Одноступенчатая парокомпрессионная холодильная машина c регулирующим вентилем

Работа компрессора КМ в области насыщенного пара при совершении цикла Карно связана с опасностью гидравлического удара и аварии механизма. Кроме того, резко возрастают потери в самом компрессоре КМ, что снижает экономичность всего цикла. Поэтому в действительности цикл холодильной машины ограничивается не только областью насыщенного пара, но и захватывает также область перегретого пара.

И, наконец, из-за сложности работы и изготовления расширительного цилиндра в реальных холодильных машинах, вместо него ставят регулирующий вентиль с дросселем (РВ).

На рис. 1.8 показана схема одноступенчатой парокомпрессионной холодильной машины (ПКХМ) с регулирующим вентилем.

Пары хладагента в перегретом состоянии (точка 1) всасываются компрессором КМ из испарителя И. В компрессоре КМ он сжимается в области перегретого пара по адиабате (1–2) до давления конденсации p_к и температуры T₂. В реальном компрессоре сжатие происходит по политропе (1–а), расположенной левее адиабаты (1–2) при водяном охлаждении компрессора или по политропе (1–в), расположенной правее адиабаты (1–2) при воздушном охлаждении компрессора. В дальнейшем при рассмотрении различных холодильных циклов для упрощения анализа сжатие в компрессоре будет иллюстрироваться адиабатой, если это не исказит смысл рассуждений. В конденсаторе КД перегретый пар, отдавая теплоту охлаждающей забортной воде, сначала охлаждается до температуры конденсации T_к (2–2') – снятие перегрева, затем конденсируется при постоянной температуре T_к (2'–3). Весь процесс в конденсаторе КД протекает при постоянном давлении по изобаре (2–3). Жидкий хладагент в точке 3 дросселируется в регулирующем вентиле РВ от давления конденсации p_к до давления кипения p₀ (3–4). Как отмечалось в п.1 3.3, энтальпия в начале и конце дросселирования одинакова, поэтому для облегчения нахождения точки окончания процесса дросселирования он условно принимается изоэнтальпийным (i = const), что не искажает понимания работы холодильной машины. В испарителе И жидкий хладагент кипит при температуре T₀ (4–1′) и перегревается (1′–1), отводя теплоту q₀ от объекта охлаждения.

а)

Рис. 1.8 . Схема одноступенчатой парокомпрессионной холодильной машины (а), цикл в диаграмме s-T (б) и i-lg p (в)

Для сравнения на диаграммах прерывистыми линиями нанесен обратный цикл Карно. Как видно из диаграммы s–Т (см. рис. 1.8 , б), повышение сухости всасываемого пара и сжатие его в области перегретого пара увеличивает удельную работу на величину заштрихованной площади ∆l. Удельная работа, затрачиваемая на совершение цикла в диаграмме s–T, еще дополнительно возрастет на потерю полезной работы от расширительного цилиндра и выразится площадью 123с1. Удельная массовая холодопроизводительность, наоборот, из-за замены расширительного цилиндра на регулирующий вентиль уменьшится на величину заштрихованной площади ∆q₀.

В отличие от диаграммы s–T, в диаграмме i–lg p удельная массовая холодопроизводительность измеряется не площадью, а отрезком, соединяющим конец и начало процесса в испарителе. Соответственно и удельная работа, затрачиваемая на совершение цикла, также измеряется длиной проекции линии процесса сжатия в компрессоре на ось абсцисс (см. рис. 1. 8, в). Это преимущество (измерение в длинах, а не в площадях) определило применение диаграммы i–lg p для построения и анализа циклов.

Построение цикла в диаграмме i–lg p удобнее начинать с нанесения на нее изобар p₀ = const и p_к = const, соответствующих температуре кипения и конденсации хладагента. Пересечение изобары p₀ = const c верхней пограничной кривой дает точку 4′, характеризующую окончание кипения в испарителе, а пересечение с изотермой t₁ = const – точку 1, определяющую состояние паров хладагента на выходе из испарителя или на входе в компрессор. Пересечение адиабаты s = const, проходящей через точку 1 всасывания компрессора с изобарой p_к = const, характеризует конец сжатия (точка 2). Точка 3, определяющая состояние жидкого хладагента после конденсатора (без переохлаждения в нем), лежит на пересечении изобары конденсации с нижней пограничной кривой. Опуская из точки 3 перпендикуляр на изобару p = const (процесс дросселирования принимается постоянный из условия i₃ = i₄), получаем точку 4 начала кипения хладагентав испарителе.

Зная массовый расход m, кг/с, циркулирующего в системе хладагента, по циклу можно найти полную холодопроизводительность установки. Она показывает количество теплоты, отводимое в единицу времени от объекта охлаждения:

Q₀ = q₀m. (1.11)

Кроме рассмотренных ранее показателей, по построенному циклу можно определить еще один важный показатель хладагента и цикла – удельную объемную холодопроизводительность q_v.. Величина q_v, кДж/м³, представляет отношение удельной массовой холодопроизводительности q₀ к удельному объему всасываемого пара:

q_v = q₀/v₁, (1.12)

где v₁ – удельный объем всасываемого пара, кДж/м³.

Удельная объемная холодопроизводительность показывает, какое количество теплоты отводится из объекта охлаждения при образовании единицы объема пара хладагента. Чем больше q_v, тем меньше размеры компрессора. На диаграмме i– lg p удельный объем паров хладагента, всасываемый компрессором, численно равен изохоре v = const, проходящей через точку 1.

Пример 1. Сравнить основные показатели циклов холодильной машины для R134а и R404А при температурах кипения -15 °С и конденсации +30 °С (циклы приняты без перегрева).

Решение. По известным температурам на диаграммах i–lg p для R134а и R404А строим циклы ( рис. 1.9 ).

Рис. 1.9. Построение циклов для R134а (а) и R404А (б)

По циклам определяем необходимые расчетные данные:

– для R134а

i₄ = i₃ = 241 кДж/кг; i₁ = 394 кДж/кг; i₂ = 425 кДж/кг;

p₀ = 0,164 МПа; p_к = 0,77 МПа; v₁ = 0,11м³/кг;

– для R404А

i₁ = 365 кДж/кг; i₂ = 393 кДж/кг; i₃ = i₄ = 245 кДж/кг;

v₁ = 0,056 м³/кг; p_o = 0,367 МПа; p_к = 1,423 МПа.

Далее выполняем расчет основных показателей работы холодильной машины для хладагентов R134а и R404А. Результаты расчета следующие.

R134а R404А

– Удельная массовая холодопроизводительность

q₀, кДж/кг,

q₀ = i₁ – i₄ 153 120

– Удельная объемная холодопроизводительность

q_v, кДж/м³,

q_v = q₀/v₁ 1391 2143

– Удельная работа компрессора l, кДж/кг,

l = i₂ – i₁ 31 28

– Тепловая нагрузка конденсатора q_k, кДж/кг,

q_k = i₂ – i₃ 184 148

– Холодильный коэффициент

ε = q₀/l 4,93 4,29

Анализ результатов расчетов показывает, что у холодильных машин, работающих на R134а, холодильный коэффициент и удельная массовая холодопроизводительность выше, чем у R404А в зоне рассматриваемых значений температуры. Поэтому при данных условиях целесообразно использовать хладагент R134а.

Увеличить удельную массовую холодопроизводительность можно за счет уменьшения парообразования в процессе дросселирования, что достигается двойным дросселированием жидкого хладагента либо его дополнительным переохлаждением после конденсатора. Для некоторых хладагентов переохлаждение одновременно повышает экономичность цикла. Существуют различные варианты переохлаждения жидкого хладагента.