4.4.6 Построение и расчёт холодильного цикла одноступенчатой паровой компрессионной холодильной машины

Построение холодильного цикла

Для построения обратных холодильных циклов и определения значений параметров хладагента в любой точке замкнутого контура холодильной машины используют различные диаграммы состояния: p-v, T-s, p-i.

Обычно построение и расчёт процессов цикла холодильной машины осуществляют с помощью lg p, i-диаграммы, показанной на рисунке 4.22 (детальную диаграмму состояний для фреона-12 смотреть в приложении Л). Рабочее поле (фон) диаграммы lg p-i содержит линии фиксированных дискретных значений термодинамических параметров: t=const (изотермы), p=const (изобары), v=const (изохоры), s =const (адиабаты), i=const (изоэнтальпы).

Определяющую роль на диаграмме играют две пограничные кривые: левая линия характеризует состояние насыщенной жидкости (на ней паросодержание =0), а правая – состояние сухого насыщенного пара (=1). Между пограничными кривыми сухости влажного пара находится область кипения (область влажного пара), заполненная также кривыми, обозначающими промежуточные значения сухости влажного пара(=const).

Для рабочего холодильного цикла (контур 1–2–3–4 показан на рисунке 4.22 зелёным цветом), в отличие от теоретического (показан там же красным цветом), характерно, что компрессор всасывает из испарителя не сухой насыщенный пар с параметрами p_о и t_о, а перегретый (точка 1). Перегрев пара происходит в испарителе, трубопроводе или специальном теплообменнике. Пары хладагента адиабатически (по линии s=const) сжимаются до давления в конденсаторе p_к (процесс 1–2) и при этом нагреваются за счёт механической энергии (работы) до температуры t₂ (перегрев сжатия – точка 2).

Горячие пары хладагента по трубопроводу нагнетаются компрессором в конденсатор, где у них при постоянном давлении p_к сначала снимается перегрев (процесс 2–2’), а затем начинается их конденсация при постоянных давлении p_к и температуре t_к. Завершается конденсация в точке 3’; при этом хладагент сбрасывает энергию в окружающую среду (атмосферному воздуху или охлаждающей воде).

Рисунок 4.22 – p, i -диаграмма теоретического и действительного цикла одноступенчатой паровой компрессионной холодильной машины

Жидкий хладагент переохлаждается в конденсаторе или специальном теплообменнике (процесс 3'–3) для гарантии полного отсутствия пузырьков пара перед регулирующим вентилем и увеличения полезной холодопроизводительности.

Далее жидкий хладагент поступает в терморегулирующий вентиль, где его давление снижается от высокого p_к до низкого p_о (изоэнтальпный процесс дросселирования 3–4); В конечной точке расширения устанавливается температура t_о, а часть жидкости превращается в пар. Полученная парожидкостная смесь направляется в испаритель, где жидкий хладагент кипит при постоянных p_о и t_о (изобарный и одновременно изотермический процесс 4–1), отнимая теплоту от охлаждаемого объекта (воздуха грузового помещения или рассола). Образующиеся пары хладагента отсасываются компрессором, и цикл повторяется.

Создавая в испарителе низкое давление, компрессор, таким образом, поддерживает непрерывное кипение хладагента в испарителе за счёт отвода теплоты от холодоносителя. Чем ниже надо получить температуру в охлаждаемом объекте, тем ниже должно быть давление в испарителе.

Следует отметить, что в рабочем холодильном цикле в испарителе и конденсаторе давление несколько снижается вследствие потерь напора на трение хладагента о стенки труб, поэтому процесс сжатия паров в компрессоре требует большей затраты работы.

Исходными данными для построения на диаграмме состояний холодильного цикла одноступенчатой паровой компрессионной холодильной машины являются:

– температура кипения хладагента в испарителе – t_о;

– температура конденсации хладагента в конденсаторе – t_к;

– температура всасывания паров хладагента в компрессор – t₁;

– температура переохлаждения хладагента перед ТРВ – t₃.

Построение цикла начинают с нанесения изобар p_о=const и p_к =const, отвечающих изотермам t_о и t_к в области кипения. В местах пересечения изобар p_о и p_к с пограничными кривыми =0 и =1 получаем точки 1’, 2’, 3’ и 4’. Точка 1’ соответствует завершению процесса кипения хладагента в испарителе, точки 2’ и 3’– соответственно началу и завершению конденсации хладагента в конденсаторе, а точка 4’ – началу частичного кипения жидкого хладагента при дросселировании его в ТРВ.

На пересечении изотермы t₁ с изобарой p_о в области перегретого пара получаем точку 1 цикла, из которой проводим адиабату s_1-2 до пересечения с изобарой p_к. Таким образом получаем точку 2 цикла. Точку 3 получают на пересечении изотермы t₃ с изобарой p_к в области переохлаждённой жидкости, а точку 4 – на пересечении перпендикуляра, опущенного из точки 3, с изобарой p_о.

Расчёт ходильного цикла

Целью расчёта цикла является определение величины подачи компрессора и тепловой нагрузки конденсатора при заранее известной потребной холодопроизводительности машины.

Сначала по диаграмме состояний (см. рис. 4.22) определяют удельное теплосодержание хладагента в точках 1, 2, 3 и 4 (i₁, i₂, i₃, i₄) и основные показатели цикла:

– удельную массовую холодопроизводительность q_о, кДж/кг;

– удельную работу l, затрачиваемую компрессором на сжатие, кДж/кг;

– удельную нагрузку на конденсатор q_к, кДж/кг;

– холодильный коэффициент  .

q₀ = i₁ – i₄,

q_к = i₂ – i₃ = q_о + l,

.

Затем определяют величину подачи компрессора V_п.к, м³/с, которая определяет конструктивную реализацию компрессора:

,

где Q_о– заданная потребная холодопроизводительность машины, кВт; v₁ – удельный объём паров хладагента при всасывании компрессором (определяется по диаграмме состояний), м³/кг.

Потребная мощность компрессора, кВт:

N_к = Q₀ / .

Тепловая нагрузка на конденсатор, т. е. количество теплоты, отводимое от хладагента в конденсаторе в единицу времени:

.

Приведённая схема расчёта справедлива для теоретических, рабочих, стандартных или моделированных циклов при соответствующих значениях t_о, t_к, t₁, t₂ и t₃.