повышение температуры воздуха. Как правило, эти условия не выполняются, поэтому заметить повышение температуры воздуха не представляется возможным.

Целевое предназначение тепловой машины, установленной в холодиль­нике, состоит в понижении температуры в камере (охлаждении морозиль­ной камеры). Отсюда и происходит название — холодильник.

Несколько изменим планировку кухни. Поставим холодильник так, что­бы его двери открывались наружу квартиры (на улицу), а теплообменник (задняя стенка) находился внутри квартиры. Если включить холодильник и открыть его дверцу, то в холодильную камеру будет постоянно подводить­ся энергия в форме теплоты из окружающей среды (с улицы). Эта тепловая энергия через теплообменник будет переноситься внутрь квартиры. Если квартира имеет хорошую тепловую изоляцию, то температура воздуха в ней будет повышаться. При этом температура воздуха на улице не умень­шится ввиду значительных размеров окружающей среды. В этом случае тепловая машина, установленная в холодильнике, работает как тепловой насос, — повышает температуру воздуха в помещении за счет притока энергии в тепловой форме из окружающей среды (низкотемпературного источника тепловой энергии).

Если тепловая машина, работающая по обратному циклу, используется в качестве теплового насоса, ее эффективность оценивается с помощью отопительного коэффициента.

Отопительный коэффициент характеризует эффективность передачи энергии высокотемпературному источнику энергии. Он определяется по формуле ^

Подставим выражения (8.62) и (8.64) в выражение (8.75), получим

ТДоГ2 In £ + тДоТх In £ VB Vd

Учитывая соотношения (8.71), выражение (8.76) можно представить в виде

Так как Т2 Т2 — Холодильные установки и тепловые насосы работают по циклу, в ко­тором осуществляется переход тепловой энергии от менее нагретых тел к более нагретым телам. Согласно второму закону термодинамики такой процесс возможен только при дополнительном компенсирующем процессе, в качестве которого используют переход энергии из механической формы в тепловую форму или переход энергии в форме теплоты от какого-нибудь горячего тела к холодному. В обоих случаях присутствуют затраты энер­гии, полученной извне по отношению к данной установке.

В зависимости от применяемого хладагента холодильные установки делятся на две основные группы:

• газовые (воздушные), в которых хладагент находится в состоянии, удаленном от состояния насыщения;

• паровые, в которых хладагент (пар) находится в состоянии, близком к состоянию насыщения.

В зависимости от температуры, которая должна быть достигнута при охлаждении, различают холодильные установки умеренного холода (темпе­ратура до —70° С) и установки глубокого холода (температура до —200° С и ниже). Последние, как правило, используются для сжижения воздуха и других газов.

Установки, в которых энергия для получения холода затрачивается в виде механической работы на привод компрессора, называются компрес­сорными, а установки, в которых энергия затрачивается в форме теплоты на термохимическую компрессию, — абсорбционными.

В заданном интервале температур теоретически наиболее выгодным циклом холодильной установки является обратный цикл Карно, но из-за конструктивных трудностей и больших потерь на трение обратный цикл Карно реально неосуществим. Он служит некоторым эталоном, с которым сравнивают эффективность действительных циклов холодильных машин.

В промышленных масштабах холод впервые был получен с помощью воздушных компрессорных холодильных машин.

Комментарии к записи Цикл холодильной машины Карно. Принцип работы холодильника отключены

Источник

Цикл Карно. Газ, совершающий цикл Карно

Наиболее эффективным циклом теплового двигателя является тепловой цикл Карно. Он состоит из двух изотермических и двух адиабатических процессов. Второе начало термодинамики устанавливает, что не вся поставляемая в тепловой двигатель теплота может быть использована для выполнения работы. КПД такого двигателя, реализующего цикл Карно, дает предельное значение той части ее, которая может быть использована для этих целей.

Несколько слов об обратимости физических процессов

Физический (а в узком смысле термодинамический) процесс в некоторой системе тел (включающей твердые тела, жидкости, газы) является обратимым, если после того, как он был осуществлен, можно восстановить состояние, в котором система находилась до его начала. Если она не может вернуться в исходное состояние в конце процесса, то он является необратимым.

Что вызывает необратимость процессов?

Факторы, которые приводят к ней, включают в себя:

Процесс необратим, если в наличии любой из этих факторов. Идеальный цикл Карно является обратимым процессом.

Внутренне и внешне обратимые процессы

Когда процесс осуществляется, факторы его необратимости могут находиться в рамках самой системы тел, а также в ее окрестности. Он называется внутренне обратимым, если система может быть восстановлена в то же самое состояние равновесия, в котором она находилась в его начале. При этом внутри нее не может быть факторов необратимости, пока длится рассматриваемый процесс.

Если факторы необратимости отсутствуют за пределами границ системы в процессе, то он называется внешне обратимым.

Процесс называется обратимым полностью, если он и внутренне, и внешне обратим.

Что такое цикл Карно?

Цикл Карно является одним из самых известных обратимых циклов. Он состоит из четырех обратимых процессов. И хотя подобные циклы недостижимы на практике, но они задают верхние пределы производительности реальных циклов. В теории показано, что данный прямой цикл осуществляет с предельно возможной эффективностью преобразование тепловой энергии (теплоты) в механическую работу.

Как идеальный газ совершает цикл Карно?

Рассмотрим идеальный тепловой двигатель, содержащий цилиндр с газом и поршнем. Четырьмя обратимыми процессами цикла работы такой машины являются:

2. Обратимое адиабатическое расширение. Нагреватель удаляют, и газ, совершающий цикл Карно, медленно расширяется далее адиабатическим образом (с неизменной энтропией) без теплообмена через стенки цилиндра или поршень. Его работа по перемещению поршня приводит к уменьшению внутренней энергии, что выражается в снижении температуры от T_H до T_L. Если предположить, что поршень движется без трения, то процесс является обратимым.

3. Обратимое изотермическое сжатие. Цилиндр приводится в контакт с холодильником, имеющим температуру Т_L. Поршень начинает толкать обратно внешняя сила, выполняющая работу по сжатию газа. При этом его температура остается равной Т_L, а процесс, включающий теплопередачу от газа к холодильнику и сжатие, остается обратимым. Общее количество теплоты, отводимой от газа в холодильник, равно Q_L.

4. Обратимое адиабатическое сжатие. Холодильник удаляется, и газ медленно сжимается далее адиабатическим образом (при постоянной энтропии). Его температура поднимается от T_L до Т_Н. Газ возвращается в исходное состояние, что завершает цикл.

Принципы Карно

Если процессы, которые составляют цикл Карно тепловой машины, являются обратимыми, то она носит наименование обратимой тепловой машины. В противном случае имеем ее необратимый вариант. На практике все тепловые двигатели являются таковыми, поскольку обратимых процессов не существует в природе.

Карно сформулировал принципы, являющиеся следствием второго начала термодинамики. Они выражаются следующим образом:

1. КПД необратимого теплового двигателя всегда меньше, чем у обратимого, работающего от тех же двух тепловых резервуаров.

2. КПД всех обратимых тепловых двигателей, работающих от тех же двух тепловых резервуаров, являются одинаковыми.

То есть КПД обратимой тепловой машины не зависит от используемого рабочего тела, его свойств, длительности цикла работы и типа теплового двигателя. Он является функцией только температуры резервуаров:

Тепловой двигатель Карно

Им называется такая тепловая машина, которая работает на обратимом цикле Карно. Тепловой КПД любой тепловой машины, обратимой или нет, определяется как

где Q_L и Q_H являются количествами теплоты, передаваемыми в цикле низкотемпературному резервуару при температуре Т_L и от высокотемпературного резервуара при температуре Т_Н соответственно. Для обратимых тепловых машин тепловой КПД может быть выражен через абсолютные температуры этих двух резервуаров:

КПД теплового двигателя Карно является самым высоким КПД, которого может достигать тепловой двигатель, работая между высокотемпературным резервуаром при температуре Т_Н и низкотемпературным резервуаром при температуре Т_L. Все необратимые тепловые двигатели, работающие между теми же двумя резервуарами, имеют более низкий КПД.

Обратный процесс

Рассматриваемый цикл является полностью обратимым. Его холодильный вариант может быть достигнут, если реверсировать все процессы, входящие в него. При этом работа цикла Карно используется для создания разности температур, т.е. тепловой энергии. Во время обратного цикла количество теплоты Q_L газ получает из низкотемпературного резервуара, а количество теплоты Q_H отдается им в высокотемпературный тепловой резервуар. Энергия W_net,in требуется, чтобы выполнить цикл. Она равна площади фигуры, ограниченной двумя изотермами и двумя адиабатами. PV-диаграммы прямого и обратного цикла Карно показаны на рисунке ниже.

Холодильник и тепловой насос

Холодильник или тепловой насос, реализующий обратный цикл Карно, называется холодильником Карно или тепловым насосом Карно.

КПД обратимого или необратимого холодильника (η_R) или теплового насоса (η_HP) определяется как:

Для обратимых холодильников или тепловых насосов, таких как холодильники Карно или тепловые насосы Карно, КПД может быть выражен через абсолютные температуры:

где Т_Н = абсолютная температура в высокотемпературном резервуаре;
T_L = абсолютная температура в низкотемпературном резервуаре.

η_R (или η_HP) являются самыми высокими КПД холодильника (или теплового насоса), которые они могут достигать, работая между высокотемпературным резервуаром при температуре T_H и низкотемпературным резервуаром при температуре Т_L. Все необратимые холодильники или тепловые насосы, работающие между теми же двумя резервуарами, имеют более низкие КПД.

Бытовой холодильник

Основная идея домашнего холодильника проста: он использует испарение хладагента для поглощения тепла от охлаждаемого пространства в холодильнике. Есть четыре основные части в любом холодильнике:

Обратный цикл Карно при работы холодильника выполняется в следующем порядке:

Источник

Цикл холодильной машины

Любой механизм с охлаждением: холодильник, кондиционер – работают циклично. Наиболее часто цикл холодильной машины – компрессионный.

Цикл холодильной машины схема

Важно: Испаритель выбирается так, чтобы жидкая фаза полностью там испарилась.

Таким образом, цикличность заключается в постоянной круговой циркуляции хладагента с изменением физического состояния от жидкости к пару и наоборот. Все холодильные машины работают по разному, общее в работе одно – они работают по циклам.

Цикл Карно холодильной машины

Цикличность – основа цикла Карно. Теоретически, такой процесс – идеален с точки зрения термодинамики. Механическая работа выполняется за счет теплообмена резервуаров с разными температурными режимами, но постоянными во времени. Более высокотемпературный резервуар называется нагревателем, низкотемпературный – холодильником.

Идеальность таких процессов обеспечивается малой скоростью циркуляции, поэтому мощность в цикле Карно нулевая. Реальные машины не могут иметь нулевую мощность. Поэтому процессы, происходящие в настоящих механизмах только в какой-то степени могут приближаться к циклу Карно.

Процесс охлаждения в реальности и теории

Теоретический цикл работы холодильной машины значительно отличается от работы холодильных установок в обычной жизни. При работе реальных холодильников и кондиционеров происходят значительные потери давления на входе, выходе, увеличение сжатия, что автоматически снижает эффективность работы.

Источник

Теоретический цикл Карно в идеальной паровой компрессионной холодильной машине

В компрессионных холодильных машинах хладагент совершает круговыенеобратимые процессы (циклы). На осуществление холодильных циклов затрачивается внешняя энергия. Такие циклы называют обратными, в отличие от прямых циклов энергетических двигателей, предназначенных для производства работы за счёт внешней энергии.

Идеальным обратным холодильным циклом является теоретический цикл Карно. В нём принято, что процессы протекают в области влажного пара хладагента при постоянных температурах охлаждаемой и окружающей сред и идеальном теплообмене между ними и хладагентом. Теоретический цикл Карно может быть реализован только идеальной паровой компрессионной холодильной машиной. Принципиальная схема этой машины из четырёх основных элементов (испарителя, компрессора, конденсатора и расширителя) показана на рисунке 4.13, а термодинамические процессы цикла Карно – на Т, s-диаграмме согласно рисунку 4.14.

Рисунок 4.13 – Принципиальная схема идеальной одноступенчатой паровой компрессионной холодильной машины:

1, 2, 3, 4 – точки характеризующие термодинамические процессы теоретического цикла Карно
в элементах идеальной холодильной машины по Т, s –диаграмме

Цикл осуществляется в области влажного пара между пограничными кривыми кипения (соответствует влажному насыщенному пару, когда его сухость c=0) и конденсации (соответствует сухому насыщенному пару, его сухость c=1). Он представлен двумя адиабатами (1–2) и (3–4) и двумя изотермами-изобарами (4–1) и (2–3).

Изотермический процесс 4–1 (он же изобарный) протекает в испарителе машины, являясь основным. Здесь к хладагенту подводится тепло от охлаждаемой среды q_о. Хладагент при давлении р_о и температуре Т_о кипит и переходит из состояния жидкости в состояние насыщенного пара. Количество теплоты q_о, принятое хладагентом в испарителе, называется массовой теоретической холодопроизводительностью и определяется площадью прямоугольника (4–1–s_1,2–s_3,4).

Рисунок 4.14 – Т, s-диаграмма теоретического цикла Карно

Адиабатические процессы сжатия (1–2) в компрессоре и расширения (3–4) в расширителе (детандере) происходят без теплообмена с внешней средой, т. е. при постоянной энтропии s, а температура хладагента Т соответственно повышается и понижается. На это затрачивается механическая работа l, определяемая областью прямоугольника (1–2–3–4).

Сжатые до давления р_к пары хладагента конденсируются в конденсаторе машины при температуре Т_к по изобаре (2–3), одновременно являющейся изотермой, и переходят из состояния насыщенного пара в жидкость, которая после адиабатического расширения (3–4) кипит по изобаре-изо­терме (4–1) и снова переходит в состояние насыщенного пара.

При расширении давление хладагента понижается до Р_о, а температура – до Т_о. Работа, затраченная на реализацию обратного цикла Карно, превратилась в теплоту, которая передалась хладагенту. Поэтому от хладагента в окружающую среду передаётся теплота q_к, которую называют нагрузкой на конденсатор:

Выражение (4.16) характеризует тепловой баланс теоретического цикла.

Холодильный коэффициент x, определяемый отношением массовой теоретической холодопроизводительности q_о к затраченной удельной механической энергии l, у цикла Карно имеет наивысшее значение:

Очевидно, что x определяется величинами Т_ки Т_о. Он возрастает при увеличении Т_о или уменьшении Т_к, т. е. при уменьшении затрачиваемой механической работы.

Теоретический цикл Карно в области влажного пара является наиболее экономичным. Однако идеальную паровую холодильную машину трудно осуществить из-за конструктивных сложностей реализации расширителя и потерь при всасывании влажного пара. Поэтому схему, близкую к циклу Карно, применяют только в газовых компрессионных холодильных машинах, где нет отмеченных проблем.

Рассмотренная здесь идеальная паровая компрессионная холодильная машина имеет одну ступень сжатия хладагента. Поэтому её называют одноступенчатой.

4.4.2 Реальная одноступенчатая паровая компрессионная
холодильная машина

В этой холодильной машине вместо расширителя применён терморегулирующий (дросселирующий) вентиль (ТРВ), а процесс адиабатического сжатия хладагента осуществляется в области сухого (чаще перегретого) пара. Принципиальная схема такой холодильной машины показана на рисунке 4.15.

Контур рабочего тела замкнут и герметичен. В нём циркулирует определённое количество хладагента, который в испарителе и конденсаторе изменяет своё агрегатное состояние.

Рисунок 4.15 – Принципиальная схема реальной одноступенчатой паровой компрессионной холодильной машины

В испарителе жидкий хладагент кипит за счёт теплоты q_о, отводимой от охлаждаемого груза. При этом его давление p_о неизменно вследствие материального баланса процессов образования пара из жидкости и его отсоса компрессором. Неизменна и температура кипения хладагента t_о. Она ниже температуры груза t_г на некоторую экономически оправданную величину, °C: t_о = t_г – (10. 12).

Компрессор засасывает и сжимает пары хладагента до высокого давления p_к, разогревая их за счёт затраты механической энергии l. Он может быть поршневым, лопаточным, винтовым и т. д. Горячий пар отдаёт теплоту q = q_о + l во внешнюю среду в конденсаторе, сохраняя в процессе сжижения постоянные значения p_к и t_к. При этом температура конденсации паров хладагента всегда выше температуры окружающей среды t_н даже в наиболее тяжёлых условиях максимумов наружных температур, °C: t_к = t_н + (12. 15).

Жидкий хладагент далее снижает своё давление и температуру до значений p_о и t_о в терморегулирующем вентиле (ТРВ), частично при этом испаряясь. Полный же переход жидкости в пар происходит в испарителе. Этим самым начинается новый цикл в непрерывном процессе работы холодильной машины.

Однако наибольшее распространение получила диаграмма с координатами log p-i (рисунок 4.17). Удобство диаграммы состоит в том, что отрезки по оси i между характерными точками цикла определяют изменение состояния хладагента под действием соответствующего количества внешней теплоты или механической энергии. Логарифмическая шкала давлений применяется для удобства пользования диаграммой из-за многократных изменений давления в цикле.

На диаграмме показаны две пограничные кривые сухости паров хладагента: c=0 и c=1, которые соответствуют линиям кипения и конденсации паров. Обе пограничные линии вверху диаграммы сходятся в критической точке. Левая пограничная кривая отделяет область влажного пара от области переохлаждённой жидкости, а правая – от области перегретого пара.

– изотермический (он же изобарический) процесс кипения паров хладагента в испарителе (4–1′);

– изобарический перегрев паров в испарителе (1’–1);

– адиабатическое сжатие паров хладагента в компрессоре (1–2) — ;

– изобарическое охлаждение перегретых паров хладагента в конденсаторе до температуры конденсации (2–2′);

– изотермический (он же изобарический) процесс конденсации паров хладагента в конденсаторе (2’–3′);

– изобарическое переохлаждение жидкого хладагента в конденсаторе (3’–3);

– изоэнтальпный процесс дросселирования жидкого хладагента в ТРВ (3–4).

В схему одноступенчатой паровой компрессионной холодильной машины могут включаться дополнительные элементы, повышающие надёжность работы основных её узлов:

– перегреватель пара или отделитель жидкости перед компрессором, которые обеспечивают защиту компрессора от эрозионных явлений;

– переохладитель жидкости, исключающий присутствие в потоке пузырьков пара, которые снижают устойчивость рабочего процесса в дросселирующем вентиле;

– ресивер-сосуд для хранения жидкого хладагента при консервации или транспортировке машины;

– фильтр или грязеуловитель, очищающий хладагент от примесей, ухудшающих его термодинамические свойства;

– прессостат-терморегулятор для поддержания нужного давления хладагента в испарителе машины;

– термостаты систем защиты, сигнализации, автоматического регулирования процессов;

– электромагнитные вентили и обратные клапаны на трубопроводах.

4.4.3 Реальная двухступенчатая паровая компрессионная
холодильная машина

Мощность одноступенчатой холодильной машины позволяет получить температуру в охлаждаемой среде до минус 20 °C при максимальных значениях температуры наружного воздуха 35 °С. Во многих случаях требуется обеспечивать в грузовых помещениях транспортных и складских рефрижераторных модулях более низкие температуры или эксплуатировать их при очень высоких наружных температурах. К тому же одноступенчатая холодильная машина эффективно работает при отношениях давлений конденсации и кипения хладагента р_к/р_о £ 8.

Для получения температур кипения хладагента ниже минус 30 °С или для отвода тепла в окружающую среду, имеющую очень высокую температуру, необходимо соответственно понизить р_о или повысить р_к, т. е. ещё больше увеличить отношение р_к/р_о. Отмеченное обусловливает применение многоступенчатых машин. Коэффициент x многоступенчатой холодильной машины может достигать более высоких значений за счёт введения охлаждения пара между ступенями, что приводит к снижению его удельного объёма и, следовательно, затрат механической энергии на сжатие.

Двухступенчатое сжатие можно осуществить либо в двух отдельных компрессорах (низкого и высокого давления), либо в одном двухступенчатом компрессоре с цилиндрами низкого и высокого давления. В зависимости от степени охлаждения паров хладагента после первой ступени различают три схемы: с полным (до состояния насыщения) и неполным промежуточным охлаждением, а также без промежуточного охлаждения.

На рисунке 4.18 рассмотрена принципиальная схема работы двухступенчатой холодильной машины с фреоновым хладагентом и полным промежуточным охлаждением. Эта машина получила наибольшее распространение в НХЦ. Она может переключаться в режим одноступенчатого сжатия. Здесь легко выделить две взаимосвязанные (областью промежуточного давления) холодильные машины. В контуре низкого давления 1–2–7–8 пары хладагента из испарителя отсасываются компрессором низкого давления (КНД) и сжимаются до промежуточного давления p_пр. Перегретые пары направляются в промежуточный сосуд (ПС), где конденсируются при прямом контакте (барботаже) с жидким хладагентом, имеющим температуру t_пр. Далее при прохождении терморегулирующего вентиля низкой ступени (ТРВН) давление и температура жидкости снижаются до p_о и t_о, затем в испарителе хладагент кипит, забирая теплоту от охлаждаемого воздуха.

В контуре высокого давления 3–4–5–6 роль испарителя выполняет промежуточный сосуд, где сосредоточено некоторое количество жидкого хладагента, кипящего при давлении p_пр за счёт теплоты перегрева паров в контуре 1–2–7–8. В промежуточном сосуде происходит гравитационная сепарация жидкой и газообразной фаз вещества с образованием уровня. Компрессор высокого давления (КВД) отсасывает пары из верхней части сосуда, сжимает до давления p_к, одновременно разогревая их до высокой температурыt_к, достаточной для самопроизвольного сброса теплоты цикла в окружающую среду.

Сжиженный в конденсаторе высокого давления хладагент далее проходит через терморегулирующий (дросселирующий) вентиль ТРВВ, где его параметры снижаются до значений p_пр, t_пр. Контур 3–4–5–6 замыкается на промежуточном сосуде, входящем также в состав контура 1–2–7–8.

Рисунок 4.18 – Принципиальная схема реальной двухступенчатой
паровой компрессионной холодильной машины:

1, 2, 3, 4 – точки, характеризующие термодинамические процессы теоретического цикла Карно
в элементах двухступенчатой холодильной машины по р, i –диаграмме; КНД – компрессор
низкого давления; КВД – компрессор высокого давления; И – испаритель; ПС – промежуточный сосуд; К – конденсатор; ТРВН – терморегулирующий вентиль низкой ступени; ТРВВ – то же,
высокой ступени; ЗВ₁,ЗВ₂, ЗВ₃, ЗВ₄ – запорные вентили для переключения системы
в режим одноступенчатого сжатия

Верхнее p_к и нижнее p_о давления определяются, также как и в одноконтурной схеме, требуемыми значениями температур конденсации t_к и кипения t_о. Промежуточное же давление может быть произвольным, но его оптимальное значение находится из условия равенства степеней сжатия в компрессорах низкого и высокого давления, т. е.

.

Для придания гибкости при изменении условий работы в схеме устанавливают систему запорных вентилей. Так при работе с двухступенчатым сжатием вентили ЗВ₁ и ЗВ₄ на обводных линиях закрыты, а остальные открыты. В случае необходимости схема допускает переход на одноступенчатый режим, для чего вентили ЗВ₂ и ЗВ₃ закрывают, а остальные открывают, отключая промежуточный сосуд и компрессор высокого давления.

– изотермический (он же изобарический) процесс кипения паров хладагента в испарителе (8–1′);

– изобарический перегрев паров в испарителе (1’–1);

– адиабатическое сжатие паров хладагента в компрессоре низкого давления (1–2);

– изобарическое снятие перегрева паров хладагента в промежуточном сосуде (2–3);

– адиабатическое сжатие насыщенного пара, отсасываемого из промежуточного сосуда компрессором высокого давления (3–4);

– изобарическое охлаждение перегретых паров хладагента в конденсаторе до температуры конденсации (4–4′);

– изотермический (он же изобарический) процесс конденсации паров хладагента в конденсаторе (4’–5′);

– изобарическое переохлаждение жидкого хладагента в конденсаторе (5’–5);

– изоэнтальпный процесс дросселирования жидкого хладагента в терморегулирующем вентиле высокой ступени (5–6);

– изотермический (он же изобарический) процесс испарения потока хладагента, циркулирующего в контуре высокого давления, за счёт снятия перегрева и конденсации паров контура низкого давления, протекающий в промежуточном сосуде (3–6);

– отделение жидкости от пара в промежуточном сосуде (6–7);

– изоэнтальпный процесс дросселирования жидкого хладагента в терморегулирующем вентиле низкой ступени (7–8).

Тепловой баланс двухступенчатой паровой компрессионной холодильной машины имеет вид:

где q_к – теплота, выделяемая хладагентом в конденсаторе; q_и – то же, потребляемая хладагентом в испарителе; q_кнд – работа компрессора низкого давления; q_квд – то же, высокого давления.

Переход на одноступенчатую схему приводит к следующим изменениям цикла холодильной машины:

– исчезают процессы 3–4 и 2–7;

– процесс сжатия протекает только в компрессоре низкого давления (КНД) по линии 1–10;

– процесс дросселирования жидкости протекает в терморегулирующем вентиле низкой ступени (ТРВН) по линии 5–9.

Из анализа T, s-диаграммы можно было бы наглядно установить величину экономии работы при двухступенчатом сжатии. На диаграмме lg p-i (см. рис. 4.19) виден и другой проигрыш одноступенчатой схемы – в холодопроизводительности (отрезок 1–8 больше, чем 1–9). Существенно снижается, при наличии промежуточного охлаждения, температура паров хладагента как на входе во вторую ступень, так и в конце работы сжатия. Это упрощает проблему смазки трущихся частей компрессора. В схеме с промежуточным давлением заметно возрастает подача хладагента компрессором, что означает пропорциональное увеличение холодопроизводительности.

Число ступеней сжатия в холодильных машинах может быть больше двух. Выбор их числа основывается на технико-экономическом анализе.

Источник