Цикл воздушной холодильной установки

Классификация холодильных установок, хладагенты и требования к ним.

В соответствии со вторым законом термодинамики отмечалось, что при обратном цикле Карно можно, затрачивая механическую работу, отнять теплоту от источника с низкой температурой и перенести ее к источнику с более высокой температурой. Машины, непрерывно поддерживающие температуры тел ниже температуры окружающей среды, называют холодильными.

Искусственное охлаждение помещений и различных тел находит широкое применение в народном хозяйстве (при строительстве подземных железных дорог, в угольных бассейнах, в горных рудниках, в химической и газовой промышленностях, на машиностроительных заводах, где производится термическая обработка деталей машин при низких температурах). Холод имеет огромное значение для сохранения пищевых продуктов. Кондиционирование воздуха создает благоприятные условия в производственных и общественных зданиях и т. д. Для получения холода используются различные установки, в которых применяют в качестве рабочего тела газообразные тела.

Холодильные установки можно разделить на две группы. К первой группе относятся газовые или воздушные установки, в которых впервые было осуществлено промышленное получение холода. Ввиду малого холодильного эффекта и больших габаритов отдельных аппаратов такие установки не получили широкого распространения.

Ко второй группе относятся компрессорные паровые установки. Рабочим телом (холодильным агентом) в них являются пары различных веществ: аммиака NH3, углекислоты С02, сернистого ангидрида S02, фреонов (фторохлорпроизводные углеводородов), характерным представителем которых является фреон-12 (CF2C12), и др. Паровые холодильные установки, обладающие большой надежностью действия, получили в промышленности самое широкое распространение.

Кроме газовых и паровых существуют холодильные установки, основанные на других принципах: пароэжекторные и абсорбционные. В них для производства холода затрачивается не механическая работа, а теплота какого–либо рабочего тела с высокой температурой.

В пароэжекторной холодильной машине для сжатия холодильного агента используется кинетическая энергия струи рабочего пара произвольного вещества. Пароэжекторная холодильная установка отличается невысоким термодинамическим совершенством и в промышленности применяется редко. Более широкое распространение получили абсорбционные холодильные установки. В них для получения холодильного эффекта используется (как и в пароэжекторных) энергия в виде теплоты.

Холодильная установка в отличие от теплового двигателя работает по обратному, или холодильному, циклу, наиболее совершенным типом которого является обратимый обратный цикл Карно (рис. 1.25.1).

Рис. 1.25.1

В процессе 1-4 к холодильному агенту под­водится удельное количество теплоты , отни­маемое от охлаждаемых тел; оно изображает­ся пл. 51465. В процессе 2-3 от холодильного агента отводится удельное количество теплоты изображаемое пл. 23652. Это количество теплоты передается верхнему источнику тепло­ты при температуре, равной постоянной температуре в процессе 3-2. Пл. 12341 эквивалентна затрачиваемой механической работе.

Показателем совершенства обратного цикла является холодильный коэффициент

Чем больше отнимается удельного количества теплоты и чем меньше при этом затрачивается механической работы или чем больше , тем совершенней холодильный цикл.

Рис..126.1

На рис. 1.26.1 изображена схема воздушной холодильной установки, где в качестве рабочего тела применяют воздух, являющийся наиболее удобный, безвредным и доступным рабочим телом. Воздушная холодильная установка работает следующим образом. Воздух, охлаждающий помещение 1, сжимается в компрессоре 2, в результате чего температура его увеличивается. Сжатый воздух при постоянном давлении нагнетается в теплообменник 3, в котором охлаждается водой до температуры окружающей среды. После этого сжатый воздух поступает в расширительный цилиндр, или детандер 4, где расширяется до начального давления. При расширении температура воздуха падает до –60 или –70 °С и холодный воздух направляется для охлаждения помещения, где, нагреваясь, опять поступает в компрессор.

Идеальный цикл воздушной холодильной установки представлен в и диаграммах (рис. 1.26.2 и 1.26.3).

Рис. 1.26.2 Рис. 1.26.3

Воздух в процессе 1-2 адиабатно сжимается от давления до . В изобарном процессе 2-3 от воздуха отводится удельное количество теплоты внешнему источнику и температура его понижается от до . При адиабатном расширении в процессе 3-4 воздух дополнительно охлаждается от температуры до . Далее в изобарном процессе 4-1 происходит отвод теплоты от охлаждаемого помещения (теплоотдатчика), в результате чего воздух нагревается от до .

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

, ,

.

Тогда холодильный коэффициент цикла

.

Из адиабатных процессов 1-2 и 3-4

и

но , а , тогда , или, по свойствам про­порции, .

Окончательно имеем

, (1.26.1)

где –температура охлаждаемого помещения или температура воздуха, засасываемого в компрессор;

–температура сжатого воздуха.

Цикл воздушной холодильной установки внешне необратим, так как отвод теплоты осуществляется в окружающую среду с постоянной температурой, в пределе равной . Подвод теплоты происходит от охлаждаемого помещения, в котором должна поддерживаться постоянная температура, не превышающая . Таким образом, из-за несовершенства цикла воздух после компрессора должен перегреваться на разность температур и охлаж­даться ниже температуры охлаждаемого помещения на . Наиболее совершенным процессом отвода теплоты был бы изотермический процесс 5-3 (рис. 1.26.3), 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 обратимым циклом Карно. Следовательно, лишний раз подтверждается, что обратимый обратный цикл Карно является наиболее совершенным циклом холодильной установки.

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 за один цикл, будет меньше на величину пл. 1641 по сравнению с теплотой в цикле Карно.

Холодильный коэффициент эквивалентного обратного цикла Карно, как это следует из рис. 1.26.3,

,

поскольку , то .

Цикл воздушной холодильной установки является термодина­мически несовершенным, а установка малоэкономична и громоздка.

Дата добавления: 2014-01-06