В случае цикла холодильной установки полезным эффектом является

Холодильные установки служат для искусственного охлаждения тел ниже температуры окружающей среды. Рабочее тело в холодильных машинах совершает обратный круговой процесс, в котором в противоположность прямому циклу затрачивается работа извне и отнимается теплота от охлаждаемого тела.

Идеальным циклом холодильных машин является обратный цикл Карно. В результате осуществления этого цикла затрачивается работа , тепло от холодного тела переносится к более нагретому телу.

Отношение отведенной от охлаждаемого тела теплоты (произведенного холода) к затраченной работе носит название холодильного коэффициента и является характеристикой экономичности холодильной машины:

(12.1)

Очевидно, максимальное значение холодильного коэффициента при заданном температурном интервале равно холодильному коэффициенту обратного цикла Карно, т.е.

(12.2)

Отношение характеризует степень термодинамического совершенства применяемого цикла.

В качестве холодильных агентов применяют воздух и жидкости с низкими температурами кипения: аммиак, углекислоту, сернистый ангидрид и в последнее время – фреоны.

Цикл воздушной холодильной установки

Холодопроизводительность 1 кг воздуха определяется из уравнения

, (12.3)

где – температура воздуха, выходящего из холодильной камеры и поступающего в компрессор;

– температура воздуха, входящего в холодильную камеру;

– средняя массовая теплоемкость воздуха при постоянном давлении.

Работа, затраченная компрессором

, (12.4)

где – температура воздуха после его сжатия в компрессоре.

Работа, полученная в расширительном цилиндре

, (12.5)

где – температура воздуха перед расширительным цилиндром.

Работа, затраченная в цикле, определяется по уравнению:

(12.6)

Расход холодильного агента равен

, (12.7)

где и – соответственно холодопроизводительность установки и холодопроизводительность 1 кг воздуха в кДж/с и кДж/кг (или в ккал/с и ккал/кг).

Холодильный эффект

(12.8)

Холодильный коэффициент можно выразить также в функции отношения конечного и начального давлений в компрессоре:

(12.9)

Теоретическая мощность, необходимая для привода компрессора

, (12.10)

если выражено в кДж/кг.

Затрата работы в компрессоре при адиабатном сжатии определяется по формуле:

(12.11)

Холодопроизводительность 1 кг холодильного агента

, (12.12)

где – теплота парообразования, а и – соответственно степень сухости пара после испарения и после редукционного вентиля.

Тепловая нагрузка конденсатора определяется по формуле

(12.13)

Задачи

12.1. На рис. 12.1 представлена схема, а на рис. 12.2 изображен цикл паровой компрессорной холодильной установки. Пар аммиака при температуре t1 = -10°С поступает в компрессор В, где адиабатно сжимается до давления, при котором его температура t2= 20° С,а сухость пара х2 = 1. Из компрессора аммиак поступает в конденсатор С, где при постоянном давлении обращается в жидкость (xз = О), после чего в особом расширительном цилиндре D адиабатно расширяется до температуры t4 = -10°С; при этой же температуре аммиак поступает d в охлаждаемое помещение А, где, забирая теплоту от охлаждаемых тел, он испаряется, образуя влажный пар со степенью сухости x1.

Определить холодопроизводительность аммиака, тепловую нагрузку конденсатора, работу, затраченную в цикле, и холодильный коэффициент.

рис. 12.1

рис. 12.2

Решение:

Холодопроизводительность аммиака, т. е. количество теплоты, поглощаемой 1 кг аммиака в охлаждаемом помещении, по уравнению (12.12)

q0 =i1 -i4 = r (x1 – x4), при t1=-10 °C r1 = 1296.6 кДж/кг [10].

Значения x1 и x4 определяем или при помощи диаграммы T-S, или аналитически. В последнем случае используем постоянство энтропии

в обратимом адиабатном процессе. Следовательно, в процессе 1-2

s2 = sl = s’l + (s’l + sl) x1.

sl = 4,0164 кДж/(кг. К); Si = 8,9438 кДж/(кг. К);

s2 = 8.5658 кДж/(кг. К). Тогда x1=

=(s”2-s1)/(s”1-s1’)’=(8.5658-4.0164)/(8.9338-4.0164)=0.925.

Точно таким же образом определяем x4

x4=(s’3-s’1)/(s”1-s’1)=(4.5155-0.1015)/4.9174=0.1015.

Следовательно, q =1296,6 (0,925-0.1015) = 1067,8 кДж/кг,

Тепловая нагрузка конденсатора, т. е. количество теплоты, отводимой с охлаждающей водой, по уравнению 9 = i2-i3=r2.

По табл. [10] при t=20°C r2=1186.9 кДж/кг, следовательно,

q = 1186,9 кДж/кг.

Работа, затраченная в цикле,

Lо=q-q0= 1186,9- 1067,8 = 119,1 кДж/кг. Xолодильный коэффициент

e=q0/L0=1067.8/119.1=8.96.

12.2. В схеме аммиачной холодильной установки, приведенной в предыдущей задаче, расширительный цилиндр заменяется редукционным вентилем. Новая схема предст­авлена на рис. 12.3.

Рис. 12.3

В остальном все условия предыдущей задачи сохраняются.

Определить новое значение холодильного коэффициента e и сравнить его с e“ для схемы с расширительным цилиндром.

Ответ: e = 8,17; e/e“= 0,927.

12.3. Компрессор аммиачной холодильной установки всасывает пар аммиака при температуре t1. = -10° С и степени сухости x1= 0,92 и сжимает его адиабатно до давления, при котором его температура t2 = 20° С и степень сухости х2= 1. Из компрессора пар аммиака поступает в конденсатор, в котором охлаждающая вода имеет на входе температуру tв= 12°С, а на выходе t”в=20°.

В редукционном (регулирующем) вентиле жидкий аммиак подвергается дросселированию до 0,3 МПа, после чего направляется в испаритель, из которого выходит со степенью сухости х = 0.92 и снова поступает в компрессор. Теплота, необходимая для испарения аммиака, заимствуется из рассола, имеющего на входе в испаритель, температуру t’p =-2°С, а на выходе из него температуру t”p =-5° С.

Определить теоретическую мощность двигателя холодильной машины и часовой расход аммиака, рассола и .охлаждающей воды, если холодопроизводительность установки Q0= 58.15 кДж/с. Теплоемкость рассола принять, равной 4,19 кДж/(кг К).

Решение:

Условный цикл аммиачной холодильной установки для данных, указанных в задаче, показан на рис. 12.3.

Работа, затраченная на компрессор, определяется по уравнению Lk=i2-i1.

Энтальпия пара, выходящего из компрессора, поскольку он является сухим, насыщенным, определяется по таблицам насыщенного пара аммиака[10]:

i2= i” = 1699,4 кДж/кг; r2= 1186,9 кДж/кг.

Энтальпия влажного пара, всасываемого компрессором, определяется по формуле для влажного паpa i1 =ix = i”1 + r1x.

По табл. [10] находим

i’1=372,6 кДж/кг; r1=1296,6 кДж/кг; откуда i1 =

= 372,6 + 1296.6∙0.92 = 1505,5 кДж/кг.

таким образом, paботa, затраченная на привод компрессора,

Lk=i2-i1 =1699,4-1565,6 =133,8 кДж/кг.

Для определения мощности двигателя холодильной машины необходимо знать количество холодильного агента (аммиака), всасываемого компрессором. Оно определяется из уравнения (12.7):

Ма=Q0/q0.

Холодопроизводительность Qo аммиачной машины известна, а величина q0 определяется по формуле (12.12)

q0 =i1 – i4

Так как процесс дросселирования (линия 3-4)характеризуется равенством начального и конечного значений энтальпии, то

i4= i3= i’2 = 512,5 кДж/с.

Следовательно, q0 = 1565,5- 512,5 == 1053 кДж/кг.

Количество холодильного агента (аммиака) Мa =58.15/1053= 0,0552 г/c.

Таким образом, теоретическая мощность двигателя формуле (12.10)

Nтеор=М∙L0= 0.0552.133,8 = 7.39 кДж/с = 7,39 кВт. Потребное количество рассола по уравнению: Мр = с (t’p – t”р) при с= 4,19 кДж/(кг.К)

Мр=58.15/(4.19∙(-2-(-5)))= 4,626 кг/с.

Необходимее количество охлаждающей воды определяем из уравнения

Мв=Маr/c(t”в-t’в)=0.0552∙1186.9/4.19∙ (20-12)=1.96 кг/с.

Читайте также:

Рекомендуемые страницы:

©2015-2021 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-04-26
Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных

Отвод тепла с помощью теплоты плавления льда

В основе действия холодильных машин лежит второй закон (или второе начало) термодинамики, который применительно к холодильным машинам гласит: для передачи теплоты от менее нагретого тела (холодного) к более нагретому (горячему) необходимо затратить энергию.Иными словами, чтобы охладить какое-либо тело, необходимо отвести от него теплоту, используя для этого какое либо техническое устройство.

В системах охлаждения используется явление увеличения теплосодержания вещества во время плавления и кипения при постоянной температуре. Самый простой способ отвода тепла от определенной области осуществляется при помощи ледяного блока. При плавлении лед поглощает тепло из окружающей атмосферы и продуктов, а продукт плавления льда отводится за пределы ледника—в окружающую среду.

Поскольку теплота парообразования во много раз больше теплоты плавления, во время процесса кипения поглощается большее количество теплоты при постоянной температуре. Поэтому рекомендуется производить перенос теплоты при температуре кипения вещества. В этом состоит преимущество компрессионных систем охлаждения. В дальнейшем в данном курсе будут рассмотрены особенности монтажа парокомпрессионных систем охлаждения.

Рассмотрим цикл работы холодильной установки на примере бытового холодильника.

Цикл холодильной установки (бытовой холодильник)

Холодильник оснащен теплообменником (испарителем), куда поступает хладагент в парожидкостной фазе (смесь пара с жидкостью). В испарителе за счет кипения рабочего вещества теплота отводится от охлаждаемой среды — воздуха в системе непосредственного охлаждения (как в рассматриваемом примере), воды или рассола в системе с промежуточным хладоносителем.

При температуре +5°C внутри холодильника температура кипения хладагента в испарителе составит около -15°C, которая в случае использования хладагента R134a соответствует абсолютному давлению 1,7 бар. Тепло из внутренней части холодильника отводится более холодным испарителем, где кипит хладагент. Температура внутри холодильника снижается.

Компрессор откачивает пары хладагента из испарителя, сжимает их и направляет в другой теплообменник – конденсатор, расположенный на внешней части холодильной камеры.

В конденсаторе теплота отводится от конденсирующегося рабочего вещества с помощью охлаждающей среды — воздуха или воды— которая при этом нагревается. Хладагент меняет агрегатное состояние на жидкое.

Обычно температура окружающего конденсатор воздуха (комнатная) составляет от 20 до 25°C. Для обеспечения правильного отвода теплоты от конденсатора в окружающую среду температура конденсации должна превышать температуру окружающей среды в данном случае на 20-30 К. Для хладагента R134a и предполагаемой температуры конденсации 50°C абсолютное давление в конденсаторе составляет 13,2 бар.

Таким образом, задача компрессора состоит не только в удалении паров хладагента из испарителя, но и в их сжатии.

Жидкое рабочее вещество из конденсатора проходит через регулирующий (дроссельный) вентиль, где происходит процесс дросселирования (расширения рабочего тела без совершения внешней работы). Этот вентиль (в данном случае капиллярная трубка) расположен между конденсатором и испарителем, в котором хладагент расширяется и его давление снижается до давления кипения. Здесь замыкается цикл охлаждения.

Ниже приведена схема холодильного цикла в условных обозначениях

Принципиальная схема парокомпрессионной холодильной машины: КМ — компрессор; КД — конденсатор; РВ — регулирующий вентиль; И — испаритель; /, 2,3,4 — точки цикла

Процессы, обозначенные на схеме:

4—1—кипение рабочего вещества (хладагента) в испарителе, при этом теплота Q0 отводится от охлаждаемой среды
1—2—сжатие паров рабочего вещества в компрессоре;
2—3—конденсация паров рабочего вещества в конденсаторе, при этом теплота Q передается окружающей или нагреваемой среде;
3—4—дросселирование рабочего вещества в регулирующем вентиле.

Таким образом, парокомпрессионная холодильная машина должна иметь четыре обязательных элемента: компрессор, конденсатор, испаритель и регулирующий вентиль.

Температура кипения рабочего вещества в испарителе зависит от давления кипения р0, а оно, в свою очередь,— от производительности компрессора. Температуру кипения поддерживают такой, чтобы обеспечить необходимую (заданную) температуру охлаждаемой среды. Для понижения температуры кипения необходимо понизить давление кипения, что можно сделать, увеличив производительность компрессора.

Температура конденсации рабочего вещества и соответствующее ей давление конденсации зависят главным образом от температуры среды, используемой для охлаждения конденсатора. Чем она ниже, тем ниже будут температура и давление конденсации. Величины давлений кипения и конденсации в значительной мере влияют на производительность компрессора. Они же в основном определяют и количество энергии, которое необходимо для его работы.

Представление цикла холодильной машины в термодинамических диаграммах

Теоретические циклы холодильных машин изображают на термодинамических диаграммах, которые позволяют лучше понять принцип их действия. Термодинамические диаграммы, кроме того, служат теоретической базой для расчета холодильных машин в целом и их отдельных элементов.

Наиболее распространены диаграммы энтальпия — давление (i, lgp -диаграмма) и энтропия — температура (s, T-диаграмма). Первую применяют для тепловых расчетов, вторую — для анализа термодинамической эффективности циклов. При этом используют следующие параметры:

• температуру в °С или абсолютную температуру Т в К;
• давление в Па или производных единицах (1кПа=103Па, 1 МПа= 106 Па= 10,2 кгс/см2 = 10 бар);
• удельный объем ν в м3/кг;
• плотность в кг/м3, (величина, обратная удельному объему).
  Кроме простых измеряемых параметров, используют также сложные расчетные параметры:
• энтальпию I в кДж;
• энтропию S в кДж/К.
  На диаграммах и в расчетах применяют обычно удельную энтальпию i в кДж/кг, т. е. отнесенную к единице массы хладагента. Логарифмическая ось давления принимается в целях уменьшения масштаба диаграммы.

 На i, lgр и s, T-диаграммах из точки К, соответствующей критическому состоянию хладагента, расходятся две так называемые пограничные кривые, разделяющие поле на три зоны: переохлажденной жидкости (ПЖ), парожидкостной смеси (Ж+П) и перегретого пара (ПП).

Если на i, lgp-диаграмме провести линию постоянного давления (p = const) — изобару, а на s, Т-диаграмме—линию постоянной температуры (T=const) — изотерму, то они пересекут пограничные кривые в точках А и В. В точке А хладагент находится в состоянии насыщенной жидкости, а в точке В — насыщенного пара.

Фазовый переход от жидкости к пару на диаграммах идет слева направо. При подводе теплоты (энтальпия и энтропия возрастают) переохлажденная жидкость, достигнув состояния насыщения в точке А, начинает кипеть. По мере дальнейшего подвода теплоты содержание жидкости в единице массы хладагента уменьшается, а содержание пара – увеличивается, достигая в точке В 100 %. Образуется насыщенный пар. Паросодер-жание х хладагента на левой пограничной кривой равно 0, а на правой—1. Состояние при х=1 называют также сухим насыщенным паром, чтобы подчеркнуть, что пар не содержит частиц жидкости в отличие от влажного пара, представляющего собой смесь пара и жидкости (П + Ж).

Фазовый переход от пара к жидкости на диаграммах идет справа налево. При отводе теплоты происходит процесс конденсации хладагента. Он начинается в точке В и заканчивается в точке A.

На i, lgр-диаграмме разность значений энтальпий i в точках А и В будет равна величине r в кДж/кг, которую, в зависимости от направления процесса (от А к В или от В к А), называют удельной (скрытой) теплотой парообразования или удельной теплотой конденсации.

На s, Т-диаграмме величине r будет соответствовать площадь (заштрихованная) под процессом А — В.

Параметры, соответствующие состоянию хладагента на левой пограничной кривой (х = 0), обозначают с одним штрихом, а на правой (х = 1) — с двумя.

В процессах кипения и конденсации давление и температура насыщения остаются неизменными, так как подводимая или отводимая теплота расходуется на изменение агрегатного состояния хладагента. При этом температура насыщения зависит от давления. При его увеличении она повышается, а при уменьшении — понижается.

Если после подвода определенного количества теплоты и достижения хладагентом состояния насыщенного пара в точке В продолжать подводить теплоту при постоянном давлении (p = const), то этот процесс В — С будет сопровождаться повышением температуры: ТС>ТВ. Насыщенный пар перейдет в точке С в состояние, называемое перегретым паром.

Аналогично, если после окончания процесса конденсации В — А продолжать отводить теплоту, то дальнейший процесс А — D будет сопровождаться понижением температуры. Насыщенная жидкость перейдет в точке D в состояние, называемое переохлажденной жидкостью.

На i, lgp-диаграмме изотермы (T = const) в зоне ПЖ идут почти вертикально вверх, параллельно изоэнтальпам—линиям постоянной удельной энтальпии (i=const), а в зоне ПП—резко вниз.

На s, T-диаграмме изотермы горизонтальны. Изобары (р=const) в зоне ПЖ идут резко вниз и почти совпадают с пограничной кривой (x = 0), в зоне ПП — поднимаются круто вверх. Изоэнтальпы (i =const) спускаются круто вниз.

Линии постоянной удельной энтропии (s = const) Ha s, T-диаграмме вертикальны, а на i, lgр-диаграмме располагаются примерно под углом 45° к горизонтали.

С небольшим подъемом от горизонтали идут на обеих диаграммах линии постоянного удельного объема (ν = const). Большим давлениям р соответствует меньший удельный объем ν.

Поскольку при работе парокомпрессионной холодильной машины в установившемся (стационарном) режиме давления кипения р0 и конденсации рк хладагента постоянны, количество подводимой или отводимой теплоты изображается на i, lgр-диаграмме в виде отрезка прямой линии и равно разности энтальпий в начале и конце процесса. В этом заключается достоинство i, lgp-диаграммы, которое обусловило ее широкое использование для расчета парокомпрессионных холодильных машин.

Контрольные вопросы:

1. Каковы основные элементы холодильного контура?
2. В чем заключается принцип работы холодильной машины
3. Как представляется процесс работы холодильной машины в диаграммах?

Литература:

1. Изучающим основы холодильной техники. Под общей редакцией А. Д. Акимовой. М., 1996. – 144 с.