Файл: Учебное пособие Рекомендовано Дальневосточным региональным учебнометодическим центром в качестве учебного пособия для студентов неэнергетических.doc

;

.

Холодильный коэффициент цикла Карно холодильной машины

.

Для любого цикла холодильной машины справедливо

.

где , – средние температуры процессов отвода и подвода тепла в цикле.

Холодильный коэффициент цикла Карно всегда выше аналогичных характеристик любых других циклов холодильных машин, действующих в том же интервале температур .

Как и в случае теплового двигателя, построить холодильную машину, действующую по циклу Карно, невозможно в связи с необратимостью реальных термодинамических процессов.
10.2. Цикл воздушной холодильной машины
Промышленное производство холода впервые было осуществлено с помощью воздушной холодильной машины (ВХМ), схема которой представлена на рис. 10.3.

Широкое использование сжатого воздуха на производстве позволило использовать существующее разработки при конструировании первых холодильных машин.

Рис. 10.3. Схема воздушной холодильной машины:

1 – компрессор; 2 – теплообменник; 3 – расширительный цилиндр;

4 – холодильная камера
Воздушная холодильная машина состоит из следующих элементов:

1. 
   Компрессора, предназначенного для сжатия рабочего тела.
   
2. 
   Теплообменника, в котором тепловая энергия от воздуха передается охлаждающей среде.
   
3. 
   Расширительного цилиндра (детандера), в котором воздух расширяется, совершая при этом полезную работу.
   
4. 
   Холодильной камеры, в которой находится охлаждаемая среда (тело).
   

На рис. 10.4, 10.5 изображен цикл воздушной холодильной машины соответственно в P-V и T-S диаграмме.

Рис. 10.4. Цикл воздушной холодильной машины в P-V диаграмме

Рис. 10.5. Цикл воздушной холодильной машины в T-S диаграмме

Цикл воздушной холодильной машины состоит из следующих процессов:

• 
  1–2 – адиабатное сжатие воздуха в компрессоре;
  
• 
  2–3 – изобарный отвод теплоты в теплообменнике;
  
• 
  3–4 – адиабатное расширение воздуха в детандере;
  
• 
  4–1 – изобарный подвод теплоты в холодильной камере.
  

Определим холодильный коэффициент воздушной холодильной машины:

,

где - количество подведенной тепловой энергии;

- количество отведенной тепловой энергии.

---

Таким образом, холодильный коэффициент равен

.

Так как процессы 2–3 и 4–1 эквидистанты, то справедливо соотношение

.

В результате замены получим

.

Таким образом, для воздушной холодильной машины повышение холодильного коэффициента можно достичь, увеличив степень повышения давления в компрессоре, однако при этом значительно возрастает работа, затрачиваемая на привод компрессора.

В таблице 10.1 представлены достоинства и недостатки ВХМ.
Таблица 10.1

Достоинства и недостатки воздушной холодильной машины

Достоинства ВХМ	Недостатки ВХМ
1. Простота конструкции. 2. Дешевое рабочее тело. 3. Возможность получить разомкнутый цикл (без теплообменника в холодильной камере).	1. Малая удельная хладопроизводительность из–за небольшой теплоемкости рабочего тела – воздуха. 2. Большие потери энергии на необратимость (особенно в расширительном цилиндре). 3. Большой расход энергии на привод компрессора.

10.3. Цикл паровых компрессионных холодильных машин
Паровые компрессионные холодильные машины (ПКХМ) являются наиболее распространенными установками для получения искусственного холода.

В качестве рабочего тела ПКХМ используются вещества, находящиеся в двух фазах. Цикл парокомпрессионных холодильных машин включает в себя процессы фазового перехода – испарение и конденсацию (иногда перегрев пара).

Выбор определенного холодильного агента зависит от интервала температур (в основном T_x), в котором совершается цикл холодильной машины.

К наиболее распространенным холодильным агентам для ПКХМ можно отнести вещества – хлористый метил CH₃Cl, углекислота CO₂, аммиак NH₃, фреоны – C_mH_nF_pCl_r– хлоропроизводные фтористых углеводородов.

Рассмотрим цикл ПКХМ (рис. 10.6, 10.7), для этого используем фазовые диаграммы одного из холодильных агентов.

Рис. 10.6. Цикл ПКХМ в P-V диаграмме

Рис. 10.7. Цикл ПКХМ в T-S диаграмме

Конструкция ПКХМ принципиально не отличается от конструкции воздушной холодильной машины. Однако в реальных холодильных машинах детандер заменен на дроссельный вентиль, в котором давление холодильного агента понижается без совершения полезной работы. Такая модернизация позволяет значительно упростить конструкцию, но в результате работа цикла становится равной работе, затрачиваемой на привод компрессора

---

.

Цикл ПКХМ включает в себя следующие процессы:

• 
  1–2 – адиабатное сжатие в компрессоре (влажный пар превращается в насыщенный);
  
• 
  2–3 – изотермически–изобарный отвод теплоты в теплообменнике (процесс конденсации);
  
• 
  3–4 – дросселирование рабочего тела (H=const) без совершения полезной работы;
  
• 
  4–1 – изобарно–изотермический подвод теплоты в холодильной камере (процесс испарения).
  

Для повышения эффективности работы в парокомпрессионных холодильных машинах используют процессы перегрева пара, при этом повышается удельная хладопроизводительность установок.

Все параметры ПКХМ можно определить, зная энтальпию холодильного агента в характерных точках цикла.

Работа компрессора: .

Хладопроизводительность: .

Холодильный коэффициент: .

При расчете холодильных установок всегда необходимо учитывать необратимость процессов, составляющих цикл.
Для реальных установок ПКХМ параметры:

Работа компрессора: .

Хладопроизводительность: .

Холодильный коэффициент: .

Параметр энтальпия для характерных точек цикла ПКХМ определяется по таблицам теплофизических свойств данного холодильного агента при известных температурах конденсации и испарения и рабочем давлении в контуре холодильной машины. В таблице 10.2 представлены достоинства и недостатки ПКХМ.
Таблица 10.2

Достоинства и недостатки паровых компрессионных холодильных машин

Достоинства ПКХМ	Недостатки ПКХМ
1. Высокая удельная хладопроизводительность. 2. Достаточно большая эффективность цикла. 3. Простота конструкции. 4. Возможность получить низкие температуры. 5. Практически не ограниченная единичная мощность установок.	1. Дорогое рабочее тело. 2. Невозможность использовать открытый цикл. 3. Большие потери на необратимость в дроссельном вентиле.

10.4. Абсорбционные холодильные машины
Процесс повышения давления рабочего тела в абсорбционных холодильных машинах осуществляется с помощью так называемого термического компресса. В абсорбционных машинах, как правило, применяются два вещества – рабочий агент и абсорбент (поглотитель), имеющий различные температуры кипения при одинаковом давлении насыщения и обладающее свойством образовывать при адиабатном смешении среду с температурой, отличной от температур смешиваемых веществ.

---

Рассмотрим принципиальную схему абсорбционной холодильной машины, изображенной на рис. 10.8.


Рис. 10.8. Принципиальная схема абсорбционной холодильной машины:

1 – абсорбер; 2 – насос; 3 – парогенератор; 4 – конденсатор; 5 – теплообменник;

6, 7 – дроссельные вентили; 8 – холодильная камера
Из абсорбера 1 смесь абсорбента и рабочего агента, имеющая температуру T_c и давление P_c, насосом 2 подается в парогенератор 3, при этом давление вещества повышается до P_н. В испарители 3 подводится тепло при температуре T_н, в результате вещество при давлении P_c, P_н разделяется на испарившейся холодильный агент и абсорбент. Абсорбент через теплообменник 5 возвращается в бак абсорбера, для понижения его давления установлен дроссель 6. Рабочий агент в виде пара направляется через конденсатор 4 и дроссель 7 к холодильной камере, где забирает тепловую энергию от охлаждаемого тела.

Работа, затрачиваемая на привод насоса абсорбционной установки, незначительна, а использование в качестве энергии переноса тепла вместо работы компрессора тепловой энергии в парогенераторе значительно снижает общие затраты энергии на установку.

Для абсорбционной машины справедливо уравнение теплового баланса

.

Так как затраты энергии в абсорбционной холодильной машине производятся в виде тепловой энергии (в парогенераторе), то эффективность работы установки оценивается коэффициентом использования тепла

,

где T_o– температура окружающей среды.

Этот коэффициент связан с холодильным коэффициентом следующей зависимостью:

.

Вследствие своей простоты и невысокой стоимости абсорбционные холодильные машины нашли широкое применение. Наиболее распространенными веществами, используемыми в качестве рабочих тел в абсорбционных холодильных машинах, являются смесь воды и аммиака, а также воды и бромистого лития.

Контрольные вопросы для самопроверки пройденного материала

1. 
   Назовите основные виды холодильных машин.
   
2. 
   Какие рабочие тела применяются в холодильных машинах?
   
3. 
   Изобразите цикл Карно холодильной машины в P-V и T-S диаграммах.
   
4. 
   Какими характеристиками оценивается эффективность работы холодильной машины?
   
5. 
   Как определяется холодильный коэффициент?
   
6. 
   Запишите значение холодильного коэффициента цикла Карно.
   
7. 
   Изобразите схему воздушной холодильной машины.
   
8. 
   В чем отличие схем воздушной и парокомпрессионной холодильных машин.
   
9. 
   Изобразите цикл парокомпрессионной холодильной машины в P-V и T-S диаграммах.
   
10. 
    Запишите значение холодильного коэффициента воздушной холодильной машины.
    
11. 
    Запишите значение холодильного коэффициента ПКХМ.
    
12. 
    Что такое «холодильный агент» в холодильной машине?
    
13. 
    Дайте характеристику обратного циклического процесса.
    
14. 
    Для какого обратного цикла значение холодильного коэффициента максимально?
    
15. 
    Назовите достоинства и недостатки воздушной холодильной машины.
    
16. 
    Назовите достоинства и недостатки парокомпрессионной холодильной машины.
    
17. 
    Изобразите схему абсорбционной холодильной машины.
    
18. 
    Какие рабочие тела применяются в абсорбционных ХМ?
    
19. 
    Какой вид энергии используется для получения холода в абсорбционной ХМ?
    
20. 
    Приведите примеры использования холодильных машин в технике.
    

---

ГЛАВА 11. Истечение и дросселирование газов и паров
Движение газов и паров в каналах широко распространено на практике. В качестве канала обычно выступает трубопровод или система трубопроводов.

Работа многих тепловых машин основана на использование энергии движущегося потока рабочего тела. Во всех теплотехнических устройствах происходят процессы перемещения газов и паров с изменением параметров состояния рабочего тела. Для учета процессов течения рабочего тела в каналах наряду с известными уравнениями статической термодинамики необходимо рассмотреть ряд дополнительных вопросов, связанных с газовой динамикой.
11.1. Основные уравнения газовой динамики
Канал, в котором движется поток рабочего тела, может иметь различный профиль и переменное сечение (рис. 11.1).


Рис. 11.1. Характеристики канала и потока рабочего тела

Рассматривая наиболее простые вопросы динамики, сделаем следующие допущения:

Параметры потока не зависят от времени (стационарная задача).

Параметры потока меняются только в направлении основного движения рабочего тела (одномерная задача).

Не учитываются силы сопротивления трения.

Запишем уравнения сплошности для рассматриваемого потока газа:

.

Считая, что расход теплоносителя G не меняется, продифференцировав, получим

,

подставив , получим

или .

Таким образом, изменение скорости движения потока зависит как от изменения сечения канала, так и от изменения параметров состояния рабочего тела (удельного объема).

Запишем Первый закон термодинамики для потока, не учитывая потери энергии на трение газа:

или .

Закон сохранения энергии для движущегося рабочего тела имеет вид

или .

Сравнив эти уравнения, получим

.

После интегрирования получим, что изменение скорости потока газа связано с совершением технической работы

.

Рассмотрим некоторые частные случаи движения газа в канале:

а) адиабатное течение dQ=0:

.

.

.

При наличии трения к канале происходит торможение потока, то есть работа трения является технической работой.

Техническая работа, совершаемая потоком газа приводит к уменьшению его скорости и энтальпии.

б) течение газа из сосуда:

На рис. 11.2 представлен процесс истечения газа из сосуда.

---