8.3 Цикл паровой компрессионной холодильной установки

В связи с тем, что рабочим телом в паровых холодильных установках являются пары вещества с низкой температурой кипения, термодинамические процессы в них имеют некоторые особенности. Во-первых, цикл располагают в двухфазной области состояний, в которой изобарные процессы подвода и отвода теплоты протекают изотермически. Это приближает цикл паровой холодильной установки к обратному циклу Карно и делает его эффективнее цикла воздушной холодильной установки. Во-вторых, процесс адиабатного расширения в паровых установках заменяют дросселированием влажного пара, которое сопровождается понижением его температуры.

На рис. 8.8 и 8.9 рассмотрены схема паровой холодильной установки и ее цикл в Т–s диаграмме. В компрессоре І происходит адиабатное сжатие влажного пара (процесс 1-2), при этом степень сухости его возрастает. В зависимости от режима работы установ-

ки пар на выходе из компрессора может быть сухим, насыщенным или перегретым, как это показано на рис. 8.9. Затем пар попадает в конденсатор ІІ, в котором охлаждается (процесс 2 - 3) и далее конденсируется (процесс 3 - 4). Из конденсатора жидкость направляется к дроссельному вентилю ІІІ, где происходит дросселирование пара (процесс 4-5). В процессе дросселирования снижаются давление и температура пара, а из дросселя выходит влажный пар, который поступает в испаритель ІV. В испарителе влажный пар воспринимает теплоту от охлаждаемого тела, а содержащаяся в нем жидкость испаряется (процесс 5-1). Из испарителя пар снова направляется в компрессор.

Теплота q₂, отведенная от охлаждаемого тела в испарителе в процессе 5-1 при р₁ = const, равна q₂ = i₁ – i₅, а теплота q₁, отведенная во внешнюю среду в конденсаторе в процессах 2-3 и 3-4 при p₂ = const, равна q₁ = i₂ – i₄. Подставив значения q₁ и q₂ в выражение (8.2), получим:

.

Принимая во внимание, что при дросселировании i₅ = i₄, получим окончательное выражение для холодильного коэффициента паровой холодильной установки:

(8.11)

Основные требования, которые предъявляются к хладагентам паровых холодильных установок, состоят в следующем. Во-первых, в том интервале температур, в котором осуществляется цикл, хладагент должен существовать в виде влажного пара; во-вторых, необходимо, чтобы в этом интервале температур давление насыщенных паров хладагента было не слишком низким (это потребует глубокого вакуума), но и не слишком высоким. В обоих случаях конструкция установки значительно усложняется.

В таблице 8.1 приведены свойства некоторых холодильных агрегатов, а также отношение величины холодильного коэффициента цикла парокомпрессионной установки ε к величине холодильного коэффициента обратного цикла Карно ε_к, осуществляемого в том же интервале температур.

Таблица 8.1 Сравнение различных хладагентов

Хладагенты	Давление насыщенных паров, МПа
	t = −15ºC	t = −30ºC
Любое вещество в цикле Карно	–	–	1,0
Двуокись углерода	2,310	7,160	0,447
Пропан	0,290	1,070	0,850
Аммиак	0,236	1,170	0,845
Фреон-12	0,183	0,745	0,823
Хлористый метил	0,144	0,660	0,817
Сернистый ангидрид	0,0815	0,460	0,825

Паровые холодильные установки обладают рядом преимуществ по сравнению с воздушными холодильными установками, которые заключаются в следующем: 1. Они имеют более высокий холодильный коэффициент вследствие того, что процессы подвода и отвода тепла протекают в основном изотермически; это приближает цикл паровой холодильной установки к обратному циклу Карно. 2. Они имеют более высокую холодопроизводительность при одинаковых габаритах. 3. За счет регулирования дроссельного вентиля возможно изменение температуры в холодильной камере в широких пределах.

Благодаря своим преимуществам паровые холодильные установки получили наиболее широкое практическое применение. К недостаткам паровых холодильных установок следует отнести их сравнительную сложность конструкции, а также необходимость иметь специальное рабочее тело.

При использовании парокомпрессионной установки для систем кондиционирования (рис. 8.10) воздух после дополнительного компрессора V проходит через испаритель ІV парокомпрессионной холодильной установки, где охлаждается хладагентом, и далее поступает в охлаждаемый отсек VІ. Хладагент после испарителя направляется в компрессор І, затем в теплообменник ІІ, где охлаждается потоком внешнего воздуха, и далее в дроссель ІІІ.