Сделай Сам Свою Работу на 5

Термодинамические основы ХМ





2.1. Обратный цикл Карно

 

В большинстве случаев производство искусственного холода основано на совершении холодильным агентом обратного кругового цикла. Термодинамически наиболее совершенным является обратный цикл Карно, который состоит из двух изотермических и двух адиабатных процессов.

Рис. 6. Обратный цикл Карно

 

1) В изотермическом процессе 4-1 к рабочему телу подводится тепло q0 от охлаждаемой среды, при этом температура рабочего тела остается постоянной. В T-s-диаграмме количество тепла q0 измеряется площадью a-1-4-b-a;

2) Адиабатический процесс сжатия рабочего тела 1-2 совершается без теплообмена с окружающей средой, а температура рабочего тела при этом повышается с T0 до T. На осуществления сжатия затрачивается механическая работа сжатия ALсж;

3) В изотермическом процессе 2-3 от рабочего тела отводится тепло q, а температура его остается постоянной T. Величина q соответствует площади a-2-3-b-a;

4) В адиабатическом процессе расширения 3-4 рабочее тело понижает свою температуру от T до T0 и производит полезную работу ALрасш.

Для осуществления изотермических процессов подвода и отвода тепла 4-1 и 2-3 предполагается наличие двух тел (охлаждаемого и охлаждающего), температура которых в процессе теплообмена не меняется. При этом принимаются бесконечно малые разности температур между источником тепла и рабочим телом. Т.е. при рассмотрении идеального цикла Карно предполагается, что процессы 4-1 и 2-3 являются обратимыми изотермическими процессами.



При совершении обратного цикла Карно тепло отнимается от тела с низкой температурой T0 и передается телу с более высокой температурой T. Для осуществления такой передачи тепла затрачивается работа AL, равная разности работ на сжатие ALсж в процессе 1-2 и полученной при расширении ALрасш в процессе 3-4:

.

Работа, затраченная на совершение обратного цикла Карно, превратилась в тепло, которое передалось рабочему телу. Поэтому от рабочего тела к теплоприемнику отдается не только тепло q0, взятое от охлажденного тела, но и тепло эквивалентное затраченной работе AL. Уравнение теплового баланса имеет вид:

или

В T-s-диаграмме работа AL эквивалентна площади 1-2-3-4.



Эффективность холодильного цикла оценивают холодильным коэффициентом ε:

;

т.о. ε – холодильный коэффициент, характеризующий количество тепла, отведенное от охлаждаемой среды, приходящееся на единицу затраченной работы.

Для цикла Карно:

;

.

Отсюда:

.

(А)

Уравнение (А) показывает, что холодильный коэффициент цикла Карно не зависит от свойств рабочего тела, а определяется только температурами T и T0, т.е. температурами охлаждаемой и охлаждающей сред. Чем выше ε, тем выше T0 и ниже T. Высокое значение ε свидетельствует об экономичности работы ХМ. Обратный цикл Карно имеет набольшее значение ε по сравнению с другими циклами ХМ, осуществляемыми в тех же интервалах температур. Значение ε обычно больше 1.

 

2.2. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ УМЕРЕННОГО ХОЛОДА

В соответствии с видом затрачиваемой энергии все существующие ХМ делятся на две группы:

1. ХМ, работающие с затратой механической энергии – воздушные и паровые компрессионные ХМ (ВКХМ, ПКХМ);

2. ХМ, работающие с затратой тепловой энергии – абсорбционные (АХМ) и пароэжекторные (ПЭХМ).

Рабочие тела: а) газы (воздух), б) жидкости (аммиак, фреоны, СО2), в) растворы.

В газовых ХМ не изменяется агрегатное состояние рабочего тела, в паровых ХМ происходит изменение (ж-пар-ж).

2.2.1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ЦИКЛ ВКХМ

Промышленное получение холода впервые было осуществлено при помощи ВКХМ.

Рис. 7. Схема ВКХМ

 

Воздух благодаря доступности и безвредности является наиболее удобным хладагентом (ХА). Воздух из охлаждаемого помещения 1 при температуре Т1 и давленияя р1 засасывается компрессором 2 и подвергается адиабатическому сжатию до р2 и Т2. В теплообменнике 3 охлаждается водой до Т3, после чего в расширительном цилиндре (детандере) 4 газ расширяется до начального давления р1 и совершает работу, при этом температура газа значительно падает до – до Т4. Холодный воздух вновь поступает в охлаждаемое помещение 1, где подогревается до Т1, отнимая тепло q0.



Рис. 8. p-V-диаграмма ВКХМ:

4-1 – изобарный подвод тепла к рабочему телу от охлаждаемой среды (от Т4 до Т1); 1-2 – адиабатическое сжатие в компрессоре (от р1 до р2); 2-3 – изобарный отвод тепла от рабочего тела к охлаждающей воде в теплообменнике 3; 3-4 – адиабатическое расширение газа в детандере

 

Площадь а-1-2-b – работа сжатия компрессора ALсж; площадь а-4-3-b – работа расширения в детандере ALрасш;

.

Рис. 9. T-s-диаграмма ВКХМ

 

Площадь а-3-2-b – количество тепла q, отданное в теплообменнике 3; площадь а-4-1-b – количество тепла q0, отведенное от охлаждаемой среды (холодопроизводительность); площадь 1-2-3-4 – работа AL.

Так как (предполагается, что cp=const), холодильный коэффициент:

.

Для адиабатических процессов 1-2 и 3-4:

, тогда .

Цикл ВКХМ является внешне необратимым циклом, в котором теплообмен происходит неравновесно. Так, в процессе 2-3 рабочее тело отдает тепло охлаждающей воде, для того, чтобы этот процесс был возможен, температура воды на входе должна быть не выше Т3. Аналогично в процессе 4-1 температура охлаждаемой среды должна быть не ниже Т1; таким образом для рассмотренного цикла Т3 и Т1 являются предельными температурами охлаждающей воды и охлаждаемой среды.

Обратимый цикл Карно с указанными источниками тепла имеет вид 1-2’-3-4’. Для него:

.

Так как Т32, то .

Например, для ВКХМ при р1=0,1 МПа, р2=0,49 МПа, t1=00С – t0 охлаждаемого помещения, в конце сжатия t2=1620C:

.

При температуре охлаждающей воды t3=200C для цикла Карно:

.

Такое большое различие в ε указывает на термодинамическое несовершенство цикла ВКХМ по сравнению с наиболее выгодным обратимым циклом Карно.

Недостаток ВКХМ – низкая удельная холодопроизводительность и громоздкость установки, что связано с малым значением теплоемкости воздуха. Так, например, если и t1=00С, то t2≈1620C. При t3=200C удельная холодопроизводительность составляет всего , так как .

Если Q=400000 кДж/час – теплота, отнимаемая от помещения, то ра ход воздуха: или . Большой объем циркулирующего воздуха вызывает недопустимое увеличение размеров машины, поэтому воздушные поршневые ХМ значительной производительности не строят.

При применении турбокомпрессоров и турбодетандеров, а также при использовании регенерации тепла, установки большой мощности оказываются целесообразными.

2.2.2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ЦИКЛ ПКХМ

 

Рис. 10. Схема ПКХМ:

1 – охлаждаемое помещение (испаритель); 2 – компрессор; 3 – конденсатор; 4 – детандер

 

Схема ПКХМ подобна схеме ВКХМ. Отличие – вместо теплообменников (до и после компрессора) стоят конденсатор и испаритель.

 

Рис.11. T-s-диаграмма ПКХМ

Рис. 12. p-V-диаграмма ПКХМ

 

Процесс 4-1 – испарение жидкого ХА при Т0 и р0, отнимается тепло от охлаждаемого помещения.

Процесс 1-2 – адиабатическое сжатие. Состояние в точке 2 соответствует сухому насыщенному пару (в общем случае адиабата 1-2 может располагаться левее и конечное состояние при сжатии будет соответствовать влажному пару).

Процесс 2-3 – конденсация с отдачей тепла при постоянном давлении рк и соответствующей ему температуре конденации Тк.

Процесс 3-4 – адиабатическое расширение жидкости в детандере.

Преимуществом цикла ПКХМ по сравнению с циклом ВКХМ является то, что в области насыщенного пара принципиально технически осуществим обратный цикл Карно, холодильный коэффициент рассматриваемого цикла, очевидно, совпадает с таковым для цикла Карно:

.

Цикл реальной ПКХМ отличается от обратного цикла Карно, что объясняется сложностью конструктивного выполнения и эксплуатации отдельных элементов машины, работающей по циклу Карно.

Основные отличия следующие:

1. Отсутствует расширительный цилиндр (детандер), он заменен дроссельным вентилем. Причем, изменением открытия вентиля устанавливается определенный расход ХА в соответствии с заданной холодопроизводительностью. Эта замена значительно упрощает устройство машины (трудно создать детандер для жидкого ХА с малым удельным объемом) и мало влияет на величину ε, так как рабочее расширение составляет небольшую часть работы цикла.

2. Компрессор засасывает не влажный, а сухой насыщеный пар или слегка перегретый пар, и процесс сжатия происходит в области перегретого пара, то есть компрессор осуществляет так называемый «сухой ход».

В реальных ХМ кроме того еще имеются следующие отличия от цикла Карно:

1. Жидкий ХА перед вентилем переохлаждается;

2. В действительных процессах принимают участие конкретные ХА с различными теплофизичекими свойствами, которые оказывают существенное влияние на экономичность ХМ;

3. Действительные процессы холодильного компрессора протекают с различными потерями, как объемными, так и энергетическими.

 

2.2.3. ЦИКЛ ПКХМ С РЕГУЛИРУЮЩИМ ВЕНТИЛЕМ

Рис.13. Цикл ПКХМ с регулирующим вентилем

В результате замены расширительного цилиндра (детандера) регулирующим вентилем вместо процесса адиабатического расширения 3-4 протекает необратимый процесс дросселирования 3-4’ (i=const), который приводит в двойным потерям:

1. Теряется полезная работа расширения и, следовательно, увеличивается работа AL, необходимая для осуществления цикла;

2. Уменьшается холодопроизводительность q0. Это происходит потому, что работа сил трения при дросселировании ХА превращается в тепло, вызывая дополнительное парообразование. Охлаждающий эффект при этом уменьшается вследствие увеличения паросодержания рабочего тела, поступающего в испаритель.

В T-s-диаграмме уменьшение холодопроизводительности Δq0 выражается площадью а-4-4’-с, полезная холодопроизводительность равна площади с-4’-1-b. Работа, затраченная на совершение цикла, AL=q - q0=площади с-4’-1-2-3-а. Увеличение работы ΔAL по сравнению с циклом Карно выражается площадью а-4-4’-с, она же характеризует уменьшение холодопроизводительности. Площадь а-4-4’-с практически равна площади 3-4-5, то есть AL=площади 1-2-3-5-1. ΔAL=Δq0.

Потери от дросселирования зависят от физических свойств ХА (темплоемкости жидкости, теплоты парообразования и критических параметров). Для аммиака потери от дросселирования несколько меньше, чем для фреона-12, но самые большие потери наблюдаются при дросселировании углекислоты (ее дросселируют в области близкой к критической, где теплота парообразования уменьшается, а пограничные кривые расположены очень полого). Относительная потеря работы , то есть зависит от теплоемкости ХА в жидком состоянии и теплоты парообразования. Так как для веществ с меньшей теплоемкостью нижняя (левая) пограничная кривая в T-s-диаграмме протекает круче, то площадь 3-4-5 и, следовательно, потеря работы ΔAL меньше. Очевидно также, что потери от замены расширительного цилиндра вентилем будут меньше в случае веществ с большим значением r. Кроме того, потери от дросселирования зависят от интервала температур до и после процесса: чем меньше перепад температур, тем меньше потери.

Практически потери можно уменьшить понижением температуры жидкого ХА перед дросселированием. Поэтому в цикл вводится переохлаждение жидкого ХА перед регулирующим вентилем (РВ), то есть охлаждение его до температуры ниже температуры конденсации.

Рис. 14. Цикл ПКХМ с переохлаждением

 

Процесс переохлаждения на T-s-диаграмме – линия постоянного давления 3-3’, которая практически совпадает с левой пограничной кривой. Переохлаждение жидкости перед РВ увеличивает холодопроизводительность на величину площади а-4’-4-с. При переохлаждении на каждый градус холодопроизводительность увеличивается: у аммиачной машины на 0,4%, у фреоновой на 0,43%, у углекислотной на 1,75%, поэтому в настоящее время переохлаждение применяется везде.

Переохлаждение осуществляется:

1. С помощью воды в противоточных конденсаторах или в специальных теплообменниках-переохладителях (вода и ХА текут противоположно);

2. Во фреоновых устройствах за счет внутреннего теплообмена: жидкость охлаждается паром ХА, поступающего из испарителя в компрессор.

Рис. 15. Схема ПКХМ с РВ и переохлаждением:

1 – испаритель; 2 – компрессор; 3 – конденсатор; 4 – теплообменник; 5 – дроссельный вентиль (РВ)

 

2.2.4. ЦИКЛ ПКХМ С ПЕРЕГРЕВОМ ПАРА ПРИ СЖАТИИ

Рис. 16. Цикл ПКХМ с перегревом пара

Компрессор засасывает сухой насыщенный или перегретый пар, что обеспечивает «сухой ход» компрессора. «Сухой ход» практически осуществляется двояко:

1. За счет внутреннего теплообмена. При этом пар, выходящий из испарителя может не только подсушиваться, но и перегреваться за счет тепла жидкости;

2. Установкой дополнительного отделителя жидкости перед компрессором (отделившаяся жидкость возвращается в испаритель).

Процесс адиабатического сжатия в компрессоре 1-2 (или 1”-2”) протекает в области перегретого пара. Переход к всасыванию сухого (или перегретого) пара (точки 1 или 1”) приводит:

1. К увеличению холодопроизводительности на величину Δq0=площади b-1’-1-c;

2. К увеличению затраченной работы на ΔAL=площади 1-2-2’-1’.

При подробном рассмотрении оказывается: затрата работы увеличивается больше, чем холодопроизводительность, то есть теоретически «сухой ход» не выгоден. Однако в действительных условиях «сухой ход» компрессора более выгоден. Это вызвано тем, что поступающий из испарителя холодный (иногда – в случае 1’ – влажный) пар при всасывании подогревается от стенок цилиндра и расширяется, производительность компрессора падает (особенно при расширении влаги). При всасывании перегретого пара снижение производительности меньше. Кроме того при «сухом ходе» компрессора исключена возможность гидравлического удара в цилиндре (в случае попадания большого количества жидкости). В аммиачных ХМ рекомендуется всасывание паров с перегревом на 5-10 0С, для фреона-12 до 25-30 0С.

Вывод: в действительных ХМ применяется дросселирование с предварительным переохлаждением жидкости, а в компрессор всасывается сухой или перегретый пар.

 


2.2.5. ИЗОБРАЖЕНИЕ ЦИКЛА ПКХМ В ТЕПЛОВЫХ ДИАГРАММАХ

Рис. 17. T-s-диаграмма ПКХМ

 

Холодопроизводительность q0=площади a-4-1-b. Тепло, отведенное от ХА в конденсаторе qк=площади c-3-2-b. Работа, затраченная в компрессоре на совершение холодильного цикла AL=Alк=площади a-4-1-2-3-c=площади 1-2-3-5. Однако опеределять площади неудобно, поэтому расчет ведут на разность энтальпий в начале и конце процессов.

Количество тепла, подведенное к 1 кг ХА в испарителе, или весовая холодопроизводительность агента в цикле:

.

Количество тепла, отведенное в конденсаторе:

.

Затраченная в компрессоре работа:

.

Холодильный коэффициент:

.

При дросселировании .

Удобна для расчета диаграмма с координатами i-lgp (для уменьшения масштаба на оси p откладывают lgp).

Рис. 18. i-lgp-диаграмма ПКХМ

 


2.2.6. ХОЛОДИЛЬНЫЕ АГЕНТЫ

Основные требования к термодинамическим свойствам ХА:

1. Нормальная температура кипения (p=0,1 МПа) должна быть ниже рабочей. При этом исключается необходимость создания в испарителе вакуума и возможность проникновения воздуха;

2. Давление в конденсаторе (при обычных температурах охлаждающей воды) должно быть умеренным и не должно превышать 1,2-1,5 МПа. Снижение предельного давления в машине приводит к облегчению конструкции ХМ и уменьшает опасность утечки ХА через неплотности. По давлению рабочие вещества можно разделить на три группы: а) высокого (2-7 МПа); б) среднего (0,3-2 МПа); в) низкого (<0,3 МПа);

3. Объемная холодопроизводительность (v1 – удельный объем пара ХА при всасывании), для поршневых компрессионных машин должна быть возможно большей, т.к. при этом уменьшается объем циркулирующего ХА и размеры компрессора;

4. Температура замерзания ХА должна быть значительно ниже рабочей температуры кипения. При этом исключается возможность замерзания его в испарителе;

5. Критическая температура ХА должна быть достаточно высокой, чтобы осуществить сжатие не входя в сверхкритическую область.

Основные требования к физико-химическим свойствам ХА:

1. Удельный вес и вязкость желательно самые небольшие, т.к. при этом уменьшаются потери давления;

2. Коэффициент теплопроводности должен быть высоким – увеличивается теплоотдача;

3. Важное свойство ХА – растворимость в масле. Если ХА не растворяется, то меньше унос масла из цилиндра компрессора, на температуру кипения не влияет концентрация растворенного масла, отсутствует пена при кипении в испарителе. Однако растворимость ХА в масле имеет свои преимущества: более совершенная смазка, так как масло циркулирует с ХА; не снижается интенсивность теплопередачи в испарителе и конденсаторе, так как слой масла почти полностью смывается с рабочих поверхностей. Лучше всего – ограниченная растворимость ХА в масле;

4. Малая растворимость воды в ХА – отрицательное свойство: при попадании влаги в систему могут образоваться ледяные пробки;

5. ХА должен быть химически инертным по отношению к металлам и другим материалам, не быть горючим, взрывоопасным, должен быть безопасным для организма человека;

6. Стоимость ХА должна быть низкой.

Одним из первых рабочих тел в ХМ была вода (R718), область применения которой в настоящее время ограничивается пароструйными агрегатами. Затем стали применять аммиак (R717) (1874), сернистый ангидрид (R764) (1874) – SO2, углекислоту (R744) (1881) – СО2, хлористый метил (1878) – СН3Сl, с 30-х годов XX века – фреоны – фтористые и хлористые производные углеводородов. При этом исходные углеводороды – метан СН4 (R50) и этан С2Н6 (R170). В настоящее время применяют фреоны R11 (CFCl3), R12 (CF2Cl2), R13 (CF3Cl), R22 (CHF2Cl), R113 (C2F3Cl3), R142 (C2H3F2Cl), R134 (C2H2F4).

Сокращенные обозначения: для ряда метана первая цифра -1, для этанового – 11, а затем цифра, выражающая число атомов фтора, а при наличии незамещенных атомов водорода для метанового ряда к первой цифре, а для этанового ряда ко второй цифре прибавляют число атомов водорода.

Для анализа экологической целесообразности применения хладагентов используют следующие параметры:

Потенциал разрушения озона ODP (Ozon Depletion Potential). Определяется наличием атомов хлора в молекуле хладагента и принят за единицу для R11 и R12. Для хладагентов группы хлорфторуглеродов (ХФУ) ODP ≥ 1, для гидрохлорфторуглеродов (ГХФУ) ODP < 1; а для гидрофторуглеродов ODP = 0.

Потенциал глобального потепления GWP (Global warming potential). Принят за единицу для диоксида углерода СО2 с временным горизонтом 100 лет.

Хладагент R717 (аммиак).

Бесцветный газ с резким запахом, обладает хорошими термодинамическими свойствами: tкип = -33,4 0С, tкр = 132,4 0С, pкр = 11,29 МПа. Давление в конденсаторе 0,8-1,3 МПа, температура 30 0С, tплавл = -77,7 0С. Относительно большая объемная холодопроизводительность ( ), поэтому компрессор компактный. Почти нерастворим в масле, хорошо поглощается водой, с черным металлами (чугун, сталь) в реакции не вступает, но разъедает в присутствии влаги цинк, медь и ее сплавы (за исключением фосфористой бронзы). При утечках NH3 легко обнаружить по запаху. Вреден для организма, раздражает слизистые оболочки глаз и дыхательных путей. При содержании более 1% по объему воздуха приводит к отравлению. Предельно допустимая норма в производственном помещении 0,02 мг/л. Аммиак горюч (в воздухе плохо, а в кислороде хорошо). При наличии открытого огня и содержании в воздухе 13,1 – 26,8% (объемно) – возможен взрыв. Газообразный аммиак легче воздуха, жидкий – электропроводник. Аммиак – доступный, дешевый ХА, применяется в средних и крупных поршневых машинах. Требует строгого соблюдения правил техники безопасности. В мелких машинах не применяется вследствие его ядовитости и взрывоопасности.

Хладагент R12 (CCl2F2).

Дифторхлорметан относится к группе ХФУ (хлорфторуглеродов CFC). Характеризуется высоким потенциалом разрушения озона (ODP = 1) и большим потенциалом глобального потепления (GWP = 8500). Бесцветный газ со специфическим запахом, в 4,18 раза тяжелее воздуха. При объемной доле в воздухе 30 % наступает удушье из-за недостатка кислорода. Предельно допускаемая концентрация (ПДК) R12, в частности при длительности воздействия 2 ч, соответствует объемной доле его 38,5…30,4 %. Невзрывоопасен, но при t > 330 °C разлагается с образованием хлорида водорода, фтористого водорода и следов отравляющего газа – фосгена. Неограниченно растворяется в масле, не проводит электрический ток и слабо растворяется в воде. Объемная доля влаги в R12 для бытовых холодильников не должна превышать 0,0004 %. Обезвоженный R12 нейтрален ко всем металлам. Характеризуется повышенной текучестью, что способствует проникновению его через мельчайшие неплотности и даже через поры обычного чугуна. В то же время благодаря повышенной текучести R12 холодильные масла проникают во все трущиеся детали, снижая их износ. Поскольку R12 хороший растворитель многих органических веществ, при изготовлении прокладок применяют специальную резину – севанит или паронит. В холодильной технике R12 широко применялся для получения средних температур.

Хладагент R22 (CHClF2).

Дифторхлорметан относится к группе ГХФУ (гидрохлорфторуглеродов HCFC). Имеет низкий потенциал разрушения озона (ODP = 0,05), невысокий потенциал парникового эффекта (GWP = 1700), т.е. экологические свойства R22 значительно лучше, чем у R12. Это бесцветный газ со слабым запахом хлороформа, более ядовит, чем R12, невзрывоопасен и негорюч. По сравнению с R12 хладагент R22 хуже растворяется в масле, но легко проникает через неплотности и нейтрален к металлам. Для R22 холодильной промышленностью выпускаются холодильные масла хорошего качества. При температуре выше 330 °С в присутствии металлов R22 разлагается, образуя те же вещества, что и R12. Хладагент R22 слабо растворяется в воде, объемная доля влаги в нём не должна превышать 0,0025 %. Коэффициент теплоотдачи при кипении и конденсации на 25…30 % выше, чем у R12, однако R22 имеет более высокие давление конденсации и температуру нагнетания (в холодильных машинах). ПДК R22 в воздухе – 3000 мг/м3 при длительности действия 1 ч. Этот хладагент широко применяют для получения низких температур в холодильных компрессионных установках, в системах кондиционирования и тепловых насосах. В холодильных установках, работающих на R22, необходимо использовать минеральные или алкилбензольные масла. Нельзя смешивать R22 с R12 – образуется азеотропная смесь.

Хладагент R134a (CF3CFH2).

Молекула тетрафторэтана R134а имеет меньшие размеры, чем молекула R12, что повышает опасность утечек. Относится к группе ГФУ (HFC). Потенциал разрушения озона ODP = 0, потенциал глобального потепления GWP = 1300. Физические свойства R134a приведены в табл. 9, а характеристики на линии насыщения – в приложении 8.

Хладагент R134a нетоксичен и не воспламеняется во всем диапазоне температур эксплуатации. Однако при попадании воздуха в систему и сжатии могут образовываться горючие смеси. Не следует смешивать R134a и R12, так как образуется азеотропная смесь высокого давления с массовыми долями компонентов 50 и 50 %. Давление насыщенного пара R134a несколько выше, чем у R12 (соответственно 1,16 и 1,08 МПа при 45 °С). Пар R134a разлагается под влиянием пламени с образованием отравляющих и раздражающих соединений, таких, как фтороводород. Имеет эксплуатационные характеристики, близкие к R12. Для R134a характерны небольшая температура нагнетания (в среднем на 8…10 °С ниже, чем для R12) и невысокие значения давления насыщенных паров.

Хладагент R600a (C4H10).

Изобутан представляет собой природный газ, не разрушающий озоновый слой (ODP = 0) и не способствующий появлению парникового эффекта (GWP = 0,001). Масса хладагента, циркулирующего в холодильном агрегате при использовании изобутана, значительно сокращается (примерно на 30 %). Удельная масса изобутана в 2 раза больше удельной массы воздуха – газообразный R600a стелется по земле. Изобутан хорошо растворяется в минеральном масле, имеет более высокий, чем R12, холодильный коэффициент, что уменьшает энергопотребление. Изобутан горюч, легко воспламеняется и взрывоопасен, но только при соединении с воздухом при объемной доле хладагента 1,3…8,5 %. Нижняя граница взрывоопасности (1,3 %) соответствует 31 г R600a на 1 м3 воздуха; нижняя граница (8,5 %) – 205 г R600a на 1 м3 воздуха. Температура возгорания равна 460 °С. Холодильные агрегаты, работающие на R600a характеризуются меньшим уровнем шума из-за низкого давления в рабочем контуре, но требуют более производительные компрессоры (объемная холодопроизводительность R600a примерно в 2 раза меньше, чем у R12).

Таблица 1

Характеристика ХА при температуре кипения t0 = -15 0C и температуре конденсации tк = 30 0С при всасывании сухих насыщенных паров

ХА pк, МПа p0, МПа Весовая холодопроизводительность, кДж/кг Объемная холодопроизводительность, кДж/м3 Отн. размеры комп-в
Аммиак 1,17 0,24
Углекислота 7,18 2,28 125,6 0,28
Фреон-22 1,2 0,30 1,06
Фреон-12 0,74 0,18 1,69
Фреон-142 0,39 0,08 3,33

 


2.2.7. ХОЛОДОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ МАШИНЫ

Как известно, холодопроизводительность машины Q0, кДж/ч – количество тепла, которое ХМ отнимает от охлаждаемой среды в течение часа. Весовая холодопроизводительность q0, кДж/кг – холодопроизводительность 1 кг циркулирующего ХА. Объемная холодопроизводительность qv, кДж/м3 – холодопроизводительность 1 м3 паров ХА, засасываемых компрессором.

где v1 – удельный объем пара, засасываемого компрессором, м3/кг.

где G – количество ХА, проходящего по испарителю в час, кг/ч.

где V – объем ХА, поступающего в компрессор в течение часа, м3/ч.

Рис. 19. T-s-диаграмма ПКХМ

Как известно, для поршневых компрессоров:

где λ – коэффициент подачи компрессора,

Vh – объем, описанный поршнем (поршнями), м3/ч.

где z – число цилиндров.

Тогда:

(А)

Для одного и того же компрессора величина Vh неизменна (при n=const). Следовательно, Q0 зависит от qv и λ. qv зависит от температурного режима цикла. С понижением температуры кипения t0 величина уменьшается, так как с понижением температуры (и давления) кипения v1 резко увеличивается, в то время как q0 почти не изменяется. При постоянной температуре кипения qv может изменяться в зависимости от температуры перед РВ tп. С понижением tп объемная холодопроизводительность qv увеличивается, так как увеличивается q0.

Таким образом, при разных t0 и tп ХМ с одним и тем же компрессором дает разную холодопроизводительность Q0. С повышением температуры кипения и понижением температуры перед РВ холодопроизводительность машины увеличивается и наоборот. На величину действительной холодопроизводительности влияет также температура конденсации tк, так как при этом изменяется отношение pк/p0, а следовательно, и λ. Наиболее резкое влияние на величину холодопроизводительности оказывает температура кипения ХА. Повышение t0 на 1 0С в аммиачных машинах приводит к увеличению Q0 примерно на 6%, во фреоновых – на 4%. График зависимости холодопроизводительности Q0 от температуры кипения t0 называется характеристикой ХМ (компрессора).

Рис. 20. Характеристики ХМ

 

Для сравнения ХМ их холодопроизводительности необходимо определять при одинаковых условиях работы, которые характеризуются четырьмя температурами: t0 – температура кипения, tк – температура конденсации, tвс – температура всасывания, tп – температура перед регулирующим вентилем.

Таблица 2

Сравнительные температурные режимы для ХМ

Режим Температура, 0С
t0 tвс tк tп
Стандартный для аммиачной машины -15 -10 +30 +25
Стандартный для фреоновых машин -15 +15 +30 +25
Плюсовой фреоновый для условий кондиционирования воздуха +5 +15 +40 +30
Низкотемпературный для фреона -35 +15 +30 +25
Низкотемпературный для аммиака -40 -30 +30 +25

Ранее для одноступенчатых машин в качестве сравнительных условий были приняты «нормальные»: t0 = -10 0С, tк = +25 0С, tп = +15 0С, всасывание сухого насыщенного пара.

Таким образом, в литературе встречаются термины для холодопроизводительности – стандартная, нормальная, для условий кондиционирования.

В каталогах и справочниках обычно дается холодопроизводительность ХМ в сравнительных условиях работы. Практически ХМ работают при режимах, которые определяются эксплуатационными условиями. Эти рабочие условия, как правило, отличаются от сравнительных. Температура кипения t0 поддерживается такой, которая требуется для охлаждения объекта, а температура конденсации tк определяется температурой охлаждающей воды или воздуха. Холодопроизводительность Q0 в рабочих условиях соответственно отличается от указанных в каталогах и справочниках. Зависимость между рабочей и стандартной холодопроизводительностью можно получить из уравнений:

(Б)

Уравнением (Б) слудет пользоваться только тогда, когда для машин отсутствуют характеристики. Для машин, серийно выпускаемых, холодопроизводительность определяют по характеристикам Q0-t0, опубликованным в каталогах и специальной литературе.

 


2.2.8. МНОГОСТУПЕНЧАТЫЕ И КАСКАДНЫЕ ХМ

Когда в охлаждаемом помещении необходимо значительно понизить температуру (например, в камерах замораживания продуктов получить –(25..35) 0С), в испарителе ХМ поддерживают низкую температуру кипения при соответствующем низком давлении. В таких случаях значительно возрастает степень повышения давления и применение одноступенчатого компрессора становится экономически невыгодным. Поэтому применяют 2-х-ступенчатые ХМ (при ε>7). При этом предусматривают межступенчатое охлаждение паров ХА водой или жидким ХА. Водой пар охлаждается относительно мало, пар не доходит до насыщения, такое охлаждение называется неполным промежуточным охлаждением. Полное промежуточное охлаждение до состояния насыщения осуществляется жидким ХА.

При температурах -60 0С и ниже 2-х-ступенчатые ХМ оказываются также неэкономичными, т.к. степени сжатия в ступенях становятся большими, а рабочие коэффициенты (в первую очередь – коэффициент подачи) - низкими. Поэтому переходят к 3х ступенчатому сжатию или каскадным ХМ. Так, например, для производства сухого льда (СО2) применяется 3х ступенчатая ХМ.

 

2.2.8.1. ЦИКЛ ДВУХСТУПЕНЧАТОЙ ХМ С ОДНОСТУПЕНЧАТЫМ ДРОССЕЛИРОВАНИЕМ

Наиболее простой является двухступенчатая ХМ с водяным промежуточным охлаждением и одноступенчатым дросселированием.

Рис. 21. Схема и цикл двухступенчатой ХМ с одноступенчатым дросселированием

 

Пар из испарителя И в состоянии 1 засасывается компрессором низкого давления КМ1 при давлении P0 и адиабатически сжимается до промежуточного давления Pпр. Затем пар охлаждается в промежуточном водяном холодильнике ПХ при постоянном давлении Pпр до состояния 3 (процесс 2-3). Такое промежуточное охлаждение является неполным, т.к. пар остается перегретым (т.3) и не достигает состояния насыщения (т.3). Далее пар адиабатически сжимается во второй ступени компрессора КМ2 (процесс 3-4). Сжатый пар конденсируется в КД (процесс 4-5) и в состоянии 5 поступает к регулирующему вентилю РВ, где дросселируется до P0 (процесс 5-6). Хладагент в состоянии 6 поступает в испаритель И и даёт холодильный эффект. В сравнении с одноступенчатым сжатием (процесс 1-2) наблюдается экономия в затрате работы (площадь 2243).

В ХМ, работающих на таких схемах, через каждую ступень компрессора проходит одно и то же количество пара

Минимальная работа сжатия и max холодильный коэффициент получается при одинаковых степенях сжатия.

Работа сжатия в первой ступени:

 








Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.