4.4.2 Реальная одноступенчатая паровая компрессионная холодильная машина

В этой холодильной машине вместо расширителя применён терморегулирующий (дросселирующий) вентиль (ТРВ), а процесс адиабатического сжатия хладагента осуществляется в области сухого (чаще перегретого) пара. Принципиальная схема такой холодильной машины показана на рисунке 4.15.

Контур рабочего тела замкнут и герметичен. В нём циркулирует определённое количество хладагента, который в испарителе и конденсаторе изменяет своё агрегатное состояние.

Рисунок 4.15 – Принципиальная схема реальной одноступенчатой паровой компрессионной холодильной машины

В испарителе жидкий хладагент кипит за счёт теплоты q_о, отводимой от охлаждаемого груза. При этом его давление p_о неизменно вследствие материального баланса процессов образования пара из жидкости и его отсоса компрессором. Неизменна и температура кипения хладагента t_о. Она ниже температуры груза t_г на некоторую экономически оправданную величину, °C: t_о = t_г – (10...12).

Компрессор засасывает и сжимает пары хладагента до высокого давления p_к, разогревая их за счёт затраты механической энергии l. Он может быть поршневым, лопаточным, винтовым и т. д. Горячий пар отдаёт теплоту q = q_о + l во внешнюю среду в конденсаторе, сохраняя в процессе сжижения постоянные значения p_к и t_к. При этом температура конденсации паров хладагента всегда выше температуры окружающей среды t_н даже в наиболее тяжёлых условиях максимумов наружных температур, °C: t_к = t_н + (12...15).

Жидкий хладагент далее снижает своё давление и температуру до значений p_о и t_о в терморегулирующем вентиле (ТРВ), частично при этом испаряясь. Полный же переход жидкости в пар происходит в испарителе. Этим самым начинается новый цикл в непрерывном процессе работы холодильной машины.

На рисунке 4.16 показана Т, s -диаграмма рабочего цикла реальной одноступенчатой паровой компрессионной холодильной машины. Здесь наглядно просматриваются адиабатные (1–2, 3–4) и изотермические (4 –1' и 2'–3') процессы.

Рисунок 4.16 – Т, s -диаграмма рабочего цикла одноступенчатой паровой компрессионной холодильной машины

Однако наибольшее распространение получила диаграмма с координатами log p-i (рисунок 4.17). Удобство диаграммы состоит в том, что отрезки по оси i между характерными точками цикла определяют изменение состояния хладагента под действием соответствующего количества внешней теплоты или механической энергии. Логарифмическая шкала давлений применяется для удобства пользования диаграммой из-за многократных изменений давления в цикле.

На диаграмме показаны две пограничные кривые сухости паров хладагента:=0 и =1, которые соответствуют линиям кипения и конденсации паров. Обе пограничные линии вверху диаграммы сходятся в критической точке. Левая пограничная кривая отделяет область влажного пара от области переохлаждённой жидкости, а правая – от области перегретого пара.

Рисунок 4.17 – p, i -диаграмма рабочего цикла одноступенчатой паровой компрессионной холодильной машины

Рабочий цикл машины представлен на Т, s и p, i -диаграммах следующими термодинамическими процессами:

– изотермический (он же изобарический) процесс кипения паров хладагента в испарителе (4–1');

– изобарический перегрев паров в испарителе (1'–1);

– адиабатическое сжатие паров хладагента в компрессоре (1–2) — ;

– изобарическое охлаждение перегретых паров хладагента в конденсаторе до температуры конденсации (2–2');

– изотермический (он же изобарический) процесс конденсации паров хладагента в конденсаторе (2'–3');

– изобарическое переохлаждение жидкого хладагента в конденсаторе (3'–3);

– изоэнтальпный процесс дросселирования жидкого хладагента в ТРВ (3–4).

В схему одноступенчатой паровой компрессионной холодильной машины могут включаться дополнительные элементы, повышающие надёжность работы основных её узлов:

– перегреватель пара или отделитель жидкости перед компрессором, которые обеспечивают защиту компрессора от эрозионных явлений;

– переохладитель жидкости, исключающий присутствие в потоке пузырьков пара, которые снижают устойчивость рабочего процесса в дросселирующем вентиле;

– ресивер-сосуд для хранения жидкого хладагента при консервации или транспортировке машины;

– фильтр или грязеуловитель, очищающий хладагент от примесей, ухудшающих его термодинамические свойства;

– прессостат-терморегулятор для поддержания нужного давления хладагента в испарителе машины;

– термостаты систем защиты, сигнализации, автоматического регулирования процессов;

– электромагнитные вентили и обратные клапаны на трубопроводах.